Filip Lemić0036435725

Što je solarna ćelija?Fotoelektrični efektTipovi solarnih ćelijaKućna izrada solarne ćelije

SEMINARSKI RAD - SPVP

5. svibnja 2023

Solarna ćelija

SažetakSolarne ćelije su tehnologija budućnosti. U seminaru se opisuje način rada solarnih ćelija. Opisuju se njihovi tipovi, fotoelektrični efekt na čijem principu se ćelije temelje te se daje pokus kojim se pokušava ostvariti izrada kućne solarne ćelije. Nekolicinom slika prikazan je i objašnjen praktični rad na seminaru, a konačni rezultati mogu se naći na web stranici:http://studenti.zesoi.fer.hr/pametne-kuce/Studenti/2011/flemic/.

Sadržaj1. UVOD..........................................................................................................................32. ŠTO JE SOLARNA ĆELIJA..............................................................................................43. FOTOELEKTRIČNI EFEKT..............................................................................................54. TIPOVI SOLARNIH ĆELIJA.............................................................................................75. IZRADA SOLARNE ĆELIJE.............................................................................................9

5.1. Materijali i alati potrebni za izradu...........................................................................95.2. Izrada ćelije............................................................................................................10

6. ZAKLJUČAK................................................................................................................157. LITERATURA..............................................................................................................168. Pojmovnik.................................................................................................................17

2

Ovaj seminarski rad je izrađen u okviru predmeta „Sustavi za praćenje i vođenje procesa“ na Zavodu za elektroničke sustave i obradbu informacija, Fakulteta elektrotehnike i računarstva, Sveučilišta u Zagrebu.

Sadržaj ovog rada može se slobodno koristiti, umnožavati i distribuirati djelomično ili u cijelosti, uz uvjet da je uvijek naveden izvor dokumenta i autor, te da se time ne ostvaruje materijalna korist, a rezultirajuće djelo daje na korištenje pod istim ili sličnim ovakvim uvjetima.

Solarna ćelija

1.UvodSolarna ćelija (fotonaponska ćelija) pretvara svjetlosnu energiju Sunca u električnu energiju. Na svjetskom tržištu dominira silicijeva solarna ćelija. Silicijska fotonaponska ćelija je sastavljena od dva tipa silicija. Između njih se djelovanjem svjetlosnih fotona stvara razlika napona i time tok struje kroz priključeni potrošač. U praksi koristimo solarne panele, koji se sastoje od više solarnih ćelija spojenih serijski da se dobije veći napon i paralelno da se dobije veća struja. Cilj ovog rada je pokušati ostvariti fotonaponsku ćeliju za pametnu kuću. Prednosti korištenja fotoćelije u pametnoj kući su višestruke. Osim što se može koristiti kao napajanje i akumulator, ona može poslužiti i kao senzor svijetlosti u kući te kao sigurnosno napajanje pametne kuće. Nažalost, rezultati pokusa su polovični. Naime, zaključeno je da ćelija može poslužiti kao senzor svijetlosti i mali izvor napajanja u pametnoj kući, ali je preslaba da se koristi kao napajanje, pa čak i ono sigurnosno. Također, zaključak rada daje osvrt na moguća poboljšanja ćelije, kojima bi se mogle ukloniti postojeće mane.

