conversia fotovoltaica a ener solare
TRANSCRIPT
1
UTILIZAREA ÎN ROMÂNIA A ENERGIILOR SOLARE,
EOLIENE ŞI HIDRO1
CAPITOLUL 1
CONVERSIA FOTOVOLTAICĂ A ENERGIEI SOLARE
Dr. fiz. Maria Teodoreanu, Dr. fiz. Dan I. Teodoreanu
1.1. Introducere
Efectul fotovoltaic constă în producerea unui curent electric ca urmare a absorbţiei radiaţiei
electromagnetice (fotoni). Acest efect cunoaşte aplicaţii importante în semiconductori, unde
generarea de purtători de sarcină liberi (electroni, goluri) este semnificativă în raport cu numărul
purtătorilor generaţi termic. Dacă în semiconductor există un câmp electric intens (ca în cazul
joncţiunilor n-p în siliciu) atunci electronii generaţi ca urmare a absorbţiei radiaţiei (fotoelectroni)
vor fi conduşi într-un circuit exterior, generându-se, astfel, energie electrică.
Efectul fotovoltaic a fost descoperit în anul 1839 de către A. E. Becquerel, la iradierea unor
electrozi de argint în electrolit, şi descris de W. Adams şi R. Day pentru electrozi de seleniu în
1877. Târziu, după descoperirea tranzistorului (1948) şi elaborarea teoriei Shockley (1949), s-a
realizat prima celulă solară cu randament de 6% (D.M. Chapin, C.S. Fuller şi G.L. Pearson, de la
Bell Laboratories – SUA, 1954). Până în anul 1973 (prima criză a petrolului) celulele solare s-au
utilizat mai mult în aplicaţii spaţiale. Până la începutul anilor ’90 producţia mondială de celule
solare (aproximativ 50 MW/an) era complet nesemnificativă la nivelul consumului de electricitate
global.
Sursele regenerabile de energie, şi în particular energia solară fotovoltaică, au primit un
impuls puternic în urma summit-ului de la Kyoto (1997) privind starea surselor de poluare ale
planetei. Ca urmare a acestui summit, s-a stabilit o reducere a emisiilor de CO2 (principala cauză a
1 Partea I a fost elaborată sub coordonarea Dr. fiz. Dan. I. Teodoreanu
2
efectului de seră) cu 15% până în anul 2010 şi, implicit, sprijinirea dezvoltării accentuate a surselor
regenerabile de energie, în particular a aplicaţiilor fotovoltaice. Astfel, în anul 1997 a fost lansat în
SUA programul intitulat “1 Milion de acoperişuri”, ce anticipează o producţie de 1,5 GW în anul
2010. In Japonia, Programul susţinut de guvern prevede o producţie de 4,6 GW pe an în 2010.
Estimări realiste prevăd o creştere minimă a producţiei anuale de la 130 MW în 1997 la 5 GW în
2010.
Parlamentul European îşi propune finanţarea realizării unui milion de acoperişuri
fotovoltaice până în anul 2010. În aceste condiţii, producţia fotovoltaică mondială va creşte la 20
GWP în acelaşi an.
Având în vedere că producţia medie anuală va fi de 2GW în perioada 2000 – 2010, strategia
de dezvoltare a celulelor solare trebuie adaptată acestei cereri. Se ştie că pentru realizarea unei
producţii de 100 MW/an sunt necesare 1000 t de siliciu. În perspectiva anului 2010 siliciul va
rămâne cu o pondere de aproximativ 70% în piaţa celulelor solare, faţă de 95% cît reprezintă
actualmente, iar pentru o producţie de 1400 MW la nivelul anului 2010 vor fi necesare ca. 14000 t
de siliciu pe an, cantitate apropiată de producţia mondială. In această situaţie, cercetările pentru
creşterea randamentului celulelor solare, cât şi pentru utilizarea siliciului “grad solar” vor fi absolut
necesare.
Materialele semiconductoare policristaline cu structură calcopiritică au o largă utilizare în
heterojoncţiuni pentru fabricarea celulelor solare. Interesul pentru acest tip de materiale a apărut
datorită proprietăţilor lor optice - în special absorbţia optică – astfel încât, grosimi de strat de
ordinul a 1 µm sunt suficiente pentru absorbţia eficientă a luminii solare şi pentru obţinerea unor
eficienţe de conversie comparabile cu cele ale celulelor solare cu siliciu monocristalin. Economia de
material ce rezultă de aici, combinată cu procedee tehnologice pretabile la obţinerea de suprafeţe
mari, duc la reduceri esenţiale ale costurilor de fabricaţie pentru celulele şi modulele solare, condiţie
obligatorie pentru aplicarea pe scară largă a conversiei fotovoltaice a energiei solare.
Prezentul capitol abordează probleme de promovare a surselor fotovoltaice în ţara noastră.
Studiile s-au realizat in cadrul ICPE- Laboratorului de Surse Noi, unde s-au realizat de-a
lungul anilor din 1980 si pana in prezent module, sisteme utilizate în toate aplicaţiile fotovoltaice
realizate în aceşti ani (ceasuri şi lămpi fotovoltaice, centrale fotovoltaice independente şi conectate
la reţea, balize marine, etc.)
In prima parte se prezintă aspecte legate de funcţionarea celulelor solare.
Apoi sunt prezentate rezultatele obţinute la realizarea celulelor solare pe bază de siliciu,
utilizând tehnologii pentru optimizarea performanţelor celulelor.
