INTRODUCERE. STUDIUL LITERATURII - ENERGIA SOLARA

Scust istoric

Deja si in Grecia antica se stia ca energia luminii se poate utiliza, astfel se pare ca la asediul Siracuzei in anul 212 inaintea erei noastre grecii au concentrat lumina solara cu oglinzi si au indreptat-o catre flota asediatoare a romanilor, incendiind-o. Tot grecii au fost si cei care au utilizat energia luminoasa in scop pasnic aprinzand cu ea flacara olimpica. 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. Cu toate acesta pentru aceasta descoperire el a obtinut premiul Nobel pentru fizica in anul 1905. 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. Pentru lucrarile sale privind fenomenul fotovoltaic, a obtinut premiul Nobel pentru fizica in anul 1921.

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.

Dupa aceasta descoperire fabricarii celulei solare in forma cunoscuta astazi nu ii mai sta nimic in cale. 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. S-au atins in spatiu randamente de pana la 10,5  %. Aceste rezultate nu se puteau realiza pe pamint si datorita conditiilor diferite din spatiu unde nu se regaseste ritmul zi-noapte si lumina naturala nu este absorbita partial de atmosfera si nori, totodata radiatiile cosmice conduc la o imbatranire mai rapida a celulelor solare decat pe pamant. De aceea industria si cercetarea incearca obtinerea unor randamente tot mai mari in paralel cu prelungirea duratei de viata.

Randamentul teoretic pentru celule solare pe baza de siliciu se considera a fi de 29 % pentru conditiile de iradiatie pe spectrul din zona de mijloc. 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 ) si au fost concepute pentru sateliti

Criza de la inceputul anilor 70 a condus la cresterea preturilor produselor petroliere avand ca rezultat crestere pretului energiei. Acest lucru a impulsionat cercetarile in domeniul celulelor solare. 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 celule solare cu un randament in jur de 20 %.

Bazele teoriei fotovoltaice

Termenul fotovoltaic a fost folosit prima data prin anul 1890, cuvantul are 2 parti: foto

de la cuvantul grecesc pentru lumina ai volt cu referire la pionierul electricitatii A. Volta.

Fotovoltaic ar putea fi tradus ca electricitate din lumina. Si asta este ce fac materialele

si dispozitivele fotovoltaice (PV=photovoltaic) - convertesc energia solara in energie

electrica (efectul fotovoltaic) asa cum a descoperit si fizicianul francez Edmond Becquerel in 1839.

Numite in general celule solare, celule fotovoltaice individuale sunt dispozitive fabricate

din materiale semiconductoare. Celule PV exista in multe forme si marimi - de la celule

mai mici decat un timbru postal la celule de cativa centimetri in diametru.

Figura 1 : Exemple de celule solare

Celulele sunt conectate intre ele pentru a forma module care pot ajunge la marimi de ordinul metrilor. Modulele la rand pot fi combinate si conectate pentru a forma matrice (arrays) sau panouri solare de diverse marimi si puteri. Marimea unei matrice depinde de activa factori, precum cantitatea de lumina solara disponibila intr-un anume loc si de nevoile consumatorului.

Figura 2 : Modul solar

Modulele matricelor sunt de altfel o parte importanta a unui sistem PV care mai poate sa contina conexiuni electrice, echipament de fixare, invertoare, echipament de conditionare a puterii si baterii pentru stocarea energiei.

Figura 3 : Exemplu de panou solar

Sisteme PV simple alimenteaza obiecte marunte precum ceasuri sau calculatoare. Cele mai complicate alimenteaza sateliti de comunicatii, pompe de apa, instalatii de iluminat, aparate si masini din casele oamenilor. Multe semne de circulatie, semafoare sunt alimentate in acest mod. In multe

cazuri, PV furnizeaza cea mai ieftina forma de electricitate pentru efectuarea sarcinilor respective.

1.3 Efectul Fotovoltaic

In anul1839, Edmond Becquerel a descoperit procesul prin care, folosind lumina solara, se

produce curent electric intr-un material solid. A trecut insa mai mult de un secol pentru ca oamenii sa inteleaga pe deplin acest proces. Oamenii de stiinta au invatat pana la urma ca efectul fotovoltaic sau fotoelectric (PV) produce conversia energiei luminoase in energie electrica in unele materiale, la nivel atomic.

Acest efect este procesul fizic de baza prin care o celula PV converteste lumina in energie electrica. Cand razele soarelui lumineaza suprafata celulei, o parte se refracta, alta e absorbita si

ultima e reflectata. Numai partea absorbita genereaza electricitate. Energia razelor absorbite este transferata electronilor din atomii celulei. Cu aceasta energie noua, electronii scapa din pozitiile lor normale din atomii semiconductorilor si devin electroni de conductie, parte a curentului intr-un circuit electric.