3

Solarna ćelija

2.Što je solarna ćelijaSunce je daleko najveći izvor energije u solarnom sustavu. Količina solarne energije koja svake minute stiže na Zemlju dovoljna je da zadovolji godišnje energetske potrebe čovječanstva u trenutnoj fazi razvoja. Usprkos ogromnom potencijalu, iskorištavanjem solarne energije trenutno se pokriva vrlo mali postotak energetskih potreba čovječanstva. Jednim dijelom to je zbog slabe razvijenosti trenutnih tehnologija za iskorištavanje energije Sunca, ali ipak je najveći problem trenutna cijena sustava za iskorištavanje solarne energije. Postoji nekoliko načina iskorištavanja energije Sunca. Najjednostavniji i najjeftiniji način iskorištavanja solarne energije svakako je grijanje vode ili neke druge tekućine za upotrebu u domaćinstvima. Elementi koji iskorištavaju energiju Sunca za grijanje vode nazivaju se solarni kolektori i uobičajeno se postavljaju na krovove kuća i zgrada. Drugi način iskorištavanja energije Sunca je koncentriranje solarne energije pomoću sistema zrcala i stvaranje velike količine toplinske energije koja se kasnije u standardnim generatorima pretvara u električnu energiju. Ovakva postrojenja mogu biti vrlo velika i uobičajeno se grade u pustinjama, a služe za komercijalnu proizvodnju električne energije. Solarne (fotonaponske) ćelije su treći i najpoželjniji način iskorištavanja energije Sunca, ali zbog slabe efikasnosti i visoke cijene trenutno se ne koriste u velikoj mjeri. Solarne ćelije direktno pretvaraju solarnu energiju u električnu energiju. Solarne ćelije uobičajeno se koriste tamo gdje nije moguće dovesti neki drugi izvor energije, primjerice na satelitima, na znakovima uz ceste i slično. Dodatno se koriste za napajanje energijom malih potrošača kao što su džepna računala.

Slika 1. Komercijalna solarna ćelija

4

Solarna ćelija

3.Fotoelektrični efekt

5

Solarna ćelija

Fotoelektrični efekt je bio zagonetka u fizici do početka 20. stoljeća, a njegovo otkriće je odigralo ključnu ulogu u razvoju moderne fizike jer je nedvosmisleno pokazao kvantnu prirodu procesa u mikrosvijetu. Heinrich Rudolf Hertz je 1807. godine otkrio, ali ne i objasnio fotoelektrični efekt. Fotoelektrični efekt je otkrio francuski fizičar Alexandre-Edmond Becquerel (1820-1891) 1839. godine. Imenom fotoelektrični efekt je nazvana pojava kada svjetlost određene valne dužine padne na površinu metala (npr. cinka, natrija ili bakra) i iz njega izbija elektrone. Najvažnija osobina fotoelektričnog efekta je povezana s ovisnošću fotoelektričnog efekta o valnim dužinama i intenzitetu svjetlosti kojom se osvjetljava metalna ploča. Ukoliko je valna duljina manja od neke granice (koja ovisi o vrsti tvari), intenzitet efekta (količina el. naboja koji se pojavljuje na ploči) raste s povećanjem intenziteta. Međutim, ako valna dužina svjetlosti prelazi tu granicu, fotoelektrični efekt nestaje, bez obzira koliko intenzivna bila svijetlost. Druga opažena osobina efekta je vezana za gibanje električnih naboja koji napuštaju metalnu ploču. To gibanje se može zaustaviti ako se električni naboji koče vanjskim električnim poljem. Eksperimenti su pokazivali da veličina napona kočenja uopće ne ovisi o intenzitetu svjetlosti, već samo o njenoj valnoj dužini. To se nije moglo objasniti teorijom o svjetlosti kao valu. Ona je predviđala da će s povećanjem intenziteta rasti napon kočenja koji neće ovisiti o valnoj dužini.

Slika 2. Prikaz fotoelektričnog efektaSolarne ćelije su zasnovane na fotoelektričnom efektu. Solarne ćelije su izgrađene od dva sloja: pozitivnog i negativnog, a razlika potencijala između ta dva sloja ovisi o intenzitetu solarnog zračenja. Solarna energija stiže na Zemlju u obliku fotona. Prilikom pada na površinu solarne ćelije ti fotoni predaju svoju energiju panelu i na taj način izbijaju negativno nabijene elektrone iz atoma. Izbijeni elektroni kreću se prema drugoj (negativnoj) strani panela i na taj način dolazi do razlike potencijala, tj. generira se električna energija. Fotonaponske ćelije grade se od silicija, a silicij je jedan od najzastupljenijih elemenata na Zemlji.

