O celula solara tipica

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

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

Celule fotovoltaice policristaline intr-un modul solar.

Panou solar

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.

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 (µc-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 radiatiaultravioleta, 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 Würth 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 Grätzel utilizeaza pigmenti naturali pentru transformarea luminii in energie electrica; o procedura ce se bazeaza pe efectul de fotosinteza. De obicei sunt de culoare mov.

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

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

Rezervele de materia prima

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

La celulele solare ce necesita materiale mai speciale cum sunt cele pe baza de indiu, galiu, telur si seleniu situatia se prezinta altfel. La metalele rare indiu si galiu consumul mondial (indiu cca. 850 t, galiu cca. 165 t) depaseste deja de mai multe ori productia anula (USGS Minerals Information). Deosebit de critica este situatia datorita cresterii accentuate a consumului de indiu in forma de indiu - oxid de zinc in ecranele cu cristale lichide si cele cu LED organic, precum si utilizarii de galiu si indiu in productia diodelor luminiscente (LED) care se comercializeaza in surse de lumina cu consum mic de energie respectiv ca sursa de lumina de fundal in televizoare cu ecran plat.

Rezervele de indiu, estimate la 6000 tone(economic exploatabile 2800 tone), se presupune ca se vor epuiza deja in acest deceniu (Neue Zürcher Zeitung 7. Dezember 2005) (reserve de indiu conform USGS Mineral Commodity Summaries (2006)).

La seleniu si telur, care e si mai greu de gasit, situatia pare mai putin critica, deoarece ambii metaloizi se regasesec in cantitati mici in namolul anodic rezultat in urma procesului deelectroliza a cuprului iar producatorii de cupru utilizeaza doar o parte din namolul rezultat pentru extragerea de telur si seleniu. Rezervele exploatabile economic la seleniu se estimeaza totusi la doar 82000 tone, iar la telur la doar 43000 tone, vizavi de cupru unde se estimeaza la 550 milioane tone!

Multe procese de productie utilizeaza galiu, indiu, seleniu si telur in mod neeconomic.

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

Moduri de constructie

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

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

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

Celulele solare pe baza de materiale semiconductoare utilizate pentru producerea de energie electrica sunt legate in module. Pe un modul se afla mai multe randuri de celule solare conectate in serie intre ele pe fata si pe reversul modulului permitand, datorita tensiunii insumate, utilizarea unor conductori cu sectiune mai mica decat la legarea in paralel. Pentru protejarea unei celule solare impotriva efectului de avalansa in jonctiune, datorata potentialului mai mare (aparuta de exemplu la umbrirea partiala a modulului), trebuie incorporate paralel cu celulele solare diode de protectie(bypass).

Sistemele de panouri solare sunt inzestrate uneori cu mecanisme de orientare, panoul fiind in permanenta directionat pentru a exploata la maximum energia solara incidenta.

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

Absorbtia radiatiei solare de catre Siliciu (mono- und policristalin)

Absorbtia radiatiei solare de catre Gallium-Antimonat

Principiu de functionare

Princ. de functionare a celulei solare cu semiconductori: Fotoni incidentali elibereaza electroni si goluri, care se vor separa in campul electric al zonei de sarcina spatiala a jonctiunii p-n

Structura unei celule solare simple cu impurificare pin - positive intrinsic negative.

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 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.

La celulele solare moderne se obtine din nitrat de siliciu prin procedeul PE-CVD(pe o suprafata incalzita se depun in urma unei reactii chimice componente extrase dintr-o faza gazoasa) un stratul antireflectorizant de cca 70 nm grosime (sfert de lungime de unda la un coeficient de refractie de 2,0). Se mai utilizeaza straturi reflectorizante din SiO2 si TiO2 ce se depun prin procedeul AP-CVD.

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.

