stuctura celulelor fotovoltaice

6
- Adrian Fătăşan - Stuctura celulelor fotovoltaice 1. Celula fotovoltaică Energia solară poate fi convertită direct în energie electrică, folosind efectul fotoel un caz particular al acestuia: efectul fotovoltaic. Acesta este efectul de apari acţiunea energiei solare, fiind un fenomen fizic care are loc numai în materiale O celulă solară constă din două sau mai multe straturi de material semicon siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsă între 0,001 i 0,2 mm i sunt dopate cu anumite elemente ch ș ș pentru a forma jonc iuni „p” i „n”. Această structură e similară cu a unei diode. Când str ț ș lumină se va produce o „agita ie” a electronilor din material i va fi generat un curent electric. ț ș Celulele, numite i celule fotovoltaice, au de obicei o suprafa ă foarte mică i curentul generat de o sing ș ș ț celulă este mic dar combina ii serie, paralel ale acestor celule pot produce cur ț ț utiliza i în practică. Pentru aceasta, celulele sunt încapsulate în panouri c i la ț ț ș intemperii. Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice Grosimea totală a unei celule fotovoltaice este de cca. 0,3 mm, iar grosim mm. Uzual, deasupra electrodului negativ al celulei fotovoltaice, se amplasează împiedica reflexia radiaţiei solare incidente pe suprafaţa celulei electrice sol 2

Upload: cristina-hirciaga

Post on 21-Jul-2015

314 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

- Adrian Ftan -

Stuctura celulelor fotovoltaice

1. Celula fotovoltaicEnergia solar poate fi convertit direct n energie electric, folosind efectul fotoelectric sau, mai precis, un caz particular al acestuia: efectul fotovoltaic. Acesta este efectul de apariie a unei tensiuni electromotoare sub aciunea energiei solare, fiind un fenomen fizic care are loc numai n materiale numite semiconductori. O celul solar const din dou sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai ntlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprins ntre 0,001 i 0,2 mm i sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma jonc iuni p i n. Aceast structur e similar cu a unei diode. Cnd stratul de siliciu este expus la lumin se va produce o agitaie a electronilor din material i va fi generat un curent electric. Celulele, numite i celule fotovoltaice, au de obicei o suprafa foarte mic i curentul generat de o singur celul este mic dar combinaii serie, paralel ale acestor celule pot produce cureni suficient de mari pentru a putea fi utilizai n practic. Pentru aceasta, celulele sunt ncapsulate n panouri care le ofer rezisten mecanic i la intemperii.

Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice Grosimea total a unei celule fotovoltaice este de cca. 0,3 mm, iar grosimea stratului n, este de cca. 0,002 mm. Uzual, deasupra electrodului negativ al celulei fotovoltaice, se amplaseaz un strat antireflexie, cu rolul de a mpiedica reflexia radiaiei solare incidente pe suprafaa celulei electrice solare, astfel nct o cantitate ct mai mare

2

- Adrian Ftan -

de energie s fie transferat electronilor de valen din cele dou straturi semiconductoare. Celulele fotovoltaice au dimensiuni uzulale de 10x10 cm i mai recent de 15x15cm.

