Panele amorficzne – czym są?

Zaletą elektrowni słonecznych jest również ich nieskomplikowanie oraz prawie bezobsługowa praca.

Za przetworzenie energii promieniowania słonecznego w prąd elektryczny odpowiadają panele fotowoltaiczne. Ich kluczowym elementem są materiały półprzewodnikowe, o właściwościach oscylujących między izolatorami a doskonale przewodzącymi prąd metalami. Cechą charakterystyczną półprzewodników jest silna zależność przewodnictwa elektrycznego od warunków zewnętrznych, takich jak temperatura czy poziom promieniowania słonecznego. W odróżnieniu od metali przewodnictwo półprzewodników rośnie ze wzrostem temperatury. Jednym z półprzewodników o najszerszym spektrum zastosowania w elektronice, w tym na potrzeby wytwarzania paneli fotowoltaicznych jest krzem. 

Jak działają panele fotowoltaiczne?

Panel fotowoltaiczny to zbiór połączonych szeregowo, zespolonych aluminiową ramą kilkudziesięciu ogniw światłoczułych w formie cienkiej, krzemowej płytki. Poddaje się ją procesom technologicznym, obejmującym między innymi pokrycie jednej strony cienką warstwą fosforu, drugiej z kolei pierwiastkami XIII grupy układu okresowego (np. glinem). Dodatek tego pierwszego powoduje pojawienia się dodatkowych elektronów swobodnych w powłoce krystalicznej i powstanie złącza naładowanego ujemnie typu n (negative). Dodatek pierwiastków XIII grupy natomiast sprawia, że otrzymujemy złącze typu p (positive) i pojawienie się w sieci krystalicznej „dziur” o ładunku dodatnim. Zetknięcie się tych dwóch przeciwnych biegunów wytwarza pole elektryczne, określane jako bariera potencjałów (złącze p-n). Padający na powierzchnię ogniwa foton światła uwalnia elektron, który poprzez łącze p-n przedostaje się do powierzchni n, skąd za pomocą sieci ścieżek przedostaje się poza ogniwo. Proces ten nosi nazwę efektu fotowoltaicznego, którego następstwem jest wytwarzanie prądu elektrycznego. 

W przeciwieństwie do paneli mono- i polikrystalicznych, które składają się z zespołu połączonych szeregowo ogniw, cały panel amorficzny jest pojedynczym ogniwem fotowoltaicznym. Krzem amorficzny (a-Si) to odmiana alotropowa – w odróżnieniu od mono- i polikrystalicznego jego atomy nie są uporządkowane w krystaliczną strukturę. W procesie wytwarzania ogniw amorficznych krzem poddawany jest procesowi dyfuzji (samorzutnego przenikania cząsteczek) z wodorem, a następnie nanoszony (napylany) na podłoże w postaci szkła lub tworzywa sztucznego. 

Poziom pochłaniania światła słonecznego przez panele amorficzne jest nawet 40-krotnie (!) wyższy niż w przypadku paneli polikrystalicznych. Dlatego też warstwa grubości 1 μm potrafi zaabsorbować do 90% docierającej do niej energii. Na niski koszt wytworzenia tego typu paneli PV wpływa niewielkie zużycie krzemu (którego koszt stanowi około połowy kosztu wytworzenia paneli mono- i polikrystalicznych), niski koszt podłoża, na który są nanoszone oraz stosunkowo niska temperatura procesu technologicznego, czyli oszczędność energii. Znacznie lepiej niż panele mono- i polikrystaliczne znoszą wysokie temperatury pracy przy mocnym nasłonecznieniu.

Niestety, panel amorficzny ma również istotne wady. Pierwszą z nich jest występowanie tak zwanego efektu degradacyjnego Staeblera-Wrońskiego, czyli wzrost konduktywności (przewodnictwa) krzemu wraz z upływem czasu. Może on spowodować spadek efektywności ogniw nawet do 40% wartości początkowej. Efekt Staeblera-Wrońskiego jest odwracalny, wymaga jednak odpowiedniej regeneracji modułu PV poprzez jego „wygrzewanie” w określonej temperaturze przez określony czas. Kolejne wady to między innymi szybsza utrata wydajności w porównaniu z panelami pierwszej generacji, niemożność użytkowania z niektórymi typami inwerterów oraz niższa wytrzymałość mechaniczna i żywotność około 10 lat. Realna sprawność (zdolność generowania prądu) paneli z krzemu amorficznego w praktyce nie przekracza 10%. Z tego też powodu uzyskanie określonej mocy instalacji wymaga zabudowania nimi znacznie większej powierzchni niż w przypadku modułów mono- i polikrystalicznych.