Celule solare (fotovoltaice)

Celule solare (fotovoltaice)

O celula solara consta din doua sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai intalnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsa intre 0,001 si 0,2 mm si sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma jonctiuni "p" si "n". Aceasta structura e similara cu a unei diode. Cand stratul de siliciu este expus la lumina se va produce o "agitatie" a electronilor din material si va fi generat un curent electric.

Celulele, numite si celule fotovoltaice, au de obicei o suprafata foarte mica si curentul generat de o singura celula este mic dar combinatii serie, paralel ale acestor celule pot produce curenti suficient de mari pentru a putea fi utilizati in practica. Pentru aceasta, celulele sunt incapsulate in panouri care le ofera rezistenta mecanica si la intemperii.

Clasificare

Celulele solare pot fi clasificate dupa mai multe criterii. Cel mai folosit criteriu este dupa grosimea stratului materialului. Aici deosebim celule cu strat gros si celule cu strat subtire.

Un alt criteriu este felul materialului: se intrebuinteaza, de exemplu, ca materiale semiconductoare combinatiile CdTe, GaAs sau CuInSe, dar cel mai des folosit este siliciul.

Dupa structura de baza deosebim materiale cristaline(mono-/policristaline) respectiv amorfe.

In fabricarea celulelor fotovaltaice pe langa materiale semiconductoare, mai nou, exista posibiltatea utilizarii si a materialelor organice sau a pigmentilor organici.

Celule pe baza de siliciu

Strat gros

Celule monocristaline (c-Si)
randament mare - in productia in serie se pot atinge pana la peste 20 % randament energetic, tehnica de fabricatie pusa la punct; totusi procesul de fabricatie este energofag, ceea ce are o influenta negativa asupra periodei de recuperare (timp in care echivalentul energiei consumate in procesul de fabricare devine egal cantitatea de energia generata).

Celule policristaline (mc-Si)
la productia in serie s-a atins deja un randament energetic de peste la 16 %, cosum relativ mic de energie in procesul de fabricatie, si pana acum cu cel mai bun raport pret - performanta.

Strat subtire

Celule cu siliciu amorf (a-Si)
cel mai mare segment de piata la celule cu strat subtire; randament energetic al modulelor de la 5 la 7 %; nu exista strangulari in aprovizionare chiar si la o productie de ordinul TeraWatt

Celule pe baza de siliciu cristalin, ex. microcristale (c-Si)
in combinatie cu siliciul amorf randament mare; tehnologia aceeasi ca la siliciul amorf

Semiconductoare pe baza de elemente din grupa III-V

Celule cu GaAs
randament mare, foarte stabil la schimbarile de temperatura, la incalzire o pierdere de putere mai mica decat la celulele cristaline pe baza de siliciu, robust vizavi de radiatia ultravioleta, tehnologie scumpa, se utilizeaza de obicei in industria spatiala (GaInP/GaAs, GaAs/Ge)

Semiconductoare pe baza de elemente din grupa II-VI

Celule cu CdTe
utilizeaza o tehnologie foarte avantajoasa CBD(depunere de staturi subtiri pe suprafete mari in mediu cu pH , temperatura si concentratie de reagent controlate) ; in laborator s-a atins un randament de 16 %, dar modulele fabricate pana acum au atins un randament sub 10 %, nu se cunoaste fiabilitatea. Din motive de protectia mediului este improbabila utilizarea pe scara larga.

Celule CIS, CIGS
CIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs in statie pilot la firma Wrth Solar in Marbach am Neckar, respectiv Cupru-Indiu-Disulfat la firma Sulfurcell in Berlin, iar CIGS pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs in statie pilot in Uppsala/Suedia. Producatorii de mai sus promit trecerea la productia in masa in anul 2007.

