Energia luminoasa - Celula fotovoltaica

CUPRINS

INTRODUCERE

CAPITOLUL 1

Celula fotovoltaica

Principiul de functionare

Modelul echivalent

Caracteristici tehnice

Tipuri de celule

Clasificare

Compararea caracateristicilor tehnice

Moduri de asamblare

Serie

Paralel

Conversia energiei solare in energie electrica

Scheme de conectare si conversie a energiei electrice

Aplicatii ale energiei solare

CAPITOLUL 2.

Concluzii si perspective privind folosirea energiei solare

Anexe

Blibliografie

INTRODUCERE

Grecii au fost printre primii care au utilizat energia luminoasa in scop pasnic aprinzand cu ea flacara olimpica. Tot grecii au concentrat lumina solara cu oglinzi si au indreptat-o catre flota asediatoare a romanilor, incendiind-o in asediul Siracuzei in anul 212 inaintea erei noastre.

In 1839 Alexandre Edmond Becquerel a descoperit ca o baterie expusa la soare produce mai mult curent electric decat una neexpusa. Pentru acest experiment a masurat diferenta de potential dintre doi electrozi de platina situati unul pe fata luminata si celalalt pe fata umbrita a recipientului si scufundati intr-o baie de solutie chimica acida . Cand a expus aceasta constructie la soare a observat trecerea unui curent printre electrozi. Asa a descoperit efectul fotoelectric pe care insa nu il putea explica inca.

Marirea conductivitatii seleniului a fost demonstrata in 1873. Zece ani mai tarziu a fost confectionat prima celula fotoelectrica clasica. Dupa inca zece ani in 1893 a fost confectionat prima celula solara care producea electricitate.

In 1904 fizicianul german Philipp Lenard a descoperit ca lumina incidenta pe anumite suprafete metalice elibereaza electroni din suprafata acestuia si astfel a oferit prima explicatie referitoare la efectul fotoelectric. Totusi el nu stia inca de ce si la care metale se produce acest efect.

Rezolvarea problemei a venit de la Albert Einstein in 1905 cand cu ajutorul teoriei cuantice a explicat dualitate luminii ea fiind prezenta in acelasi timp si ca particula si ca unda. Pana atunci se credea ca lumina este doar energie cu diferite lungimi de unda. Einstein in experimentele sale a constatat ca lumina in unele situatii se comporta ca o particula, si ca energia fiecarei particule sau foton depinde doar de lungimea de unda. El a descris lumina ca o serie de gloante ce ating suprafata materialului. Daca aceste gloante au suficienta energie, un electron liber din metalul atins de foton se va elibera din structura acestuia. Totodata a constatat ca energia cinetica maxima a electronului este independenta de intensitatea luminii si depinde doar de energia fotonului care l-a eliberat. Aceasta energie depinde totodata numai de lungimea de unda respectiv frecventa luminii.

Descoperirea in anul 1949 a jonctiunii p-n de catre William B. Shockley, Walther H. Brattain si John Bardeen a fost inca un pas mare in directia celulelor.

Fabricarea primei celule solare in 1954 in laboratoarele firmei americane Bell se datoreaza totusi unei intamplari fericite. Angajatii firmei sub conducerea lui Morton Price au observat cind cercetau un redresor cu siliciu, ca acesta producea mai mult curent cind era expus la soare. Ca urmare firma Bell prin contributia domnilor Chapin, Fuller si Pearson a dezvoltat in 1953 primele celule solare din siliciu impurificate cu arsen dar care aveau un randament de doar 4 % care a fost marit la 6 % prin schimbarea impurificarii.

In 1958 au fost testate celule solare pentru prima data pe sateliul Vanguard I dotat cu un panou solar avand 108 celule solare pe baza de siliciu. Rezultetele obtinute au fost peste asteptari - pana in ziua de azi sondele spatiale pana dincolo de marte sunt alimentate cu curent produs de celulele solare, iar in anul 2011 se va lansa sonda spatiala Juno care va fi prima sonda spatiala spre Jupiter alimentata cu curent produs de celule solare.

