Celula solară

De la Wikipedia, enciclopedia liberă

Istoric

Deja și în Grecia antică se știa că energia luminii se poate utiliza, astfel se pare că la asediul Siracuzei în anul 212 înaintea erei noastre grecii au concentrat lumina solară cu oglinzi și au îndreptat-o către flota asediatoare a romanilor, incendiind-o. Tot grecii au fost și cei care au utilizat energia luminoasă în scop pașnic aprinzând cu ea flacăra olimpică. În 1839 Alexandre Edmond Becquerel a descoperit că o baterie expusă la soare produce mai mult curent electric decât una neexpusă. Pentru acest experiment a măsurat diferența de potențial dintre doi electrozi de platină situați unul pe fața luminată și celălalt pe fața umbrită a recipientului și scufundați într-o baie de soluție chimică acidă . Când a expus această construcție la soare a observat trecerea unui curent printre electrozi. Așa a descoperit efectul fotoelectric pe care însă nu îl putea explica încă. Mărirea conductivității seleniului a fost demonstrată în 1873. Zece ani mai târziu a fost confecționat prima celulă fotoelectrică “clasică”. După încă zece ani în 1893 a fost confecționat prima celulă solară care producea electricitate. În 1904 fizicianul german Philipp Lenard a descoperit că lumina incidentă pe anumite suprafețe metalice eliberează electroni din suprafața acestuia și astfel a oferit prima explicație referitoare la efectul fotoelectric. Totuși el nu știa încă de ce și la care metale se produce acest efect. Cu toate acesta pentru această descoperire el a obținut premiul Nobel pentru fizică în anul 1905. Rezolvarea problemei a venit de la Albert Einstein în 1905 când cu ajutorul teoriei cuantice a explicat dualitate luminii ea fiind prezentă în același timp și ca particulă și ca undă. Până atunci se credea că lumina este doar energie cu diferite lungimi de undă. Einstein în experimentele sale a constatat că lumina în unele situații se comportă ca o particulă, și că energia fiecărei particule sau foton depinde doar de lungimea de undă. El a descris lumina ca o serie de gloanțe ce ating suprafața materialului. Dacă aceste gloanțe au suficientă energie, un electron liber din metalul atins de foton se va elibera din structura acestuia. Totodată a constatat că energia cinetică maximă a electronului este independentă de intensitatea luminii și depinde doar de energia fotonului care l-a eliberat. Această energie depinde totodată numai de lungimea de undă respectiv frecvența luminii. Pentru lucrările sale privind fenomenul fotovoltaic, a obținut premiul Nobel pentru fizică în anul 1921. Descoperirea în anul 1949 a joncțiunii p-n de către William B. Shockley, Walther H. Brattain și John Bardeen a fost încă un pas mare în direcția celulelor. După această descoperire fabricării celulei solare în forma cunoscută astăzi nu îi mai sta nimic în cale. Fabricarea primei celule solare în 1954 în laboratoarele firmei americane Bell se datorează totuși unei întâmplări fericite. Angajații firmei sub conducerea lui Morton Price au observat cînd cercetau un redresor cu siliciu, că acesta producea mai mult curent cînd era expus la soare. Ca urmare firma Bell prin contribuția domnilor Chapin, Fuller și Pearson a dezvoltat în 1953 primele celule solare din siliciu impurificate cu arsen dar care aveau un randament de doar 4 % care a fost mărit la 6 % prin schimbarea impurificării. În 1958 au fost testate celule solare pentru prima dată pe sateliul Vanguard I dotat cu un panou solar având 108 celule solare pe bază de siliciu. Rezultetele obținute au fost peste așteptări – până în ziua de azi sondele spațiale până dincolo de marte sunt alimentate cu curent produs de celulele solare, iar în anul 2011 se va lansa sonda spațială Juno care va fi prima sondă spațială spre Jupiter alimentată cu curent produs de celule solare. S-au atins în spațiu randamente de până la 10,5 %. Aceste rezultate nu se puteau realiza pe pămînt și datorită condițiilor diferite din spațiu unde nu se regăsește ritmul zi-noapte și lumina naturală nu este absorbită parțial de atmosferă și nori, totodată radiațiile cosmice conduc la o îmbătrânire mai rapidă a celulelor solare decât pe pământ. De aceea industria și cercetarea încearcă obținerea unor randamente tot mai mari în paralel cu prelungirea duratei de viață. Randamentul teoretic pentru celule solare pe bază de siliciu se consideră a fi de 29 % pentru condițiile de iradiație pe spectrul din zona de mijloc. Mandelkorn și Lamneck au mărit durata de viață a celulelor solare în 1972 printr-o reflectare a purtătorilor de sarcină minoritari după ce au introdus un strat numit black surfaces field (BSF) în stratul impurificat “p”. În 1973 Lindmayer și Ellison au confecționat așa numita celulă mov ce avea un randament de 14 %. Prin reducerea reflexiei în 1975 s-a mărit randamentul la 16 %. Aceste celule s-au numit celule CNR (Comsat Non Reflection; Comsat = Telefonsatelit ) și au fost concepute pentru sateliți Criza de la începutul anilor 70 a condus la creșterea prețurilor produselor petroliere având ca rezultat creștere prețului energiei. Acest lucru a impulsionat cercetările în domeniul celulelor solare. În 1980 s-a început organizarea de concursuri de automobile acționate cu energie electrică obținută de la module solare. În 1981 un avion acționat de energie solară a traversat Canalul Mânecii. Între timp Green precum și specialiștii de la Universitatea Stanford și cei de la Telefunken au dezvoltat cellule solare cu un randament în jur de 20 %.