2. Materiale semiconductoare utilizate la fabricarea celulelor fotovoltaiceMarea majoritatea a celulelor solare sunt produse din siliciu cristalin (siliciu monocristalin 42%; siliciu policristalin 42%; siliciu amorf 12%; siliciu n strat subire 4%) ns mai sunt celule solare bazate i pe alte elemente cum ar fi telurid de cadmiu (CdTe), calcopirite precum Diseleniu Cupru Indiu (CIS) cu colorant senzitiv (Dye sensitized solar cells), cu polimeri. Celule solare din siliciu monocristalin Lingourile de siliciu monocristalin sunt produse prin tehnica Czochralski (Si-Cz). n acest proces, materia prim este topit ntr-un creuzet cu cuar la o temperatur de aproximativ 1420 oC. Apoi se trage din topitur un germene cristalin prin rotaie i translaie i se creeaz lingouri de 30 cm n diametru i civa metri lungime. Lingoul este apoi tiat n forme ptrate, semi-rotunde sau rotunde cu grosimi de aproximativ 0,3 mm. Jonciunea activ (la emitor) este foarte apropiat de suprafaa frontal. n partea din spate a dispozitivului (la colector) se introduce un strat p+ (puternic dopat), pentru a reduce rezistenta de contact i recombinrile de suprafa. Aceste jonctiuni se realizeaz prin difuzie activat termic. Pentru aceasta, se utilizeaz un cuptor electric de cuar, lucrnd la temperaturi ntre 800 oC i 1200 oC. Toate etapele de fabricaie la temperaturi nalte se desfoar n camere foarte curate (pentru evitarea contaminrilor). Dopantii folosii sunt fosforul pentru jonctiunea p-n (la emitor) i borul pentru jonciunea p-p+ (pentru cmpul de colector, care respinge purttorii de la contacul de colector cu recombinare puternic). Dopanii sunt introdui sub form de compui lichizi sau gazoi (fosfin PH sau oxiclorur de fosfor POCl3 pentru dopare n i bromur de bor BBr3 pentru dopare ). n industrie, contactul de colector se realizeaz de obicei prin sintetizarea unui contact de aluminiu. Deoarece aluminiul este un element din grupa III, el va genera de asemenea un dopaj p. Totui, acest dopaj nu duce la celule cu randament ridicat. Oxidarea suprafeelor de siliciu este o etap important n producerea celulelor solare. Aceasta are loc n cuptoare electrice de cuar,ca i difuzia. Atmosfera de oxidare poate fi oxigen uscat sau umed (oxigen i vapori de ap). Celule solare din siliciu policristalin Siliciul este topit ntr-un creuzet cu cuar i turnat mai apoi n forme. Prin ncalzire i rcire controlat, lingoul turnat se rcete, iar Si se solidific ntr-o structur granular numita multicristalin (mc-Si). Scopul acestei solidificri este de a creea un numr ct mai mare posibil de cristale omogene de siliciu, cu fire de dimensiuni de la civa milimetri la civa centimetrii. Limitele firelor constituie defecte cristaline cu un risc crescut de recombinare i au un efect negativ asupra eficienei celulelor solare, care este mai mic dect a celulelor solare monocristaline. Lingourile, care sunt de dimensiuni mari de 65x65x30 cm3 i o greutate de 280 kg, sunt n general tiate n bare, iar apoi n plachete (wafere) de o grosime de aporzimativ 0,3 mm. Dup curare i dopare se aplic un strat antireflexie.

Celule solare din siliciu amorf

3

- Adrian Ftan -

Siliciul amorf este pregtit prin depunerea n plasm de straturi subiri din gazul SiH4 (silan). Sticla ieftin de carbonat/sod de calciu poate fi folosit ca substrat deoarece depunerea are loc la temperatur joas. O mare cantitate de hidrogen este incorporat n timpul procesului n plasm, iar acesta este esenial pentru a compensa electric defectele i astfel mbuntete considerabil calitatea materialelor. Straturile foarte subiri de 1-2 m sunt suficiente fiindc a-Si are un mare coeficient de absorie. Conductivitatea straturilor pure este intrinsec (tip-i), dar ele pot fi dopate tip p sau n prin adugare de compui de bor sau fosfor la gazul din reactor. Structura straturilor nu e un simplu aranjament p-n, ci un strat intrinsec este depus la mijloc. Un cmp electric mare este generat n acest strat intermediar, iar asta ajut la separarea sarcinilor electrice care se deplaseaz n acest cmp. Din mai multe motive, se folosesc combinaii de dou sau trei celule. Combinaiile de diferite materiale (aliaje cu germaniu i carbon) pot da o acoperire mai bun a spectrului solar, astfel dnd eficien sporit. ntre diferitele depuneri, o tiere a straturilor n dungi e necesar pentru integrarea monolitic a celulelor individuale. Structura unei celule cu siliciu este prezentat n urmtoarea figur.