Mandelkorn si Lamneck au marit durata de viata a celulelor solare in 1972

printr-o reflectare a purtatorilor de sarcina minoritari dupa ce au introdus un strat numit black surfaces field (BSF) in stratul impurificat "p".

In 1973 Lindmayer si Ellison au confectionat asa numita celula mov ce avea un randament de 14 %. Prin reducerea reflexiei in 1975 s-a marit randamentul la 16 %. Aceste celule s-au numit celule CNR (Comsat Non Reflection; Comsat = Telefonsatelit ).

In 1980 s-a inceput organizarea de concursuri de automobile actionate cu energie electrica obtinuta de la module solare. In 1981 un avion actionat de energie solara a traversat Canalul Manecii.

Intre timp Green precum si specialistii de la Universitatea Stanford si cei de la Telefunken au dezvoltat cellule solare cu un randament in jur de 20 %.

CAPITOLUL 1.

1.1 Celula fotovoltaica

Celula solara este un dispozitiv care converteste energia solara de la soare in electricitate. Celulele solare au o arie mare de raspandire cum ar fi: calculatoare, ceasuri, masini. In ultimu timp celulele solare sunt folosite din ce in ce mai des pentru iluminarea caselor.

Celulele solare nu genereaza dioxid de carbon (CO₂), deci nu contribuie la incalzirea globala. Celulele nu produc nici oxid de sulf (SO_x) sau oxid de azot (NO_x) care duc la ploi acide.

Spre deosebire de combustibili fosili (petrol, carbuni, gaze naturale) care au resurse limitate, energia solara este practic infinita.

O celula fotoelectrica poate fi asimilata cu o o dioda fotosensibila, functionarea ei bazandu-se pe propietatile materialelor semiconductoare.

Celula fotoelectrica permite conversia directa a energiei luminoase in energie electrica. Principiul de functionare se bazeaza pe efectul fotoelectric.

De fapt, o celula este constituita din doua straturi subtiri de material semiconductor. Cele doua straturi sunt dopate diferit:

. Pentru stratul N, aport de electroni periferici

. Pentru stratul P, deficit de electroni.

Intre cele doua straturi va apare o diferenta de potential electric. Energia fotonilor luminii, captati de electronii periferici (stratul N) le va permite acestora sa depaseasca bariera de potential si sa creeze astfel un curent electric continuu.

Pentru colectarea acestui curent, se depun, prin serigrafie, electrozi pe cele doua straturi semiconductoare. Electrodul superior este o grila ce permite trecerea razelor luminoase. Pe acest electrod se depune apoi un strat antireflectorizant, pentru cresterea cantitatii de lumina absorbita.

1.1.1 Principiul de functionare

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.

Structura celulelor solare se realizeaza in asa mod incat sa absoarba cat mai multa lumina si sa apara cat mai multe sarcini in jonctiune. Pentru aceasta electrodul de suprafata trebuie sa fie transparenta, contactele la acest strat sa fie pe cat posibil de subtiri, pe suprafata se va aplica un strat antireflectorizant pentru a micsora gradul de reflexie a luminii incidente. Acestui strat antireflectorizant i se atribuie culoare negru-albastruie a celulelor solare care fara aceasta ar avea o culoare gri-argintie.

Grosimea stratului influenteaza culoarea celulei (culoarea de interferenta). Grosimea stratului trebuie sa fie cat se pote de uniforma, deoarece abateri de cativa nanometri maresc gradul de reflexie. Celulele isi datoreaza culoarea albastra realizarii unei grosimi ce corespunde lungimii de unda a culorii rosii, culorea cea mai bine absorbita de siliciu. In principiu insa in acest mod se pot realiza celule rosii, galbene, sau verzi la cerinte arhitectonice deosebite, dar vor avea un randament mai slab. In cazul nitratului de siliciu si a bioxidului de siliciu stratul antireflectorizant mai are si un rol de a reduce viteza de recombinare superficiala.

