Tehnologia celulelor solare si proprietatile lor
“Celula solara” reprezinta un dispozitiv care, sub actiunea radiatiei electromagnetice, actioneaza ca un generator de electricitate. Sunt posibile foarte multe feluri de celule solare dar celula bazata pe dioda semiconductoare, este cea mai cunoscuta versiune. Ea a fost inventata acum 50 de ani, in 1954.
Acest capitol descrie diferite tipuri de celule solare, caracteristicile lor, avantajele si dezavantajele. In plus, stadiul actual al dezvoltarii industriale a acestei tehnologii, este comentat si sunt furnizate datele caracteristice pentru produsele disponibile.
Celulele solare transforma lumina in energie electrica. Intr-o maniera generala, acesta este un proces in 3 pasi care poate fi explicat prin mijloacele din Fig 1:
Figura 1: Sectiune a unei celule solare din siliciu (Imagine: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germania)
Absortia luminii, furnizarea de electroni intr-o stare de excitatie
Separare locala a sarcinilor pozitive si negative
Dirijarea sarcinilor catre un circuit exterior
Absortia: In majoritatea cazurilor, dispozitivul care “absoarbe” lumina este un semiconductor si tranzitiile utilizate sunt tranzitii intre benzile energetice. Starea de excitatie inseamna un electron in banda de conductie si un gol in banda de valenta. Aceste tranzitii intre benzi se caracterizeaza printr-o asmutere a lungimii de unda la locul absortiei (capatul benzii) si o relativa absorbtie de banda larga. Asa numitele semiconductoare “directe” au un coeficient foarte mare de absortie in banda lor. In acest caz lumina este absorbita pe o adancime de cativa μm. Acesti semiconductori sunt de altfel potriviti pentru fotocelulele solare cu strat semiconductor subtire pe un substrat ieftin. Semiconductoarele “indirecte”, cum ar fi cristalul de siliciu, au o putere de absortie mai scazuta, fiind nevoie de un strat de grosime cel putin 150 μm pentru a absorbi lumina. Drept consecinta, grosimea stratului de siliciu (200-300 μm) – asa numitele “plachete”- reprezinta materia prima pentru productia de celule solare. Alte mecanisme de absortie sunt de asemenea folosite pentru dispozitivele fotovoltaice. Un exemplu bine cunoscut este absorbtia luminii ….. pentru excitarea starilor moleculare ale compusilor.
Separarea sarcinii: Electronii si golurile din semiconductori sunt separati prin difuzie sau prin driftul purtatorilor de sarcina, determinat de campul din regiunea de sarcina spatiala a jonctiunii p-n sau a heterojonctiunii a doua materiale. directionarea sarcinilor in regim de incarcare al jonctiunii p-n sau in heterojonctiunea a 2 materiale. Alte mecanisme de separare sunt cunoscute, cum ar fi tunelarea electronilor prin straturi izolatoare.
Dirijarea sarcinilor: Separarea sarcinilor conduce la generarea unei tensiuni intre cele 2 parti ale celulei solare. Contactele sunt realizate pentru colectarea sarcinilor in circuitul exterior. Acesta nu este intotdeauna usor, deoarece contactele trebuie sa aiba rezistenta mica de contact pentru a evita pierderile electrice in dispozitiv. Pentru semiconductori, alegerea potrivita a materialelor de contact, combinata cu tehnologia potrivita, pot conduce la contacte “ohmice” cu o foarte buna conductanta. Este normal ca cel putin unul dintre contacte sa aiba o inalta transmisie optica care sa permita luminii sa fie absorbita in interiorul dispozitivului. O metoda este sa folosirea oxizilor subtiri ca contacte transparente, o alta tehnica este folosirea grilelor de metalizare pe fata celulei, cu o acoperire de 4 7%. Optimizarea productiei de energie a celulei solare necesita o buna absortie prin acest strat si o usoara recombinare a purtatorilor generatori inainte de a fi separati. Mijloacele c 555b17f omune pentru a atinge acest scop sunt aplicarea invelisurilor antireflectizante sau folosirea suprafetelor texturate, folosirea unor semiconductori de inalta puritate si pasivarea suprafetelor semiconductoare.
In consecinta, celulele solare de eficienta sporita necesita tehnologii avansate. Dezvoltarea materialelor, a proiectarii proiectului celulelor, si a tehnologiilor de productie sunt intr-un continuu proces de optimizare si acest proces este departe de a fi incheiat.
Celula solara standard alcatuita pe baza unei plachete de siliciu, reprezinta o dioda semiconductoare de arie mare. Prin urmare caracteristica de este identica cu a unei diode standard. Figura 2 arata caracteristica de intuneric a celulei solare pe baza de siliciu cristalin impreuna cu schema circuitului echivalent. Caracteristica are tensiunea de deschidere de 0,5 volti si o tensiune de strapungere de 20 volti, la polarizare inversa.