3
S-au experimentat şi elaborat metodele de optimizare a performanţelor celulelor solare obţinute
prin tehnologia serigrafică integrală. Cu ajutorul acestei tehnologii au fost realizate prima dată în
ţară celule solare de dimensiuni mari (pe plachete de Si de diametru = 4 inch), cu eficienţe de
conversie > 13%. Această tehnologie a fost pusă la punct de către autor integral în cadrul
Laboratorului de Surse Noi de Energie al ICPE – S.A. Optimizarea acestei tehnologii este încă
obiect de studiu pe plan mondial, grupuri de cercetători din Europa, SUA şi Japonia participând la
programe multinaţionale pe această temă.
Sunt prezentate aspecte ale tehnologiilor specifice de realizare a structurilor fotovoltaice cu
straturi subţiri pe bază de CIS.
Sunt prezentate apoi sistemele fotovoltaice realizate în Laborator.
Radiaţia solară
Soarele este o sursă complexă de radiaţii cu o distribuţie spectrală terestră ce poate fi
aproximată cu distribuţia spectrală a unui corp negru la temperatura de 5900 K. Această distribuţie a
radiaţiei emise de corpul negru este însă modificată în cazul radiaţiei solare datorită variaţiei de
temperatură pe suprafaţa discului solar, efectelor ce au loc în atmosfera solară, precum şi datorită
liniilor de absorbţie Fraunhofer.
Figura I.1.1. descrie distribuţia spectrală a radiaţiei solare în afara atmosferei terestre, descrie
distribuţia spectrală a radiaţiei solare comparate cu distribuţia spectrală a radiaţiei emise de corpul
negru temperatura respectivă.
In spaţiul exterior atmosferei terestre 98% din totalul energiei emise de Soare este dat de
radiaţia cu lungimi de undă cuprinse între 0,25 şi 3,0 µm. Se defineşte intensitatea radiaţiei solare ca
fiind puterea totală dată de o sursă radiantă pe unitatea de suprafaţă [W/m2]. Astfel, în afara atmosferei
terestre, radiaţia solară directă pe un plan normal pe direcţia soarelui are intensitatea de
1350W/m2±3,4%.
Intensitatea şi distribuţia spectrală a radiaţiei ce ajunge la suprafaţa Pământului depind de
compoziţia atmosferei precum şi de lungimea drumului parcurs de lumină prin atmosferă. Cei mai
importanţi parametri ce caracterizează compoziţia spectrală a radiaţiei care ajunge la suprafaţa
Pământului sunt:
• conţinutul în vapori de apă al atmosferei
• coeficientul de turbiditate, exprimând efectul ceţii şi al împrăştierii
• conţinutul de ozon
• nebulozitatea
• reflexia pe suprafaţa Pământului.
4
Întrucât radiaţia solară ce ajunge la marginea atmosferei terestre, normal pe direcţia Soarelui,
depinde numai de distanţa Pământ - Soare, celelalte efecte geometrice se manifestă în primul rând prin
variaţia drumului optic prin atmosferă. Dacă luăm în considerare numai radiaţia directă, aceste efecte
geometrice pot fi aproape complet descrise specificând unghiul zenit al Soarelui, "z", dat de unghiul
dintre direcţia Pământ - Soare şi normala la planul ce conţine cercul orizontului, Figura I.1.2. Acest
unghi zenit depinde de ora zilei, de anotimp, de latitudine şi de longitudine.
Se introduce o mărime numită masa aerului (Air Mass) şi notată AM. Masa aerului, AM
defineşte cantitativ gradul în care atmosfera afectează radiaţia solară primită de suprafaţa Pământului.
Lungimea drumului optic pentru un unghi zenit z este egală cu secanta unghiului z înmulţită cu
lungimea drumului optic pentru z=0. Această valoare,
mr =1/cos z
se numeşte masa de aer relativă. Spectrele solare specifice se exprimă în funcţie de acest mr. De
exemplu, AM0 corespunde spaţiului exterior atmosferei terestre (masa de aer zero - "air mass zero"),
iar atmosferei terestre îi corespund AM1, AM2, etc. Spectrele AM0 şi AM1 sunt comparate în Figura
I.1.1, unde se poate observa că deosebirea între cele două spectre este mai puternică în domeniile IR şi
UV. Această deosebire apare deoarece radiaţia IR este absorbită de către vaporii de H2O şi CO2, iar
radiaţia UV este absorbită cu precădere de ozon în straturile superioare ale atmosferei.
Lumina solară este modificată în drumul său prin atmosferă de următoarele procese:
• procesul de împrăştiere Rayleigh a luminii (datorită căruia se vede cerul albastru)
• absorbţia în benzi electronice: în O2, N2 şi ozon (aproape toate radiaţiile cu λ < 0,29 µm
sunt absorbite de ozon)
• absorbţia în benzi moleculare de rotaţie şi vibraţie în H2O şi CO2
• împrăştierea pe particule de aerosoli şi pe particule materiale (mai puternică pentru
lungimile de undă mai mici ale radiaţiei)
• reflexia şi turbulenţa datorită variaţiei indicelui de refracţie cu temperatura şi cu
presiunea.
