Baza wiedzy

Ogniwa monokrystaliczne - co to jest?

Na rynku dostępnych jest kilka rodzajów paneli fotowoltaicznych, które charakteryzują się innymi zastosowaniami i właściwościami oraz stopniem zaawansowania. Do najpopularniejszych ogniw fotowoltaicznych należą monokrystaliczne i polikrystaliczne. Ogniwa monokrystaliczne to jeden z dwóch podstawowych typów ogniw słonecznych I generacji. Wprowadzenie modułów monokrystalicznych pozwoliło na produkcje paneli słonecznych o dużej wydajności i trwałości. Deklarowana (i zbadana!) trwałość paneli to nawet 30 lat pracy! Czym różnią się panele monokrystaliczne od polikrystalicznych? Czym charakteryzują się panele fotowoltaiczne monokrystaliczne?

Panel monokrystaliczny – co to jest?

Jeśli widzimy na dachach nieruchomości ogniwa PV w kolorze czarnym, to najprawdopodobniej są to panele monokrystaliczne, które są najbardziej zaawansowane i nowoczesne. W chwili obecnej jest to bez wątpienia najlepsza z dostępnych opcji. Przede wszystkim dlatego, że charakteryzują się one największą efektywnością. Stawiając na monokrystaliczne panele można liczyć na najwydajniejszą produkcję energii elektrycznej przy wykorzystaniu stosunkowo małej powierzchni. Oznacza to, że wytwarzane metodą Czochralskiego ogniwa fotowoltaiczne monokrystaliczne dają najwięcej mocy, co przekłada się na mniejszą ilość paneli na dachu.

Ogniwa monokrystaliczne to bardziej sprawna instalacja fotowoltaiczna

Przewagą modułów monokrystalicznych jest ich trwałość i wydajność. Pozwalają one na uzyskanie sprawności na poziomie ponad 20%! Dla porównania tańsze moduły polikrystaliczne dają jedynie 16% do 19% sprawności przy takiej samej powierzchni.

Panele słoneczne na farmie fotowoltaicznej – ogniwa monokrystaliczne paneli I generacji są koloru czarnego

Ogniwa monokrystaliczne oferują jednocześnie trwałość na poziomie 25-30 lat!

Zastosowanie paneli monokrystalicznych jest więc sposobem na optymalną i trwałą instalację. Taka instalacja będzie pracować latami bez znaczącego spadku sprawności. Warto zaznaczyć, że jest to technologia I generacji, której oceny możemy już dokonywać z perspektywy czasu. 25-30 lat to nie tylko deklaracja jednego producenta, lecz faktyczna, zweryfikowana w praktyce trwałość elementów już zainstalowanych na całym świecie.

Jak powstają ogniwa monokrystaliczne?

Ogniwa monokrystaliczne to tak naprawdę pocięty kryształ kwarcu. Jednak aby go uzyskać trzeba nie lada zachodu! Najczęściej stosuje się proces Czochralskiego:

Produkcja ogniw monokrystalicznych składa się z kilku etapów:

1. W specjalnym tyglu rozpuszcza się (topi) kryształy krzemu. Z wielu drobnych i nieuporządkowanych kawałeczków można uzyskać masę do produkcji jednolitego kryształu o dużej masie.
2. Do płynnej masy wprowadza się malutki kawałek, tak zwany zarodek. Wokół niego zacznie niebawem narastać kryształ.
3. Aby zachować równomierność rozkładu temperatury, masę wprowadza się w ruch obrotowy. Dzięki temu temperatura wewnątrz i kadzi jest stała i nie wytrącają się w niej przypadkowe kryształy.
4. Wokół zarodka narasta uporządkowana struktura kwarcu – czyli kryształ. Co ciekawe, przyrastający kryształ posiada dokładnie taką samą strukturę i uporządkowanie co zarodek.
5. Zarodek powoli wysuwa się, co w połączeniu z ruchem obrotowym prowadzi to powstania cylindrycznego rdzenia.
6. Dzięki regulacji prędkości obrotu rdzenia oraz tempa jego wysuwu można kontrolować jego długość i szerokość. To ważne, bo pozwala na produkcję ogniw różnej wielkości i oszczędniejsze operowanie materiałem.
7. Tak przygotowany rdzeń jest docinany w formę bloku o zaokrąglonych rogach. To etap przygotowania go do dalszej obróbki. Bywa jednak, że plastry tnie się w formę plastra miodu.
8. Za pomocą stalowej nici lub lasera blok jest cięty w równe plastry. Każdy plaster ma grubość około od 0,1 do 0,3 mm. Jeśli myślisz, że to mało to zaskoczy Cię fakt, że technologię tą nazywamy ogniwami grubowarstwowymi.
9. Tak powstają płytki o ładunku p-. Aby stworzyć działający panel, część płytek należy poddać dodatkowej obróbce. Wzbogaca się je o pierwiastki, które łatwo gubią elektrony, np. fosfor, co pozwala na uzyskanie płytek o ładunku n.
10. Obie płytki łączy się, co pozwala na uzyskanie złącza p-n, istotnego w procesie fotowoltaicznym. Dzięki niemu w ogniwie zaczyna płynąć prąd.
11. Tak przygotowane ogniwa umieszcza się na podłożu, które jest elektrodą dodatnią, a następnie pokrywa elektrodą ujemną. Elektroda ujemna musi być jak najcieńsza, żeby jednocześnie móc przewodzić prąd, ale bez zasłaniania cennej powierzchni ogniw! Widoczna część ogniw umieszczonych na panelach jest więc częścią ujemną instalacji.
12. Aby lepiej wykorzystać słońce, ogniwa pokrywa się warstwami antyrefleksyjnymi. Dzięki nim mniej światła odbija się, a więcej “pracuje” wewnątrz ogniwa. W niektórych technologiach umieszcza się nawet dodatkowe warstwy od spodu panelu, które mają odbić i powtórnie wykorzystać część promieni.

Ogniwa fotowoltaiczne – ogniwa monokrystaliczne paneli I generacji połączone szeregowo w panele. Panele łączy się w instalację o pożądanej mocy.

Czy wielkość ogniw monokrystalicznych ma znaczenie?

Wielkość ogniw monokrystalicznych słonecznych ma znaczący wpływ na jakość i wydajność panelu. Im większe są pojedyncze ogniwa, tym większy jest procentowy udział powierzchni pracującej w całym panelu. Wielkość wpływa jednak na cenę, ponieważ koszt produkcji ogniw jest proporcjonalny do średnicy ogniwa. Z punktu widzenia praktycznego wielkość ogniwa nie ma jednak dużego znaczenia, ponieważ istotne dla instalacji parametry wyznacza wielkość i moc całego układu ogniw, czyli panelu słonecznego.

Jak rozpoznać ogniwo monokrystaliczne?

Ogniwa monokrystaliczne są jednolitego, czarnego koloru. Najczęściej mają formę kwadratów o ściętych rogach. Często rogi te są też wyoblone, co wynika z technologii ich produkcji i cięcia stożków.

Zestawienie ogniwa polikrystalicznego i monokrystalicznego. Widoczne są różnice w budowie krystalicznej.

Ogniwa monokrystaliczne i polikrystaliczne – różnice

Panele monokrystaliczne czy polikrystaliczne? Zdecydowanie lepszym wyborem są te pierwsze, ponieważ mają bardziej zaawansowaną i nowoczesną strukturę, która sprawia, że można zamontować mniejszą liczbę paneli i liczyć na lepszy stosunek wytworzonej energii do powierzchni. Oczywiście, oba systemy mają swoje wady i zalety. Różnica polega też na tym, że ogniwo polikrystaliczne jest zauważalnie tańsze, jednak w ostatecznej ocenie najważniejsza jest wydajność. Na tym polu zdecydowanie wyższa wydajność leży po stronie monokryształu.

Jakie są inne rodzaje ogniw fotowoltaicznych?

Na rynku dostępne są także inne typy paneli, które są jednak mniej popularne. Pierwszym z nich są panele z ogniw CIGS, które zbudowane są z pierwiastków miedzi, indu, selenu i galu. Mimo że ich nazwa brzmi nieco technicznie, to w dużym stopniu ustępują ogniwom polikrystalicznym czy monokrystalicznym. Panele z ogniw CdTE mają charakterystyczny czerwony kolor i zbudowane są głównie z tellurku kadmu, który stanowi półprzewodnik, a ich sprawność oscyluje w granicach 12-18%. Panele z krzemu amorficznego są najsłabsze spośród paneli pierwszego typu. Panele tego typu osiągają wydajność jedynie na poziomie 6-10% i mają niebieski kolor.