Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 

1

 

Ćwiczenie 

nr 6

 

Temat ćwiczenia:  

Ogniwo fotowoltaiczne  
a  –  b)Wyznaczenie  zależności  natężenia  prądu 
fotoogniwa  od  kąta  padania  światła  i  odległości 
modułu od źródła światła. 
c)Wyznaczenie charakterystyki  
napięciowo - prądowej ogniwa fotowoltaicznego.  

Konspekt 

Nr zespołu: 

Wydział, rok, grupa: 

Data 

Ocena 

Nazwisko i imię 

Teoria 

Wykonanie ćwiczenia 

Końcowa z ćwiczenia 

1. 

 

 

 

2. 

 

 

 

Elementy układu: 

1)  moduł fotowoltaiczny, 
2)  miernik (amperomierz i woltomierz) 
3)  komplet przewodów, 
4)  żarówki różnych typów i mocy, 
5)  moduł obciążenia, 
6)  lampa, 
7)  kątomierz, 
8)  linijka 

 

 
1. Wprowadzenie 
Podstawowy  konwerter  używany  do  zamiany  energii  słonecznej  na  elektryczną  za  pomocą  efektu 

fotowoltaicznego, nazywany jest ogniwem fotowoltaicznym lub słonecznym.  

Istnieje  wiele  różnych  typów  ogniw  fotowoltaicznych  w  zależności  od  używanego  materiału 

(krzem,  półprzewodniki  złożone,  półprzewodniki  organiczne,  itd.)  i  struktury  materiału 

(monokrystaliczna, polikrysztaliczna, amorficzna). 

Ogniwa fotowoltaiczne dzielimy na:  

a). Ogniwa fotowoltaiczne z krzemu monokrystalicznego.  

b)Ogniwa fotowoltaiczne z krzemu polikrystalicznego.  

c) Cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne z krzemu amorficznego.  

d) Cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne ze związków półprzewodnikowych:  

- CdTe (tellurek kadmu),  

-CIS- CuInSe

2

 (selenek indowo-miedziowy - CIS).  

Najpowszechniejszym  materiałem  używanym  do  produkcji  ogniw  jest  krzem.  Największe 

sprawności  przetwarzania  promieniowania  słonecznego  (do  30  %)  uzyskuje  się  z  ogniw 

wytworzonych z arsenku galu (GaAs), ale ogniwa te są najdroższe.  

 

 
Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 

2

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych 

a)  Ogniwa  z  krzemu  monokrystalicznego  wykonywane  są  płytek  o  kształcie  okrągłym,  a 

następnie  przycinane  na  kwadraty  dla  zwiększenia  upakowania  na  powierzchni  modułu. 

Monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne wykazują najwyższe sprawności konwersji. W badaniach 

laboratoryjnych  pojedyncze  ogniwa  osiągają  sprawności  rzędu  24%.  Ogniwa  produkowane  na 

skalę masową mają sprawności około 17%. 

b)  Polikrystaliczne  ogniwa  krzemowe  wykonane  są  z  dużych  prostopadłościennych  bloków 

krzemu,  wytwarzanych  w  specjalnych  piecach,  które  powoli  oziębiają  roztopiony  krzem,  aby 

zainicjować  wzrost  polikryształu  o  dużych  ziarnach.  Bloki  te  są  cięte  na  prostokątne  płytki,  w 

których  również  formowana  jest  bariera  potencjału.  Polikrystaliczne  ogniwa  są  trochę  mniej 

wydajne niż monokrystaliczne 9 –12% , ale ich koszt produkcji jest też trochę niższy. 

c) Ogniwa z krzemu amorficznego posiadają sprawność rzędu 4 - 8% i są powszechnie używane 

w urządzeniach wymagających małej mocy zasilania (kalkulatory kieszonkowe, zegarki, itp.). 

Opracowuje  się  ogniwa  fotowoltaiczne  z  krzemu  amorficznego  o  sprawności  rzędu  14%,  co  dla 

modułu fotowoltaicznego pozwala na osiągnięcie sprawności rzędu ok

. 

8-10 %. 

Zaletami ogniw wytworzonych z krzemu amorficznego są: niski koszt materiału, niewielkie zużycie 

energii przy produkcji modułu (głównie dzięki niskiej temperaturze procesu), możliwość osadzania 

na giętkich podłożach, zintegrowane połączenia ogniw i możliwość uzyskania dużych powierzchni. 