1.1.2 Modelul echivalent

Modelul matematic al celulei fotoelectrice se poate obtine, plecand de la cel al jonctiunii PN. Se adauga curentul I_ph, proportional cu iluminarea si un termen ce modeleaza fenomenele interne. Curentul I furnizat de celula se poate scrie:

in care:

. I_ph: fotocurent, sau curent generat prin iluminare [A];

. I_0d: curent de saturatie [A];

. R_s: rezistenta serie [Ω];

. R_sh: rezistenta paralel [Ω];

. k: constanta lui Boltzmann (k = 1,38.10^-23);

. q: sarcina electronului (q = 1,602.10^-19 C);

. T: temperatura celulei (K).

Expresia de mai sus se poate deduce din schema echivalenta

Dioda modeleaza comportamentul celulei in intuneric.

Sursa de curent modeleaza curentul I_ph generat prin iluminare.

Rezistentele modeleaza pierderile interne:

. Rezistenta serie R_s - modeleaza pierderile ohmice ale materialului;

. Rezistenta paralel R_sh - modeleaza curentii paraziti ce parcurg celula.

Ideal, se poate neglija R_s si I fata de U, si sa se lucreze cu un model simplificat:

Cum rezistenta paralel este mul mai mare decat rezistenta serie, se poate neglija curentul prin R_sh.

Astfel putem obtine schema echivalenta simplificata care corespunde celulei ideale.

1.1.3 Caracteristici tehnice

Parametrii tehnici ai celulelor solare sunt dati pentru conditii standard (STC, Standard Test Conditions).:

• Intensitate luminoasa de 1000 W/m² in zona panoului,
• Temperatura celulei solare constant 25 C,
• Spectrul luminii AM 1,5 global

Se defineste randamentul energetic al unei celule, ca fiind raportul dintre puterea electrica maxima si puterea incidenta:

in care:

. E - iluminarea [W/m];

. S - suprafata activa a panourilor [m].

. P_m - puterea maxima masurata in conditiile STC (Standard Test Conditions), respectiv in spectrul AM1.5, la o temperatura de 25C si iluminare de 1000 W/m.

Randamentul unei celule este, in general, destul de scazut, de ordinul 10 - 20%. Au fost obtinute randamente mai bune cu materiale noi (in laborator, arseniura de galiu AsGa ofera un randament mai mare de 25%) au cu tehnologii experimentale (tehnologia multistraturi), deseori dificile si costisitoare pentru a fi puse in practica.

In aceste conditii, materialul fotoelectric cel mai utilizat este siliciul, care reprezinta o solutie economica. Pentru astfel de celule, randamentul energetic nu depaseste 15%.

Pe baza caracteristicilor curent-tensiune si putere-tensiune, se pot obtine si alti parametrii:

. Curentul de scurtcircuit I_cc, respectiv curentul debitat de celula, atunci cand tensiunea la bornele sale este nula. Practic, acest curent este foarte apropiat de fotocurentul I_ph.

. Tensiunea in gol V_co, respectiv, tensiune la bornele celulei, atunci cand curentul debitat este nul.

. Intre cele doua extreme, exista un optim care ofera puterea maxima P_max sau MPP (Maximum Power Point).

. Factorul de forma, care arata cat de ideala este caracteristica, respectiv raportul:

Randamentul celulelor solare comerciale este de cca 20 %, iar modulele construite cu acestea ating un randament de cca 17 %. Recordul pentru celulele fabricate in conditii de laborator este de 24,7 % , din care s-au confectionat panouri cu un randament de 22 %. Pretul acestor module fabricate prin procedeul de topire zonala este de cca 200 Euro pe celula la o suprafata a celulei de 21,6 cm², corespunzand unui cost de 5-10 Euro/W.

Imbatranirea conduce la scaderea randamentului cu cca 10 % in 25 ani. Fabricantii dau garantii pe cel putin 80 % din puterea maxima in 20 ani.