Proiect: Test ALCHINE - chimie Proiect: Compozitia chimica a acizilor nucleici - nucleotid

Celula solara multicristalina

o placa (wafer) multicristalina

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

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

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

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

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

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

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

Fabricatia avand la baza blocuri sau bare de siliciu

Celulele solare obisnuite pot fi confectionate dupa mai multe metode de fabricatie.

monocristal de siliciu utilizat la fabricarea placilor de siliciu dupa procedeul Czochralski

Materia prima siliciu este al doilea element chimic din compozitia scoartei terestre in privinta cantitatatii. Se regaseste in compusi chimici cu alte elemente formand silicate sau cuart. Siliciul brut numit si siliciu metalurgic se obtine din quart prin topire in furnal.Reducera siliciului se petrece cu ajutorul carbonului la o temperatura de cca 1700 °C, rezultand la fiecare tona de siliciu metalurgic de puritate de cca 98-99 % in jur de 1,5 T de CO2. Prin acest procedeu in 2002 s-au produs 4 T siliciu. Mare parte din acesta este utilizat de industrie la fabricare a otelului si in industria chimica si numai o mica parte in microelectronica si la fabricarea de celule fotovoltaice.
Din siliciul brut printr-un proces de fabricatie in trepte bazat pe triclorsilan se obtine siliciul policristalin de cea mai mare puritate.
Pana in prezent (2006) in productie se recurge la o tehnologie Siemens bazat pe un procedeu de tip CVD condensare de vapori de siliciu, procedeu elaborat si optimizat pentru ramura de microelectronica. In microelectronica cerintele de calitate sunt total diferite de cele din fabricarea de celule fotovoltaice. Pentru fabricarea de celule solare este foarte importanta puritatea placii de siliciu in toata masa ei pentru a asigura o cat mai mare durata de viata pentru purtatorii de sarcina, pe cand in microelectronica cerinta de foarte inalta puritate se rezuma in principiu la stratul superior pana la o adancime de 20-30 µm. Deoarece intre timp consumul de siliciu de inalta puritate pentru fabricarea de celule fotovoltaice a intrecut pe cel pentru microelectronica, actualmente se fac cercetari intense pentru elaborarea de procedee de fabricare speciale mai ieftine optimizate pentru celule solare.

Cu toate ca procesul de productie a siliciului pur este foarte energofag, energia consumata la fabricareaa celulelor solare, in functie de tehnologia utilizata, se poate recupera in 1 pana la 7 ani. Daca se ia in considerare ca durata de viata a panourilor solare este de peste 20 ani bilantul energetic rezultat este pozitiv.

Siliciul pur in continuare poate fi prelucrat in mai multe feluri. Pentru celule policristaline amintim procedeele de turnare Bridgman si EVG, pe cand pentru cele monocristaline procedeul Czochralski. In fiecare din acestea in procesul fabricare a blocurilor sau barelor se face simultan si impurificare cu Bor (vezi mai jos).

Procedeul de turnare

Acesta se utilizeaza la fabricarea siliciului policristalin. Siliciul pur se topeste intr-un cuptor cu inductie dupa care se toarna intr-un recipient de forma patrata in care se supune la un proces de racire cat mai lent posibil in cursul caruia vor apare cristale cat mai mari posibil. Recipientul are dimensiunile 50*50 cm, masa solidificata avand inaltimea de 30 cm. Blocul astfel solidificat se taie in mai multe blocuri mai mici cu lungimea de 30 cm. Un alt mod reprezinta turnare continua, procedeu prin care materialul este turnat direct pe support la dimensiunile cerute. Avantajul consta in eliminare pierderilor rezultate din taiere.

Un alt mod reprezinta turnarea continua, procedeu prin care materialul este turnat direct pe support la dimensiunile cerute. Avantajul consta in eliminare pierderilor rezultate din taiere.