O celulă solară tipică

O celulă solară constă din două sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai întâlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsă între 0,001 și 0,2 mm și sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma joncțiuni „p” și „n”. Această structură e similară cu a unei diode. Când stratul de siliciu este expus la lumină se va produce o „agitație” a electronilor din material și va fi generat un curent electric.
Celulele, numite și celule fotovoltaice, au de obicei o suprafață foarte mică și curentul generat de o singură celulă este mic dar combinații serie, paralel ale acestor celule pot produce curenți suficient de mari pentru a putea fi utilizați în practică. Pentru aceasta, celulele sunt încapsulate în panouri care le oferă rezistență mecanică și la intemperii.

Clasificare

Celulele solare pot fi clasificate după mai multe criterii. Cel mai folosit criteriu este după grosimea stratului materialului. Aici deosebim celule cu strat gros și celule cu strat subțire.
Un alt criteriu este felul materialului: se întrebuințează, de exemplu, ca materiale semiconductoare combinațiile CdTe, GaAs sau CuInSe, dar cel mai des folosit este siliciul.
După structură de bază deosebim materiale cristaline(mono-/policristaline) respectiv amorfe.
În fabricarea celulelor fotovaltaice pe lângă materiale semiconductoare, mai nou, există posibiltatea utilizării și a materialelor organice sau a pigmenților organici.

Materiale

Celule pe bază de siliciu

• Strat gros
• Celule monocristaline (c-Si)
  randament mare - în producția în serie se pot atinge până la peste 20 % randament energetic, tehnică de fabricație pusă la punct; totuși procesul de fabricație este energofag, ceea ce are o influență negativă asupra periodei de recuperare (timp în care echivalentul energiei consumate în procesul de fabricare devine egal cantitatea de energia generată).
• Celule policristaline (mc-Si)
  la producția în serie s-a atins deja un randament energetic de peste la 16 %, cosum relativ mic de energie în procesul de fabricație, și până acum cu cel mai bun raport preț – performanță.

• Strat subțire
  • Celule cu siliciu amorf (a-Si)
    cel mai mare segment de piață la celule cu strat subțire; randament energetic al modulelor de la 5 la 7 %; nu există strangulări în aprovizionare chiar și la o producție de ordinul TeraWatt
  • Celule pe bază de siliciu cristalin, ex. microcristale (µc-Si)
    în combinație cu siliciul amorf randament mare; tehnologia aceeași ca la siliciul amorf

Semiconductoare pe bază de elemente din grupa III-V

• Celule cu GaAs
  randament mare, foarte stabil la schimbările de temperatură, la încălzire o pierdere de putere mai mică decât la celulele cristaline pe bază de siliciu, robust vizavi de radiația ultravioletă, tehnologie scumpă, se utilizează de obicei în industria spațială (GaInP/GaAs, GaAs/Ge)

Semiconductoare pe bază de elemente din grupa II-VI

• Celule cu CdTe
  utilizează o tehnologie foarte avantajoasă CBD(depunere de staturi subțiri pe suprafețe mari în mediu cu pH , temperatură și concentrație de reagent controlate) ; în laborator s-a atins un randament de 16 %, dar modulele fabricate până acum au atins un randament sub 10 %, nu se cunoaște fiabilitatea. Din motive de protecția mediului este improbabilă utilizarea pe scară largă.

