Cum funcționează panourile fotovoltaice?

Probabil știi deja că panourile fotovoltaice produc curent electric care este folosit de consumatorii din locuință. Dar te-ai întrebat vreodată cum funcționează panourile fotovoltaice mai exact? În acest articol îți vom explica mai detaliat tehnologia care stă în spatele unui panou și alte lucruri esențiale care considerăm că ar fi de interes pentru tine.

Panoul sau modulul fotovoltaic este una dintre piesele de bază integrate în toate tipurile de sisteme fotovoltaice. Acestea produc curent electric continuu cu ajutorul luminii solare, care mai apoi este transformat de invertor în curent alternativ.

Principiul prin care funcționează panourile fotovoltaice   

Prima dată îți vom explica efectul fotoelectric, dar ca să înțelegi pe deplin cum funcționează panourile fotovoltaice va trebui să citești și despre componentele lor, care sunt enumerate explicativ în următorul capitol. 

Așadar efectul fotoelectric este un fenomen fizic care constă în generarea de curent electric în momentul în care radiația electromagnetică interacționează cu materialele semiconductoare. Această interacțiune creează un transfer energetic de la radiație la material, care determină eliberarea electronilor din acesta și, astfel, generarea de curent electric.

Îți explicăm pe scurt că radiația electromagnetică este energia care se deplasează sub formă de unde, prin vid sau materie. Este formată din două câmpuri interconectate, electric și magnetic, care interacționează cu particulele cu aceleași proprietăți. Radiația electromagnetică emisă de Soare este de mai multe tipuri: raze UV,  X,  gama și infraroșii, unde radio, microunde sau lumina vizibilă. Toate aceste forme de radiații electromagnetice enumerate mai sus, sunt compuse din fotoni. 

Acum, te rugăm să revii la paragraful doi al acestui capitol ținând cont că energia cinetică maximă a electronului eliberat este egală cu energia tipului de foton, minus bariera de potențial a materialului semiconductor.

Cum funcționează panourile fotovoltaice datorită componentelor

Așa cum ți-am promis în capitolul trecut, vei înțelege concret cum funcționează panourile fotovoltaice prin componentele din care sunt formate.

Celule fotovoltaice: Structura celulei fotovoltaice diferă în funcție de tipul de tehnologie care este aplicat, dar modalitatea de a produce curent este, în general, aceeași. Vom face o prezentare a unei celule cu siliciu (din care sunt făcute cele mai uzuale panouri - monocristaline sau policristaline), pornind de la stratul de deasupra:

• Stratul reflexiv: Este stratul subțire care are proprietatea de izolator electric (este dielectric) și de a reduce reflexia luminii de pe suprafața celulei și a crește astfel puterea de absorbție și randamentul acesteia. Acest strat poate fi din titan sau oxid de siliciu.
• Conductori electrici: Au rolul de a capta energia electrică produsă de celulă, fiind făcuți din materiale semiconductoare precum argintul sau cuprul.
• Stratul sau placa (wafer) din material semiconductor de tip N (negativ): Este ”dopată”, de exemplu, cu atomi de fosfor. Aceștia conțin mai mulți electroni de valență decât materialul și, astfel, creează un exces de electroni în placa de siliciu.
• Stratul sau placa din material semiconductor de tip P (pozitiv): Este ”dopată”, de exemplu, cu atomi de bor. Aceștia creează o lipsă de electroni în placa de siliciu. Aceste locuri unde lipsesc electronii se mai numesc și ”goluri”. 
• Substrat: Acesta este tratat cu un material anitireflexiv și dielectric. Ajută la transferul de curent și căldură și oferă o bază pentru celule. Poate fi din siliciu cristalin, aluminiu sau sticlă.

Acum, îți vom descrie procesele care au loc în celule, ca să explicăm cum funcționează panourile fotovoltaice:

Joncțiunea P-N

Imaginează-ți cele două plăci de siliciu cristalin de tip P și N care sunt puse una peste cealaltă. Odată unite, acestea vor avea o legătură numită joncțiune. Aici se va crea o regiune de epuizare (depletion region), care este formată din trei zone: 

• Zona din marginea plăcii P
• Zona din marginea plăcii N
• Zona dintre celelalte două - Zona de Golire

De ce nu funcționează panourile fotovoltaice noaptea:

Deoarece joncțiunea nu este polarizată (lipsa unei tensiuni aplicate din exterior). Electronii în surplus din placa N, migrează în zona din marginea plăcii P, unindu-se cu golurile. 

Prin urmare, zona din marginea plăcii P va avea sarcină negativă datorită electronilor atrași. Iar zona din marginea plăcii N va avea sarcină pozitivă datorită cedării de electroni.

Zona de golire va fi lipsită de purtători de sarcină, având efectul unei benzi izolatoare.

În regiunea de epuizare acționează simultan două forțe care nu lasă electronii să străpungă mai departe: forța de difuzie creată de diferența de concentrație dintre cele două margini și câmpul electric format de sarcini. 

De ce funcționează panourile fotovoltaice ziua:

Deoarece joncțiunea este polarizată direct (tensiune aplicată de fotoni). Fotonii vor trece prin cele două plăci și vor provoca fluxul electronilor prin placa N, respectiv fluxul golurilor prin placa P, către regiunea de epuizare, care se va subția. 

În acest moment câmpul electric pierde din forță. Electronii (și golurile) vor avea energia necesară de a străpunge regiunea de epuizare și vor difuza în plăci. În același timp se vor recombina aproape de joncțiune. Prin urmare, celula fotovoltaică va produce curent electric.

Revenim la celelalte componente care alcătuiesc un panou fotovoltaic funcțional: 

Sticlă de protecție: Pentru a proteja celulele dintr-un panou, acesta are în partea frontală un strat de sticlă cu proprietăți antireflexive, care poate fi securizată (tratată termic), sau rezistentă la intemperii (tratată cu un strat protector). Cea securizată este preferabilă deoarece are rezistență la daune prin lovituri, cauzate de intemperii și alți factori externi.

Încapsulant: Reprezintă straturile care oferă un înveliș complet celulelor, protejând împotriva umezelii și ajută la menținerea unei temperaturi constante a acestora. Materialele din care sunt făcute straturile de încapsulare includ sticla sau plasticul.

Placa din spate (backsheet): Este un strat rezistent la condițiile din exterior, fie din polietilenă, fie din poliester sau din florură de polivinil, care are rolul de a proteja interiorul panoului de praf, umiditate și alte elemente.   

Rama panoului: Are rolul de a proteja și de a oferi un punct de montare și poate fi din materiale inoxidabile precum din aluminiu sau oțel. Rama are inclus un sgilator din silicon pecum geamurile termopane.

Cutia de joncțiune (juncțion box): Se află pe spatele panoului și conține elemente care au rolul de a proteja panoul de tensiuni inverse și supraîncălzire, și de a conecta celulele într-un circuit care mai apoi este conectat la un cablu extern.

În final, avem convingerea că ai înțeles pe deplin cum funcționează panourile fotovoltaice și modul în care au loc procesele într-o celulă. Energia regenerabilă este o resursă neprețuită, care prin capacitatea noastră de a o valorifica, poate ajuta la creșterea calității vieții și a mediului înconjurător.