- 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