Fig. 2. Caracteristica la intuneric (Imagine: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germania; Solarpraxis AG, Berlin, Germania)
La iluminare, celula solara se comporta ca un generator electric si, in prima aproximare, circuitul echivalent poate fi asimilat ca o sursa de curent in paralel cu dioda. Potrivit reprezentarii celulei (consumator sau sursa) acesta conduce la o reflexie si/sau o deplasare paralela a caracteristicii I-V, ca in Figura 3.
Fig. 3. Caracteristica la iluminare (imagine: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germania; Solarpraxis AG, Berlin, Germania)
Intr-un circuit electric echivalent mai real, 2 rezistori aditionali trebuie sa fie incorporati, pentru a se tine seama de pierderile din dispozitiv. Rezistenta serie RS tine cont de rezistenta de contact si altele, iar rezistenta sunt RP tine cont de recombinarea purtatorilor de sarcina din dispozitiv. Acest circuit echivalent este desenat in Figura 4 - care este inca un model simplificat (modelul cu o dioda). Caracteristica I-V corespunzatoare este prezentata in Figura 5, in acest caz in reprezentarea uzuala ca “sursa” cu axa curentului reflectata in axa tensiunii. Valorile caracteristice sunt punctele de intersectie ale curbei cu axele, notate cu VOC, tensiunea la circuit deschis si ISC, curentul de scurtcircuit.
Fig. 4. Circuitul echivalent pe baza modelului de dioda (Imagine: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germania; Solarpraxis AG, Berlin, Germania)
Fig. 5. Caracteristica curent-tensiune pentru circuitul din figura 4
Caracteristica I-V poate fi descrisa analitic prin urmatoarea functie:
Deoarece celula solara este folosita pentru a produce cat mai eficient energie electrica (la un anumit nivel al iluminarii), este folositor sa se analizeze caracteristica I-V cu respectarea puterii care poate fi produsa. Daca punctul de operare al celulei solare se afla de-a lungul curbei caracteristice I-V (cu schimbarea rezistorului exterior), puterea electrica generata la consumatorul extern poate fi gasita prin multiplicarea curentului cu tensiunea din punctul de operare. Acesta se poate vedea in graficul din Figura 6.
Puterea care poate fi produsa trece printr-un maxim intr-un punct numit punctul puterii maxime (PPM). El este caracterizat de PPPM, puterea maxima, de curentul la puterea maxima IPPM si de VPPM, tensiunea la puterea maxima.
Fig. 6 Puterea generata de o celula solara in functie de punctul de putere maxima (Imagine: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germania; Solarpraxis AG, Berlin, Germania)
Fig. 7 Dependenta VOC si ISC functie de intensitatea luminii
Toti parametrii electrici ai celulei solare depind de intensitatea si spectrul luminii ca si de temperatura celulei solare. Dependenta curentului si tensiunii de nivelul de iluminare este aratata in Figura 7. Intrucat curentul celulei este linear dependent de iradiere, tensiunea si PPM nu sunt si prin urmare descrierea comportarii celulei la diverse niveluri de iluminare este dificila.
Pentru nivele diferite de iradiere dar cu temperatura constanta a celulei, aceasta conduce la un set de curbe caracteristice aratate in Figura 8.
Fig. 8. Curbele I-V pentru celule din siliciu cristalin la diferite nivele de radiatie (Imagine: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germania; Solarpraxis AG, Berlin, Germania)
Cum poate fi vazut, curentul de scurt-circuit este direct proportional cu iluminarea si curbele caracteristice sunt paralele. Tensiunea la circuit deschis se schimba putin la variatia iradierii. Drept rezultat, tensiunea PPM se modifica intr-o limita mica.
Majoritatea proprietatilor semiconductoarelor depind foarte mult de temperatura; de aceea, curentul de scurt-circuit, tensiunea la circuit deschis la fel ca si puterea maxima si curentul si tensiunea corespunzatoare, sunt dependente de temperatura. De aceasta trebuie sa se tina seama cand se calculeaza randamentul energetic al generatorului solar sau cand se alege modulul FV (fotovoltaic) pentru incarcarea bateriei in conditii climatice extreme.
Fig. 9. Caracteristicile I-V pentru diferite temperaturi ale celulelor, in conditii de iluminare constanta (Imagine: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germania; Solarpraxis AG, Berlin, Germania)
Tabelul 1. Coeficientii de temperatura la diferite tipuri de celule solare
Eficienta conversiei este cea mai importanta proprietate a celulei solare. Descrie care parte a luminii incidente se transforma in putere electrica. Definitia este simpla:
η = puterea electrica maxima generata/puterea luminii incidente
Deoarece in majoritatea cazurilor se exprima in procente, valoarea de deasupra trebuie sa fie multipicata cu un factor de 100.