Celule solare pe baza de compusi organici
Tehnologia bazata pe chimia organica furnizeaza compusi care pot permite fabricarea de celule solare mai ieftine. Prezinta, totusi, un impediment faptul ca aceste celule au un randament redus si o durata de viata redusa (max. 5000h). Inca (ianuarie 2007) nu exista celule solare pe baza de compusi organici pe piata.

Celule pe baza de pigmenti
Numite si celule Grtzel utilizeaza pigmenti naturali pentru transformarea luminii in energie electrica; o procedura ce se bazeaza pe efectul de fotosinteza. De obicei sunt de culoare mov.

Celule cu electrolit semiconductor
De exemplu solutia: oxid de cupru/NaCl. Sunt celule foarte usor de fabrict dar puterea si siguranta in utilizare sunt limitate.

Celule pe baza de polimeri
Deocamdata se afla doar in faza de cercetare.

Rezervele de materia prima

Ca materie prima de baza siliciul este disponibil in cantitati aproape nelimitate. Pot apare insa strangulari in aprovizionare datorate capacitatilor de productie insuficiente si din cauza tehnologiei energofage.

La celulele solare ce necesita materiale mai speciale cum sunt cele pe baza de indiu, galiu, telur si seleniu situatia se prezinta altfel. La metalele rare indiu si galiu consumul mondial depaseste deja de mai multe ori productia anula. La seleniu si telur, care e si mai greu de gasit, situatia pare mai putin critica, deoarece ambii metaloizi se regasesec in cantitati mici in namolul anodic rezultat in urma procesului de electroliza a cuprului iar producatorii de cupru utilizeaza doar o parte din namolul rezultat pentru extragerea de telur si seleniu.

Pe langa materia prima o importanta mare prezinta tehnologia utilizata. Se deosebesc diferite structuri si aranjamente in care se depun electrozii de acoperire transparenti a caror rezistenta nu este deloc neglijabila.

Alte tehnici vizeaza marirea eficientei asigurand absorbtia unui spectru de frecventa cat mai larg prin suprapunerea mai multor materiale cu diferite caracteristici de absorbtie. Se incearca selectarea materialelor in asa fel incat spectrul luminii naturale sa fie absorbit la maximum.

Randamentul termodinamic maxim teoretic pentru producerea de energie din lumina solara este de 85 %. Acesta se calculeaza din temperatura suprafetei soarelui(5800 K), temperatura maxima de absorbtie(<2500 K, tempertura de topire a materialelor greu fuzibile) si temperatura mediului inconjurator(300 K).
Daca se utilizeaza doar o portiune din spectrul luminii solare, valoarea teoretica se reduce in functie de lungimea de unda, pana la 5-35 %. Neutilizarea spectrului complet este una din dezavantajele celulelor solare fata de centralele solare termice.

Celulele solare pe baza de materiale semiconductoare in principiu sunt construite ca niste fotodiode cu suprafata mare care insa nu se utilizeaza ca detectoare de radiatii ci ca sursa de curent. Interesant la acest tip de semiconductoare este ca prin absorbtie de energie (caldura sau lumina) elibereaza purtatori de sarcina (electroni si goluri). Este nevoie de un camp electrostatic intern pentru ca din acesti purtatori sa se creeze un curent electric dirijandu-i in directii diferite. Acest camp electric intern apare in dreptul unei jonctiuni p-n. Pentru ca intensitatea fluxului luminos scade exponential cu adancimea, aceasta jonctiune este necesar sa fie cat mai aproape de suprafata materialului si sa se patrunda cat mai adanc. Aceasta jonctiune se creeaza prin impurificarea controlata. Pentru a realiza profilul dorit, in mod normal se impurifica "n" un strat subtire de suprafata si "p" stratul gros de dedesubt in urma caruia apare jonctiunea. Sub actiunea fotonilor apar cupluri electron-gol in jonctiune, din care electronii vor fi accelerati spre interior, iar golurile spre suprafata. O parte din aceste cupluri electron-gol se vor recombina in jonctiune rezultand o disipare de caldura, restul curentului putand fi utilizat de un consumator, incarcat intr-un acumulator sau prin intermediul unui invertor livrat in reteaua publica. Tensiunea electromotare maxima la bornele unei celule solare (de exemplu la cele mai utilizate, celulele de siliciu cristaline) este de 0,5 V.