6

Solarna ćelija

4.Tipovi solarnih ćelijaMonokristalne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 140 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Za proizvodnju monokristalnih Si ćelija potreban je apsolutno čisti poluvodički materijal. Monokristalni štapići se izvade iz rastaljenog silicija i režu na tanke pločice. Takav način izrade omogućuje relativno visoki stupanj iskoristivosti.Polikristalne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 130 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Proizvodnja ovih ćelija je ekonomski efikasnija u odnosu na monokristalne. Tekući silicij se ulijeva u blokove koji se zatim režu u ploče. Tijekom skrućivanja materijala stvaraju se kristalne strukture različitih veličina na čijim granicama se pojavljuju greške, zbog čega solarna ćelija ima manju iskoristivost.Amorfne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 50 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Ukoliko se tanki film silicija stavi na staklo ili neku drugu podlogu to se naziva amorfna ili tankoslojna ćelija. Debljina sloja iznosi manje od 1 µm, stoga su troškovi proizvodnje manji u skladu sa niskom cijenom materijala. Međutim iskoristivost amorfnih ćelija je puno niža u usporedbi s drugim tipovima ćelija. Prvenstveno se koristi u opremi gdje je potrebna mala snaga (satovi, džepna računala) ili kao element fasade.Galij arsenidne (GaAs) ćelije: galij arsenid je poluvodič napravljen iz mješavine galija i arsena. Pogodan je za upotrebu u višeslojnim i visoko učinkovitim ćelijama. Širina zabranjene vrpce (band gap) je pogodna za jednoslojne solarne ćelije. Ima visoku apsorpciju pa je potrebna debljina od samo nekoliko mikrona da bi apsorbirao sunčeve zrake. Relativno je neosjetljiv na toplinu u usporedbi sa Si ćelijama te na zračenja. Zbog visoke cijene koristi se u svemirskim programima i u sustavima s koncentriranim zračenjem gdje se štedi na ćelijama. Projekti koncentriranog zračenja su još u fazi istraživanja. Galij indijum fosfidna/galij arsenid (GaInP)/GaAs dvoslojna ćelija ima iskoristivost od 30% i koristi se u komercijalne svrhe za svemirske aplikacije. Ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 300 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m2.Kadmij telurijeve (CdTe) ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 160 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m2 u laboratorijskim uvjetima. Kadmij teleurid je spoj elementa: metala kadmija i polumetala telurija. Pogodan za upotrebu u tankim PV modulima zbog fizikalnih svojstava i jeftinih tehnologija izrade. Usprkos navedenim prednostima zbog kadmijeve otrovnosti i sumnje na kancerogenost nije u širokoj upotrebi.

7

Solarna ćelija

Slika 3. Različiti tipovi solarnih ćelija

8

Solarna ćelija

5.Izrada solarne ćelijeIdeja za izradu ove kućne solarne ćelije potječe sa stranice:http://www.youtube.com/watch?v=jL1KiWN26Q0&feature=player_embedded.

5.1. Materijali i alati potrebni za izraduZa izradu kućne solarne ćelije potrebni materijali su:

bakrena pločica minimalnih dimenzija 10x10, obična ON/OFF sklopka, bakrene žice, LED dioda, plastična folija, plastična posuda s poklopcem te kuhinjska sol otopljena u običnoj vodi.

Potrebni alati su: lemilica, pila za metal, univerzalna kliješta, plamenik (ili slično), silikon te voltmetar.

9

Solarna ćelija

Slika 4. Alati i materijali potrebni za izradu solarne ćelije

5.2. Izrada ćelijeBakrenu pločicu je potrebno prerezati kao što je prikazan na slici. Potrebno je dobiti pločicu veličine 10x10 cm koja će predstavljati katodu i manju pločicu veličine 2x10 koja će predstavljati anodu.

Slika 5. Rezanje bakrene pločiceVeću pločicu potrebno je zagrijavati minimalno pola sata da bi bakar oksidirao. Nakon toga potrebno ju je hladiti dodatnih sat vremena.

10

Solarna ćelija

Slika 6. Zagrijavanje veće pločiceNa obje pločice potrebno je zavariti žice kojima će teći generirana struja. Pločice se može silikonom zalijepiti na komad plastike radi lakšeg rukovanja, no taj korak nije nužan.