Puterea maxima a celulei solare este masurata in punctul maxim de putere iar aceasta valoare poate fi folosita pentru a descrie eficienta conversiei celulei solare. Asa cum s-a mentionat, parametrii electrici ai celulei solare sunt dependenti de nivelul de iluminare si de temperatura. In orice caz, eficienta descreste cu cresterea temperaturii, dar puterea efectului depinde de material.
Celulele solare pot fi fabricate din diferite materiale si aceasta arata spectre diferite de absorbtie. Sunt materiale care au maximul de absortie in albastru, verde, rosu sau chiar partea infrarosie a spectrului solar. De aceea determinarea spectrului de lumina incidenta este de asemenea important pentru masurarea celulelor solare.
In concluzie, trei parametrii trebuie sa fie cunoscuti cand masuram parametrii celulei solare: temperatura, nivelul de iluminare, spectrul luminii. Deoarece compararea celulei solare trebuie sa fie posibila oriunde, conditiile de test standard (CTS) a fost definit si acceptat de toate institutiile care caracterizeaza si certifica celule solare.
Aceste STC sunt:
-temperatura 250C
-nivelul de iluminare 1,000W/m2
-spectrul luminii AM 1.5
Puterea maxima (la PPM) masurata in conditiile CTS este numita varful puterii si unitatea este varf-Watt (Wp).
Numele de “varful puterii” este eronat si sugereaza ca aceasta este puterea maxima absoluta a celulei solare. Este gresit deoarece la nivele inalte de iluminare, datorate reflectiilor luminoase, sau la temperaturi sub valoarea CTS, se pot obtine puteri mai mari.
Parametrii caracteristici celulei solare sunt prezentati in Figura 10. O limita maxima ideala a puterii este descrisa de aria A, produsul dintre VOC si ISC, puterea maxima reala din aria B este produsul dintre VPPM si IPPM.
Un parametru nou poate fi definit ca fiind raportul intre aria B si aria A, numit FU (factorul de umplere):
sau 
Fig. 11. Definitia factorului de umplere (Imagine: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germania)
Factorul de umplere este o caracteristica importanta a celulei solare. El descrie efectul pierderilor interne ale celulei solare si este o masura a calitatii materialului si a calitatii procesarii. Cele mai bune valori pentru FU sunt in jurul lui 0,85 (siliciu monocristalin) dar chiar si 0,7 si mai jos este posibil pentru anumite celule produse.
Tabelul 2. Valorile tipice pentru randament si factorul de umplere pentru cele mai utilizate tehnologii de celule (anul 2004)
Multe materiale semiconductoare pot fi utilizate la fabricarea celulelor solare, dispozitivul de baza pentru generarea electricitatii fotovoltaice. Astazi, multe tipuri de materiale, structuri fabricate si productia tehnologica sunt sub dezvoltate si va mai dura ceva timp pana cand vor devenii profitabile pentru a ramane pe piata.
Pentru o evaluare a diverselor tehnologii exista un numar de criterii de care trebuie sa se tina seama. Cele mai importante sunt:
un bun potential pentru o eficienta inalta
buna utilizare a materialelor necesare tehnologii de productie cu costuri mici
stabilitatea instalatiei de-a lungul timpului
produsul si tehnologia de productie sa tina seama de protectia mediului.
Astazi piata este dominata de instalatii fabricate din siliciu, in cazul celulelor solare pe baza de plachete de siliciu monocristalin, si siliciu amorf in cazul celulelor pe baza de straturi subtiri. Cu toate acestea, sunt alte cateva materiale cunoscute avand un cost redus si au bune sanse sa joace un rol in viitoarea productie de straturi subtiri. Cele mai importante materiale si tehnologi in dezvoltare sunt pe scurt descrise si evaluate in continuare.
De aproximativ 5 decenii omenirea cauta materialul optim pentru celulele solare. Sute de materiale au fost testate dar numai cateva tipuri de materiale au ramas in final, demonstrand bune proprietati fotoelectrice si in acelasi timp o buna productivitate.
Diagrama din Figura 11 prezinta principalele clase de materiale care astazi joaca un rol in dezvoltarea industriala. Pentru cel mai important semiconductor, “siliciul”, diagrama separa diferite structuri cristaline care se folosesc la fabricarea celulelor solare.
