TEHNOLOGII DE REALIZARE TEHNOLOGII DE REALIZARE A PANOURILOR FOTOVOLTAICE A PANOURILOR FOTOVOLTAICE

Coordonator:Conf.dr.ing. VONCILĂ Ion

Masteranzi: ANDREI Bogdan

LUNGU Cristian

LUNGU Sergiu MIRICĂ Ionuț

GALAȚI2013

1. Necesitatea dezvoltării si utilizării surselor neconvenționale de energie;

2. Energia solară ca sursă alternativă de energie;

3. Efecte fotovoltaice în semiconductori;

4. Tipuri de celule solare;

5. Procesul de fabricație al celulelor fotovoltaice din Si;

6. Tendințe în obținerea și perfecționarea celulelor fotovoltaice;

Unul din principalele obiective care a făcut ca sursele de energie regenerabilă să devină cel mai frecvent utilizate, a fost reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră în atmosferă.

Fiind considerate resurse energetice semnificative, sursele de energie regenerabilă au devenit treptat unul din principalele obiective ale politicilor energetice mondiale.

Prin adoptarea acestor tipuri de energii regenerabile se urmărește creșterea siguranței în alimentarea cu energie, protejarea mediului înconjurător și dezvoltarea la scară comercială a tehnologiilor energetice viabile.

Producerea energiei electrice prin conversia fotovoltaică a radiației solare este atrăgătoare datorită avantajelor, procesul fiind nepoluant și fără verigi intermediare.

Utilizarea energiei solare ca sursă de energie regenerabilă asigură următoarele avantaje:

• energie nepoluantă;

• este livrată încontinuu de Soare;

• instalațiile de captare și conversie

sunt relativ simple și ușor de întreținut;

• durată de exploatare îndelungată.

Modalități de captare și conversie a energiei solare:

ENERGIE SOLARĂ

Captaretermică

Captarefotonică

PASIVĂCaptator plan cu

convecţie naturală

ACTIVĂ

Captator plan cu convecţie naturală

Conversie termoelectrică

Captator plan fix

Captatori cu dispozitive de

urmărire

Sisteme de colectare cu

focalizare

Sisteme ce funcţionează pe

baza diferenţei de temperatură

Centrale solare

Instalaţii de desalinizare

Obţinerea energiei electrice prin ciclu

termodinamic

Descompunerea termică a apei

Conversie fotochimic

ă

Conversie fotovoltaic

ă

Biomasă

Reacţii fotochimice

Hidrogen

Baterii solare şi sisteme terestre

Staţii orbitale

Panouri staţionare

Panouri cu concentratori şi urmărire

Transmisia energiei electrice prin microunde

Conversia energiei solare în energie electrică se realizează prin intermediul unor dispozitive compuse din materiale semiconductoare denumite celule solare.

Prin montarea celulelor solare în serie sau în paralel pe o suprafață plană se obține un panou solar capabil să capteze o cantitate însemnată de radiație solară și implicit să genereze o energie semnificativă.

Aceste panouri solare mai sunt cunoscute și sub denumirea de panouri fotovoltaice.

Fotonii care intră în contact cu suprafața semiconductorului eliberează electroni şi goluri, care se vor separa în câmpul electric al zonei de sarcină spaţială a joncţiunii p-n.

Această joncțiune este necesar să fie cât mai aproape de suprafața materialului și să se pătrundă cât mai adânc.

Efectul fotovoltaic constă în apariţia unei tensiuni electromotoare sub acţiunea radiației luminoase absorbite într-un semiconductor.

Sub acțiunea radiației solare se generează perechi

electron - gol într-un număr suplimentar faţă de concentraţiile de echilibru.

Structura de benzi şi procesele fizice care au loc într-o celulă solară cu joncţiunea p – n:

O mare parte din radiaţia incidentă va fi absorbită în material iar o altă parte, va fi reflectată de suprafaţa celulei, dacă aceasta nu este acoperită cu straturi anti-reflecţie.

Numai fotonii care au energia hν mai mare sau cel puţin egală cu intervalul energetic al benzii interzise vor fi capabili să producă saltul electronilor din banda de valenţă în banda de conducţie.

Caracteristica J-V a celulei solare pentru diferite niveluri de iluminare:

Regiunea caracteristicilor situate în cadranul III al planului J-V coincide aşa numitului regim de fotodiodă. Tensiunea V are valoarea maximă pentru R=∞, adică în circuit deschis, când J=0.

În absenţa iluminării (Ф=0), celula solară va avea caracteristica J-V unei diode semiconductoare.

‣ Moduri de reprezentare ale celulelor fotovoltaice:

În figura a. este prezentată o schemă echivalentă simplificată care este alcatuită dintr-o sursă de curent legată în paralel cu o dioda ideală :

Figurile b. și c. descriu modelul unei celule solare în care se ține cont de parametrii reali ai elementelor componente.

Rezistenţa în paralel ia în considerare defectele de material ale cristalului, iar rezistenţa serie ia în considerare rezistenţa contactelor şi a legăturilor.