In concluzie, se poate spune că radiaţia incidentă este modificată prin adăugarea unei
componente difuze a radiaţiei (provenită din împrăştieri pe particule de aerosoli), fiind puternic
dependentă de concentraţia aerosolilor, nebulozitate, precum şi de reflexia locală la suprafaţa
Pământului. Radiaţia difuză prezintă un maxim puternic în porţiunea albastră a spectrului şi contribuie,
astfel cu 8-10% la radiaţia totală pentru o zi senină, la amiază şi, în special, pentru unghiuri zenit mai
mari. Suma dintre radiaţia directă şi radiaţia difuză reprezintă radiaţia globală.
In timpul unei variaţii diurne, unghiul zenit şi deci masa aerului sunt în continuă schimbare. Se
obţine astfel o continuă variaţie a intensităţii şi a distribuţiei spectrale a radiaţiei la suprafaţa
5
Pământului. Prin medierea pe 24 de ore se obţine valoarea intensităţii radiaţiei ca fiind aproximativ
egală cu 0,2 din valoarea maximă a intensităţii (dar această valoare este variabilă, depinzând de
latitudine şi de alţi factori).
Calculul în detaliu al radiaţiei solare fiind complex, se recurge la o serie de aproximări. De
exemplu, prin modelarea numerică a proceselor de absorbţie care au loc în ozon, în vaporii de apă, etc.
se obţine un "spectru standard" idealizat al radiaţiei solare. Un asemenea spectru folosit la calculul
eficienţei de conversie a celulelor solare este "spectrul standard AM1,5", ilustrat în Figura I.1.3.
In condiţiile ţării noastre, intensitatea totală a radiaţiei solare (directă + difuză) pentru o zi de
vară fără nori, la nivelul mării şi Soarele la zenit poate atinge 1000 W/m2. Pe vreme noroasă valoarea
radiaţiei poate să scadă cu un ordin de mărime.
Fizica celulei solare
Benzi de energie în semiconductori
Structura de bandă a unui solid cristalin, respectiv relaţia energie-impuls, se obţine din soluţia
ecuaţiei Scrödinger în aproximaţia unielectronică.
Benzile de energie în solide au fost studiate teoretic utilizând diferite metode de calcul. Pentru
semiconductori sunt mai cunoscute două asemenea metode: metoda undelor plane ortogonale şi
metoda pseudopotenţialului.
Pentru orice semiconductor există o regiune (bandă) de energie interzisă, în care nu sunt
permise stări energetice. Deasupra şi dedesubtul acestei benzi interzise se află regiuni permise sau
benzi de energie permise. Benzile superioare (de deasupra benzii interzise) se numesc benzi de
conducţie, iar cele de sub banda interzisă se numesc benzi de valenţă. Separarea dintre energia celei
mai joase benzi de conducţie şi a celei mai înalte benzi de valenţă se numeşte banda interzisă a
semiconductorului, Eg şi este unul dintre cei mai importanţi parametri în fizica semiconductorilor.
La temperatura camerei şi în condiţii normale de presiune, banda interzisă a siliciului este de
1,12 eV în cazul materialului de înaltă puritate. Rezultatele experimentale arată că lărgimea benzii
interzise pentru majoritatea semiconductorilor descreşte cu creşterea temperaturii (la 0K banda
interzisă a siliciului este de 1,16 eV).
Concentraţia purtătorilor la echilibru termic
Există trei posibilităţi de obţinere a unui material semiconductor, ca de exemplu siliciu:
1. Si-intrinsec, material extrem de pur, cu o cantitate neglijabilă de impurităţi; fiecare atom de siliciu
este legat prin cei patru electroni de valenţă de patru atomi învecinaţi, formând legături covalente;
6
2. Si dopat de tip n - în care atomi de impurităţi ai elementelor pentavalente, de exemplu fosfor, sunt
introduşi în reţeaua cristalină a siliciului, unde al cincilea electron de valenţă al fosforului (impuritate
donoare) rămas liber este donat benzii de conducţie;
3. Si dopat de tip p - în care, în mod similar, prin doparea cu atomi trivalenţi (cum ar fi bor -
impuritate acceptoare), un electron adiţional este acceptat pentru a forma cele patru legături covalente,
ducând la crearea unei sarcini pozitive libere - "golul" în banda de valenţă.
Conducţia în semiconductori
Densitatea de curent în semiconductori se defineşte separat pentru cele două tipuri de
purtători de sarcină (curentul de drift):
EI nn ⋅= σ (1.1)
unde: σ este conductivitatea semiconductorului
E - intensitatea câmpului electric
iar: ( )pnpn pnq µµσσσ ⋅+⋅⋅=+=
cu: q - sarcina electronică
n, p - concentraţia de electroni, respectiv de goluri
µn, µp – mobilităţile electronului, respectiv a golului
şi: *2 n
nm
q τµ
⋅=
cu τ - timpul de relaxare a conducţiei.
Un alt mecanism de transport al electronilor (golurilor) este difuzia purtătorilor, datorată
diferenţei de concentraţie a purtătorilor în volumul semiconductorului. Acesteia îi corespunde o
componentă a curentului electric în semiconductor care, în cazul unidimensional, se defineşte prin:
x
nDqI nn
∂
∂⋅⋅−= (1.2)
Astfel, curentul total de drift şi difuzie devine:
∂
∂⋅+⋅⋅⋅=
t
nDEnqI nnn µ (1.3)
Similar se obţine o relaţie pentru curentul de goluri.