Suprafa a de sticl SnO 2 Zona -p Zona intrinsec a-Si Zona -n ZnO Contactul metalic din spate

Structura unei celule cu siliciu Celule solare bazate pe telurid de cadmiu (CdTe) Astzi celula solar CdTe este singura celul bazat pe compui II-VI care prezint interes pe plan industrial. Fabricarea ei e relativ uoar i au fost dezvoltate mai multe tehnologii. Dintre toate tehnicile de fabricaie (tiprirea pe ecran, depunerea galvanic, sprayul piroliz, evaporarea), numai tehnica de sublimarea n spaiu nchis (SSI) a supravieuit. CdTe este depus sub forma unui strat policristalin subire (civa m) pe o sticl, cu un substrat transparent, realizat de obicei din oxid de indiu sau staniu ca i contact de fa. Acesta este iniial acoperit cu un strat de tip n, CdS, nainte de a fi acoperit de un strat absorbant de tip p, CdTe. Straturile de semiconductori sunt creeate folosind un simplu proces de depunere de vapori, care necesit cerine minime de vid. Sursa de vapori este nclzit la aproximativ 600 oC. Substratul de sticl, care este oarecum mai rece, 500 oC, este inut, la o distan mic, deasupra sursei de vapori i astfel materialele semiconductoare dunt depuse pe acesta. Contactul metalic spate este aplicat prin pulverizare catodic. Contactul metalic, deoarece se uzeaz cel mai uor, reprezint punctul slab al celulelor CdTe. Celula complet este o heterojonciune ntre CdTe i CdS, dar stratul CdS poate fi foarte subire. Celulele pe baz de straturi subiri pot fi structurate i conectate n serie pe substratul de sticl. n cazul CdTe separarea celulelor individuale nu poate fi fcut prin tiere cu laser fiindc CdTe se descompune foarte uor. Se taie n schimb cu o unealt cu diamant.

4

- Adrian Ftan -

Modulele CdTe conin o cantitate considerabil de Cd care e cunoscut drept un element periculos (otravitor, cancerigen). Multe studii performante au ajuns la concluzia c n cazul modulelor FV nu ar trebui s apar nicio problem de sntate. Componenta CdTe e destul de stabil i nu se descompune sub influena mediului. Ea se descompune la temperaturi de peste 1000 oC, astfel nu reprezint niciun pericol. n plus, ea e bine ncapsulat n modul i nici la spargerea geamului nu va lua contact cu atmosfera. Totui acceptarea public nu e garantat i multe companii au decis s nu investeasc n acest tehnologie. ntreaga structur folosit astzi e artat n figura de mai jos. Structura unei celule solare CdTe/CdS

Suprafaa de sticl SnO2 CdS CdTe Contactul metalic din spate

Celule solare bazate pe Calcopirite precum Diseleniu Cupru Indiu (CIS) Calcopiritele sunt o clas de componente cu compoziia general I-III-VI2. I nseamn un element din prima grup a tabelului de elemente, n acest caz cupru (Cu) sau argint (Ag), III e un element din a treia grupa, de exemplu aluminiu (Al), galiu (Ga) sau indiu (In) iar VI e o calcogenid precum seleniu (Se) sau sulf (S). Toate componentele acestei compoziii sunt semiconductoare i cteva dintre ele au bune proprieti fotoelectrice. Celule solare au fost produse din 1983 pe baza straturilor subiri policristaline n mare parte din CIS (CuInSe2) dar de asemenea si dintr-un aliaj de CIS cu o component de galiu (CIGS). n plus, componentele cu sulf au bune proprieti fotovoltaice. Totui, dac tehnologiile ar atinge un volum de producie de 100MW/an disponibilitatea i pretul indiului ar deveni o problem major, deoarece cantitatea de indiu din scoara terestr este relativ sczut, fa alte materiale semiconductoare, argintul de exemplu. Straturile CIS fotoactive pot fi pregtite prin 2 tehnici diferite: prima este co-evaporarea tuturor elementelor, iar a doua e stropirea unei mixturi a elementelor Cu i In i dup aceea selenizarea prin nclzire n vapori de Se. Substratul e o plac de sticl acoperita cu un strat

5

- Adrian Ftan -

subire de molibden pentru contactul de pe spate. Structura de diod e obinut prin depunerea unui strat foarte subire de CdS i o heterojonciune e format ca n cazul celulei de CdTe. Un strat conductor transparent de ZnO formeaz contactul de pe fa.