Procedeul Bridgman

Procedeul numit dupa Percy Williams Bridgman este aplicat tot in procesul de fabricare a siliciului policristalin. Siliciul pur se topeste tot intr-un cuptor cu inductie dar procesul de racire in urma caruia in masa topita se formeaza mari zone ocupate de cate un cristal are loc chiar in cuptor. Materialul se supune unei incalziri progresive pornind de la baza astfel incat in momentul topirii stratului superior, la baza deja se produce intarirea materialului. Dimensiunile blocurilor obtinute sunt mai mari (60*60 cm -70*70 cm) cu inaltimea de 20-25 cm, si se procedeaza la taierea lor in blocuri mai mici avand lungimea de 20-25 cm.Procedeul Czochralski

Este utilizat la fabricarea de bare lungi monocristaline. Inainte de taierea placilor necesare celulelor, barele cilindrice rezultate se ajustaeaza astfel incat sa prezinte o sectiune patrata.

Procedeul de topire zonala

Se mai numeste si procedeu Float-Zone si se aplica tot la producerea monocristalelor de siliciu sub forma de bara. Puritatea materialului obtinut fiind superioara celei necesitate in confectionarea celulelor solare, si costurile fiind mari, prodedeul este rar utilizat. Singura firma ce utilizeaza acest procedeul este SunPower din Statele Unite.

Fabricare de waferi (discuri/placi subtiri de siliciu)

Din barele de cristal vor fi sectionate placute(wafer) cu un fierastrau special constand dintr-o sarma lunga pe care s-au aplicat particule de diamant si care este infasurata pe cilindri ce se rotesc. Un bloc este complet sectionat in placute de cca 0 . 0,28 mm la o singura trecere. Praful rezultat in urma debitarii este inutilizabil si reprezinta pana la 50 % din material.

Pentru obtinerea de placute de siliciu la inceput se utiliza materia prima excedentara rezultata din fabricarea de circuite integrate, care nu corespundea calitativ dar era potrivita pentru fabricarea celulelor solare. Datorita cererii mult crescute a productiei de panouri solare, aceasta sursa are o importanta nesemnificativa.

Celulele monocristaline prezinta o suprafata omogena, pe cand la celulele policristaline se pot deosebi zone distincte cu cristale avand orientari diferite, ceea ce creeaza o imagine asemanatoare florilor de gheata.

In stadiul de placuta(wafer) fata si reversul placutei nu se deosebesc.

Prelucrarea placilor de siliciu

Placile debitate vor fi trecute prim mai multe bai de spalare chimica pentru a inlatura defectele de debitare si a pregati o suprafata potrivita captarii luminii. Pentru aceasta s-au elaborat diferite procedee utilizate de fabricanti.

In mod normal in aceasta faza placile sunt deja impurificate cu bor. Aceasta inseamna ca se gaseste deja un surplus de goluri care pot capta electroni deci avem o impurificare tip "p". Pe parcursul procesului de fabricare a celulei solare pentru crearea unei jonctiuni "p-n" este necesar sa impurificam suprafata ei cu impuritati de tip "n" ceea ce se poate realiza intr-un cuptor intr-o atmosfera de fosfor. Atomii de fosfor patrund in suprafata si vor crea o zona de cca 1 µm cu un surplus de electroni.

Pasul urmator va consta in adaugarea unui electrod transparent din SiN_x sau TiO₂ .

Urmeaza imprimarea zonelor de conact si a structurii necesare pentru colectarea curentului generat. Fata celulei este prevazuta de cele mai multe ori cu doua benzi pe care ulterior se vor fixa legaturile dintre mai multe celule. In afara de aceasta se va aplica o grila conductoare foarte subtire , care pe de o parte deranjeaza foarte putin intrarea luminii, pe de alta parte micsoreaza rezistenta electrica a electrodei. Reversul placii de regula este complet acoperit cu un material bun conductor de electricitate.

Dupa procesare, celulele vor fi clasificate dupa proprietatile lor optice si electrice, mai apoi sortate si asamblate in panouri solare.