Siliciul este cel mai important semiconductor pentru electronica si tehnologia bazata pe fabricarea dispozitivelor, fiind foarte raspandit. A doua clasa de materiale, bine-cunoscute pentru microelectronica si optoelectronica sunt componentele III-V. Datorita bunelor proprietati de absotie, ele au cea mai mare eficienta. Calcogenidele sunt rar folosite pentru aplicatii tehnice. Prin urmare, ele au nevoie de un efort intens pentru a ajunge la o buna performanta si este nevoie de un efort special pentru a dezvolta tehnologii de fabricatie proprii. Celelalte concepte ca celulele sensibile la culoare si semiconductoarele organice sunt inca in faza de dezvoltare si nu joaca un rol pe piata de desfacere.
Fig. 11. Materiale utilizate pentru fabricarea celulelor solare
Asa cum a fost aratat inainte, cele mai multe celule solare sunt fabricate din cristale de siliciu si structura este similara cu diodele de putere din siliciu cum ar fi diodele redresoare. Materialele de inceput sunt plachetele de siliciu si tehnologiile de fabricatie sunt denumite tehnologii bazate pe plachete. Avantajul lor este ca materialul reprezinta propriul suport iar dezavantajul este nevoia de materiale semiconductoare costisitoare.
Celulele solare pe baza de pelicule necesita straturi foarte subtiri (cativa μm) de material semiconductor iar substratul de suport este deseori foarte ieftin (o lamela de sticla). Tehnologiile pe baza de straturi subtiri au o serie de avantaje: o gama larga de pelicule semiconductoare pot fi dispuse simultan iar depunerea straturilor subtiri pe substraturi izolate permite asa numitele integrari monolitice. In aceasta tehnica aria mare a celulelor solare este impartita in mici celule individuale iar celulele individuale sunt conectate in serie. Acesta permite fabricarea unei largi varietati de module cu parametrii electrici reglabili. Figura 12 prezinta structura celulelor interconectate, pe baza de straturi subtiri.
Figure 12: Integrarea monolitica a celulelor solare cu straturi subtiri (Imagine: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germania; Solarpraxis AG, Berlin, Germania)
Exista alta diferenta intre celulele bazate pe plachete de siliciu si pe straturi subtiri. Jonctiunea p-n a celulelor de siliciu este in general obtinuta prin difuzia unui dopant prin suprafata materialului de baza. In tehnologiile pe baza de straturi subtiri jonctiunile sunt cel mai des preparate prin depuneri consecutive de straturi dopate diferit. Adesea, chiar materiale diferite sunt utilizate pentru a forma jonctiunea care in acest caz se numeste “hetero-jonctiunea” .
In tehnologiile pe baza de straturi subtiri, sunt doua posibilitati pentru a realiza electrodul transparent, versiunea substratului si suprastratului.
Daca substratul este opac (o bucata de metal sau un contact metaloc pe spatele bucatii de sticla) contactul frontal trebuie sa fie transparent. In majoritatea cazurilor, acesta se realizeaza cu strat transparent de oxid pe fata celulei, acoperit cu un strat de sticla pentru protectie. Aceasta se numeste “tehnica substrat”. Daca substratul este transparent (sticla acoperita cu un oxid transparent conductor-OTC) celula este depusa si acoperita cu un contact metalic opac. Aranjamentul este rasturnat si lumina patrunde prin substratul format, vezi Figura 12. Acest aranjament se numeste “superstrat”.
Spectrul solar este mult mai larg decat banda de absorbtie a unui semiconductor. Acesta este unul din motivele care limiteaza eficienta celulelor solare. Figura 13 arata solutia problemei: o combinatie de celule solare facute din diverse materiale poate folosi spectrul solar mult mai bine decat o singura celula. Diferite tehnologii au fost elaborate pentru a realiza aceste celule combinate pe un singur substrat.
Fig. 13. Celula tripla jonctiune de siliciu amorf
Figura 14 arata ca exemplu raspunsul spectral al celulei amorfe cu tripla jonctiune amorfa de la compania americana “Unisolar”. Eficiente mai mari de peste 30% au fost obtinute de celulele multistrat pe baza de componente III-V.
Fig. 14. Curbele de sensibilitate spectrala la o celula tripla-jonctiune din materiale diferite (Imagine: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germania; Solarpraxis AG, Berlin, Germania)
Lumina solara este o sursa de energie cu o densitate a puterii destul de joasa. In plin soare, o suprafata de celule solare de 1 m2 poate furniza aproape 100 W sau putin mai mult, in functie de eficienta sa. Deoarece suprafata acesta, de exemplu, de siliciu cristalin, este scumpa, orice efort pentru a reduce cantitatea de siliciu folosita e binevenita. O idee veche este sa concentram lumina prin instrumente optice (lentile, oglinzi) pe celulele solare mici reducand astfel considerabil cantitatea de material semiconductor. O foarte buna reducere a costurilor este posibila deoarece materialele pentru elementele optice sunt mult mai ieftine decat materialele semiconductoare. In plus, eficienta celulei solare creste o data cu nivelul crescut al radiatiei. De cealalta parte, procesul de concentrare prezinta dezavantajul ca poate folosii doar lumina solara directa, in timp ce modulele intinse convertesc si lumina difuza. Un factor in plus al costurilor este sistemul mecanic de captare a soarelui, in timp ce sistemul modulelor intinse nu necesita parti mobile. Totusi se fac eforturi pentru a dezvolta sistemele de concentrare sau mai ales celule solare cu o eficienta mai mare.