ZnO C dS C IS C ontac tul m etalic din s pate S ubstrat sticl Structura unei celule solare CIS

Celule solare cu colorant senzitiv (Dye sensitized solar cells) Istoria colorantului senzitiv dateaz de la sfritul secolului XIX, cnd a fost inventat fotografia. Folosirea colorantului-senzitiv n aplicaii fotovoltaice a rmas fr succes pn cnd a avut loc o descoperire important, la nceputul anilor 90, n Elveia, la Laboratory of Photonics and Interfaces. Prin combinarea cu succes, a electrozilor nanostructurati i un electrolit eficient, profesorul Grtzel i colegii si au realizat o celul solar cu o eficien a conversiei energiei ce dapea 7% n 1991 i 10% n 1993. Aceast celul poart numele de celul solar colorantsenzitiv (dye-sensitized) nanostructurat sau celula Grtzel, dup numele inventatorului ei. Materialul de baz al celulei lui Grtzel este semiconductorul din dioxid de titaniu (TiO2). Totui, principiul de funcionare al acestor celule nu ar la baz jonciunea p-n din semiconductor, ci lumina este absorbit de un colorant organic, intr-un mod similar procesului de fotosintez. Celula solar (notat prescurtat DSSC - Day Sensitive Solar Cell) conine electrozi din sticl nvelii cu un strat poros nanocristalin de TiO2 (nc-TiO2) i molecule de colorant ataate la stratul nc-TiO2. Electrozii de TiO2 nanoporos sunt fabricai din suspensie coloidal de TiO2, care se aplic pe electrodul de lucru opric transparent n strat subire, film care este apoi sinterizat la 450 550 oC. Aborbia luminii n DSSC are loc prin intermediul moleculelor colorant i separarea sarcinii prin injectarea de electroni din colorant n TiO2, prin suprafaa de separaie semiconductor/electrolit. Celule solare cu colorant senzitiv

6

- Adrian Ftan -

Celule solare cu polimeri Celulele solare polimerice reprezint o clas de celule solare organice. Tehnologiile de obinere a celulelor solare polimerice au cteva avantaje importante: capacitatea de a fi prelucrate uor cu costuri sczute i performane ridicate. Pentru a converti lumina solar n electricitate, aceste celule folosesc un strat subire fotoactiv de dimesniuni nanometrice compus dintr-un amestec de dou materiale polimerice cu proprieti electronice complementare. La interfaa acestor materiale se creeaz un flux de sarcini negative i pozitive prin aciunea luminii.

Randamentul celulelor fotovoltaiceCele mai utilizate celule fotovoltaice sunt cele pe Randament 15 - 18 % 13 - 16 % 21 % 6-8% 8-9% 9 - 12 % 5% 18,5 % 10 - 11 % baz de siliciu (mono i policristalin). - Acestea au un randament cuprins ntre 10-20 %. - Costul de producie al acestora este relativ sczut, n comparaie cu celelalte. - Au o durat de via de aporximativ 25 de ani. - Procesul de producie este relative simplu. - Resursele de materie prim sunt mari. Toate acestea avantaje fac ca piaa fotovoltaicelor sa fie dominate de acet tip de celule, cel puin deocamdat.

Tipuri de celule fotovoltaice Monocristaline Policristaline Strat subire de siliciu cristalin Siliciu amorf CdTe CIS Cu colorant senzitiv Conceptul HIT Cu polimeri

7