Materialul cel mi utilizat pentru fabricarea de celule solare pe baza de semiconductori este Siliciul. Daca la inceput pentru producerea celulelor solare se utilizau deseuri rezultate din alte procese tehnologice pe baza de semiconductori, astazi se apeleaza la materiale special in acest scop fabricate. Pentru industria semiconductorilor siliciul este materialul aproape ideal. Este ieftin, se poate produce intru-un singur cristal la un inalt grad de puritate, si se poate impurifica(dota) in semiconductor de tip "n" sau "p". Prin simpla oxidare se pot crea straturi izolatoare subtiri. Totusi largimea zonei interzise fac siliciul mai putin potrivit pentru exploatarea directa a efectului fotoelectric. Celule solare pe baza pe siliciu cristalin necesita o grosime de strat de cel putin 100 m sau mai mult pentru a pute absorbi lumina solara eficient. La celulele cu strat subtire de tip semiconductor direct ca de exemplu GaAs sau chiar siliciu cu structura cristalina puternic perturbata (vezi mai jos), sunt suficiente 10 m.

In functie de starea cristalina se deosebesc urmatoarele tipuri de siliciu:

Monocristaline Celulele rezulta din asa numitele Wafer (placi de siliciu dintr-un cristal). Aceste cristale reprezinta materia de baza pentru industria de semiconductori si sunt destul de scumpe.

Policristaline Celulele sunt din placi care contin zone cu cristale cu orientari diferite. Acestea pot fi fabricate de exemplu prin procedeul de turnare, sunt mai ieftine si ca atare cele mai raspandite in productia de dispozitive fotovoltaice. Deseori ele se numesc si celule solare policristaline.

Amorfe Celulele solare constau dintr-un strat subtire de siliciu amorf (fara cristalizare) si din aceasta cauza se numesc celule cu strat subtire. Se pot produce de exemplu prin procedeul de condensare de vapori de siliciu si sunt foarte ieftine, dar au un randament scazut in spectru de lumina solara, totusi au avantaje la lumina slaba. De aceea se utilizeaza in calculatoare de buzunar si ceasuri.

Microcristaline Acestea sunt celule cu strat subtire cu structura microcristalina. Au un randament mai bun decat celulele amorfe si nu au un strat atat de gros ca cele policristaline. Se utilizeaza partial la fabricarea de panouri fotovoltaice, dar nu sunt atat de raspandite.

Celule solare tandem sunt straturi de celule solare suprapuse, deobicei o combinatie de straturi policristaline si amorfe. Straturile sunt din materiale diferite si astfel acordate pe domenii diferite de lungimi de unda a luminii. Prin utilizarea unui spectru mai larg din lumina solara, aceste celule au un randament mai mare decat celulele solare simple. Se utilizeaza partial la fabricarea de panouri solare dar sunt relativ scumpe. O ieftinire apreciabila se va obtine prin utilizarea in combinatie cu sisteme de lentile, asa numitele sisteme de concentrare.

Celule cu concentrator

La acest tip de celula se economiseste suprafata de material semiconductor prin faptul ca lumina este concentrata pe o suprafata mai mica prin utilizarea lentilelor, acestea fiind mult mai ieftine decat materialul semiconductor. In mare parte la acest tip de celule se utilizeaza semiconductori pe baza de elemente din grupa III-V de multe ori aplicate in tandem sau pe trei straturi. Din cauza utilizarii lentilelor, panourile cu acest tip de celule trebuie orientate incontinuu perpendicular pe directia razelor solare.

