Celul solar

Celul solar

O celul solar tipic

O celul solar const din dou sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai ntlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprins ntre 0,001 i 0,2 mm i sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma jonciuni p i n. Aceast structur e similar cu a unei diode. Cnd stratul de siliciu este expus la lumin se va produce o agitaie a electronilor din material i va fi generat un curent electric.

Celulele, numite i celule fotovoltaice, au de obicei o suprafa foarte mic i curentul generat de o singur celul este mic dar combinaii serie, paralel ale acestor celule pot produce cureni suficient de mari pentru a putea fi utilizai n practic. Pentru aceasta, celulele sunt ncapsulate n panouri care le ofer rezisten mecanic i la intemperii.

Polykristalline Silizium-Solarzellen in einem Solarmodul

Solar-Panel

Cuprins

[ascunde] 1 Clasificare

1.1 Materiale

1.2 Rezervele de materia prim

1.3 Moduri de construcie

1.4 Principiu de funcionare

2 Celule solare pe baz de siliciu

2.1 Fabricaia avnd la baz blocuri sau bare de siliciu

2.1.1 Procedeul de turnare

2.1.2 Procedeul Bridgman

2.1.3 Procedeul Czochralski

2.1.4 Procedeul de topire zonal

2.1.5 Fabricare de waferi (discuri/plci subiri de siliciu)

2.1.6 Prelucrarea plcilor de siliciu

2.2 Fabricarea plcilor semiconductoare n mod direct

2.2.1 Procedeul EFG

2.2.2 Procedeul String-Ribbon

2.2.3 Procedeul cu transfer de strat

2.3 Celule din siliciu murdar

3 Alte tipuri de celule solare

3.1 Celule solare cu strat subire

3.2 Celule cu concentrator

3.3 Celule solare electrochimice pe baz de pigmeni

3.4 Celule solare din compui organici

3.5 Celule bazate pe fluorescen

4 Istoric

5 Forme i mrimi

6 mbtrnirea

6.1 Celule solare cristaline

6.2 Celule solare amorfe

7 Caracteristici tehnice

7.1 Scheme de conectare

7.1.1 Schem echivalent simplificat

7.1.2 Schem echivalent extins (Model cu una sau dou diode)

8 Amortizarea energetic i eficiena energetic

9 Protecia mediului

10 Fabricani de celule solare (Extras)

10.1 Germania

10.2 n afara Germaniei

11 Alte firme n industria tehnologiei solare

12 Surse

13 Legturi externe

14 Vezi i

[modific] ClasificareCelulele solare pot fi clasificate dup mai multe criterii. Cel mai folosit criteriu este dup grosimea stratului materialului. Aici deosebim celule cu strat gros i celule cu strat subire.

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

Dup structur de baz deosebim materiale cristaline(mono-/policristaline) respectiv amorfe.

n fabricarea celulelor fotovaltaice pe lng materiale semiconductoare, mai nou, exist posibiltatea utilizrii i a materialelor organice sau a pigmenilor organici.

[modific] Materiale1. Celule pe baz de siliciu

Strat gros

Celule monocristaline (c-Si)randament mare - n producia n serie se pot atinge pn la peste 20% randament energetic, tehnic de fabricaie pus la punct; totui procesul de fabricaie este energofag, ceea ce are o influen negativ asupra periodei de recuperare (timp n care echivalentul energiei consumate n procesul de fabricare devine egal cantitatea de energia generat).

Celule policristaline (mc-Si)la producia n serie s-a atins deja un randament energetic de peste la 16%, cosum relativ mic de energie n procesul de fabricaie, i pn acum cu cel mai bun raport pre performan.

Strat subire

Celule cu siliciu amorf (a-Si)cel mai mare segment de pia la celule cu strat subire; randament energetic al modulelor de la 5 la 7%; nu exist strangulri n aprovizionare chiar i la o producie de ordinul TeraWatt

Celule pe baz de siliciu cristalin, ex. microcristale (c-Si)n combinaie cu siliciul amorf randament mare; tehnologia aceeai ca la siliciul amorf

2. Semiconductoare pe baz de elemente din grupa III-V

Celule cu GaAsrandament mare, foarte stabil la schimbrile de temperatur, la nclzire o pierdere de putere mai mic dect la celulele cristaline pe baz de siliciu, robust vizavi de radiaia ultraviolet, tehnologie scump, se utilizeaz de obicei n industria spaial (GaInP/GaAs, GaAs/Ge)

3. Semiconductoare pe baz de elemente din grupa II-VI

Celule cu CdTeutilizeaz o tehnologie foarte avantajoas CBD(depunere de staturi subiri pe suprafee mari n mediu cu pH , temperatur i concentraie de reagent controlate); n laborator s-a atins un randament de 16%, dar modulele fabricate pn acum au atins un randament sub 10%, nu se cunoate fiabilitatea. Din motive de protecia mediului este improbabil utilizarea pe scar larg.