In spatiu constanta solara este mai mare decat iluminarea globala pe pamint, totodata celulele solare imbatranesc mai repede. Panourile pentru sateliti ating momentan un randament de 25 % la o durata de viata de 15 ani.

Tipuri de celule

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.

Cel mai utilizat material pentru realizarea fotopilelor sau a celulelor solare este siliciu, un semiconductor de tip IV. Acesta este tetra-valent, ceea ce inseamna ca un atom de siliciu se poate asocia cu patru alti atomi de aceeasi natura.

Se mai utilizeaza arseniura de galiu si straturi subtiri de CdTe (telura de cadmiu), CIS (cupru-indiu-diseleniu) si CIGS.

Clasificarea celulelor solare

Celulele pot fi fabricate din mai multe tipuri de materiale.

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.

Un alt criteriu de clasificare il reprezinta structura de baza a meterialelor:

.  Celule monocristaline

.  Celule policristaline

.  Celule amorfe

.  Celule CdTe, CIS, CIGS

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.

Celulele 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.

Acest tip de fotopile sunt primele care au fost realizate, pe baza unui bloc de siliciu cristalizat intr-un singur cristal.

Ele se prezinta sub forma unor plachete rotunde, patrate sau pseudo-patrate.

Randamentul lor este de 12 - 16%. Totusi, ele au doua dezavantaje:

.  Pretul ridicat

.  Durata mare de amortizare prin energia furnizata

Celule multicristaline sau 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.

Acest tip de celule se realizeaza pe baza unui bloc de siliciu cristalizat in mai multe cristale, care au orientari diferite. Randamentul lor este de 11 - 13%, dar presupun un cost de productie mai redus decat cel al celulelor monocristaline.

Celule solare 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.

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.

Aceste celule sunt realizate dintr-un suport de sticla sau material sintetic, pe care se depune un strat subtire de siliciu (organizarea atomilor nu este regulata, ca in cazul unui cristal). Randamentul lor este de 5 - 10%, mai mic decat al celulelor cristaline, dar pretul este bun.

Ele sunt utilizate in mici produse comerciale (ceasuri, calculatoare), dar pot fi utilizate si in instalatiile solare.

Ele au avantajul de a se comporta mai bine la lumina difuza si la cea fluorescenta, fiind deci mai performante le temperaturi mai ridicate.

Celule cu CdTe, CIS si CIGS. Tehnologiile CdTe, CIS si CIGS sunt in curs de dezvoltare sau de industrializare.

.  Celulele cu CdTe se bazeaza pe telura de cadmiu, material interesant datorita proprietatii de absorbtie foarte mare. Totusi, dezvoltarea lor risca sa fie franata datorita toxicitatii cadmiului.

.  Celulele cu CIS (CuInSe2) se bazeaza pe cupru, indiu si seleniu. Acest material se carcterizeaza printr-o buna stabilitate sub actiunea iluminarii. Ele au proprietati de absorbtie excelente.

.  Celulele cu CIGS sunt realizate din aceleasi materiale ca si cele cu CIS, avand ca particularitate alierea indiului cu galiu. Aceasta permite obtinerea unor caracteristici mai bune.

1.2.2 Compararea caracteristicilor tehnice a celulelor solare

Celulele se comporta diferit, in functie de compozitia lor. Astfel randamentul si durata de viata variaza in functie de tipul de celula ales.

Putem vedea ca celulele variaza in functie de conditiile de mediu. Astfel in laborator, avand conditii optime celulele prezinta un randament maxim. Modulele prototip au un randament intermediar, in timp ce modulele comerciale au cel mai mic randament, acesta datoranduse conditiilor in care sunt utilizate.

Fiecare celula are avantajele si dezavantajele ei. In tabelul urmator sunt descrise cele mai importante celule care se afla acum pe piata, si putem vedea avantajele si dezavantajele folosirii fiecarui tip de celula.