Celule CIS, CIGS

CIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs în stație pilot la firma Würth Solar în Marbach am Neckar, respectiv Cupru-Indiu-Disulfat la firma Sulfurcell în Berlin, iar CIGS pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs în stație pilot în Uppsala/Suedia. Producătorii de mai sus promit trecerea la producția în masă în anul 2007.

Celule solare pe bază de compuși organici

Tehnologia bazată pe chimia organică furnizează compuși care pot permite fabricarea de celule solare mai ieftine. Prezintă, totuși, un impediment faptul că aceste celule au un randament redus și o durată de viață redusă (max. 5000h). Încă (ianuarie 2007) nu există celule solare pe bază de compuși organici pe piață.

Celule pe bază de pigmenți

Numite și celule Grätzel utilizează pigmenți naturali pentru transformarea luminii în energie electrică; o procedură ce se bazează pe efectul de fotosinteză. De obicei sunt de culoare mov.

Celule cu electrolit semiconductor

De exemplu soluția: oxid de cupru/NaCl. Sunt celule foarte ușor de fabrict dar puterea și siguranța în utilizare sunt limitate.

Celule pe bază de polimeri

Deocamdată se află doar în fază de cercetare.

Panoul solar

Un panou solar fotovoltaic spre deosebire de un Panou solar termic transformă energia luminoasă din razele solare direct în energie electrică. Componentele principale ale panoului solar reprezintă celulele solare.

Panourile solare se utilizează separat sau legate în baterii pentru alimentarea consumatorilor independenți sau pentru generarea de curent electric ce se livrează în rețeaua publică.

Un panou solar este caracterizat prin parametrii săi electrici cum ar fi tensiunea de mers în gol sau curentul de scurtcircuit.

Pentru a îndeplini condițiile impuse de producerea de energie electrică, celulele solare se vor asambla în panouri solare utilizând diverse materiale, ceea ce va asigura:

• protecție transparentă împotriva radiațiilor și intemperiilor
• legături electrice robuste
• protecția celulelor solare rigide de acțiuni mecanice
• protecția celulelor solare și a legăturilor electrice de umiditate
• asigurare unei răciri corespunzătoare a celulelor solare
• proteția împotriva atingerii a elementelor componente conducătoare de electricitate
• posibilitatea manipulării și montării ușoare

Se cunosc diferite variante de construcție a modelelor existente de panouri solare. În continuare descriem construcția modelului cel mai răspândit în momentul de față.

Construcția unui panou solar obișnuit

• Un geam (de cele mai multe ori geam securizat monostrat) de protecție pe fața expusă la soare,
• Un strat transparent din material plastic (etilen vinil acetat, EVA sau cauciuc siliconic) în care se fixează celulele solare,
• Celule solare monocristaline sau policristaline conectate între ele prin benzi de cositor,
• Caserarea feței posterioare a panoului cu o folie stratificată din material plastic rezistent la intemperii fluorura de poliviniliden (Tedlar) și Polyester,
• Priză de conectare prevăzută cu diodă de protecție respectiv diodă de scurtcircuitare (vezi mai jos) și racord,
• O ramă din profil de aluminiu pentru protejarea geamului la transport, manipulare și montare, pentru fixare și rigidizarea legăturii

Fabricarea panoului solar

Fabricarea începe întotdeauna de pe partea activă expusă la soare. La început se pregătește și se curăță un geam de mărime corespunzătoare. Pe acesta se așează un strat de folie de etilen vinil acetat, EVA adaptat profilului celulelor solare utilizate. Celulele solare vor fi legate cu ajutorul benzilor de cositor în grupe (șiruri - strings) care mai apoi se așează pe folia de EVA după care se face conectarea grupelor între ele și racordarea la priza de legătură prin lipire. În final totul se acoperă cu o folie EVA și peste aceasta o folie tedlar. Pasul următor constă în laminarea panoului în vacuum la 150 °C. În urma laminării din folia EVA plastifiată, prin polimerizare, se va obține un strat de material plastic ce nu se va mai topi și în care celulele solare sunt bine incastrate și lipite strâns de geam și folia de tedlar. După procesul de laminare, marginile se vor debavura și se va fixa priza de conectare în care se vor monta diodele de bypass. Totul se prevede cu o ramă metalică, se măsoară caracteristicile și se sortează după parametrii electrici după care se împachetează.