Curentul de drift şi cel de difuzie nu sunt independenţi unul de celălalt, având o cauză
comună: mişcarea termică şi ciocnirile purtătorilor, parametri care îi definesc sunt legaţi prin relaţia
Einstein:
µ⋅=q
kTD (1.4)
7
Fotogenerarea purtătorilor de sarcină
Semiconductorii, datorită structurii de benzi specifice, prezintă un prag în absorbţia fotonică.
Astfel, pentru energii ale fotonilor mai mari sau egale cu lărgimea benzii interzise a
semiconductorului, gEch
≥⋅
λ, fotonii sunt absorbiţi în totalitate, iar pentru gE
ch≤
⋅
λ,
semiconductorul este, practic transparent pentru radiaţia respectivă (h, c, λ sunt, respectiv: constanta
lui Planck, viteza luminii în vid şi lungimea de undă a radiaţiei incidente). Pentru fotonii absorbiţi
intensitatea radiaţiei incidente scade în interiorul semiconductorului după o lege exponenţială:
][exp)0()( xFxF ⋅−⋅= α (1.5)
unde: α este coeficientul de absorbţie
xL=1/α - lungimea de absorbţie a fotonului.
În semiconductorii cu benzi de energie indirecte, cum este siliciul, absorbţia fotonilor este
mai slabă, deoarece, din motive de conservare a momentului, la procesul de absorbţie participă şi
fononii (vibraţiile termice ale reţelei cristaline).
Procese de generare şi recombinare a purtătorilor de sarcină de neechilibru în semiconductori
La iluminarea unui semiconductor cu fotoni de energie suficient de mare (hν≥Eg), se creează
purtători de sarcină în perechi, electroni şi goluri (proces de foto-generare). Concentraţia purtătorilor
este astfel mai mare la iluminare (stare de neechilibru), decât la întuneric (stare de echilibru). La
întreruperea iluminării (a sursei perturbatoare), apar procese inverse prin care sistemul tinde să atingă
starea de echilibru. Aceste procese se numesc procese de recombinare.
Există mai multe tipuri de procese de recombinare în semiconductori:
• recombinare bandă-bandă, în care are loc tranziţia unui electron din banda de conducţie în banda
de valenţă însoţită de emisia unui foton (proces radiativ), sau de transferul energiei rezultate unui
alt electron liber (proces Auger);
• recombinare pe trape (centrii de captură), în care sunt prezente în interiorul benzii interzise a
semiconductorului, nivele de energie (trape) simple sau multiple.
Se pot stabili, în principiu, metodele de reducere a vitezei de recombinare la suprafaţa
semiconductorului, şi anume:
8
- reducerea concentraţiei trapelor, Nts, care se poate realiza prin doparea cu materiale "pasivante";
pentru Siliciu cei mai buni candidaţi pentru pasivarea suprafeţei sunt SiO2 şi Si3N4; tot aşa de
eficientă este şi tratarea siliciului în lichide polare (ca de exemplu HF sau H2SO4), ceea ce duce la
reducerea valorii vitezei de recombinare de suprafaţă (< 1 cm/s);
- micşorarea concentraţiei de electroni sau goluri la suprafaţă.
Întrucât procesele de tip SHR implică prezenţa a doi parteneri, vitezele de recombinare
maxime se obţin când concentraţiile electronilor şi golurilor la suprafaţă sunt aproximativ egale.
Dacă se reduce concentraţia unuia dintre aceste tipuri de purtători, se poate obţine, corespunzător, o
micşorare a vitezei de recombinare de suprafaţă. Din punct de vedere tehnologic aceasta se poate
realiza prin diferite metode, şi anume:
- prin introducerea unui profil de dopare în apropierea suprafeţei: prin dopare puternică se reduce
concentraţia purtătorilor minoritari. Purtătorii minoritari fotogeneraţi vor fi "reflectaţi" de câmpul
electric ("high-low junction") existent la suprafaţă. Acesta este principiul de realizare a stratului BSF
(Back-Surface-Field), având aceeaşi polaritate ca şi semiconductorul de bază, dar nivele de dopare
mult mai mari. Acest câmp de suprafaţă se poate obţine cu aceleaşi efecte de pasivare şi pe suprafaţa
frontală a semiconductorului ("Front-Surface-Field");
- pasivarea prin efect de câmp: un câmp electric extern sau generat de sarcini electrice într-un izolator
poate să genereze o zonă de sarcină spaţială de suprafaţă în care concentraţia purtătorilor să varieze
într-un domeniu foarte larg (de la acumulare la sărăcire, până la inversie). Pe aceasta se bazează, în
microeletronică, construcţia dispozitivelor cu efect de câmp (MOSFET).
Structura celulei solare
Figura I.1.4 prezintă structura a patru tipuri convenţionale de celule solare pe bază de siliciu. Corelaţia
între eficienţa de conversie a celulei şi complexitatea procesului tehnologic de fabricaţie a acesteia este
esenţială.
In principiu, celula solară este alcătuită din: bază - de grosime cuprinsă între 200-500µm,
emiter - foarte subţire, pe faţa iluminată a celulei, un contact metalic frontal sub formă de grilă şi
unul sau mai multe straturi antireflectante depuse pe suprafaţa frontală, cu rol de a reduce pierderile
prin reflexie pe suprafaţa celulei. Curentul electric generat de celula solară este colectat prin contactul
metalic pe spatele celulei (contact ohmic). Dintre caracteristicile esenţiale ale acestui contact ohmic
amintim:
− o rezistenţă de contact foarte scăzută între metal şi semiconductor
− o caracteristica curent-tensiune cît se poate de liniară.