Ogniwa i moduły mogą być produkowane w dowolnych kształtach i rozmiarach 

d)  Ogniwa  cienkowarstwowe  są  mniej  sprawne  od  najlepszych  ogniw  z  krzemu  krystalicznego 

wykonane  są  z  krzemu  amorficznego  (a-Si)  i  jego  stopów  (a-SiGe,  a-SiC).  Innymi  przykładami 

ogniw  cienkowarstwowych  są  tellurek  kadmu  (CdTe)  i  selenek  indowo-miedziowy  (CIS  -  copper 

indium diselenide), a ich sprawność wynosi 6-9 %.  

Najlepsze moduły konstruowane są do zastosowań kosmicznych i mają sprawności powyżej 20 % i 

zawierają ogniwa słoneczne z arsenku galu o sprawnościach dochodzących do 30%. 

e)  Ogniwa  podwójne  i  potrójne.  Obecnie  opracowywana  jest  technologia  pojedynczych, 

podwójnych  i  potrójnych  ogniw  fotowoltaicznych.  Ogniwa  potrójne  osiągnęły  w  skali 

laboratoryjnej sprawność 13 % . 

Ogniwo  fotowoltaiczne  jest  podstawowym  elementem  systemu  fotowoltaicznego.  Pojedyncze 

ogniwo produkuje zazwyczaj pomiędzy moc rzędu 1 a 2 [W]. Dla uzyskania większych napięć lub 

prądów  ogniwa  łączone  są  szeregowo  lub  równolegle  tworząc  tym  samym  moduł  fotowoltaiczny. 

Moc  takich  modułów  (o  powierzchni  od  0,3  do  1  m

2

)  wyrażana  jest  w  watach  mocy  szczytowej 

(zwykle  kształtuje  się  pomiędzy  30  a  120  Wp.  i  zawierają  od  18  do  180  monokrystalicznych  lub 

polikrystalicznych ogniw krzemowych. 

 
Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 

3

Moc szczytowa Wp – (watt peak), zdefiniowana jest jako moc dostarczana przez nie w warunkach 

standardowych  (STC),  tj.  przy  promieniowaniu  słonecznym  AM1.5  o  mocy  1000  W/m

2

  i 

temperaturze otoczenia T= 25°C .

 

Promieniowanie słoneczne docierając do  powierzchni Ziemi ma do pokonania atmosferę ziemską, 

której relatywna szerokość ulega zwiększeniu w miarę wzrostu szerokości geograficznej. 

Wartości dla odpowiednich szerokości geograficznych są następujące: 

AM 1 – H = 90 

0

; AM 1,2 – H = 56,4

0 

; AM 1,5 – H = 41,8 

0

; AM 2 – H = 30 

0

 ;AM 4 – H = 14,5 

0 

Ś

rodkowoeuropejska szerokość geograficzna -AM1,5. 

Jednostka AM- jest względną masa powietrza (air mass). 

AM  jest  to  stosunek  drogi  pokonywanej  przez  promieniowanie  słoneczne  (dla  danego  położenia 

Słońca)  przy  przechodzeniu  przez  atmosferę  ziemska  do  jej  minimalnej  długości  (do  odległości 

Słońca położonego pod katem prostopadłym do powierzchni Ziemi- zenicie nad równikiem). 

Typowe  ogniwo  fotowoltaiczne  jest  to  płytka  półprzewodnikowa  z  krzemu  krystalicznego  lub 

polikrystalicznego,  w  której  została  uformowana  bariera  potencjału  np.  w  postaci  złącza  p-n. 

Grubość płytek zawiera się w granicach 200 - 400 mikrometrów. Na przednią i tylnią stronę płytki 

naniesione są metaliczne połączenia, będące kontaktami i pozwalające płytce działać jako ogniwo 

fotowoltaiczne. 

