Materiale utilizate în construcţia celulelor fotovoltaice

În construcţia celulelor solare se pot folosi diferite materiale care pot asigura o eficienţă

energetică ridicată, şi anume:

a. Materiale semiconductoare

siliciu sub diferite stări (26 % siliciu amorf; 35% siliciu multicristalin; 37 % siliciu

monocristalin)

telurură de cadmiu (CdTe) şi sulfură de cadmiu (CdS)

cupru-indiu-diselenit (CuInSe2) – celule CIS

arseniura de galiu (GaAs) – pentru aplicaţii speciale

Aceste materiale se caracterizează printr-un coeficient ridicat de absorbţie optică la

grosimi cuprinse între 1-50 μm a stratului activ. Absorbţia materialelor semiconductoare aplicate

trebuie să funcţioneze pe cât posibil într-un domeniu larg al spectrului solar, aceasta însemnând

eficienţă ridicată în domeniul radiaţiei vizibile şi infraroşu (între 0,3-1,4 μm, corespunzător unei

energii de 0,8-3,5 eV).

Un material semiconductor cu o energie de stimulare de 1,5 eV are o eficienţă optimă

pentru transformarea energiei solare în energie electrică. Teoretic, randamentul este de 26%,

practic la celulele din Si amorf si CdS randamentul este de numai 5-12%.

Alte materiale utilizate sunt: germaniul, fosfura de indiu (InP), antimoniura de

aluminiu (AlSb) si fosfura de galiu (GaP).

Eficienţa diferitelor tipuri de celule solare în funcţie de materialul folosit şi de firma

producătoare (Wikipedia, 2011)

b. Celule solare fotoelectrochimice

Funcţionarea se bazează pe apariţia efectului fotovoltaic la limita suprafeţei de contact

dintre dioxidul de titan (TiO2) şi pigmenţii fotosintetici. Acest tip de celulă, poartă numele de

celulă „Grätzel”. Aceşti pigmenţi fotosintetici prezintă două proprietăţi necesare unui material

utilizat în realizarea unui dispozitiv fotovoltaic eficient:

prezintă absorbţie puternică în domeniul vizibil (unde există maximum de energie radiantă)

au o energie de activare pentru semiconducţie de 1,12-1,65 eV (deci în domeniul de 1-2 eV,

pentru care eficienţele calculate ale dispozitivelor fotovoltaice sunt maxime).

Principalul dezvantaj al acestui tip de dispozitive fotovoltaice este legat de stabilitatea în

timp şi eficienţa acestora (de numai 9%).

În alegerea materialelor utilizate în fabricarea celulelor fotovoltaice trebuie să se ţină

seama de o serie de criterii, dintre care putem aminti:

insuşirile fizice de bază:

o distanţa dintre banda energetică şi cea de conducţie

o dotarea semiconductorului sau conductivitatea extrinsecă

posibiltatea de realizare a structurii celulei şi a purificării materialului;

durata de viaţă;

rezistenţa la condiţiile de mediu;

costurile materialelor şi costurile de fabricaţie.

La realizarea unei celule solare pe lângă alegerea materialului şi a structurii stratului de

separare, un rol important îl au tipul de contact şi stratul antireflexie. În timp ce contactul de

pe spatele celulei poate fi acoperit la suprafaţă, cel aflat la partea superioară, respectiv pe

suprafaţa luminată, trebuie să fie permeabil. Pentru aceasta se pot folosi materiale de contact

transparente, ca de exemplu oxizi conductibili la celulele de siliciu amorf. La celulele cristaline

se folosesc în mod frecvent, conductoare metalice în forma de pieptene sau de gratar (Grid).

Materialele semiconductoare au în general un index de refracţie ridicat. Acesta oferă un ridicat

grad de reflexie la contactul cu lumina solară. În cazul siliciului peste 30% din lumina solară este

reflectată, nefiind astfel transformată în energie. Prin utilizarea stratului antireflexie, frecvent

folosit în optică, se poate reduce această pierdere. Un singur strat antireflexie poate reduce astfel

la 12% gradul de reflexie, în timp ce mai multe straturi reduc acest indice la 1-3%. Eficienţa

acestor straturi antireflexie poate fi îmbunătăţită prin structurarea la nivelul suprafeţei.