Prezentăm în cele de mai jos tipurile de celule din Figura I.1.4:
9
− Celula solară standard prezintă pe faţa posterioară un contact metalic ohmic sub formă de
strat subţire, obţinut de regulă prin sinterizarea unei depuneri metalice la 300 - 500°C în atmosferă de
gaz inert (de regulă azot);
− Celula solară cu "Back-Surface-Field" (BSF) conţine pe spate un strat suplimentar având
aceeaşi polaritate ca şi baza şi formând cu aceasta o joncţiune "high-low" care acţionează ca un
"reflector" (oglindă) electric pentru purtătorii de sarcină minoritari fotogeneraţi şi, prin aceasta,
reducând probabilitatea de recombinare pe spatele celulei;
− A treia structură prezentată conţine, pe lângă stratul BSF, un strat pasivant (SiO2) pe faţa
celulei, cu rol de reducere a pierderilor prin recombinare pe suprafaţa emiterului;
− A patra structură conţine, în plus, pe spatele celulei un strat pasivant de SiO2 care, pe lângă
stratul BSF, reduce suplimentar viteza de recombinare a purtătorilor fotogeneraţi.
Parametri fundamentali ai unei celule solare sunt:
− eficienţa de conversie, ηηηη
− curentul de scurt-circuit, ISC
− tensiunea de circuit deschis, VOC
− factorul de umplere, FF.
Pentru o bună eficienţă de conversie este necesară reducerea pierderilor prin recombinarea
purtătorilor minoritari fotogeneraţi atât în celulă, cît şi pe feţele sale.
Pentru a avea un factor de umplere mare este necesar să se mărească dimensiunea contactelor
metalice pe emiter şi pe spatele celulei. Aceasta însă este în contradicţie cu necesitatea de a obţine
valori mari ale ISC şi VOC, întrucât contactele metalice favorizează viteze mari de recombinare a
purtătorilor. Astfel, pentru obţinerea unei eficienţe optime de conversie este necesar să se realizeze un
compromis între diverşii factori.
Parametri critici care influenţează eficienţa celulei solare cu siliciu, pentru fiecare din
componentele celulei (emiter, bază, contacte metalice) sunt prezentaţi mai jos:
Emiter:
- profil de dopare
- concentraţia de dopare
- grosimea emiterului
- viteza de recombinare de suprafaţă pe faţa celulei
- rezistenţa stratului
- pasivarea suprafeţei (de ex. SiO2, Si3N4)
- stratul antireflex (numărul de straturi, indicele de refracţie, grosimea stratului)
10
- texturarea suprafeţei
Bază:
- doparea iniţială
- lungimea de difuzie a purtătorilor minoritari
- viteza de recombinare pe spatele celulei
- grosimea bazei
- rezistenţa de suprafaţă
- existenţa stratului BSF
Contacte metalice:
- materialul de contact (Ti - Pd - Ag sau Cr - Ni - Ag)
- rezistenţa de contact metal-siliciu
- dimensiunile contactului
- distanţa dintre contactele colectoare ale grilei şi grosimea acestora
- aderenţa la siliciu.
Descrierea electrică a celulei solare Punctul de plecare pentru calculul caracteristicii curent-tensiune a unei celule solare este dat de
ecuaţiile Shockley, care descriu complet comportarea purtătorilor de sarcină în semiconductor .
Ecuaţiile Shockley dau, astfel, un sistem de ecuaţii diferenţiale neliniare pentru care găsirea
unei soluţii analitice în cazul general (existenţa unui profil de dopare oarecare, a stărilor de neechilibru,
etc.) nu este posibilă. Cu metode numerice (exemplu - elemente finite) se pot găsi, în cazul
unidimensional, soluţii aproximative. O altă cale de rezolvare a ecuaţiilor Shockley constă în găsirea
unei soluţii analitice aproximative pe baza unor ipoteze simplificatoare. Cea mai cunoscută dintre
acestea este soluţia găsită de Shockley - "ecuaţia diodei ideale":
( )
−⋅ 1exp
V
V I = VI
T01 (1.6)
Aceasta este caracteristica curent-tensiune a unei diode "ideale" la întuneric. „Ideal" se referă
la faptul că se neglijează rezistenţele serie şi paralel.
I01 este curentul de întuneric al diodei (numit şi "curent de saturaţie");
VT = kT/q este aşa-numita "tensiunea termică"
I01 este dat de concentraţia de dopare, de lungimile de difuzie ale purtătorilor minoritari în
emiter şi bază, de viteza de recombinare de suprafaţă (pe faţa şi pe spatele celulei) şi de dimensiunile
geometrice ale celulei.
11
La iluminare, caracteristica I-V a unei celule solare ideale este translatată cu valoarea
curentului fotogenerat, IL, în cadranul IV:
( ) I - - V
V I = VI L
T01
1exp (1.7)
Cu notaţiile din Figura I.1.5 se definesc:
Pmp = Vmp ⋅Imp - punctul de pe caracteristică pentru care puterea electrică dată de celulă este
maximă. Acesta se numeşte punctul de putere maximă;
FF - factorul de umplere sau factorul de formă, definit ca:
V I
V I = FF
ocsc
mpmp
⋅
⋅ (1.8)
Factorul de umplere este o măsură a ariei maxime a dreptunghiului care se poate înscrie în
caracteristica din cadranul IV. Pentru celulele solare cu Si de mare eficienţă, FF are valori cuprinse
între 0,79 şi 0,83 la temperatura camerei.
