Jak powstaje prąd ze słońca?

Słońce jako centralna gwiazda Układu Słonecznego od setek milionów lat daje życie i ogrzewa naszą planetę. Przez cały ten czas Słońce dostarcza nam energię, ale jest też impulsem do rozwoju cywilizacji ludzkiej. Niemal każdy  zna  wykorzystywanie  energii słonecznej  do  grzania, na przykład ze szkolnych doświadczeń, w których przy pomocy lupy i promieni słonecznych można doprowadzić do powstania  zapłonu np. kartki papieru.  

Efekt fotowoltaiczny lub zjawisko fotowoltaiczne 

Badania nad wykorzystaniem energii słońca były prowadzone przez wiele lat i wciąż są kontynuowane w czasach współczesnych, jednak z historii możemy się dowiedzieć ze dopiero w 1839 roku francuski fizyk Edmond Beqerel zaobserwował efekt fotowoltaiczny, w którym promieniowanie słoneczne zamienione zostało na energię elektryczną. Z efektów tego doświadczenia  korzystamy  do  dziś,  jednak w znacznie ulepszonej formie. Obserwacje francuskiego fizyka stały się początkiem  badań  nad  zjawiskami  związanymi z promieniowaniem słonecznym oraz wykorzystaniem ich w celu zamiany w energię elektryczną lub cieplną. Albert Einstain w 1905 r. zajął się kontynuacją  wyjaśnienia  teorii  efektu  fotowoltaicznego, wykorzystując hipotezę kwantów Plancka.  

Metoda Czochralskiego  

Polski  chemik i  metaloznawca Jan Czochralski, miał wpływ na rozwój wykorzystywania promieniowania słonecznego do produkcji energii elektrycznej. Polski  naukowiec  jest  wynalazcą powszechnie stosowanej metody otrzymywania monokryształów krzemu, która została nazwana od jego nazwiska  metodą  Czochralskiego.   

Fotowoltaika, czyli fizyki się nie oszuka

Fotowoltaika polega na bezpośrednim generowaniu energii elektrycznej z promieniowania słonecznego. Panele fotowoltaiczne zbudowane są z ogniw wykonanych z półprzewodników. Najczęstszym i najbardziej powszechnym materiałem wykorzystywanym do budowy ogniw jest krzem krystaliczny (c-Si). Bezpośrednio w ogniwach fotowoltaicznych zachodzi tzw. zjawisko fotowoltaiczne, w wyniku którego powstaje prąd stały (DC).  

Jak to możliwe, że w ogniwie występuje napięcie i płynie prąd elektryczny?  

W momencie gdy na ogniwo PV pada foton czyli jednostka światła, mogą zajść trzy sytuacje: 

• Odbicie światła od ogniwa – gdy światło nie pada prostopadle do urządzenia.  
• Przeniknięcie fotonu przez krzem.  
• Pochłonięcie fotonu przez krzem – czyli sytuacja na której zależy nam najbardziej. 

Półprzewodnikowa płytka krzemowa znajdująca się w ogniwie posiada barierę potencjału (zwykle złącze P-N). Padające fotony wybijają elektrony z materiału półprzewodnikowego  co umożliwia im swobodne poruszanie się w strukturze ogniwa, w wyniku czego powstają pary nośników energii, tj. elektrony (ładunek ujemny -) i tak zwane dziury czyli miejsca, w których znajdował się wybity elektron (ładunek dodatni +). Ze względu na to, że te ładunki są rozdzielane przez barierę potencjału, która występuje w materiale półprzewodnikowym, ładunki zaczynają się przemieszczać względem siebie – wówczas płynie prąd elektryczny. 

Kiedy fotowoltaika produkuje najwięcej prądu ze słońca? 

W celu zapewnienia optymalnych uzysków energetycznych kluczowe jest odpowiednie umiejscowienie paneli fotowoltaicznych. Powierzchnia absorbująca promieniowanie słoneczne musi być jak najdłużej ustawiona prostopadle do kierunku promieniowania. Uwzględniając szerokość geograficzną Polski, najlepsze wyniki uzyskują panele zamontowane w kierunku południowym, pod kątem 30-35 stopni względem gruntu. Wówczas inwestor uwzględniając cztery pory roku osiągnie najwyższą produkcje energii elektrycznej z każdego zainstalowanego kWp.  

Roczny strumień energii promieniowania słonecznego, które dociera do powierzchni Ziemi (1,76 x 1017) przekracza o ponad 30 tys. razy światowe roczne zapotrzebowanie na energię. Dlatego powszechnym stwierdzeniem jest fakt, że energia słoneczna jest niewyczerpanym źródłem energii.