Fabricarea placilor semiconductoare in mod direct

In dorinta de a se evita detasarea placilor din blocuri , se gasesc diferite alte modalitati ce permit fabricarea celulelor solare.

Procedeul EFG

EFG este prescurtarea de la Edge-defined Film-fed Growth. Prin acest procedeu dintr-o cada de grafit incalzita electric se trag in sus tuburi octogonale de cca 6 pana la 7 m cu o viteza de cca 1 mm/s. Latimea unei fete este de 10-12.5 cm, iar grosimea peretelui atinge cca 280 µm. Apoi tuburile vor fi taiate de-a lungul canturilor cu un laser NdYAG, dupa care fiecare fateta pe baza unei grile de-a latul. Astfel se pot realiza celule cu diferite dimensiuni (de exemplu 12.5*15 cm sau 12.5*12.5 cm). In acest fel se obtine o intrebuintare de 80 % a materialului disponibil. Celulele astfel realizate sunt deobicei policristaline, care la vedere se deosebesc clar de cele debitate, printre altele suprafata lor este mai ondulata. Acest procedeu se mai numeste si procedeu octagonal sau de extrudare.

Procedeul EFG este utilizat de firma Schott Solar in Germania si afost dezvoltat de firma ASE Solar din Statele Unite.

Procedeul String-Ribbon

Mai exista un procedeu dezvoltat de firma Evergreen Solar din Statele Unite care consta in tragerea cu ajutorul a doua fire a unei pelicule din siliciul topit. In cursul acestui proces rezulta mai putine deseuri (span ce trebuie inlaturat) ca la procedeele uzuale.

Procedeul cu transfer de strat

La acest procedeu direct pe un substrat (corp subtire solid, deobicei cu o orientare cristalina predefinita) se creste un monocristal de siliciu sub forma unui strat de cca 20 µm grosime. Ca material purtator se pot utiliza substraturi ceramice, sau siliciu supus unui tratatament superficial. Placa(wafer) formata ca fi deprinsa de stratul purtator care in continuare va putea fi reutilizata. Avantajele procedeului constau in consumul de siliciu semnificativ redus datorita grosimii mici, si lipsa deseurilor din debitare (pas ce nu mai mai apre in acest procedeu). Randamentul atins este mare si se situeaza in domeniul celulelor monocristaline.

Celule din siliciu "murdar"

Procesul de topire si impurificare zonala se poate aplica si in cazul suprafetelor plate/straturi. Principiul consta in faptul ca impurificarea, prin tratamentul termic (multipla retopire prin deplasare laterala de exemplu cu ajutorul unui fascicol laser) al siliciului, poate fi concentrata in cateve locuri.^[1].

Celule solare cu strat subtire

Celule solare cu strat subtire din siliciu amorf pe sticla, 4 celule pe rand

Vedere din spate (din partea stratului, lacuit maro)

Fisier:Solar panel.jpg

Tipuri de celule solare

Celulele solare cu strat subtire se gasesc in diferite variante dupa substrat si materialul condensat avand o varietate a proprietatilor fizice si a randamentului pe masura. Celulele solare cu strat subtire se deosebesc de celulele traditionale (celule solare cristaline bazate pe placi de siliciu) inainte de toate in tehnologia de fabricatie si grosimea stratului materialului intrebuintat. Proprietatile fizice ale siliciului amorf, care se deosebesc de cele ale siliciului cristalin determina proprietatile celulelor solare. Anumite proprietati nu sunt inca pe deplin clarificate din punct de vedere teoretic.