Repartizarea pe piata a diferitelor tehnologii este aratata in Figura 15.
Siliciul cristalin in cele trei variante ale sale Si-Cz (Si mono), Si-multistrat si fasie, domina piata cu o repartizare de 92%. In aceasta categorie, prezenta siliciului multicristalin creste constant iar cel monocristalin pierde teren. Partea fasiilor de Si ramane mica. De multi ani, partea celulelor pe baza de straturi subtiri, in mare parte siliciu amorf, descreste. CdTe si CIS, joaca un rol minor, fiind mult sub 1% din piata totala.
Fig. 15 Distributia pe piata a diferitelor tipuri de celule fotovoltaice, de-a lungul anilor (Imagine: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germania; Solarpraxis AG, Berlin, Germania)
Asa cum am mai spus, siliciul ramane cel mai important material pentru celulele solare. Siliciul este produs in cantitati imense pentru utilizari, in metalurgie si in forma de inalta puritate pura sta la baza majoritatii dispozitivelor electronice si microelectronice.
Avantaje si dezavantaje:
*tehnologii bine dezvoltate bazate pe procesarea materialului semiconductor obisnuit
*eficienta buna obtinuta in productie
*eficienta excelenta peste 24% obtinuta in laborator
*eficienta foarte stabila
*sursa nelimitata pentru producerea materialului
*buna compatibilitate ecologica
*datorita coeficientului scazut de absotie straturile destul de groase (>100μm) sunt necesare pentru o eficienta maxima; cererea unei mari cantitati de siliciu de o puritate inalta este principalul motiv al costurilor.
Lingourile de siliciu monocristalin sunt produse prin tehnica Czochralski (Si-Cz), tehnica reprezentata de tragerea din topitura (prin rotatie si translatie), pornind de la un germene monocristalin. Tehnic se pot creea lingouri cu diametrul de pana la 30 cm si cu lungimea >1 m. Lingoul este decupat in bare paralelipipedice cu latura un patrat si apoi taiat in plachete cu grosimea de aproximativ 0,3 mm.
In majoritatea cazurilor, plachetele au o dopare initiala de 1-10 Ohm cm. Pasul tehnologic cel mai important este difuzia unui strat dopat de tip n de la o sursa de fosfor. Urmatorii pasi sunt aplicarea unui contact metalic pe spatele celulei, a unui strat antireflectant si a grilei de contact pe fata celulei. Figura 16 arata schema unei celule solare de Si cristalin care e foarte asemanatoare cu celulele monocristaline, multicristaline si cele sub forma de banda.
Fig. 16. Schema celulei solare din siliciu cristalin. Dimensiunea straturilor este nescalata. (imagine: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germania)
Avantaje si dezavantaje
*monocristalele au proprietati excelente dar sunt cam scumpe
*eficienta buna obtinuta in productie (14-17,5%)
Daca Si topit intr-un creuzet este racit, Si se solidifica intr-o structura granulara numita “multicristalina” (mc-Si), adica o structura policristalina de granulatie mare, , cu dimensiuni de la mm la cm. In industrie sunt folosite creuzete mari de cuart pentru operatia de cristalizare, blocurile de Si au dimensiuni mai mari de 65x65x30 cm3 si o greutate de 280 kg. Aceste blocuri sunt mai intai taiate in coloane patrate care sunt mai apoi feliate in plachete groase de aproximativ 0,3 mm. Pierderile tehnologice de taiere sunt de 50%. La fel se intampla si cu monocristalele descrise inainte.
Tehnologiile pentru fabricarea celulelor solare sunt foarte asemanatoare cu cele aplicate straturilor monocristaline dar, datorita calitatii materialului putin inferioara, eficientele celulelor obtinute sunt mai mici.
Fiindca straturile mc-Si sunt mai ieftine decat cele din monocristale, tehnologia mc-Si a devenit dominanta in industrie.