O proprietate speciala a celulei PV este "campul electric indus" - care asigura voltajul - forta, necesara circulatiei curentului printr-o sarcina externa (un bec).

Pentru a induce acest camp electric intr-o celula solara, sunt puse in contact 2 straturi din 2

materiale semiconductoare diferite. Un strat este de tip semiconductor "tip n" cu o abundenta de

electroni si avand incarcare electrica negativa. Celalalt strat este un semiconductor de "tip p" , cu

o abundenta de goluri care are o incarcare electrica pozitiva. Desi amandoua materiale sunt

neutre din punct de vedere electric, siliciul tip n are electroni in exces iar cel de tip p are goluri in

exces. Daca aceste 2 materiale sunt suprapuse (tip sandwich) se creeaza o jonctiune P/N la interfata lor, prin urmare creandu-se un camp electric (Figura 4). Cand siliciul de tip N si cel de tip P intra in contact, electronii in exces se misca dinspre partea de tip N, inspre partea de tip P. Rezultatul este o adunare de sarcina pozitiva dea lungul partii tip N a interfetei si invers o adunare de sarcina negativa de-a lungul partii tip P. Din cauza circulatiei de electroni si goluri, cei doi semiconductori se comporta ca o baterie creand un camp electric la suprafata de unire - la jonctiunea P/N.    

Figura 4: Ilustrarea straturilor n-j-p

Campul electric face ca electronii sa se miste din semiconductor spre suprafata negativa unde

energia lor devine disponibila circuitului electric. In acelasi timp golurile se deplaseaza in directie opusa unde asteapta electronii.

Acest proces este in absenta luminii imposibil, electronii nu au suficienta energie pentru a trece in partea cealalta (sa sara jonctiunea P/N) de aceea se produce doar in prezenta luminii care stimuleaza electronii.

Cele 2 tipuri sunt create prin adaugarea unui element intr-un siliciu care ori are un electron in plus ori ii lipseste unul. Procesul de adaugare a unui alt element se numeste dopare.

Lumina si celula PV

1.4.1 Lungime de unda, Frecventa si Energia

Energia de le soare este vitala vietii pe Pamant. Ea este cea cere determina temperatura la suprafata si furnizeaza toata energia care conduce toate procesele si ciclurile din sistemele globale. Alte stele sunt enorme surse de energie in forma razelor X si a undelor radio, dar soarele nostru isi elibereaza majoritatea energiei sub forma luminii vizibile. Totusi, lumina vizibila reprezinta numai o portiune din spectrul total de radiatii. Mai precis, infrarosiile si razele ultraviolete sunt parti importante ale spectrului solar.

Figura 5: Spectrul solar

Soarele emite aproape toata energia sa intr-o raza de lungimi de unda de la 0,2 micrometrila 4 micrometri. Mare parte din aceasta energie este in partea de lumina vizibila. Fiecare lungime de unda corespunde unei frecvente si unei energii: cu cat e mai mica lungimea de unda, cu atat mai mare e frecventa si astfel energia e mai mare (exprimata in eV electron-volti). Lumina rosie este la capatul de joasa energie a spectrului vizibil, iar lumina violeta este la capatul de inalta energie, unde are de 2 ori mai multa energie ca lumina rosie.

In portiunile invizibile ale spectrului, radiatia in regiunea ultravioletelor, care bronzeaza pielea, are mai multa energie decat in zona vizibila. De asemenea radiatia in regiunea infrarosie,

ceea ce simtim noi drept caldura, are mai putina energie decat in zona vizibila. Celulele solare raspund diferit la diferitele lungimi de unda sau culori ale luminii. De exemplu cristalul de siliciu poate folosi intregul spectru vizibil plus o parte din cel infrarosu. Dar energia dintr-o parte a spectrului infrarosu ca si radiatia de lungime de unda mai mare, este prea scazuta pentru a produce curent. Radiatiile de energie mai mare pot produce curent dar mare parte din aceasta energie este de asemenea neutilizabila. Pe scurt, lumina care are energie prea mare sau prea mica nu este folosita de celula pentru a produce electricitate. Mai degraba este transformata in caldura.

1.4.2 Masa de aer

Soarele elibereaza continuu o cantitate enorma de energie radianta in sistemul solar.

Pamantul primeste o mica parte din aceasta si totusi in medie, 1376 W ajung in fiecare

secunda, pe fiecare metru patrat al suprafetei exterioare a atmosferei terestre.