Celule solare electrochimice pe baza de pigmenti

Acest tip ce cellule se mai numesc si celule Grtzel. Spre deosebire de celulele prezentate pina acum la celule Grtzel curentul se obtine prin absorbtie de lumina cu ajutorul unui pigment, utilizandu-se oxidul de titan ca semiconductor. Ca pigmenti se utilizeaza in principiu legaturi complexe al metalului rar ruthenium, dar in scop demonstrativ se pot utiliza si pigmenti organici, de exemplu clorofila, sau anthocian (din mure) (dar au o durata de viata foarte redusa). Modul de functionare al acestui tip de celule nu este inca pe deplin clarificat; este foarte probabila utilizarea comerciala, dar tehnologia de productie nu este pusa la punct.

Celule solare din compusi organici

Celule solare din compusi organici utilizeaza legaturi carbon-hidrogen care au proprietati semiconductoare. In acesti semiconductori lumina excita goluri/electroni din legaturile de valenta, care insa au un spectru de lungime de unda destul de restrans. De aceea deseori se utilizeaza doua materiale semiconductoare cu nivele de energie putin diferite pentru a impiedica disparitia acestor purtatori. Randamentul pe o suprafata de 1cm² se cifreaza la maximal 5 % (situatia la nivel de ianuarie 2007).

Celule bazate pe fluorescenta

Este vorba de celule solare, care mai intai produc lumina de lungime de unda mai mare prin fenomenul de fluorescenta, ca mai apoi sa o transforme la marginile placii.

Imbatranirea

Prin imbatranire intelegem modificarea parametrilor de functionare a elementelor semiconductoare a celulelor solare in timp. In cazul de fata in special scaderea randamentului pe parcursul vietii acestora.

Perioada luata in considerare este de cca 20 ani, In conditii de utilizare terestra, randamentul scade cu cca 10 %, pe cand in spatiu acest procent se atinge intr-un timp mult mai scurt datorita campurilor de radiatii mult mai puternice.

Pierdere de randament in utilizare se datoreaza in multe cazuri unor cause banale independente de celulele solare. Aici enumeram murdarirea suprafetelor sticlei de protectie a modulelor, mucegairea pornind de la rama modulului, umbrirea modulelor de catre vegetatia din jur crescuta intre timp, ingalbirea polimerilor care constituie materialul de contact intre celula si sticla.

Celule solare cristaline

La celulele solare actuale randamentul este de cca 12 - 17  %. Adesea fabricantul acorda o garantie la randament de 80 - 85  % (la puterea de varf) dupa 20 ani.Rezulta deci dupa un timp de utilizare indelungat pierderi destul de limitate, ceea ce indreptateste utilizarea sistemelor cu panouri solare.

Pentru imbatranirea propriu-zisa a celulelor solare raspunzator sunt defecte provenite din recombinare, ceea ce reduce durata de viata a purtatorilor de sarcina cu cca 10 % fata de valoarea initiala. In celulele fabricate dupa procedeul Czochralski imbatranire este produsa de crearea de compusi complecsi cu bor-oxigen.

Celule solare amorfe

Aceste celulea ating un grad avansat de imbatranire de pana la 25 % in primul an de functionare de aceea pentru acest tip de panouri solare in caracteristicile tehnice din documentele de insotire nu se da puterea atinsa la fabricatie ci puterea de dupa procesul de imbatranire. Ca urmare acest tip de panouri au caracteristici mai bune la cumparare decat cele din documente. Imbatranirea se produce sub actiunea luminii si este rezultatul asa numitului effect Staebler-Wronski(SWE). In cadrul acestuia siliciul hidrogenat amorf (a-Si:H) metastabil trece printr-o faza de crestere concentratiei defectelor cu un ordin de marime, paralel cu scaderea conductivitatii si deplasarea nivelului Fermi catre mijlocul distantei dintre banda de valenta si banda de conductie. Dupa cca 1000 ore de expunere la soare, celulele de siliciu amorf ating un grad de saturare stabil.