1.3 Conversia energiei solare in energie electrica

Efectul fotovoltaic este datorat eliberarii de sarcini electrice negative (electroni) si pozitive (goluri), intr-un material solid, atunci cand suprafata acestuia interactioneaza cu lumina. Datorita polarizarii electrice a materialului respectiv, care se produce sub actiunea luminii, apare o tensiune electromotoare, care poate genera curent electric intr-un circuit inchis. Dispozitivele care functioneaza pe baza acestui fenomen, sunt denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare.

Pentru a permite furnizarea unei puteri electrice rezonabile, celulele fotovoltaice nu functioneaza individual ci legate in serie intr-un mumar mai mare, alcatuind panouri fotovoltaice, sau panouri electrice solare (a nu se confunda cu panourile solare

pentru producerea energiei termice, denumite si colectori solari sau panouri solare termice).

Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe materiale semiconductoare, dar peste 95% din celulele solare sunt realizate din siliciu (Si), care este al doilea element chimic cel mai raspandit in scoarta terestra, reprezentand cca. 25% din aceasta, deci este disponibil in cantitati suficiente, fiind astfel    si ieftin. In plus, procesele de prelucrare a acestui material nu sunt agresive pentru mediul ambiant.

Structura energetica a materialeor semiconductoare

Analizarea acestei scheme energetice este utila in vederea intelegerii conditiilor in care semiconductorii pot deveni materiale conductoare de curent electric. In situatii normale, electronii ocupa in jurul nucleelor atomilor materialului respectiv, diferite nivelele energetice denumite si straturi sau benzi energetice. Aceste nivele energetice accesibile pentru electroni, sunt separate de benzi energetice interzise, reprezentand adevarate "bariere energetice" pentru electroni. Nivelul energetic cel mai ridicat dintre cele ocupate de electroni, este denumit si banda energetica de valenta, sau mai simplu banda de valenta. Urmatorul nivel energetic accesibil electronilor, dar neocupat de

acestia, este denumit banda energetica de condutie, sau mai simplu banda de conductie.

Este evident ca pentru materiale diferite, nivelele energetice ale benzii de valenta si ale benzii de conductie sunt diferite. Diferenta de potential energetic ∆E, dintre banda de conductie si banda de valenta, reprezentand si valoarea "barierei energetice" dintre cele doua straturi, este diferenta dintre nivelurile energetice E_c al benzii de conductie si E_v al benzii de valenta ∆E=E_c-E_v. In cazul siliciului monocristalin, valoarea acestei bariere energetice este ∆E≈1eV, iar in cazul siliciului amorf poate sa ajunga la ∆E≈1,7eV. Aceste valori ale barierei energetice, reprezinta cuante de energie care trebuie sa fie transmise electronilor de pe stratul de valenta pentru ca acestia sa devina liberi, adica pentru a putea trece pe banda de conductie. Prin supunerea materialelor semiconductoare de tipul siliciului la radiatia solara, fotonii, sau cuantele de lumina cum mai sunt numiti acestia, sunt capabili sa transmita electronilor de pe banda de valenta, energia necesara pentru a depasi "bariera energetica" si a trece pe banda de conductie. Acest fenomen se produce in celulele fotovoltaice.

In vederea fabricarii celulelor fotovoltaice, Si este impurificat (dopat) cu diferite elemente chimice, pentru obtinerea unui surplus de sarcini electrice negative (electroni) sau pozitive (goluri). Se obtin astfel straturi de siliciu semiconductoare de tip n, respectiv de tip p, in functie de tipul sarcinilor electrice care predomina. Prin alaturarea a doua asemenea straturi de material semiconductor, caracterizate prin predominanta diferita a sarcinilor electrice, in zona de contact, se obtine o asa numita jonctiune de tip p-n de tipul celei reprezentate schematic

Sub actiunea diferentei de potential electric, manifestata in zona de contact, electronii excedentari din stratul n, prezinta tendinta de migratie in stratul p, deficitar in electroni. Analog, golurile excedentare din stratul p, prezinta tendinta de a migra in stratul n, deficitar in sarcina electrica pozitiva.