Atmosfera absoarbe si reflecta o parte din aceasta radiatie, inclusiv majoritate din razele X si ultraviolete. Chiar si asa, cantitatea de energie care atinge suprafata Pamantului in fiecare ora este mai mare decat toata energia pe care o foloseste intreaga omenire intr-un an intreg. Cata energie pierde lumina in drumul ei de la marginea atmosferei la suprafata Pamantului? Aceasta pierdere depinde de grosimea atmosferei prin care lumina trebuie sa patrunda. Radiatia care atinge nivelul marii la amiaza si pe un cer senin, este de 1000 W/ m² si este descrisa ca radiatie air mass 1(AM1).     Pe masura ce soarele apune, lumina trebuie sa treaca printr-o grosime mai mare (un drum mai lung prin aer) pierzand mai multa energie. Cum soarele este in pozitia de energie maxima pentru foarte putin timp, masa de aer este normal mai mare de 1, adica energia disponibila este mai mica de 1000 W/m .Oamenii de stiinta au denumit spectrul standard al luminii soarelui la suprafata Pamantului: AM1.5G (unde G vine de la global si cuprinde si radiatia difuza si directa) sau AM1.5D (cuprinde doar radiatia directa). Numarul 1.5 indica ca lungimea caii luminii prin atmosfera este de 1.5 ori mai mare decat lungimea caii corespunzatoare soarelui la amiaza - sau deasupra capului (calea minima). Spectrul standard in afara atmosferei terestre este denumit AM0 cum lumina nu trebuie sa treaca prin atmosfera. AM0 este folosit cu predilectie pentru a prezice performanta asteptata de la o celula PV in spatiu. Intensitatea radiatei AM1.5D este aproximata prin reducerea cu 28% a spectrului AM0, unde 18% este cantitatea absorbita iar 10% este imprastiata (reflectata). Spectrul global este cu 10% mai mare decat spectrul direct. Aceste calcule duc la obtinerea la aproximativ 970 W/m² pentru AM1.5G. Totusi, spectrul standard AM1.5G este "normalizat" sa dea 1000 W/m²,din cauza variatiilor normale in incidenta radiatiei solare.

1.4.3 Lumina directa si lumina difuza

Dupa cum s-a vazut, atmosfera terestra si stratul de nori, absorb, reflecta sau imprastie o parte din radiatia solara. Chiar si asa o cantitate enorma din energia soarelui ajunge la suprafata Pamantului si deci, poate fi folosita, la producerea electricitatii. O parte din radiatie este directa, alta este difuza iar deosebirea este importanta deoarece unele sisteme PV (sistemele tip placa-plata) pot

folosi ambele forme de lumina dar sistemele concentratoare nu pot folosi decat lumina directa.

. Lumina directa consta in radiatia ce vine direct de la soare, fara a fi reflectata de nori, praf, pamant sau alte obiecte. Oamenii de stiinta de asemenea vorbesc despre radiatia direct-normala care se refera la volumul de lumina care vine direct de la soare si loveste suprafata modulului PV la un unghi de 90 de grade.

Lumina difuza este lumina solara care este reflectata din nori, pamant sau alte obiecte. In mod evident, drumul acesteia pana la modul este mai lung decat a luminii directe. Lumina difuza nu poate fi concentrata de optica unui sistem concentrator PV.

Radiatia globala se refera la radiatia totala care loveste o suprafata orizontala.

Colectoarele plate ce contin de obicei un numar mare de celule solare sunt montate pe o suprafata rigida si dreapta, se pot folosi de ambele forme: lumina solara direct si lumina solara difuza reflectata dinnori, pamant sau obiecte invecinate.

Figura 6 . Lumina directa si lumina difuza

Lumina solara globala este compusa din componente direct-normala si difuze ale luminii.In plus aceste 2 componente au in general spectre de energie sau distributia de culori diferite.

1.4.4 Insorirea

Cantitatea actuala de lumina solara ce cade pe o zona geografica anume este cunoscuta drept insorire - sau radiatie solara incidenta . Valorile insoririi pentru un loc anume sunt uneori greu de obtinut. Statiile meteo ce masoara componente ale radiatiei solare sunt situate de regula departe (pe munti) si pot sa nu fie echipate cu date specifice pentru o zona data. Mai mult, informatia care este in general disponibila este o medie pe zi a radiatiei pe o suprafata orizontala.