Alte tipuri de panouri

• panouri laminate sticla-sticla
• panouri sticla-sticla utilizând rășini aplicate prin turnare
• panouri cu strat subțire (CdTe, CIGSSe, CIS, a-Si) pe suprafețe de sticlă sau aplicate ca folie flexibilă
• panouri concentrator
  Lumina solară se concentrează cu ajutorul unui dispozitiv Optic pe celule solare de dimensiuni mai mici. Astfel utilizând lentile comparativ mai ieftine pentru a crea un fascicol de lumină mai subțire, se economisește material semiconductor care este mai scump. Sistemele cu concentrator sunt utilizate de cele mai multe ori la celule solare din semiconductori pe bază de elemente din grupa III-V. Pentru că utilizarea lentilelor impune ca razele solare să cadă perpendicular pe acestea, va fi nevoie de un sistem de orientare mecanică în funcție de poziția soarelui.
• Colector cu fuorescență
  Acest tip deosebit de panou solar transformă lumina incidentă, prin intermediul unui strat de material sintetic, în radiație de o lungime de undă acordată pe frecvența de absorbție maximă din celula solară. În acest scop materialul sintetic este impurificat cu un pigment fluorescent. Lumina solară este absorbită de pigment și reemisă cu o lungime de undă mai mare. Această lumină generată părăsește stratul de material sintetic doar pe o anumită direcție bine determinată pe toate celelalte direcții fiind reflectetă și astfel reținută în material. Pe direcția emisie se așează celulele solare ce sunt optimizate pe lungimea de undă emisă de pigment. Prin aplicare mai multor straturi de material sintetic și celule solare acordate pe lungimi de undă diferite, se poate mări randamentul deoarece se poate acoperi un spectru mai larg decât cu panourile solare obișnuite

 Reciclare

Cu toate că durata de viață a panourilor solare este de 20-40 ani, în prezent se acumulează deja deșeuri de ordinul a sutelor de tone anual(2004). Pe plan mondial singura instalație pilot de reciclare a celulelor solar de siliciu cristalin se află în Freiberg-Germania. Aici la o temperatură de 600°C se ard materialele sintetice incluse în panouri, rezultând sticlă, metal, material de umplere și celulele solare. Aceste celule pot fi reutilizate după prelucrare cu pierderi minime de material.

Sunt panourile solare o investiţie bună?

            Se vorbeşte tot mai des in mass-media despre panourile solare, dar oare sunt acestea o soluţie rentabilă, o investiţie profitabilă ?

            Panourile solare fotovoltaice au fost prezentate de un expert din Marea Britanie, a prezentat diferite tipuri şi moduri de instalare. Cumpărarea unui sistem de panouri solare poate fi destul de scumpă, în medie 11.000  £, în funcţie de regiune. Prin urmare este foarte important să ştim dacă un astfel de sistem aduce un profit substanţial şi poate fi privit ca o investiţie.

            Odată instalate panourile solare, vă oferă energie electrică gratuită care poate fi folosită pentru uz  casnic. Prin folosirea acesteia facturile la curent se reduc substanţial sau chiar dispar. Deasemenea folosirea acestui sistem de energie va protejeaţi de creşterea preţurilor la energia electrică. Pe măsură ce preţul energiei creşte, economiile tale vor fi tot mai mari.

            Deasemenea folosirea energiei electrice din surse regenerabile, produsă de celulele fotovoltaice, se reduc emisiile de carbon contribuind astfel la protecţia mediului înconjurător.

            În ţări precum Germania, Spania, Republica Cehă, guvernul sprijină şi chiar stimulează acest sistem de obţinere a energiei, tehnologie care reduce emisiile de carbon. „Feed- in tariff” este o formă de stimulare care, contractual, se garantează preţul energiei electrice şi furnizorul de energie vă plăteste pentru fiecare unitate de energie pe care sistemul dumneavoastră îl produce. De obicei, se produce mai multă energie decât se consumă şi surplusul poate fi exportată in sistemul naţional de energie, contra cost.

Iată o schemă a unui sistem de celule fotovoltaice de 100 W (sursa:http://www.lpelectric.ro/)