Tendinta de migrare a sarcinilor electrice intre straturile jonctiunii p-n

Amploarea migratiei sarcinilor electrice intre cele doua straturi ale jonctiunii p-n este limitata de nivelul energetic al purtatorilor celor doua tipuri de sarcini electrice.

Astfel, cu toate ca nu se va realiza o reechilibrare la nivelul sarcinilor electrice in toata profunzimea celor doua straturi, o zona superficiala din stratul p va fi ocupata de sarcini electrice negative (electroni), iar o zona superficiala din stratul n, va fi ocupata de sarcini electrice pozitive (goluri). Ca efect, se va produce o redistribuire a sarcinilor electrice in zona jonctiunii p-n.

Aparitia unei diferente de potential electric in zona jonctiunii p-n

Se observa    ca efectul acestei redistribuiri este reprezentat de aparitia unei diferente de potential locale, la nivelul jonctiunii. Aceasta diferenta interna de potential reprezinta o bariera care impiedica o eventuala deplasare ulterioara a sarcinilor electrice negative din stratul n spre stratul p si a celor pozitive din stratul p spre stratul n. Sarcinile electrice libere din cele doua straturi sunt respinse din zona jonctiunii spre suprafetele acestor straturi, opuse jonctiunii p-n.

Este cunoscut faptul ca lumina prezinta un caracter dual, avand atat caracteristici de unda, conform teoriei ondulatorii a luminii, cat si caracteristici corpusculare, conform teoriei corpusculare, sau fotonice a luminii. Din punctul de vedere al efectului fotovoltaic este mai util ca lumina sa fie considerata ca avand caracter corpuscular.

Daca jonctiunea p-n este supusa radiatiei solare, fotonii avand un nivel energetic suficient de ridicat (cu atat mai ridicat cu cat radiatia solara prezinta o intensitate mai mare), sunt capabili sa transfere suficienta energie electronilor aflati pe straturile de valenta ale atomilor, pentru a treace pe straturile de conductie si sa devina electroni liberi.

Sub actiunea diferentei interne de potential, care se manifesta local la nivelul jonctiunii p-n, electronii liberi care se formeaza in stratul n, sunt respinsi spre suprafata stratului n al jonctiunii, iar electronii liberi care se formeaza in stratul p, sunt atrasi spre

zona de jonctiune, pe care o vor traversa si odata ajunsi in stratul n, sunt respinsi spre suprafata acestui strat. Fiecare electron liber, in momentul trecerii sale pe stratul de conductie, lasa in urma un gol (sarcina electrica pozitiva) in structura atomului pe care l-a parasit, astfel ca sub actiunea radiatiei solare nu apar doar electroni liberi ci perechi de sarcini electrice negative (electroni) si pozitive (goluri). Sub actiunea diferentei interne de potential, care se manifesta local la nivelul jonctiunii p-n, golurile care se formeaza in stratul p sunt respinse spre periferia stratului p al jonctiunii, iar golurile care se formeaza in stratul n, sunt atrase spre zona de jonctiune, pe care o vor traversa si odata ajunsi

in stratul p, sunt respinsi spre suprafata acestui strat.

In urma deplasarii sarcinilor electrice in cele doua straturi si in zona jonctiunii p-n, conform mecanismului prezentat, se produce o polarizare electrica la nivelul suprafetelor exterioare ale jonctiunii p-n.

Polarizarea suprafetelor exterioare ale jonctiunii p-n

Daca suprafetele exterioare ale jonctiunii p-n sunt acoperite cu cate un strat metalic, reprezentand fiecare cate un electrod, intre acestia se va manifesta o diferenta de potential, care intr-un circuit inchis va produce manifestarea unui curent electric.

Diferenta de potential si curentul electric se pot mentine la un nivel constant atata tip cat se manifesta radiatia solara. Este evident ca variatia intensitatii radiatiei solare va produce si variatii ale diferentei de potential, dar mai ales ale intensitatii curentului electric asa cumse va arata ulterior.

Jonctiunea p-n, impreuna cu cei doi electrozi, alcatuieste o celula fotovoltaica sau o celula elctrica solara