1.5 Celula solara din cristal de siliciu

Celulele PV pot fi fabricate din multe tipuri de semiconductoare, dar se va folosi ca

exemplu cristalul de siliciu pentru 3 motive :

- primul ar fi ca acest tip de material a fost folosit cu succes in primele celule PV

- al doilea, ca este cel mai raspandit material pentru celule PV

- al treilea ar fi studiind fenomenul pe acest material se obtine o intelegere de baza a modului de functionare si a celorlalte materiale (care difera foarteputin).

1.5.1 Descriere Atomica

Toata materia este compusa din atomi, care sunt compusi din protoni incarcati pozitiv, electroni incarcati negativ si neutroni nutrii. Protonii si neutronii, care sunt de cam aceiasi dimensiune, sunt grupati impreuna formand nucleul central al atomului.

Electronii, mult mai usori orbiteaza nucleul. Cu toate ca atomii sunt construiti din particule incarcate opus, incarcarea lor globala este neutra deoarece contin un numar egal de protoni pozitivi si electroni negativi a caror sarcini se anuleaza reciproc (Figura 7).

Figura 7: Electronii siliciului

Dupa cum se vede in diagrama simplificata, (Figura 7-8) siliciul are 14 electroni. Cei 4 care orbiteaza in nivelul de energie de valenta, cel mai departat sunt dati, acceptati sau impartiti

cu alti atomi. Electronii orbiteaza la diverse distante de nucleu, depinzand de nivelul lor de

energie. De exemplu, un electron cu mai putina energie orbiteaza mai aproape de nucleu pe

cand unul cu energie mai mare orbiteaza la o distanta mai mare. Electronii cu energia cea mai

mare si cel mai departati de nucleu sunt cei ce interactioneaza cu atomii vecini pentru a forma structurii solide.

Intr-o structura de baza a unui cristal de siliciu, un atom de siliciu imparte fiecare din cei 4

electroni de valenta cu fiecare din cei 4 atomi vecini. Un atom de siliciu are 14 electroni, dar

aranjamentul lor orbital natural, permite numai celor 4 electroni de valenta sa fie dati, acceptati sau impartiti cu alti atomi. Acesti 4 electroni de valenta , joaca un rol foarte important in efectul fotoelectric.

Un numar mare de atomi de siliciu sunt uniti unii cu altii, prin mijloacele electronilor lor

de valenta pentru a forma un cristal. Intr-un solid cristal, orice atom de siliciu, imparte in mod normal unul din cei 4 electroni de valenta intr-o legatura covalenta cu fiecare din cei 4 atomi vecini (4 electroni - 4 atomi - 4 legaturi covalente). Astfel solidul consta intro unitate de fundamentala de 5 atomi de siliciu: atomul original plus ceilalti 4 cu care acesta imparte electroni. Acest aranjament, regulat si fix se numeste retea cristalina.

Figura 8. reteaua cristalina a siliciului, valenta

1.5. 2 Nivelul limita de energie

Definitie: Intr-un semiconductor, este diferenta de energie dintre cea mai inalta banda

de valenta si cea mai joasa banda de conductie, cantitatea de energie (eV) necesara pentru a elibera

un electron de valenta din orbita in jurul nucleului intr-o stare libera, promovandu-l din nivelul de valent in nivelul de conductie.

Cand razele soarelui lumineaza un cristal de siliciu, electroni din interiorul retelei de siliciu pot fi eliberati. Dar nu toti fotonii sunt creati egali. Doar cei cu un nivel anume de energie pot elibera electroni intr-un material semiconductor, pentru a produce curent electric.

Acest nivel de energie (limita) este cantitatea de energie necesara pentru a disloca un electron din legatura covalenta si permitandu-i sa devina parte a circuitului electric.

Pentru a elibera un electron, energia unui foton trebuie sa fie cel putin egala cu nivelul limita Totusi fotonii cu energie mai mare se vor debarasa de energia in plus printr-ocantitate de caldura in plus. Asadar este important ca o celula PV sa fie adaptata, prinmodificari usoare a structurii moleculare, sa optimizeze energia fotonilor. Cheia obtinerii unei celule PV eficiente este convertirea cat mai multei cantitati de energie in electricitate si mai putin in caldura.

Cristalul de siliciu are un nivel limita de 1.1 eV (1 eV=energia obtinuta de un electron care trece printr-un potential de 1 V in vid). Nivelul limita la alte semiconductoare PV variaza de la 1.0 la 1.6 eV. In aceasta marja, electronii pot fi eliberati fara a se degaja caldura suplimentara. Energia fotonilor din lumina variaza in concordanta cu diferitele lungimi de unda ale luminii. Spectrul intreg,

de la infrarosu la ultraviolet, acopera un interval intre ~ 0.5 eV la ~. 2.9 eV. De exemplu, lumina rosie are o energie de ~ 1.7 eV fata de cea albastra care are ~ 2.7 eV. Majoritatea celulelor PV nu pot folosi circa 55% din energia razelor solare deoarece energia este fie sub nivelul limita al materialului, fie este prea mare.