Chiar si la celulele solare cristaline lumina este absorbita deja intr-un strat superficial (de o adancime de cca 10 µm). Ar fi deci de preferat sa se fabrice celulele solare cu un strat foarte subtire. In comparatie cu celulele din placi de siliciu cristalin celule cu strat subtire sunt de 100 de ori mai subtiri. Celulele cu strat subtire se obtin de cele mai multe ori prin condensarea din faza gazoasa direct pe un material purtator care poate fi sticla, folie metalica, material sintetic, sau alt material. Procesul costisitor de debitare a blocurilor de siliciu descris in capitolul anterior poate fi deci eliminat.
Cel mai intrebuintat material pentru celulele cu strat foarte subtire este siliciul amorf (a-Si:H). Modulele cu celule de acest tip au o durata de viata lunga. Testele confirma un randament stabil pe o perioada de mai mult de 10 ani.
Alte materiale ce se mai pot intrebuinta sunt siliciul microcristalin (µc-Si:H), arseniura de galiu (GaAs), teluriura de cadmiu (CdTe) sau legaturi cupru-indiu-(galiu)-sulf-seleniu, asa numitele celule CIS, respective celule CIGS unde in functie de tip S poate insemna sulf sau seleniu.
Modulele pe baza de celule cu strat subtire CIS au atins deja un randament de 11- vezi ^[2]) egal cu cel al modulelor multicristaline cu siliciu.

Pentru producerea de curent electric este de dorit un randament mai mare, pe care partial il pot oferi si celulele cu strat subtire. Se pot atinge randamente in jur de 20 % (de exemplu 19  % cu cellule CIS vezi ^[3]).

Totusi randamentul nu este singurul criteriu in alegere, de multe ori mai importante sunt costurile la care se poate produce curent cu ajutorul panourilor solare, iar acestea sunt determinate de procedeul de fabricatie utilizat si de pretul materiei prime.

Una din proprietatile avantajoase a celulelor cu strat subtire consta in fapul ca nu necesita un substrat rigid ca de exemplu sticla sau aluminiu. La celulele solare flexibile ce pot fi fixate pe rucsac sau cusute pe haina, se accepta un randament mai scazut deoarece factorul greutate este mai important decat transformarea optima a luminii in energie electrica.

O alta proprietate avantajoasa a celulelor cu strat subtire, mai ales al celor din siliciu amorf este ca ele au un mod de fabricatie mai simplu si pot avea o suprafata efectiva mai mare. Din acest motiv ele au un segment de piata semnificativ.

Utilajele de fabricatie partial sunt identice cu cele utilizate in fabricarea de ecrane plate, si se pot obtine straturi cu o suprafata de peste 5 m². Cu procedeul de fabricatie bazat pe siliciu amorf se pot produce si straturi subtiri din siliciu cristalin, asa numitul siliciu microcristalin combinind proprietatile siliciului cristalin ca material pentru celule solare cu avantajele metodelor utilizate in tehnica filmului subtire. Prin combinarea siliciului amorf si a celui microcristalin au fost obtinute mariri substantiale de randament in ultimul timp.

Un procedeu de producere a celulelor cu strat subtire din siliciu este CSG (Crystalline Silicon on Glass); prin acesta se depune un strat subtire de mai putin de 2 µm direct pe o suprafata de sticla; dupa un tratament termic se obtine structura cristalina. Circuitele pentru curentul electric se aplica cu ajutorul tehnicii laser si celei utilizate in imprimantele cu jet de cerneala. Pe baza acestei tehnologii se construieste o fabrica in Germania, care ar trebui sa produca primele module in 2006. (Sursa: CSG Solar)

Celule cu concentrator

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

Celule solare electrochimice pe baza de pigmenti

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

Celule solare din compusi organici

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

Celule bazate pe fluorescenta

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

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  %. 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 cellule solare cu un randament in jur de 20 %.

La inceputul comercializarii panourilor solare, celulele aveau o forma rotunda, pastrand forma barelor de siliciu din care au fost debitate. Aceasta forma azi este rar utilizata locul ei fiind preluat de formele dreptunghiulare de cele mai multe ori patrate avand colturile mai mult sau mai putin tesite. Pana la sfarsitul anilor 1990 celulele solare aveau cel mai des marimea de fabricatie de 100*100 mm (in jargonul de specialitate numite celule de 4 toli). Dupa aceea au fost introduse pe scara tot mai larga celulele cu latura de 125 mm, si de prin anul 2002 si celulele cu latura de 150 mm se utilizeaza tot mai des in modulele standard si se prevede ca nici celulele de 200*200 nu vor fi o raritate in viitor.