4. Celule CIS, CIGSCIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs n staie pilot la firma Wrth Solar n Marbach am Neckar, respectiv Cupru-Indiu-Disulfat la firma Sulfurcell n Berlin, iar CIGS pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs n staie pilot n Uppsala/Suedia. Productorii de mai sus promit trecerea la producia n mas n anul 2007.

5. Celule solare pe baz de compui organiciTehnologia bazat pe chimia organic furnizeaz compui care pot permite fabricarea de celule solare mai ieftine. Prezint, totui, un impediment faptul c aceste celule au un randament redus i o durat de via redus (max. 5000h). nc (ianuarie 2007) nu exist celule solare pe baz de compui organici pe pia.

6. Celule pe baz de pigmeniNumite i celule Grtzel utilizeaz pigmeni naturali pentru transformarea luminii n energie electric; o procedur ce se bazeaz pe efectul de fotosintez. De obicei sunt de culoare mov.

7. Celule cu electrolit semiconductorDe exemplu soluia: oxid de cupru/NaCl. Sunt celule foarte uor de fabrict dar puterea i sigurana n utilizare sunt limitate.

8. Celule pe baz de polimeriDeocamdat se afl doar n faz de cercetare.

[modific] Rezervele de materia primCa materie prim de baz siliciul este disponibil n cantiti aproape nelimitate. Pot apare ns strangulri n aprovizionare datorate capacitilor de producie insuficiente i din cauza tehnologiei energofage.

La celulele solare ce necesit materiale mai speciale cum sunt cele pe baz de indiu, galiu, telur i seleniu situaia se prezint altfel. La metalele rare indiu i galiu consumul mondial (indiu cca. 850 t, galiu cca. 165 t) depete deja de mai multe ori producia anul (USGS Minerals Information). Deosebit de critic este situaia datorit creterii accentuate a consumului de indiu n form de indiu oxid de zinc n ecranele cu cristale lichide i cele cu LED organic, precum i utilizrii de galiu i indiu n producia diodelor luminiscente (LED) care se comercializeaz n surse de lumin cu consum mic de energie respectiv ca surs de lumin de fundal n televizoare cu ecran plat.

Rezervele de indiu, estimate la 6000 tone(economic exploatabile 2800 tone), se presupune c se vor epuiza deja n aceast decad (Neue Zrcher Zeitung 7. Dezember 2005) (reserve de indiu conform USGS Mineral Commodity Summaries (2006)).

La seleniu i telur, care e i mai greu de gsit, situaia pare mai puin critic, deoarece ambii metaloizi se regsesec n cantiti mici n nmolul anodic rezultat n urma procesului de electroliz a cuprului iar productorii de cupru utilizeaz doar o parte din nmolul rezultat pentru extragerea de telur i seleniu. Rezervele exploatabile economic la seleniu se estimeaz totui la doar 82000 tone, iar la telur la doar 43000 tone, vizavi de cupru unde se estimeaz la 550 milioane tone!

Multe procese de producie utilizeaz galiu, indiu, seleniu i telur n mod neeconomic.

Spre deosebire de cupru, unde procesul de reciclare este pus la punct, la galiu, indiu, seleniu i telur procesul de reciclare nu este posibil deoarece aceste elemente se gsesc incluse n structuri multistrat foarte fin distribuite de unde recuperarea, se pare, nici n viitor nu va fi posibil.

[modific] Moduri de construciePe lng materia prim o importan mare prezint tehnologia utilizat. Se deosebesc diferite structuri i aranjamente n care se depun electrozii de acoperire transpareni a cror rezisten nu este deloc neglijabil.

Alte tehnici vizeaz mrirea eficienei asigurnd absorbia unui spectru de frecven ct mai larg prin suprapunerea mai multor materiale cu diferite caracteristici de absorbie. Se ncearc selectarea materialelor n aa fel nct spectrul luminii naturale s fie absorbit la maximum.

Actualmente celulele solare pe baz de materiale semiconductoare cele mai des comercializate sunt cel pe baz de siliciu.

Celulele solare pe baz de materiale semiconductoare utilizate pentru producerea de energie electric sunt legate n module. Pe un modul se afl mai multe rnduri de celule solare conectate n serie ntre ele pe faa i pe reversul modulului permind, datorit tensiunii nsumate, utilizarea unor conductori cu seciune mai mic dect la legarea n paralel. Pentru protejarea unei celule solare mpotriva efectului de avalan n jonciune, datorat potenialului mai mare (aprut de exemplu la umbrirea parial a modulului), trebuie incorporate paralel cu celulele solare diode de protecie(bypass).