Slika 7. Pločice sa zalemljenim žicama postavljene na komad plastike

Pločice je potrebno postaviti u plastičnu posudu korištenjem silikona. Žice zalemljene na pločice treba ostaviti van posude.

11

Solarna ćelija

Slika 8. Pločice uglavljene u plastičnu posuduPosudu je potrebno napuniti običnom ili destiliranom vodom te u vodu dodati kuhinjsku sol i sodu bikarbonu.

Slika 9. Punjenje posude vodom

Posudu s vodom je potrebno hermetički zatvoriti uz korištenje plastične folije i silikona. Žice moraju izlaziti iz posude.

12

Solarna ćelija

Slika 10. Izgled hermetički zatvorene posudeKada se na žice spoji voltmetar, dobije se određeni napon i struja. Postoji mogućnost da se struja neće moći očitati jer je previše mala (reda veličine 10uA).

Slika 11. Izgled gotove solarne ćelije na koju je spojen voltmetarPosudu se može učvrstiti na stalak čime ona dobiva na stabilnosti. Proizvoljno, u ovom primjeru na žice je zalemljen strujni krug koji se sastoji od sklopke i LED diode.

13

Solarna ćelija

Slika 12. Posuda na stalku

14

Solarna ćelija

6.ZaključakIzrada kućne solarne ćelije zanimljiva je zanimacija, ali upitne je koristi. Naime, najveći napon koji je ovom solarnom ćelijom je 0.05 V pri struji od 4uA. Ipak, može se primijetiti porast napona pri pojačavanju razine svijetlosti. Taj porast može se iskoristiti za izradu senzora svijetlosti. Također, ovakva solarna ćelija može poslužiti kad napajanje za neke prilično nezahtjevne uređaje, primjerice kalkulatore. Nažalost, ćelija nije bila dovoljno snažnog napona i struje za napajanje LED diode, tako da se izrada strujnog kruga nije previše isplatila. Još jedna mana ovakve ćelije je njeno vrijeme trajanja. Naime, ćelija nakon dva tjedna vidno smanji svoja svojstva, odnosno smanje se napon i struja koju ćelija može davati. Daljnja poboljšanja uključivala bi korištenje većih bakrenih pločica i otopinu kalijevog-klorida (KCl) koja daje bolja svojstva te korištenje boljih svjetlosnih izvora (ovo testiranje koristilo je blic fotoaparata). Sunce je daleko najveći izvor energije u solarnom sustavu, a time su solarne ćelije područne na kojem se osniva budućnost. Potrebna su daljnja istraživana solarnih ćelija da bi one postale tehnologija budućnosti, a tome je ovaj pokus doprinio.

15

Solarna ćelija

7.Literatura 1. ELEKTRONIKA.BA: Solarna ćelija u kućnoj uporabi,

http://www.elektronika.ba/640/solarna-celija-u-kucnoj-izradi/

2. Wikipedia: Solarna fotonaponska energija,http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija

3. Phy: Fotoelektrični efekt,http://phy.grf.unizg.hr/media/download_gallery/4_Fotoelektri%C4%8Dni%20efekt.pdf

4. Gradimo: Solarni fotonaponski sustavihttp://www.gradimo.hr/Solarni-fotonaponski-sustavi/hr-HR/720.aspx

16

Solarna ćelija

8.PojmovnikPojam Kratko

objašnjenjeViše informacija potražite na

Solarna ćelija Način iskorištavanja sunčeve energije

http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija

Fotoelektrični efekt

Otpuštanje elektrona pod utjecajem svijetlosti

http://hr.wikipedia.org/wiki/Fotoelektri%C4%8Dni_u%C4%8Dinak

Alexandre-Edmond Becquerel

Fizičar koji je otkrio fotoelektrični efekt

http://en.wikipedia.org/wiki/A._E._Becquerel

Monokristalne Si ćelije

Tip solarne ćelije http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija

Polikristalne Si ćelije

Tip solarne ćelije http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija

Amorfne Si ćelije

Tip solarne ćelije http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija

17