In procesul debitare rezulta si placi de dimensiuni mai mici, care pot genera aceeasi tensiune doar cu un curent mai mic datorita suprafetei mai mici, si care isi gasesc aplicatia in aparatele cu consum mic.

Prin procedeul EFG rezulta si patrulatere cu laturi de lungimi diferite.

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

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

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

Celule solare cristaline

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

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

Celule solare amorfe

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

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 global; DIN EN 61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904.

AM 1 global indica slabirea luminii solare la suprafata pamantului in functie de latitudine datorita parcurgerii unei mase mai mari de aer proportional cu latitudinea (in acest caz se considera latitudinea de 50°). Aceasta corespunde conditiilor de vara din Europa centrala din nordul Italiei pana in centrul Suediei. In iarna conditiile corespund unor valori de AM 4 pana la AM 6. Prin absorbtie atmosferica si spectrul luminii ce cade pe panou se deplaseaza. Global indica faptul ca lumina este compusa atat din lumina difuza cat si din cea directa.

Este de remarcat ca in realitate indeosebi vara la pranz, temperatura celulelor solare (in functie de pozitie, conditii de vant etc.) poate atinge 30 pana la 60 °C ceea ce are ca urmare o scadere a randamentului. Din acest motiv se ia in calcul un alt parametru, P_NOCT care indica puterea la temperatura de functionare normala (normal operating cell temperature).

Fisier:Standard iv de.jpg

Caracteristica current-tensiune a unei cellule solare, luminat si neluminat

Prescurtari utilizate:

SC: Short Circuit - scurtcircuit

OC: Open Circuit - mers in gol

MPP: Maximum Power Point - punctul de putere maxima

PR: Performance Ratio Qualitätsfaktor Factor de performanta, indica portiunea in care panoul furnizeaza curentul la valori nominale.

Caracteristicile unei celule solare sunt:

Tensiunea de mers in gol U_OC (auch V_OC)

Curentul de scurtcircuit I_SC

Tensiunea in punctul optim de functionare U_MPP (auch V_MPP)

Curentul in punctual de putere mazima I_MPP

Puterea maxima estimataP_MPP

Factor de umplere

Coeficient de modificare a puterii cu temperatura celulei

Randamentul celulei solare la o suprafata iluminata A si intensitate luminoasa P_opt

Celulele solare deci pot ceda o putere de 160 W/ m². Incluse in module puterea pe suprafata va fi mai scazuta pentru ca intre celule si marginea modulului este o distanta.

Randamentul este raportul dintre puterea debitata de panou si putere continuta in lumina incidenta totala. Semiconductoare cu zona interzisa stabila utilizeaza doar o parte a luminii solare. Randamentul teoretic maxim ce poate fi atins in acest caz este de 33 %, pe cand randamentul theoretic maxim la sistemele cu mai multe benzi interzise care reactioneaza la toate lungimile de unda a luminii solare este de 85 %.

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  % (University of New South Wales, Australia), 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. Sistemele GaAs au costuri de 5 pana la 10 ori mai mari.

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 (2005) un randament de 25 % la o durata de viata de 15 ani^[5].

Scheme de conectare

Schema de conectare si schema echivalenta a unei cellule solare

Semnul conventional pentru o celula solara indica asemanator unei diode sau fotodiode prin interediul unei sageti sensul curentului pentru conectare. Caracteristica unei cellule solare se deosebeste totusi de cea a unei fotodiode ideale. Pentru a modela aceste diferente, exista mai multe scheme echivalente.