Nowo opracowane ogniwa składają się z fotoczułej warstwy amorficznego materiału organicznego 

naniesionego  na  cienką  warstwę    np.  dwutlenku  tytanu.  Działanie  ogniwa  opiera  się  na  tym,  że 

fotony  promieniowania  słonecznego  uderzając  w  fotoczułą  warstwę  "wybijają"  elektrony,  które 

prze-chodzą do warstwy dwutlenku tytanu i w efekcie tworzy się prąd elektryczny. Zawdzięczamy 

to  tzw.  efektowi  fotowoltaicznemu  w  półprzewodnikach,  który  zachodzi  w  konwerterach  energii 

zwanych ogniwami fotowoltaicznymi. Pod wpływem promieniowania słonecznego absorbowanego 

(skupianego)  przez  półprzewodnik  z  barierą  potencjału  (złącze  p-n,  złącze  p-i-n,  heterozłącze) 

następuje  generacja  ujemnego  ładunku(elektronu)  i  dodatniego  ładunku  (dziury).  Ładunki  te  są 

rozdzielane  przez  barierę  potencjału,  następnie  zbierane  na  elektrodach  zewnętrznych.  Kiedy  do-

łączone  jest  obciążenie  to  przepływa  przez  nie  prąd  i  wykonywana  jest  praca  (np.  świecenie 

ż

arówki, zasilanie lodówki...) 

Zjawisko  fotowoltaiczne  zostało  zaobserwowane  na  granicy  elektrolitu  i  elektrody  metalowej 

zanurzonej w elektrolicie, przez francuskiego fizyka Edmonda Bequerela - w 1839 r., a na granicy 

dwóch ciał stałych przez Adamsa i Daya w 1876 r.  

Efekt fotowoltaiczny

 

polega  na  powstaniu  siły  elektromotorycznej  w  wielowarstwowej  niejedno-

rodnej strukturze podczas jej oświetlania promieniowaniem elektromagnetycznym. 

Jeżeli światło o odpowiedniej energii (długości fali) pada na płytkę metalową albo na warstwę zło-

ż

oną  (najczęściej  tlenku  metalu)  to  z  powierzchni  ciała  zostają  wyemitowane  elektrony.  Stosując 

płytkę metalową emitującą elektrony, jako katodę i wprowadzając w pobliże niej (w próżni) drugą 

 
Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 

4

elektrodę, po przyłożeniu odpowiedniego napięcia między nimi, uzyskuje się przepływ elektronów 

do tej elektrody.  

Rys. 1.  Schemat działania ogniwa 

fotowoltaicznego. 

 

 

 

 

 

 

Stosując  odpowiednie  napięcie  hamujące  możemy  wyznaczyć  wartość  minimalną  energii 

odpowiadającą  energii  potrzebnej  do  wybicia  elektronów  z  powierzchni  materiału  (tzw.  praca 

wyjścia

).  Efekt  fotoelektryczny  został  wykorzystany  w  fotokomórkach  czy  w  fotopowielaczach, 

służących do pomiaru małych natężeń światła 

 
Panel fotowoltaiczny składa się z wielu modułów, które zostały wzajemnie połączone dla uzyskania 

większych  mocy.  Wytwarzają  one  prąd  stały.  Natężenie  prądu  na  wyjściu  panelu  zależy  ściśle  od 

nasłonecznienia,  ale  może  być  zwiększone  poprzez  równoległe  łączenie  modułów.  Panel 

fotowoltaiczny  może  być  zaprojektowany  do  pracy  przy  praktycznie  dowolnym  napięciu,  aż  do 

kilkuset woltów, dzięki szeregowemu łączeniu modułów. 

Napięcie otrzymywane z modułu zależy w niewielkim stopniu od poziomu nasłonecznienia..  

 

 
Rys.2. Metody łączenia ogniw fotowoltaicznych. 
 

ogniwo 

moduł 

panel 

 
Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 

5

I Wykonanie ćwiczenia 
 
Wyznaczenie zależności natężenia prądu fotoogniwa od kąta padania światła-A i odległości 

modułu od źródła światła-B. 

 
 

 

 
Rys.4.1.Panel Fotowoltaiczny 
 
W ćwiczeniu nr 4A) sporządzimy charakterystykę natężenia ogniwa fotowoltaicznego w zależności 

od  kąta  padania  światła  i  odległości  modułu  od  źródła  światła.  W  ćwiczeniu  nr  4B)  sporządzimy 

charakterystykę  natężenia  ogniwa  fotowoltaicznego  w  funkcji  odległości  modułu  od  źródła  

ś

wiatła-B. Sporządzona charakterystyka natężenia prądu w funkcji odległości od źródła światła oraz  

kąta padania pozwala na wybór najbardziej optymalnych warunków pracy ogniwa fotowoltaicznego 

Ć

wiczenie  ma  pokazać  wpływ  parametrów  pracy  fotoogniwa  na  efektywność  konwersji  energii 

ś

wietlnej na energię elektryczną. 