Cel mai important parametru al unei celule solare este eficienţa de conversie, ηηηη, definită ca
raportul dintre puterea electrică maximă dată de celulă şi puterea radiaţiei incidente:
P
FF V I =
P
V I =
in
ocsc
in
mpmp ⋅⋅⋅η (1.9)
Pentru a obţine o bună eficienţă de conversie a unei celule solare sunt necesare valori mari ale
curentului de scurt-circuit, ISC, ale tensiunii de circuit deschis, VOC şi ale factorului de umplere, FF.
In cazul rezistenţei serii neglijabile a celulei solare (RS < 1 Ωcm2), şi pentru radiaţie incidentă
neconcentrată se obţine, cu o bună aproximaţie, IL = ISC.
Pentru o comportare a celulei solare după modelul celulei ideale (în absenţa recombinării în
stratul de sarcină spaţială, la nivel mic de injecţie şi în absenţa rezistenţelor parazite) avem, :
⋅ +
I
I V = V
01
scToc 1ln (1.10)
Ecuaţia Shockley a diodei ideale se poate dezvolta considerând şi efectele recombinării în
regiunea de sarcină spaţială, precum şi efectele injecţiei puternice a purtătorilor. Se ajunge astfel la
modelul cu mai multe diode şi la factorul de idealitate, care pun în evidenţă contribuţia diferitelor
mecanisme de recombinare. Fiecare din aceste mecanisme introduc o altă dependenţă exponenţială a
curentului de tensiune. Pe baza acestui model, caracteristica I-V a unei celule la întuneric arată astfel:
12
( )
−∑
VB
V I = V I
T0k0k
k
1exp (1.11)
unde B0k şi I0k sunt factorul de idealitate, respectiv curentul de întuneric corespunzători
diferitelor mecanisme de recombinare.
In tabelul de mai jos sunt daţi factorii de idealitate pentru trei tipuri de mecanisme de
recombinare importante pentru celula solară (Shockley-Read-Hall, bandă-bandă, Auger), atât pentru
nivele de injecţie mici, cât şi pentru nivele mari:
Tipul de
recombinare
U(n)
nivel mic de
injecţie
U(n)
nivel mare de
injecţie
B0k
nivel mic de
injecţie
B0k
nivel mare de
injecţie
S – H - R n n 1 2
Bandă-bandă n n2 1 1
Auger n n3 1 2/3
Celula solară prezintă, în realitate o rezistenţă serie, RS şi una paralel (shunt), RP, care au
influenţe negative asupra parametrilor celulei, deci şi asupra eficienţei de conversie. Descrierea
teoretică a unei celule solare pe baza modelului cu două diode este dată de relaţia:
( ) Lp
s
T02
s02
T01
s01 I
R
RI - V +
VB
RI - V I +
VB
RI - V I = VI −
⋅
−
⋅
⋅
−
⋅
⋅1exp1exp (2.12)
Schema echivalentă a unei asemenea celule solare este dată în Figura I.1.3.
Calculul fotocurentului unei diode
O soluţie analitică pentru calculul curentului fotogenerat nu este posibilă în teoria SHR, ci
numai în anumite ipoteze simplificatoare. Aceste ipoteze se au în vedere pentru calculul fotocurenţilor
în fiecare din cele trei regiuni ale diodei: emiter, regiunea de sarcină spaţială şi bază. Calculul se face
pentru radiaţia monocromatică de lungime de undă, λ. La fotocurentul rezultat contribuie fiecare din
cele trei regiuni:
( ) ( ) ( ) ( ) I + I + I = Ispemiter bazaL λλλλ (1.13)
Pentru cazul unui spectru continuu de lungimi de undă, fotocurentul se obţine prin integrarea
lui IL(λ) pe întregul spectru de interes (principiul superpoziţiei):
( ) λλλλ
d I = I LL ∫ maxmin
(1.14)
13
unde: λmax este stabilit de lărgimea benzii interzise a semiconductorului. De exemplu, pentru Si
(Eg = 1,12 eV) se obţine λmax = 1110 nm , iar λmin = 300 nm pentru radiaţia solară.
Variante actuale de realizare a celulelor solare pe bază de straturi subţiri
Cele mai promiţătoare variante de dezvoltare a celulelor solare pe scară largă sunt cele pe
bază de straturi subţiri şi dintre acestea trei primesc o atenţie deosebită a unor colective de cercetare
reprezentative din Europa, SUA, Japonia: α-Si (siliciu amorf), CdTe, CuIn(Ga)Se2 (CIGS)
Prima celulă în strat subţire pe bază de: α-Si, s-a realizat în anul 1976, randamentele
actuale pentru monojoncţiune fiind de (6-8)% pentru celulă şi de (3-5)% pentru module comerciale.
Prima celulă pe bază de CdTe a fost realizată în anul 1963, Cd Te fiind teoretic cel mai
potrivit semiconductor din punct de vedere al absorbţiei optice pentru conversia energiei solare, în
timp ce primele rezultate privind celule pe bază de CIS sunt publicate în 1976.
Câteva din eficienţele record pentru celule şi module pe bază de straturi subţiri sunt
prezentate în Tabelul I.1.1 Şi Tabelul I.1.2.