Figura 9: Nivelul limita

Prin figura 9 se arata cum energia din lumina este absorbita de diferite materiale

PV. Siliciul absoarbe >1.1 eV.

1.5.3 Campul electric Indus

Razele de soare care lovesc cristalulde siliciu poate elibera electronii din reteaua cristalina, dar pentru ca acesti electroni sa fie utili - sa transporte energia la un consumator (bec) sub forma curentului electric, ei trebuie separati si orientati intr-un circuit electric. Pentru a separa sarcinile electrice, cristalul de siliciu trebuie sa aiba un camp electric indus.

Pentru a crea acest camp electric inauntrul celulei PV, sunt puse laolalta 2 tipuri de semiconductoare :

- Semiconductoarele de tipul P (sau Pozitiv) au din abundenta de goluri incarcate pozitiv

- Semiconductoare de tip N (negativ) au din abundenta electroni incarcati negativ.

Cand aceste 2 tipuri vin in contact electronii in exces se muta din partea tip N in partea de tip P a jonctiunii. Rezultatul este o acumulare de sarcina pozitiva de-a lungul partii N a interfetei si similar sarcina negativa de-a lungul partii P a interfetei. Datorita circulatiei de electroni si goluri cele 2 semiconductoare se comporta ca o baterie, creand un camp electric la suprafata de contact. Campul electric face ca electronii sa se miste din semiconductor spre suprafata negativa facandu-se disponibili pentru circuitul electric. In acelasi timp, golurile se misca in directia opusa spre suprafata opusa unde asteapta electronii.

Figura 10 : Straturile N-P

Cu toate ca ambele materiale sunt neutre electric,siliciul de tip N are electroni in exces iar cel de tip

P are goluri in exces. Suprapunand aceste 2 tipuri se va crea o jonctiune P/N la interfata celor 2 si

prin urmare un camp electric. Pentru a crea acest camp electric inauntrul celulei PV, sunt puse laolalta 2 tipuri de semiconductoare. Semiconductoarele de tipul P (sau Pozitiv) au din abundenta de goluri incarcate pozitiv pe cand cel de tip N (negativ) au din abundenta electroni incarcati negativ. Cand aceste 2 tipuri vin in contact electronii in exces se muta din partea tip N in partea de tip P a jonctiunii. Rezultatul este o acumulare de sarcina pozitiva de-a lungul partii N a interfetei si similar sarcina negativa de-a lungul partii P a interfetei. Datorita circulatiei de electroni si goluri cele 2 semiconductoare se comporta ca o baterie, creand un camp electric la suprafata de contact. Campul electric face ca electronii sa se miste din semiconductor spre suprafata negativa facandu-se disponibili pentru circuitul electric.

In acelasi timp, golurile se misca in directia opusa spre suprafata opusa unde asteapta electronii.

1.5. 4 Absorbtia si Conductia

Intr-o celula PV, fotonii sunt absorbiti in startul P. Este foarte importanta imbunatatirea acestui strat spre a obtine proprietatile necesare ca cat mai multi fotoni sa fie absorbiti si sa elibereze cat mai multi electroni cu putinta. O alta provocare este evitarea ciocnirii electronilor cu golurile si recombinarea lor inainte de a iesi din celula PV. Pentru a face acest lucru, se proiecteaza materialele sa elibereze electronii cat mai aproape posibil de jonctiune, astfel incit campul electric sa ajute electronii liberi sa treaca prin stratul de conductie (stratul N) in circuitul electric. Optimizand aceste caracteristici, se imbunatateste eficienta conversiei celulei PV, adica cat din energia luminii este

transformata in energie electrica.

Figura 11: Absorbtia

Figura 11 ne ilustreaza modul de functionare a absorbtiei,reflexiei, recombinarii si conductiei intr-o celula solara. Pentru ca o celula solara sa fie eficienta se incearca maximizarea absorbtiei,

minimizarea reflexiei si recombinarii si astfel se va realiza maximizarea conductiei.

1.6 Contacte Electrice

Contactele electrice sunt elemente esentiale intr-o celula PV deoarece ele reprezinta o punte de conexiune intre materialul semiconductor si sarcina electrica externa (bec). Reteaua de contacte la suprafata unei celule tipice sunt proiectate sa aiba multe si subtiri nervuri conductoare raspandite pe toata suprafata celulei.

