Archiwa tagu: krzem

Energia słoneczna

Słońce jest kulą zjonizowanego gazu składającego się głównie z gazów lekkich wodoru (74%) i helu (24 %), która emituje w przestrzeń kosmiczną olbrzymie ilości energii (natężenie promieniowania słonecznego wynosi 3,827×1026 W i jest emitowana radialnie).

Energia słoneczna

Do powierzchni ziemi dociera znaczna część energii promieniowania słonecznego, przy czym wielkość ta uzależniona jest od wielu czynników, z których najważniejsze to:
pora roku (wysokość słońca nad horyzontem i tym samym kąt padania promieni słonecznych na powierzchnię modułu fotowoltaicznego),
długość drogi promieniowania słonecznego jaką musi przejść przez atmosferę ziemską ,
zachmurzenie (w tym również wilgotność).

Gdyby nie było chmur i powietrza w atmosferze ziemskiej, wtedy do każdego miejsca na ziemi – zlokalizowanego pod określonym kątem do promieni słonecznych – docierała by taka sama wartość energii. Po drodze do Ziemi promieniowanie słoneczne ulega jednak znacznemu osłabieniu w związku z występowaniem gazów oraz cząstek stałych w atmosferze ziemskiej oraz z uwagi na zjawisko odbicia, pochłaniania oraz rozproszenia promieniowania słonecznego.

Energia promieniowania słonecznego docierająca do ziemi może być przetworzona na inne rodzaje energii (najczęściej cieplna i elektryczna). Skuteczność przetwarzania energii promieniowania słonecznego na energie elektryczną wynosi:
moduły fotowoltaiczne (14- 20 % – dla krzemu Si),
kolektory grzewcze (min. 45-50 % i zależy m.in. od rodzaju kolektora, warunków zewnętrznych oraz od rodzaju zastosowanego czynnika).

Energia słoneczna
W przypadku modułów fotowoltaicznych, w zależności od rodzaju zastosowanego materiału półprzewodnikowego, energia promieniowania słonecznego będzie przetwarzana na energię elektryczną w różnym zakresie widmowym. Dla krzemu (Si) wartością graniczną jest fala elektromagnetyczna o długości 1100 nm (energią 1,1eV), która odpowiada za uwolnienie elektronu z ostatniej powłoki krzemu. Oczywiście fala elektromagnetyczna o długościach krótszych również pracuje przy krzemie jako, że niesie ze sobą wyższą energię promieniowania od energii uwolnienia elektronu z ostatniej powłoki atomu Krzemu (Si) – promieniowanie słoneczne pracuje w szerokim zakresie długości fali od 200 – 1100 nm i obejmuje ultrafiolet, promieniowanie widzialne oraz część zakresu podczerwieni.

Jednym z ważniejszych czynników wpływających na osłabienie natężenia promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni ziemi jest atmosfera ziemska na którą składają się gazy, pyły oraz para wodna.

Największa energia promieniowania słonecznego dociera prostopadle do powierzchni ziemi, czyli w rejonie równika, gdzie występuje najkrótsza droga promieniowania słonecznego przebiegająca przez atmosferę ziemską.
Kąt nachylenia promieniowania słonecznego do powierzchni ziemi zmienia się również wraz z porą rokuzimą dla dowolnej lokalizacji zlokalizowanej na terenie Polski słońce znajduje się dużo niżej na horyzoncie i tym samym max. natężenie promieniowania słonecznego jakie dociera do Ziemi wynosi max. 500 W/m2, natomiast w okresie letnim promieniowanie słoneczne może nieść ze sobą energię wyższą niż 1000 W/m2 (słońce wtedy jest najwyżej i najdłużej na horyzoncie).

Słońce jest niewyczerpalnym źródłem energii, która dociera do ziemi i którą warto zagospodarować również na potrzeby pojedynczych gospodarstw domowych. Jest to energia która na początku wymaga dokonania inwestycji i później korzystamy z niej przez okres kilkudziesięciu lat (ponosząc tylko niewielkie koszty związane z utrzymaniem instalacji – zarówno fotowoltaicznej jak i grzewczej).