Avantaje si dezavantaje
*cost mai mic pentru productia straturilor mc-Si decat pentru Si monocristalin
*din cauza calitatii scazute eficientele celulelor obtinute sunt cu 1-2% sub cele ale mono-Si
*toti pasi din proces sunt cu usurinta redusi
Fiindca pierderile de material prin taiere sunt foarte mari, cateva tehnici au fost dezvoltate pentru cristalizarea Si direct in forma unor foite. Cea mai complexa si reusita tehnica este metoda EFG (grosimea foii cu margini definite). Un tub poligonal de Si este tras din topitura de Si sub influenta unei forme de grafit. Tubul este taiat in foi patrate printr-o tehnica laser de taiere. Structura cristalina este asemanatoare cu cea a mc-Si dar cu o aranjare particulara a micro-particulelor.
Avantaje si dezavantaje
*foloseste ½ din cantitatea de Si semiconductor pentru a pregati foile de Si
*eficienta celulelor solare e similara cu cea a mc-Si
*in principiu aceasta tehnica ar trebui sa coste clar mai putin.
Tabelul 3.Companii mari implicate in tehnologia Si, celule solare si module si capacitatea lor de productie (pana la sfarsitul anului 2003)
Acum tendinta in industrie este de a investi in unitati de productie mai mari si de a imbunatati calitatea (mai ales eficienta) produselor.
Celula solara de Si amorf (a-Si) e dezvoltata din anii 1980. Ea promite sa combine bine-cunoscutul Si cu un substrat foarte ieftin folosind tehnici de depunere pe suprafete mari. In ciuda marilor eforturi de dezvoltare si a marilor investitii, rezultatele sunt inca limitate in ceea ce priveste calitatea produselor si costurile de fabricatie.
Si amorf este pregatit prin depunerea in plasma de straturi subtiri din gazul SiH4 (silan). Sticla ieftina de carbonat/soda de calciu poate fi folosita ca substrat deoarece depunerea are loc la temperatura joasa. O mare cantitate de hidrogen este incorporata in timpul procesului in plasma, iar acesta este esential pentru a compensa electric defectele si astfel imbunatateste considerabil calitatea materialelor.
Straturile foarte subtiri de 1-2 μm sunt suficiente fiindca a-Si are un mare coeficient de absortie. Conductivitatea straturilor pure este intrinseca (tip-i), dar ele pot fi dopate tip p sau n prin adaugarea compusi de bor sau fosfor la gazul din reactor Cum e aratat in figura 17, structura straturilor nu e un simplu aranjament p-n, ci un strat intrinsec este depus la mijloc. Un camp electric mare este generat in acest strat intermediar, iar asta ajuta la separarea sarcinilor electrice care se deplaseaza in acest camp.
Fig. 17: Structura unei simple celule solare p-i-n a-Si (Imagine: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germania; Solarpraxis AG, Berlin, Germania)
Din mai multe motive, se folosesc combinatii de 2 sau 3 celule. Asa cum s-a aratat, combinatiile de diferite materiale (aliaje cu germaniu si carbon) pot da o acoperire mai buna a spectrului solar, astfel dand eficienta sporita. Celulele triple sunt pe piata de la o singura companie (USSC).
Intre diferitele depuneri, o taiere a straturilor in dungi e necesara pentru integrarea monolitica a celulelor individuale. Acest proces a mai fost descris.
Utilizatorii celulelor a-Si trebuie sa accepte ca proprietatile materialului nu sunt stabile sub actiunea luminii. Eficienta poate scadea cu peste 20% din cauza efectului Staebler-Wronski. Se cunosc 2 masuri care reduc acest efect. Prima observatie a fost ca celulele multi-strat (2 sau 3) se degradeaza mai putin. A doua alegere, e sa fie folosit un material putin modificat, Si microcristalin, care e o substanta amorfa partial recristalizata. Modulele bazate pe mc-Si sunt acum produse de compania japoneza Kaneka si par sa fie mult mai stabile.
Degradarea tinde sa se satureze dupa un anumit timp de expunere la soare. Companiile care vand module a-Si iau in calcul acest lucru si dau pe foaia cu informatii “eficienta stabilizata”.
Avantaje si dezavantaje
*depozitarea in spatii largi foarte usoara
*foarte putin material necesar fiindca un strat de 1μm e suficient
*integrarea seriilor prin separarea celulelor si contactul de structura bine dezvoltat
*eficienta in productie mereu sub 10%
*eficienta scade sub lumina si eficienta modulului stabil e in jur de 6-8% pentru celulele multijonctiune si sub 6% pentru celulele monojonctiune
*celulele multijonctiune au eficienta si stabilitate mai mare, dar costurile de productie sunt mult mai mari.
Tabelul 4 Companiile cele mai mari implicate in productia modulelor a-Si
Un concept foarte nou a captat atentia: compania Sanzo a dezvoltat un “design” al celulei care e o combinatie intre o celula monocristal si o celula de Si amorf. Celula HIT reprezinta o inseamna ca celula e in hetero-jonctiune cu un strat subtire intrinsec de a-Si.