Contactul din spatele celulei - partea opusa caderii soarelui, este relativ simplu. De obicei consta intr-un strat de aluminiu sau molibden. Dar partea frontala - pe partea pecare cad razele soarelui este mai complicata. Cand razele soarelui lumineaza o celula PV, un curent de electroni circula pe toata suprafata ei. Daca introducem contacte numai la marginile celulei, aceasta nu va functiona datorita rezistentei electrice mari a stratului semiconductor de deasupra. Numai un numar redus de electroni va ajunge la contact. Pentru a colecta majoritatea electronilor, se vor plasa contacte pe toata suprafata celulei. Acest lucru se face de obicei, cu o retea de fasii metalice sau nervuri. Dar totusi plasand o retea mai deasa, opaca deasupra celulei se umbreste o parte din suprafata celulei si astfel eficienta conversiei este redusa semnificativ.

Imbunatatirea eficientei se face prin minimizarea efectelor de umbra. O alta provocare in proiectarea celulei este minimizarea pierderilor prin rezistenta electrica cand se aplica contactele retea. Aceste pierderi sunt legate de proprietatea materialului de a se opune circulatiei de curent care are ca rezultat incalzirea materialului. Asadar in proiectarea contactelor trebuie echilibrate efectele de umbrire cu pierderile electrice. Se obisnuieste sa fie proiectate, retele cu multe nervuri subtiri care se intind pe toata suprafata celulei.

Nervurile trebuie sa fie destul de late ca sa conduca bine curentul (cu R mic) dar destul de subtiri sa nu blocheze mare parte din lumina. Acest tip de retea are pierderi mici in timp ce se umbreste doar 3-5% din suprafata celulei. Fabricarea retelelor este scumpa si poate afecta fiabilitatea celulei. Pentru a fabrica retele de suprafata, se pot fie depune vapori metalici pe o celula printr-o masca sau vopsirea lor cu ajutorul unei metode de vopsire pe suprafete de acest gen. Fotolitografierea este cea mai preferata metoda datorita calitatii dar cu costuri ridicate. O alternativa la reteaua metalica este un strat de oxid transparent conductor (TCO) precum Dioxidul de Sn (SnO ). Avantajul TCO este acela ca este aproape invizibil pentru lumina si formeaza o punte eficienta intre materialul semiconductor si circuitul extern.TCO sunt folositoare in procese de fabricare ce implica un suprastrat de sticla ce acopera partea frontala a modulului PV. Unele celule

PV din film subtire precum siliciul amorf sau telura de cadmiu sunt construite similar. In acest proces TCO este de obicei depus ca o pelicula subtire pe stratul de sticla inaintea depunerii straturilor semiconductoare. Straturile semiconductoare sunt urmate de contactul metalic care va

fi de fapt partea din spate a celulei. Dupa cum se observa celula este construita de fapt invers, din fata in spate. Dar tehnica de constructie nu e de fapt singurul lucru care determina daca o retea

metalica sau un strat TCO este potrivita pentru o anume celula. Rezistenta stratului semiconductor este de asemenea un considerent important. In cristalul de siliciu, semiconductorul conduce electronii destul de bine ca acestia sa ajunga la o nervura metalica. Deoarece metalul conduce mai bine decat TCO, pierderile prin umbrire sunt mai mici decat cele obtinute folosind TCO.

Siliciul amorf, pe de alta parte, conduce foarte prost electronii pe directie orizontala, asadar, este indicata aici folosirea unui strat TCO pe intreaga suprafata a siliciului.

1.7 Acoperire Anti Reflexiva

Siliciul este un material gri stralucitor si poate actiona ca o oglinda reflectand mai multde 30% din lumina. Pentru imbunatatirea eficienta conversiei unei celule solare trebuie minimizata cantitatea de lumina reflectata (sa tinda chiar la 0) asa incit materialul semiconductor sa capteze cat mai multa lumina posibil pentru eliberarea electronilor. Sunt foloseste in mod uzual 2 tehnici pentru a reduce reflexia. Prima este acoperirea fetei celulei cu un strat subtire de monoxid de siliciu. Un singur strat reduce reflexia la aproximativ 10% iar un al doilea, pana la 4%. O a doua procedura este texturarea suprafetei frontale. Decaparea chimica creeaza un model de conuri si piramide care capteaza lumina care altfel ar fi reflectata. Aceasta lumina este reflectata dar in directia celulei nu in afara ei asadar lumina are o alta sansa sa fie absorbita.

1.8 Caracteristici

Cum cercetatorii dezvolta tipuri noi de celule fotovoltaice (PV) si modifica modelele existente, se vrea stiut modul in care se comporta electric, celulele. Dar au dus schimbarile facute celulelor la caracteristici imbunatatite, legate de curent, tensiune, puterea totala si eficienta conversiei.

