Jak działa instalacja fotowoltaiczna?

Jak działa fotowoltaika? Panele fotowoltaiczne zwane też panelami słonecznymi zrobione  są z ogniw krzemowych w których zachodzi reakcja która, zamienia energię słońca na prąd stały. Falownik inaczej inwerter  zamienia prąd stały na prąd zmienny, czyli na taki jaki mamy w naszych gniazdkach. Dalej prąd płynie przez układ zabezpieczający i licznik prosto do sieci lub jest zużywany na bieżąco. Tak w wygląda to ekspresowym skrócie

Ale jak to się dzieje, że panele fotowoltaiczne generują prąd stały?

Ogniwa fotowoltaiczne konstruuje się z materiałów półprzewodnikowych,  najczęściej z krzemu.  Atomy krzemu mają 4 elektrony w ostatniej powłoce a prawa fizyki mówią, że tylko elektrony z ostatniej powłoki biorą udział w wiązaniach chemicznych. Wynika z tego również że atom dąży do momentu w którym w ostatniej powłoce osiągnie oktet czyli 8 elektronów,  aby to zrobić i uzupełnić cztery elektrony do ośmiu,  atom krzemu łączy się czterema innymi atomami krzemu w taki sposób, aby każdy elektron z ostatniej powłoki  pierwszego atomu łączył się w parę z jednym elektronem innego atomu.  Każdy kolejny atom uzupełnia się następnymi i tak dalej… także każdy ma czterech sąsiadów (oczywiście z wyjątkiem tych na krawędzi krzemu). W ten sposób powstaje regularna siatka atomów czyli kryształ. Ogniwa fotowoltaiczne wykonuje się nie z samego krzemu ale z dwóch warstw krzemu z domieszką innych atomów charakteryzujących się inną ilością elektronów w ostatniej powłoce. Na przykład używany jest fosfor który ma 5 elektronów. Natomiast zdecydowana większość atomów to wciąż krzem który narzuca strukturę taką jak poprzednio, której każdy atom łączy się z czterema sąsiadami. Wobec tego atom domieszki ma 5 swoich elektronów i 4  przyswojone od sąsiadów czyli w sumie 9 a nie 8. Dlatego jeden elektron jest nie przywiązany do jądra atomowego i może poruszać się swobodnie po całym materiale a więc może przewodzić prąd. W drugiej płytce występuje domieszka która ma 3 elektrony w ostatniej powłoce, np  Bor. Atom Boru ma 3 elektrony i  w połaczeniu z 4 elektronami krzemu  ma ich w  sumie 7 elektronów z zasady, w której mowa wcześniej on  dąży do tego aby mieć ich 8. Skłonny jest zatem zapełnić tę dziurę przyciągając elektron z sąsiedniego atomu  powodując tym samym brak elektronu w sąsiednim atomie,  w którym robi się tzw „dziura”.  Ta „dziura” to nic innego jak brakujący elektron w ostatniej powłoce (czyli brakujący do oktetu). W  efekcie przeskakiwania elektronów te „dziury” przemieszczają się w taki sposób jakby to były cząstki. Skoro „dziura” jest brakiem elektronów to zachowuje się jakby miała ładunek dodatni i może brać udziału w przewodzeniu prądu. Czyli de facto tak samo wolny elektron jak i tak zwana  przez nas „dziura” są nośnikami ładunku.  „Dziury” mają dodatni ładunek tzw Positive (P) natomiast wolne elektrony mają ładunek ujemny tzw Negative (N). Tak oto powstają nam rodzaje warstw P i N. Min. drgania atomów spowodowane temperaturą, która jest powyżej zera bezwzględnego powodują ,że zdarza się że spontaniczne wyrwanie się elektronu z wiązania atomowego, który staje się elektronem swobodnym  a wiec nośnikiem ładunku. W miejscu w którym on wcześniej był powstaje tak zwana „dziura” która również jest nośnikiem ładunku.

W momencie gdy pada foton na atom, elektron może przyjąć jego energię do uwolnienia się od jądra atomu, a w miejscu po elektronie powstanie tak zwana „dziura”. W tym momencie  generuje się nam para elektron-„dziura”, tak samo jak w przypadku drgań termicznych. Tylko w tamtym przypadku występuję to na dużo większą skalę.

Elektrony przemieszczają się do obszaru naładowanego ujemnie, a „dziury” do obszaru dodatnio naładowanego. W efekcie tego, powstają  odwrotnie naładowane pola elektryczne, których potencjał nieustannie wzrasta . Zakładając, że nasze ogniwo fotowoltaiczne (nasz kawałek krzemu) jest  podłączony do zewnętrznego obwodu  zwiększona ilość elektronów w obszarze N będzie powodować ich wypychanie do przewodu. Wybierając drogę najmniejszego oporu popłyną one przez obwód i wpadną do drugiej końcówki naszego krzemu  czyli do obszaru P w którym mamy nadmiar „dziur”.  Elektrony wpadną w miejsce gdzie jest nadmiar dziur i z rekombinują się z nimi.  W momencie gdy będą padać kolejne fotony  które będą generować kolejne pary elektron-„dziura” proces będzie się powtarzał czyli w skrócie do kiedy będzie świecić światło w obwodzie będzie płynąć prąd.