Materialul de baza este o placheta monocristalina de ti p n, ambele fete fiind acoperite cu un strat dublu de a-Si, un strat intrinsec foarte subtire si un strat dopat. Pe fata e un strat emitor foarte subtire de tip p, spatele e acoperit de un strat de Si amorf dopat de tip n care se comporta ca un strat de camp invers. Aceasta hetero-jonctiune da eficiente uimitor de mari, aproape 20%.
Structura celulei permite o fabricare la temperaturi destul de scazute, aproximativ 2000C. Temperatura joasa de procesare nu numai ca reduce consumul de energie dar si duce la o difuzie slaba a impuritatilor in placheta in timpul acestui proces.
Arseniura de Galiu (GaAs) este un semiconductor cu o banda interzisa care se potriveste perfect cu spectrul solar. Deci celulele solare pe baza de GaAs au cea mai buna eficacitate fata de orice alta celula monojonctiune. Alt avantaj este ca exista serii intregi de alte componente III-V cu diferite valori ale benzii interzise si toate aceste materiale pot forma aliaje care duc la o diversitate nelimitata de materiale cu proprietati optice si electronice diferite. Deci componentele III-V au cel mai bun potential pentru fabricatia celulelor multi-banda interzisa si pana acum s-au putut obtine eficiente peste 35%.
Toate celulele solare III-V sunt intr-adevar celule pe baza de straturi subtiri iar coeficientul de absotie e mare. Din nefericire, un strat bun nu poate fi crescut pe un substrat ieftin si din alt material.
Un strat bun e obtinut numai prin epitaxie pe substraturi monocristaline de GaAs sau Ge. Acestea sunt foarte scumpe si duc la costuri care pot fi permise doar pentru utilizari speciale, cum ar fi celulele pentru utilizari in spatiul cosmic sau pe sisteme de concentrare.
Sistemele de concentrare par a fi singura aplicare terestra la scara larga a celulelor solare pe baza de componente III-V. Principiul a mai fost descris. Elemente optice (lentile sau oglinzi) concentreaza lumina pe o celula solara foarte mica in punctul de focalizare al sistemului optic. Factorii de concentrare de 200 la 1000 sunt testati pentru aplicatii pe baza de GaAs a celulelor respective. Fiindca sunt necesare suprafete mici de material semiconductor, pretul celulelor solare e aproape neglijabil fata de costurile in totalitate ale sistemului. Deci celule foarte sofisticate pot fi folosite ducand la eficiente foarte mari, 25% sau mai mult.
*eficiente de monojonctiune mai mari sunt obtinute cu celule solare GaAs
*eficiente de multijonctiune mai mari sunt obtinute cu combinatii de diferiti compusi III-V
*chiar si structurile stratificate complicate sunt fabricate prin epitaxie.
*nevoia de substraturi scumpe duce la costuri ridicate de productie
*celulele solare GaAs sunt folosite pentru foarte multe aplicatii
*celulele solare III-V sunt testate pentru utilizari in sistemele de concentrare terestra.
Cele mai mari companii implicate in productia celulelor solare spatiale sunt Spectrolab, Tecstar, RWE Space Solar Power si Sharp.
Nici o companie nu are o productie comerciala de celule solare concentratoare bazate pe componentele III-V, cu exceptia celor pentru teste.
Astazi celula solara CdTe este singura celula bazata pe compusi II-VI care prezinta interes pe plan industrial. Fabricarea ei e relativ usoara si au fost dezvoltate mai multe tehnologii.
Dintre toate tehnicile de fabricatie (tiparirea pe ecran, depunerea galvanica, “sprayul” piroliza, evaporarea), numai tehnica de sublimarea in spatiu inchis (SSI) a supravietuit.
CdTe este depus sub forma unui strat policristalin subtire (cativa μm). Celula completa este o heterojonctiune intre CdTe si CdS, dar stratul CdS poate fi foarte subtire. Intreaga structura folosita astazi e aratata in Figura 18.
Fig. 18: Structura unei cellule solare CdTe/CdS (imagine: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germania)
Asa cum am descris si la celula de a-Si, celulele pe baza de straturi subtiri pot fi structurate si conectate in serie pe substratul de sticla. In cazul CdTe separarea celulelor individuale nu poate fi facuta prin taiere cu laser fiindca CdTe se descompune foarte usor. Se taie in schimb cu o unealta cu diamant.
Modulele CdTe contin o cantitate considerabila de Cd care e cunoscut drept un element periculos (otravitor, cancerigen). Multe studii performante au ajuns la concluzia ca in cazul modulelor FV nu ar trebui sa apara nici o problema de sanatate. Componenta CdTe e destul de stabila si nu se descompune sub influenta mediului. In plus, ea e bine incapsulata in modul si nici la spargerea geamului nu va lua contact cu atmosfera. Totusi acceptarea publica nu e garantata si multe companii au decis sa nu investeasca in acesta tehnologie.