In acest paragraf se prezinta 2 clase principale de masuratori efectuate pe celule solare pentru a determina caracteristicile lor:

- masurarile curent-tensiune

- masurarile de eficienta

Se prezinta pe scurt considerente de caracteristicile modulelor si sistemelor solare.

Bazandu-se pe rezultate, oamenii de stiinta pot reface diverse aspecte pentru imbunatatirea caracteristicilor - compozitia materialelor poate fi alterata sau grosimea straturilor modificata. In descrierea masuratorilor caracteristicii curent-tensiune (I-V) se prezinta puncte cheie pe graficul

caracteristicii: curentul de scurt circuit, factorul de umplere, tensiunea in gol, puterea maxima, eficienta conversiei.

Relatiile curent-tensiune (I-V) ce descriu caracteristicile electrice a dispozitivelor PV

sunt descrise de asa zisele curbe I-V. Acestea sunt obtinute prin expunerea celulei la un nivel constant de lumina in timp ce si temperatura se mentine constanta variindu-se doar rezistenta sarcinii si masurandu-se curentul prin aceasta. Pe un grafic I-V, axa verticala este curentul iar cea orizontala este tensiunea. Graficul I-V trece prin 2 puncte importante:

- Isc = curentul de scurtcircuit este curentul produs cand celula este scurtcircuitata iar tensiunea intre cele 2 terminale este 0 ceea ce corespunde unei rezistente de sarcina nula.

- Voc = tensiunea la bornele celulei atunci cand celula este in gol, ceea ce corespunde unei rezistente de sarcina infinita.

Celula poate fi exploatata intr-o variatie larga a tensiunii si curentului. Variind rezistenta

de sarcina de la 0 (scurtcircuit) la infinit (gol) se poate determina cea mai mare eficienta ca fiind punctul in care celula da cea mai mare putere. Cum P=U*I, pe curba I-V punctulde putere maxima (Pm) este la coordonatele de curent si tensiune unde produsul acestora este maxim. Puterea este nula in cazurile extreme, la scurtcircuit cand tensiunea e nula sau la gol cand curentul este nul. Punctul se gaseste pe grafic cam in cotul curbei. Acest punct reprezinta eficienta maxima a dispozitivului solar. Un parametru numit factor de umplere (FF) masoara cat de patrata este curba I-V si

descrie gradul in care tensiunea la puterea maxima (Vmp) coincide cu Voc si curentul la puterea maxima (Imp) coincide cu Isc.

FF= Pm/ I SC Voc

Cat mai mare este factorul de umplere in procente cu atat este mai patratoasa.

Eficienta conversiei este procentul din energia solara ce loveste sistemul solar care este

transformata i n energie electrica. Imbunatatirea eficientei este tinta multor cercetari si ajuta la ieftinirea tehnologiei PV si crearea unei competitii cu sursele traditionale de energie. Eficienta celulei solare este afectata de diversi factori prezentati mai jos.

- Lungimea de unda la luminii - lumina e compusa din fotoni, pachete de energie ce variaza in lungimea de unda. Cand lumina atinge celula solara, unii fotoni sunt reflectati, nu intra in celula, altii trec prin ea iar unii sunt absorbiti dar nu au energie decat sa produca caldura, iar restul au destula energie sa elibereze electroni. Nivelul de energie limita este un termen folosit adesea in descrieri detaliate ale celulelor. Figura 12

Nivelul de energie limita este cantitatea minima de energie necesara

pentru ca un foton sa elibereze un electron; aceasta energie difera de la un material semiconductor la altul. Principalul motiv pentru care celulele PV nu sunt 100% eficiente este deoarece celulele nu pot raspunde la intregul spectru de lumina solara. Fotonii cu energie mai mica decat nivelul limita nu sunt absorbiti, ce inseamna o pierdere de ~25%. Fotonii cu energia mai mare vor fi si ei pierduti,

energia in surplus va fi transformata in caldura sau lumina (panourile transparente) fapt ce inseamna alte ~30% pierderi. Asadar interactiunea imperfecta celula - raze solare risipeste cam 55% din energia luminii initiale.

- Recombinarea - purtatorii de sarcina (electronii sau golurile) dintr-o celula solara se pot in mod nechibzuit sa se recombine inainte ca ei intre in circuitul extern. Recombinarile directe este o problema grava pentru unele materiale, unde electronii generati de lumina si golurile se intalnesc la intamplare si se recombina. In alte materiale au loc recombinari indirecte, unde electronii sau golurile intalnesc o impuritate, un defect in reteaua cristalina.

