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.