*tehnologie relativ simpla care da module cu o eficienta de aproximativ 10%
*companiile sustin ca, costurile de productie sunt mai degraba mici
*Cd e un element problematic pentru mediu; acesta poate cauza probleme de acceptare desi materialul e bine incapsulat
Din cele cateva companii care erau implicate in tehnologie in anii 1990, doar 2 au ramas cu productia pilot, ANTES Solar in Germania si First Solar in SUA.
Calcopiritele sunt o clasa de componente cu compozitia generala I-III-VI2. “I” inseamna un element din prima grupa a tabelului de elemente, in acest caz cupru (Cu) sau argint (Ag), “III” e un element din a treia grupa, de exemplu aluminiu aluminiu (Al), galiu (Ga) sau indiu (In) iar “VI” e o calcogenida precum seleniu (Se) sau sulf (S).
Toate componentele acestei compozitii sunt semiconductoare si cateva dintre ele au bune proprietati fotoelectrice. Celule solare au fost produse din 1983 pe baza straturilor subtiri policristaline in mare parte din CIS (CuInSe2) dar de asemenea si dintr-un aliaj de CIS cu o componenta de galiu (CIGS). In plus, componentele cu sulf au bune proprietati fotovoltaice.
Straturile CIS fotoactive pot fi pregatite prin 2 tehnici diferite: prima este co-evaporarea tuturor elementelor, a doua e “stropirea” unei mixturi a elementelor Cu si In si dupa aceea selenizarea prin incalzire in vapori de Se. Substratul e o placa de sticla acoperita cu un strat subtire de molibden pentru contactul de pe spate. Structura de dioda e obtinuta prin depunerea unui strat foarte subtire de CdS si o heterojonctiune e formata ca in cazul celulei de CdTe. Un strat conductor transparent de ZnO formeaza contactul de pe fata (vezi Figura 19).
Fig. 19: Structura unei celule solare CIS (imagine: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germania)
Ca in cazul celorlalte celule din straturi subtiri, interconectarea in serie e facuta prin separarea celulelor individuale si aplicarea schemelor de contact.
*tehnica straturilor subtiri are cel mai mare potential de eficienta (18% produs in laborator)
*eficienta stabila >11% poate fi obtinuta in productie
*produsele sunt deja pe piata
*costurile de productie sunt inca ridicate si nu se stie sigur daca vor fi obtinute costurile dorite
Doua companii au produse pe acesta piata: Shell Solar din uzina din Camarillo, California si Wurth Solar din Germania. Ambele productii sunt limitate la o capacitate sub 1 MWp fiecare. Cateva alte companii sunt gata pentru productie pilot, de exemplu Showa Shell si Matsushita in Japonia.
Produsul de baza pe piata fotovoltaica este “modulul” care contine celule solare interconectate pentru a da productie electrica utila si incapsulate pentru a fi protejate de mediu.
Majoritatea producatorilor de celule solare fabrica de asemenea si module si folosesc propriile lor celule solare. Doar o parte din productia de celule solare e gasita pe piata si producatorii independenti de module folosesc acesta sursa pentru produsele lor. Uneori producatorii de module au greutati in a gasi o sursa sigura de celule solare pentru scopul lor.
Tipurile de celule solare ce pot fi gasite pe piata sunt listate in tabelul 5. Acest tabel arata datele caracteristice ale celor mai bune celule produse pana acum in laboratoare si de asemenea arata rata de eficienta obtinuta in productie. Se vede usor ca exista o mare discrepanta intre datele obtinute in laborator si cele obtinute in productie. Acesta este un indicator ca tehnologiile de productie inca au un bun potential de imbunatatire a produselor.
Tabelul 5. Valorile tipice pentru randament si factorul de umplere pentru cele mai utilizate tehnologii de celule (anul 2004)
Desi exista deja o piata destul de mare pentru produsele fotovoltaice, exista inca o diversitate de tehnologii in dezvoltare. Exista o posibilitate crescuta ca celulele de Si cristalin sa domine piata pentru urmatoarele doua decade. Poate diferite tipuri de celule isi vor gasi utilizari specifice si vor co-exista pe piata.
Urmatorii ani vor aduce un progres esential in tehnologiile de productie, iar producatorii de echipament vor juca un rol important pentru succesul productiei reale in masa. E evident ca inca exista loc pentru imbunatatirea calitatii si tehnologiei si exista un mare potential pentru reduceri de cost in continuare.
/1/ 'Clean Electricity from Photovoltaics', Eds.: Mary D. Archer and Robert Hill, Imperial College Press, 2001, ISBN 1-86094-161-3
|