In ceea ce priveşte celula pe bază de CIGS, estimările de preţ arată că, la o producţie de
100 MW pe an, preţul de fabricaţie ar putea fi de 0,33-0,5$/Wp pentru randamente de conversie de
15%, respectiv, 10%. Materialele directe reprezintă 56% din acest preţ, substratul de sticlă
reprezintă aproximativ 20% din costul materialelor iar Indiu, cel mai scump material din stratul
subţire, 10% din acest preţ. Disponibilitatea materialelor permite realizarea unor producţii de
maxim 200 GWp, (Tabelul I.1.3). Limitarea apare datorită rezervelor reduse de Indiu. In aceste
condiţii reducerea consumului (tehnologic) şi reciclarea acestor materiale la sfârşitul vieţii
modulelor devin nişte operaţii şi cercetări necesare.
Testele privind materialele cu risc efectuate în SUA şi Germania, au arătat că celulele pe
bază de CIS îndeplinesc normele de mediu atât la utilizarea materialelor (Cu,In, Se, Cd) în cadrul
fluxului tehnologic de producţie, cît şi la stocarea acestora. Concluzia acestui studiu este că pentru
moment numai celulele pe bază de CIS satisfac toate normele OSHA (Occupational Safety Health
Administration) şi nu depăşesc limitele noxelor stabilite de EPA (Environmental Protection
Agency) - SUA şi DEV (Deutches Einheitsverfahren) - Germania. Astfel, celulele pe bază de:α-Si
prezintă încă unele riscuri ecologice la producţie în timp ce celulele pe bază de CdTe prezintă
riscuri la stocare în zone neadecvate (poluare cu Cd).
In ceea ce priveşte stabilitatea, modulele pe bază de CIS se dovedesc egale în rata de
îmbătrânire cu celulele bazate pe siliciu cristalin, după cum este prezentat în Tabelul I.1.4.
14
Tip celulă Suprafaţă
(cm2)
VOC
(V)
Eficienţă
ηηηη(%)
Institut
Universitate
CuInGaSe2 0,414 0,678 17,7 NREL
CuInGaSe2 0,38 0,647 17,6 Univ.Uppsala/
IPE Sttutgart
CuInGaSe2 0,48 0,655 17,6 Matsushita
CuInGaSe2/InOHS 0,38 0,594 15,4 Univ.Uppsala/
IPE Sttutgart
CuInGaSe2 (Eg =1 ,34 eV) 0,4 0,729 14,3 IEC Delaware
CuInGaSe2 (Eg = 1,47 eV) 0,4 0,804 11,5 IEC Delaware
CuInS2 0,38 0,735 12 IPE Stuttgart
CuGaSe2 0,38 0,870 9,3 IPE Stuttgart
αααα-Si/ αααα-SiGe/ αααα-SiGe 13 United solar
αααα-Si/µµµµc-Si 10,7 IMT Neuchatel
CdTe 0,850 16 Univ.Florida
Tabelul I. 1.1 Performanţele maxime obţinute pentru celule solare în strat subţire
Tip Modul Suprafaţă (cm2) Eficienţă ηηηη(%) Compania
CdTe 7200 8,4 Solar Cells
CuInGaSe2 3860 11,2 Siemens Solar
CdTe 3528 7,7 Golden Photon
αααα-Si/αααα-SiGe 3432 7,8 Solarex
αααα-Si/αααα-Si 1200 8,9 Fuji
CdTe 1200 9,7 Matsushita
CuInGaSe2 900 11,5 ZSWStuttgart
CdTe 706 10,1 BP Solar
CuInGaSe2 90,6 13,9 ZSW
CuInGaSe2 50,2 14,1 Shova Shell
Tabelul I.1.2. Performanţele maxime obţinute pentru module în strat subţire
Tip
material
Rezerve
(tone)
Producţie anuală
(tone)
Necesar (tone)
pentru 500 MWp/an
15
Cd 970000 20000 25
Te 39000 404 28
In 5700 180 25
Ga 1000000 35 5
Se 130000 2000 60
Ge 53 5
Tabelul I.1.3. Situaţia rezervelor de materiale critice necesare pentru realizarea celulelor solare în
strat subţire CdTe, CuInGaSe2 şi α-Si/Ge (amorf)
An
fabricaţie
Tip
modul
Perioada
testării
Suprafaţa
modul (m2)
Eficienţă
iniţială
ηηηη (%)
∆∆∆∆ηηηη/ηηηη pe an
(%)
1988 CIS 1990 - 1998 0,09 7,5 -0,7
1990 CIS 1992 - 1998 0,36 8 +0,3
1992 CIGS 1993 - 1998 0,36 8,8-9 +0,5
1994 CIGS 1995 - 1998 0,36 9,7-9,8 -0,5
Tabelul I.1.4. Rezultatele testelor de durată mare privind stabilitatea în timp a performanţelor
modulelor solare pe bază de CIS realizate de Siemens Solar Industries, S.U.A.
16
Fig. I.1.1. Distribuţia spectrală aradiaţiei solare Fig.I. 1.2. Schema pentru AM0, AM1 şi a corpului negru la 5900K. definirea unghiului solar “Air Mass”.
0 1 2 3 4
0
500
1000
1500
2000
Inte
nsitate
a R
ad. S
ola
re
[Wm
-2(µ
m)-
1]
λ (µm)
Figura I.1.3. Distribuţia spectrala standard AM1,5
17
Fig.I.1.4. Structura a 4 tipuri de celule solare cu Si: Fig.I.1.5. Caracteristica I – V a unei celule a. celula solară standard solare la iluminare b. celula solară cu BSF c. celula solară cu BSF şi strat de pasivare pe faţă d. celula solaă cu BSF şi strat de pasivare pe spate.