Energia słoneczna

Krzem w fotowoltaice

Krzem jest pierwiastkiem, którego udział w skorupie ziemskiej stanowi ok. 26%. Jest to główny czynnik decydujący o tym, że ponad 90 % wszystkich produkowanych modułów fotowoltaicznych na świecie wykonana jest z jego udziałem (amorficzne, polikrystaliczne oraz monokrystaliczne). Innym czynnikiem decydującym o tak dużym rozpowszechnieniu krzemu w produkcji modułów fotowoltaicznych jest dojrzałość technologii produkcji, która dzięki efektowi skali pozwala na obniżenie kosztów produkcji.

Krzem w fotowoltaice

Krzem jest pierwiastkiem o liczbie atomowej 14 i posiada własności półprzewodnikowe. W przypadku fotowoltaiki krzem domieszkowany jest Borem (B) oraz Fosforem (P) w celu poprawy własności półprzewodnikowych. Płytka krzemowa w fotowoltaice stanowi odpowiednik diody półprzewodnikowej stosowanej w elektronice (właściwości fotodiody, dla której wzrost prądu następuje wraz ze wzrostem natężenia światła padającego na płytkę krzemową).

Krzem wykorzystywany jest zarówno w produkcji elektroniki (stosuje się krzem o czystości min. 9N), jak również w fotowoltaice (czystość 6 – 8 N). Czystość krzemu ma zasadniczy wpływ na osiągane moce modułów fotowoltaicznych, a dodatkowo w dużej mierze determinuje żywotność modułów fotowoltaicznych.

Podczas produkcji bloków krzemowych mono i polikrystalicznych wykorzystuje się procesy metalurgiczne, które są najbardziej energochłonnymi w całym procesie technologicznym produkcji modułów fotowoltaicznych.

Krzem w fotowoltaice

W czasie całego procesu produkcji modułów fotowoltaicznych musimy dostarczyć energię, która odpowiada ok. 20 % energii możliwej do uzyskania podczas późniejszej pracy instalacji fotowoltaicznej.Jest to możliwe dzięki ciągłemu postępowi technologicznemu, który sprawia, że aktualnie powszechnie stosowane grubości płytek krzemowych wynoszą 0,18 – 0,2 mm – płytki krystaliczne. Warstwy amorficzne posiadają jeszcze mniejszą grubość (1 – 5 mikrometrów) i tym samym koszt energii i krzemu niezbędny do ich wytworzenia jest dużo niższy niż w technologii krystalicznej.

Wartym podkreślenia jest fakt, że przy produkcji ingotów monokrystalicznych najczęściej wykorzystuje się technologię opracowaną na początku 20 wieku przez polskiego uczonego Jana Czochralskiego. Polega ona na stopieniu krzemu w pojemniku, z którego następnie wyciągany jest monokryształ Si w postaci okrągłego walca. Przy produkcji polikryształów Si również pierwszym etapem jest stopienie krzemu, który następnie krzepnie z kontrolowaną szybkością tworząc bloki krzemowe polikrystaliczne (zwane ingotami).

Z tak powstałych ingotów poprzez cięcie najczęściej drutem powstają cienkie płytki krzemowe zwane waflami (ang. Wafer). Następnie następuje domieszkowanie górnej i dolnej warstwy wafera odpowiednio borem i fosforem oraz nanoszenie na górnej warstwie ścieżek przewodzących prąd elektryczny (stop srebra).

Krzem krystaliczny ma kolor stalowy, jednakże płytki krzemowe stosowane w fotowoltaice posiadają barwę niebieska, którą uzyskuje się w wyniku azotowania (azotowanie podnosi skuteczność pochłaniania promieniowania słonecznego i tym samym wydajność płytki krzemowej).

Drugim bardzo ważnym pierwiastkiem wykorzystywanym podczas produkcji płytek krzemowych jest srebro, które występuje w stopach cynowo-ołowiowych w formie ścieżek przewodzących prąd elektryczny (wytworzony w płytce krzemowej).
Pojedyncza płytka krzemowa jest w stanie wygenerować prąd elektryczny rzędu 8 [A] – oczywiście przy odpowiednich warunkach nasłonecznienia.

Podstawową zasadą fizyki wykorzystywaną w fotowoltaice jest zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne – bazujące na teorii kwantów opracowanej przez Alberta Einsteina.

Krzem w fotowoltaice