- Rezistenta naturala - Rezistenta naturala pe care o intampina curentul intr-o celula scade eficienta acesteia. Aceste pierderi se produc in mod special in 3 locuri: in volumul materialului solar principal, in pelicula subtire de deasupra multor dispozitive si la interfata dintre celula si contactele electrice spre circuitul extern.

- Temperatura - Celulele solare lucreaza cel mai bine la temperaturi joase, asa cum s-a stabilit pe baza proprietarilor materialelor. Eficienta tuturor celulelor scade odata cu cresterea temperaturii. Mare parte din energia luminii devine caldura asa ca este bine fie sa se corespunda materialul celulei cu temperatura de operare fie sa se raceasca continuu celula.

In Figura 12 se prezinta caracteristicile unei celule PV la diferite temperaturi.

Figura 13

- Reflectia - Eficienta unei celule poate fi crescuta minimizand cantitatea de lumina ce se reflecta din celula. Siliciul netratat poate reflecta mai mult de 30% din lumina netratata.

Figura 13: Punctul de putere maxima

Figura 14 : Circuitul echivalent a unei celule solare

Curentul la iesirea celulei are expresia:

I_c I_SC G_N I_T (T_C T_R ID (V_c I_c R_s R_SH

Unde:

Ic = curent de sarcina (A) Vc = tensiunea sarcinii (V)

Isc = curent de scurtcircuit (A) GN=radiatia normalizata (W/m2)

IT = coeficientul cu temperatura al

curentului de scurtcircuit (A/ K),

TC= temperatura celulei ( K)

TR = temperatura de referinta ( K) ID= curentul diodei (A)

Rs = rezistenta serie ( ) RSH= rezistenta sunt

Caracteristica I/U evidentiaza:

defectele cauzate de interconectarea electrica

- rezistente de contact mari;

- rezistente serie mari introduse de cablaj;

strapungerea diodelor de protectie (by-pass si/sau de blocare)

defecte la nivelul modulelor

- celule fisurate sau sparte,

- opacizarea locala (murdarirea)

- module defectuos imperecheate

umbriri partiale

Figura 15. Caracteristici ale celulelor defecte

1.9 Dispozitive fotovoltaice (module, panouri, sisteme)

Celula fotovoltaica este elementul de baza intr-un sistem fotovoltaic. O celula fotovoltaica produce in general intre 1 si 2 W, foarte putina energie pentru aplicatii majore. Aceasta putere poate fi marita prin conectarea celulelor impreuna creand astfel unitati mai mari numite module.

Modulele la randul lor pot fi conectate astfel formand unitati mai mari numite panouri, care pot fi interconectate pentru mai multa putere. Astfel se poate construi un sistem fotovoltaic pentru a acoperii aproape orice necesar de energie.In Figura 16 sunt prezentate dispozitivele fotovoltaice

Figura 16: Celula, modul si panou fotovoltaic

1.10 Materiale folosite pentru celulele solare

a. 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).

Figura 17 : Schita despre obtinerea siliciului monocristalin

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.

Figura 18: Producerea siliciului multi cristalin

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.

Figura 19 : Structura siliciului amorf

b. 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).

c 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.

d. 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.

e. 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).In ianuarie 2007 inca nu existau celule solare pe baza de compusi organici pe piata.

f. 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.

g. 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.

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

1.11 Metode de conectarea celulelor

Celulele pot fi conectate fie in serie fie in paralel.Daca sunt conectate in serie se creste valoarea tensiunii fara a creste valoarea curentului (Figura 20a si 21a), iar daca sunt conectate in paralel secreste valoarea curentului fara a creste valoarea tensiunii (Figura 20b si 21b).

Figura 20: Legarea celulelor in serie (a) crescand tensiunea, pe cand legarea in paralel (b) creste curentul

Figura 21: (a) Conectarea in serie a doua celule de acelasi tip

(b) Conectarea in paralel a doua celule de acelasi tip

Cand se doreste cresterea si a tensiunii si a curentului, cum este necesar in majoritatea cazurilor, celulele se leaga in ambele moduri, mai intai se leaga un sir in serie pentru a marii tensiunea apoi iruri asemanatoare se leaga in paralel pentru a marii curentul (Figura 22)

Figura 22: Aranjamentul celulelor si in serie si in parallel

Interconexiunea dintre celule individuale in interiorul modulului este foarte importanta (Figura 23). Acest element este cel mai sensibil din sistem, deoarece trebuie sa suporte actiunea vantului si a caldurii.

Figura 23: ilustrarea schematica a interconexiunii dintre celule