MaterialRandament(AM1,5)

Durată de viață

Costuri[4]

Siliciu amorf

5-10 % < 20 ani

Siliciu policristalin

10-15 % 25-30 ani 5 EUR/W

Siliciu monocristalin

15-20 % 25-30 ani 10 EUR/W

Arseniura de galiu (monostrat)

15-20 %

Arseniura de galiu (doua straturi)

20 %

Arseniura de galiu (trei straturi)

25 % (30% la AM0)

>20 ani20-100 EUR/W

Schema pasilor de fabricare a unei celule solare de silicon produsă în concordanță cu procesul de printare silk-screen (contactul FSC pe partea din față; contactul RSC pe parte din spate;) este prezentată mai jos:

Schema constructivă a primelor tipuri de celule fotovoltaice:

valoarea lărgimii benzii interzise a materialului de Si este foarte aproape de valorile optime pentru care se obţin cele mai ridicate randamente de conversie.

realizată cu homojoncţiune p-n în siliciu monocristalin;

randament de cca. 6%;

Realizarea structurii celulelor fotovoltaice cu peliculă subțire (a-Si):

a) depunerea feței transparente a electrodului pe superstratul de sticlă (oxid de indiu);

b) are loc primul nivel de sedimentare;

c) depunerea stratului absorbant fotovoltaic activ ;

d) are loc al doilea nivel de sedimentare;

e) depunerea electrodului din partea inferioară;

f) al treilea nivel de sedimentare;

Conectarea în serie integrată a șirurilor de celule dintr-o celulă solară cu pelicula subțire pe substrat :

modulele de peliculă subţire sunt compuse din aranjări lamelare de celule individuale plasate pe un singur substrat sau superstrat;

avantajul major al tuturor tehnologiilor cu peliculă subţire este acela că conectarea în serie la un modul a celulelor individuale poate fi combinată cu producerea actuală a celulei

Structura celulelor solare din siliciu cristalin:

Structura celulei solare din arseniură de galiu GaAs:

proprietăți superioare celulelor cu Si;

randament mare;

foarte stabilă la schimbările de temperatură;

utilizată de obicei în industria spațială;

robustă vizavi de radiația ultravioletă;

la încălzire prezintă o pierdere mai mică de putere comaprativ cu

celulele din Si.

Structura unei celule unijonctiune din siliciu amorf (a-Si) :

Structura tipică a celulelor solare bazate pe compuşii semiconductori cupru, iridiu, galiu şi seleniu:

semiconductor tetrahedrial lipid, cu structura cristalină calcopirită;

folosit ca material absorbant de lumină pentru celule solare tip thin film (peliculă subţire);

Structura tipică a celulelor solare bazate pe compuşii semiconductori cadmiu şi teluriu CdTe:

utilizează o tehnologie foarte avantajoasă CBD (depunere de staturi subțiri pe suprafețe mari în mediu cu pH , temperatură și concentrație de reagent controlate);

Tipuri de celule solare bazate pe materiale organice:

procesul de fabricație este ieftin;

structură flexibilă;

energia electrică generată este redusă;

materialul fotovoltaic activ care stă la baza acestor tipuri de celule este un polimer;

aceste celule au un randament redus;

durată de viață redusă (max. 5000h);

Eficienţa panourilor solare în funcţie de materialele semiconductoare folosite:

GaInP – fosfură de gali-indiu; GaAs – arseniură de galiu; CdTe – cadmiu telurit; CuInSe2 - diselenit de cupru-indiu

Materialutilizat

Tip Randament [%] Stadiul tehnologie

iLaborator Practică

Siliciu monocristalin 24.7 14.0-18.0 Producţie la scară largă

Polisiliciu policristalin 19.8 13.0-15.5 Producţie la scară largă

Strat inversor MIS (Siliciu)

monocristalin 17.9 16.0 Producţie la scară mică

Celulă solară concentratoare

monocristalin 26.8 25.0 Producţie la scară mică

Siliciu cu substrat de sticlă

transfer tehnologic 16.6 Producţie pilot

Siliciu amorf simplu peliculă subţire 13.0 8.0 Producţie la scară largă

Siliciu amorf pe 2 straturi

peliculă subţire 13.0 8.8 Producţie la scară mică

Siliciu amorf pe 3 straturi

peliculă subţire 14.6 10.4 Producţie la scară largă

GaInP celulă tandem 30.3 21.0 Producţie la scară mică

GaAs

CdTe peliculă subţire 16.5 10.7 Producţie la scară mică

CuInSe2 peliculă subţire 18.4 12.0 Producţie la scară mică

Utilizarea unor materiale noi, cum sunt: Galiu-Arseniu (GaAs), Cadmiu-Teluriu (Cd-Te) sau Diselenit de Cupru-Indiu (CuInSe2).

Utilizarea unor concentratori de lumină, realizaţi dintr-un sistem de oglinzi, care pe de-o parte să mărească intensitatea radiaţiei luminoase şi pe de altă parte să poată urmări deplasarea Soarelui pe cer.

Realizarea unor celule fotovoltaice tandem, construite din materiale semiconductoare diferite aşezate unul deasupra celuilalt, cu scopul de a capta energia luminoasă într-un domeniu de lungimi de undă cât mai larg.

Producerea câmpului electric intern prin realizarea unei joncţiuni între un strat subţire de oxid şi un semiconductor, această soluţie fiind mai eficientă decât joncţiunea p-n.