 

 
Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 

6

 

Rys.4.2. Schemat pomiarowy do wyznaczania prądu zwarcia ogniwa fotowoltaicznego. 
 
A) Wyznaczenie zależności natężenia prądu fotoogniwa od kąta padania światła 
1) Połącz układ zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys. 4.2. 

2) Ustaw lampę tak aby jej światło padało prostopadle do modułu (pozycja 90˚).  

3)  Wkręć  wybraną  przez  prowadzącego  żarówkę  do  oprawy  lampy.  Zanotuj  rodzaj  żarówki  i  jej 

moc w Tab.4.1. 

3) Sprawdź czy dobrze połączyłeś układ. Ustaw zakres amperomierza ustaw na 2 A  

4) Ustaw lampę w odległości 40 – 50 [cm] od modułu fotowoltaicznego.  

5) Wyznacz zmianę natężenia prądu w zależności od kąta padania światła na moduł. (kąt nachylenia 

zmieniać co 10˚, zaczynając od 90˚ kończąc na 0˚. Wykonaj ćwiczenie odchylając najpierw moduł 

w prawo, później w lewo. Zapisz wyniki  w Tab.4.1. 

6) Powtórz  ćwiczenie dwa razy (zgodnie z pkt. 2-5). 

B) Wyznaczenie zależności natężenia prądu fotoogniwa w funkcji odległości modułu od źródła 

światła. 

7) Wyznacz prąd zwarcia w zależności od oddalenia źródła światła od modułu. Pomiar wykonaj co 

5  cm,  dla  odległości  l  =  30  cm  do  maksymalnego  oddalenia  lampy  od  ogniwa.  Zapisz  wyniki  w 

tab.6.2.  Na obudowie lampy znajdują się linie od których dokonuje się  pomiar odległości.   Linia 

czarna: żarówka żarowa; linia czerwona: żarówka halogenowa 

9)  Powtórz ćwiczenie dwa razy dla pkt. 7 . Zapisz wyniki w Tab.4.2. 

 

 

 
Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 

7

IIA-B Wyniki pomiarów i obliczenia  

Tab.4.1. Charakterystyka natężenia prądu w zależności od  kąta padania światła 

Charakterystyka natężenia prądu w zależności od  kąta padania światła 

I = f ( α) gdzie (90-α)- kąt padania światła 

 

Rodzaj żarówki 

  

Moc żarówki 

N =           [W] 

 

 

 

Odchylenie modułu w 

lewo 

Odchylenie modułu w 

prawo 

 

Kąt α 

 

α

 [ 

0

 ] 

 

Wartość 

cos (90-α) 

Pomiar 

1 

I

1.1 

[mA] 

Pomiar 

2 

I

1.2 

[mA] 

 

Pomiar 

3 

I

1.3 

[mA] 

 

Pomiar    
     1 

I

2.1 

[mA] 

Pomiar 

2 

I

2.2 

[mA] 

Pomiar 

3 

I

2.3 

[mA] 

 

Wartość 

 średnia 

    I

1slewo

  

[mA] 

Wartość 

 średnia 

   I

2sprawo

  

[mA] 

 

Różnica 

natężenia 

prądu 

∆

I=I

1s

-I

2s     

[mA] 

90 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

80 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

70 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

60 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tab.4.2. Zależność natężenia prądu zwarciowego w zależności od odległości od źródła światła 

Charakterystyka zmian natężenia prądu w zależności 

od odległości modułu fotowoltaicznego 

 od źródła światła  

I = f(d)  oraz I = f(1/d

2

) 

 

Odległość 

d [ cm] 

 
 

 

Pomiar 1 

Natężenie 

 prądu 

I [mA] 

 

Pomiar 2 

Natężenie 

 prądu 

I [mA] 

 

Ś

rednia 

wartość  
natężenia 
   I

ś

r 

[mA] 

Wartość 

 1/d

2 

 
 

 

30 

 

 

 

 

35 

 

 

 

 

40 

 

 

 

 

45 

 

 

 

 

50 

 

 

 

 

55 

 

 

 

 

60 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IIIA-B. Opracowanie wyników pomiarów  

1.Oblicz wartości średnie natężenia prądu I

ś

r

. Oblicz różnicę natężenia prądu. Wyniki wpisz 

odpowiednio w Tab.4.1 i 4.2. 