Schema echivalenta simplificata

Schema este compusa dintr-o sursa de curent legata in paralel cu o dioda ideala. Aceasta sursa produce un curent dependent de intensitatea luminii si este modelat de fotocurentul I_Ph. La valoare curentului total contribuie si curentul prin dioda I_D (siehe Diode) zu .

Schema echivalenta extinsa (Model cu una sau doua diode)

Model de celulula solara cu o dioda

Schema extinsa tine cont de parametrii reali ai elementelor componente care apar in procesul de fabricatie. Prin aceasta se incearca modelarea cit mai exacta din punct de vedere electric a celulei solare.
Fata de schema echivalenta simplificata la cea extinsa cu o dioda, schema se intregeste cu o rezistenta legata in parallel si una legata in serie.

Rezistanta in paralel Rp ia in considerare defectele de cristal, impurificari neomogene si defecte de material prin care apar curenti de pierdere care traverseaza jonctiunea p-n. La celule solare bine construite aceasta rezistenta este relativ mare.

Cu rezistenta in serie Rs se iau in considerare efectele in urma carora creste rezistenta totala a elementelor componente. Acestea sunt in principal rezistenta semiconductorului, rezistenta contactelor si a legaturilor. La celulele solare aceasta rezistenta trebuie sa fie cat se poate de mica.

Formula pentru curentul total in acest model este o functie recursiva si arata astfel:

Model cu doua diode cu sursa cu limitare de tensiune la efectul de avalansa la tensiune inversa.

Fata de cea anterioara aceastei scheme i se mai adauga o dioda cu alti parametri pentru a evidentia functionarea in regim de tensiune inversa. Formulele pentru aceasta schema contin referiri la conductivitatea g_b, tensiunea de strapungere U_b si coeficientul exponential de avalansa si arata astfel: n_b:

Amortizarea energetica este momentul in care energia consumata pentru fabricarea celulei fotovoltaice este egalata de cea produsa in timpul exploatarii. Cel mai bine se prezinta din acest punct de vedere celulele cu strat subtire. Un panou solar (fara cadru) cu astfel de celule se amortizeaza in 2-3 ani, Celulele policristaline necesita pana la amortizare cca 3-5 ani, pe cand cele monocristaline 4-6 ani. Deoarece un sistem cu panouri solare include si suportii de montare, invertor etc. durata de amortizare energetica se mareste cu cca 1 an.

Protectia mediului

In fabricarea de celule solare se utilizeaza partial si materiale daunatoare sanatatii si mediului. Exemplu in acest sens prezinta celulele cu strat subtire CdTe si arseniura de galiu si mult discutatele celule solare de tip CIS si CISG. Productia in masa si utilizarea pe suprafete extinse a acestora trebuie bine cantarita. Dar si productia de celule cu siliciu traditionale ascunde pericole pentru mediu. Pentru persoane neavizate aceste riscuri ce sunt legate de procesul de fabricatie nu sunt vizibile. Aici intervine cerinta de a promova selectiv tehnologiile de fabricare a celulelor solare ce nu distrug mediul si care pe baza progreselor tehnologice promit avantaje concurentiale.

Germania

REFERINTE

M. Powalla and B. Dimmler. CIGS solar modules - progress in pilot production, new developments and applications. 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, (2004) Paris, Ed.: JRC, Ispra, Italy, 1663)

K. Ramanathan, M. A. Contreras, C. L. Perkins, S. Asher, F. S. Hasoon, J. Keane, D. Young, M. Romero, W. Metzger, R. Noufi, J. Ward and A. Duda. Properties of 19.2 % Efficiency ZnO/CdS/CuInGaSe2 Thin-film Solar Cells. Prog. Photovolt. Res. Appl. 11, 225-30 (2003)

https://oregonstate.edu/~ecclese/files/Term%20Paper.pdf

https://www.esa.int/techresources/ESTEC-Article-art_print_friendly_1115706332477.html

V. Quaschning (2002): Energieaufwand zur Herstellung regenerativer Anlagen, [2]