Fig. I.1.6. Schema echivalentă a unei celule solare (modelul cu două diode)
18
LAMPA FOTOVOLTAICA PENTRU ILUMINAT EXTERIOR
CARACTERISTICI TEHNICE:
Controler-ul de sistem: DAAF - 12IS Tensiunea de lucru: 12 V Curentul maxim de încărcare: 8 A Modul fotovoltaic: 30 – 100 WP
Baterie de acumulatori: 55 – 100 Ah Lampă fluorescentă economică: 7 – 15 W Consumul propriu: 6 mA Randament maxim: 96 % Temperatura de lucru: – 20 – + 50°C
Controler DAAF - 12IS
PREZENTARE GENERALĂ:
• Aprindere/stingere automată în funcţie de lumina naturală
• Lampă pentru iluminat public exterior (iluminat stradal, gospodării, ferme etc.), cu aplicabilitate in zone neracordate la reteaua electrică
• Control total al încărcării/descărcăii bateriei de acumulatori (logica “fuzzy”)
• Simplu de instalat şi de utilizat • LED indicator pentru starea de încărcare a
bateriei
19
BALIZA FOTOVOLTAICĂ
CARACTERISTICI TEHNICE:
Controler-ul de sistem: DAAF - BS/12V Tensiunea de lucru: 12 V Curentul max. de încărcare: 8 A Modul fotovoltaic: 30 – 100 WP
Baterie de acumulatori: 5 – 100 Ah Lămpi cu halogen: 2 x 10 W Consumul propriu: 6 mA Randament maxim: 96 % Temperatura de lucru: 20 – + 50°C
Controler DAAF - 3BS/12V
PREZENTARE GENERALĂ:
• Aprindere/stingere automată în funcţie de lumina naturală
• Baliză luminoasă cu semnal intermitent pentru semnalizări fluviale şi maritime
• Lampă auxiliară pentru asigurarea funcţionării în cazul arderii lămpii principale;
• LED indicator al defectării lămpii principale; • Control total al încărcării/descărcăii bateriei
de acumulatori (logica “fuzzy”) • Simplu de instalat şi de utilizat • LED indicator pentru starea de încărcare a
bateriei • Ideal pentru balize fotovoltaice fluviale şi
maritime în locuri neracordate la reţeaua electrică
20
SISTEME FOTOVOLTAICE (PV)
PENTRU OBIECTIVE SOCIALE ÎN REGIUNI IZOLATE
Sistem realizat şi instalat de ICPE-NESL la Cabana Fântânele, în Munţii Cibinului
CARACTERISTICI PRINCIPALE SISTEM FOTOVOLTAIC (PV):
Generator PV: 12 V sau 24 V, 400 – 1000 WP
Baterie de acumulatori: Pb – acid, 12 V sau 24 V, 500 – 1000 Ah
Controler încărcare baterie: 20 – 40 A, 12 V şi 24 V
Invertor: 150VA /12 V, 250VA / 24 V, 1300 – 2000 VA /24V
21
CARACTERISTICI TEHNICE:
1. Lampă:
putere consumată: 5W - 18W
funcţionare: 2 - 4 ani, în funcţie de operare
2. Modul fotovoltaic:
putere maximă: 25 - 100W
timp de viaţă: 15 - 20 ani
3. Baterie acumulatori:
plumb-acid, 25 - 150Ah/12V
timp de viaţă: 3 - 5ani
4. Controler. funcţii:
praguri de funcţionare sistem la încărcare şi descărcare
start/stop lampă automat
Montare modul fotovoltaic: suport pentru module cu înclinare la unghi solar variabil.
LAMPĂ SOLARĂ DE STRADĂ
22
SEMAFOR FOTOVOLTAIC
CARACTERISTICI TEHNICE:
Controler de baterie: DAAF- 4 SRL Tensiune de lucru: 12 V Curent maxim de încărcare: 8 A Putere modul fotovoltaic: 30 – 100 WP Baterie acumulatori: 12 V / 55 – 100 Ah Arie luminoasă cu LED-uri superluminiscente: 6 W / 12 V Consum propriu : 6 mA Randament maxim: 96 % Domeniu de temperatură: -15° – +45°C
PREZENTARE GENERALĂ: • Sursa de alimentare: modul solar fotovoltaic cu
stocare în baterie de acumulatori • Echipamentul se poate utiliza pentru
semnalizari luminoase intermitente (semafor-galben intermitent) sau continue
• Poate opera în două regimuri de lucru: pemanent sau numai noaptea
• Pentru varianta de semnal luminos intermitent poate comuta automat pe o lampă auxiliară în cazul defectării lămpii principale
• Consum redus de energie în varianta de semnalizare luminoasă intermitentă datorită utilizării unei arii de LED-uri superluminiscente cu o putere totală de 6W (echivalent cu varianta clasică cu bec cu incandescenţă de 150W)
• Sistem electronic cu indicaţii luminoase (LED-uri) despre starea bateriei şi în cazul avarierii lămpii principale (semnalizare intermitentă)
• Monitorizare permanentă a încărcării şi descărcării bateriei
• Uşor de instalat şi utilizat • Echipament recomandat pentru semnalizari
luminoase la reparatii drumuri interurbane, semaforizare în sate şi comune pe drumuri interurbane şi reclame luminoase
Controler DAAF – 4 SRL