 
Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 

8

2.  Wykreśl  krzywą  charakterystyki  natężenia  prądu  w  zależności  od    kąta  padania  światła  

I = f (90-α) oraz w zależności od  kosinusa kąta padania I = f (cos {90-α})

 

 

3.  Wykreśl  krzywą  charakterystyki  natężenia  prądu  w  zależności  od  odległości  źródła  światła  od 

modułu fotowoltaicznego oraz odwrotności kwadratu odległości źródła od modułu I = f(1/d

2

). 

4. Porównaj charakter otrzymanych krzywych i zinterpretuj otrzymane wyniki. 

 

C) Wyznaczenie charakterystyki prądowo – napięciowej ogniwa fotowoltaicznego. 

I C Wykonanie ćwiczenia 

W  ćwiczeniu  nr  4c)  sporządzane  zostaną  charakterystyki  prąd-  napięcie  i  prąd-moc  ogniwa 

fotowoltaicznego.  Ćwiczenie  ma  pokazać  zdolność  konwersji  energii  świetlnej  na  energię 

elektryczną przy użyciu modułu fotowoltaicznego. 

 

Rys. 4.3. Schemat połączenia układu do pomiaru mocy ogniwa fotowoltaicznego. 

1) Połącz układ zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys. 4.3. 

2)  Oświetl  moduł  słoneczny  lampą.  w  ten  sposób  by  odległość  między  lampą  a  ogniwem 

fotowoltaicznym wynosiła około 30 [cm]. 

3) Odczekaj ok. 5 minut aby ustaliła się temperatura pracy modułu. Wtedy charakterystyka modułu 

nie zmieni się ze względu na zmianę temperatury. 

 
Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 

9

4)  Sprawdź czy dobrze połączyłeś układ.  

5)  Zacznij  pomiary  od  prądu  zwarcia,  następnie  zmierz  napięcie  i  prąd  przy  różnym  obciążeniu 

zaczynając od 0,3; 0,5; 1; ...; 100[Ω], kończąc pomiar na pozycji „

∞

”. 

6) Powtórz ćwiczenie dwa razy dla pkt. 5 . Zapisz wyniki w tab.4.3. 

 

IIC Wyniki pomiarów i obliczenia 

 

Tab.4.3. Charakterystyka napięciowo- prądowa modułu fotowoltaicznego.

 

Pomiar mocy ogniwa fotowoltaicznego dla odległości d= 30 [cm] 

 

Rodzaj żarówki 

Moc żarówki N=          [mW] 

Opór 

R[Ω] 

Wartość napięcia 

U [mV] 

Ś

rednie 

wartości 
napięcia 

Wartość natężenia prądu 

I [mA] 

Ś

rednie 

wartości 

natężenia 

prądu 

Moc 

ś

rednia 

N [mW ] 

 

Pomiar 1 

U

1

[mV] 

Pomiar 2 

U

2

[mV] 

Pomiar 3 

U

3

[mV] 

U

ś

r 

[mV] 

Pomiar 1 

I

1

[mA] 

Pomiar 2 

I

2

[mA] 

Pomiar 3 

I

3

[mA] 

Iśr[mA]  N

ś

r

[mW ] 

0 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,3 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,5 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 IIIC. Opracowanie wyników pomiarów  

1. Oblicz wartości średnie napięcia i natężenia prądu. Wpisz wyniki do Tab.4.3.  

2. Wykreśl krzywą charakterystyki napięciowo- prądowej fotoogniwa I = f ( U). dla wyników 

zestawionych w Tab.4.3. 

3. Skomentuj otrzymaną charakterystykę. 

4. Oblicz wartość mocy fotoogniwa i wyniki wpisz do tab.4.3.Wartość średniej mocy ogniwa 

fotowoltaicznego oblicz korzystając ze wzoru: 

N

ś

r

 = I

ś

r 

⋅

 U

ś

r    

[mW] 

gdzie:  I

ś

r 

– średnia wartość natężenia obliczona z pomiarów [mA] 

U

ś

r  

- średnia wartość napięcia obliczona z pomiarów [mV] 

5. Wykreśl krzywą charakterystyki mocy fotoogniwa w zależności od napięcia I = f ( U).  

6. Skomentuj otrzymaną charakterystykę i wyznacz punkt mocy maksymalnej. 

7.Porównaj charakter otrzymanych w ćwiczeniu krzywych i zinterpretuj otrzymane wyniki.