Sistemele de panouri solare sunt nzestrate uneori cu mecanisme de orientare, panoul fiind n permanen direcionat pentru a exploata la maximum energia solar incident.

Randamentul termodinamic maxim teoretic pentru producerea de energie din lumina solar este de 85%. Acesta se calculeaz din temperatura suprafeei soarelui(5800K), temperatura maxim de absorbie(20 ani20-100 EUR/W

Randamentul celulelor solare comerciale este de cca 20%, iar modulele construite cu acestea ating un randament de cca 17%. Recordul pentru celulele fabricate n condiii de laborator este de 24,7% (University of New South Wales, Australia), din care s-au confecionat panouri cu un randament de 22%. Preul acestor module fabricate prin procedeul de topire zonal este de cca 200 Euro pe celul la o suprafa a celulei de 21,6 cm2, corespunznd unui cost de 5-10 Euro/W. Sistemele GaAs au costuri de 5 pn la 10 ori mai mari.

mbtrnirea conduce la scderea randamentului cu cca 10% n 25 ani. Fabricanii dau garanii pe cel puin 80% din puterea maxim n 20 ani.

n spaiu constanta solar este mai mare dect iluminarea global pe pmnt, totodat celulele solare mbtrnesc mai repede. Panourile pentru satelii ating momentan (2005) un randament de 25% la o durat de via de 15 ani[5].

[modific] Scheme de conectare

Schem de conectare i schem echivalent a unei cellule solare

Semnul convenional pentru o celul solar indic asemntor unei diode sau fotodiode prin interediul unei sgei sensul curentului pentru conectare. Caracteristica unei cellule solare se deosebete totui de cea a unei fotodiode ideale. Pentru a modela aceste diferene, exist mai multe scheme echivalente.

[modific] Schem echivalent simplificatSchema este compus dintr-o surs de curent legat n paralel cu o diod ideal. Aceast surs produce un curent dependent de intensitatea luminii i este modelat de fotocurentul IPh. La valoare curentului total contribuie i curentul prin diod ID (siehe Diode) zu .

[modific] Schem echivalent extins (Model cu una sau dou diode)

Model de celulul solar cu o diod

Schema extins ine cont de parametrii reali ai elementelor componente care apar n procesul de fabricaie. Prin aceasta se ncearc modelarea ct mai exact din punct de vedere electric a celulei solare.Fa de schema echivalent simplificat la cea extins cu o diod, schema se ntregete cu o rezisten legat n parallel i una legat n serie.

Rezistana n paralel Rp ia n considerare defectele de cristal, impurificri neomogene i defecte de material prin care apar cureni de pierdere care traverseaz jonciunea p-n. La celule solare bine construite aceast rezisten este relativ mare.

Cu rezistena n serie Rs se iau n considerare efectele n urma crora crete rezistena total a elementelor componente. Acestea sunt n principal rezistena semiconductorului, rezistena contactelor i a legturilor. La celulele solare aceast rezisten trebuie s fie ct se poate de mic.

Formula pentru curentul total n acest model este o funcie recursiv i arat astfel:

Model cu dou diode cu surs cu limitare de tensiune la efectul de avalan la tensiune invers.

Fa de cea anterioar aceastei scheme i se mai adaug o diod cu ali parametri pentru a evidenia funcionarea n regim de tensiune invers. Formulele pentru aceast schem conin referiri la conductivitatea gb, tensiunea de strpungere Ub i coeficientul exponenial de avalan i arat astfel: nb:

[modific] Amortizarea energetic i eficiena energeticAmortizarea energetic este momentul n care energia consumat pentru fabricarea celulei fotovoltaice este egalat de cea produs n timpul exploatrii. Cel mai bine se prezint din acest punct de vedere celulele cu strat subire. Un panou solar (fr cadru) cu astfel de celule se amortizeaz n 2-3 ani, Celulele policristaline necesit pn la amortizare cca 3-5 ani, pe cnd cele monocristaline 4-6 ani. Deoarece un sistem cu panouri solare include i suporii de montare, invertor etc. durata de amortizare energetic se mrete cu cca 1 an.[6][modific] Protecia mediuluin fabricarea de celule solare se utilizeaz parial i materiale duntoare sntii i mediului. Exemplu n acest sens prezint celulele cu strat subire CdTe i arseniura de galiu i mult discutatele celule solare de tip CIS i CISG. Producia n mas i utilizarea pe suprafee extinse a acestora trebuie bine cntrit. Dar i producia de celule cu siliciu tradiionale ascunde pericole pentru mediu. Pentru persoane neavizate aceste riscuri ce sunt legate de procesul de fabricaie nu sunt vizibile. Aici intervine cerina de a promova selectiv tehnologiile de fabricare a celulelor solare ce nu distrug mediul i care pe baza progreselor tehnologice promit avantaje concureniale.