Celule fotovoltaice

  • Published on
    13-Jul-2015

  • View
    483

  • Download
    0

Embed Size (px)

Transcript

CELULE FOTOVOLTAICEO 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 jonciuni 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.

Polykristalline Silizium-Solarzellen in einem Solarmodul

Solar-Panel

ClasificareCelulele solare pot fi clasificate dup mai multe criterii. Cel mai folosit criteriu este dup grosimea stratului materialului. Aici deosebim celule cu strat gros i celule cu strat subire. Un alt criteriu este felul materialului: se ntrebuineaz, de exemplu, ca materiale semiconductoare combinaiile CdTe, GaAs sau CuInSe, dar cel mai des folosit este siliciul. Dup structur de baz deosebim materiale cristaline(mono-/policristaline) respectiv amorfe. n fabricarea celulelor fotovaltaice pe lng materiale semiconductoare, mai nou, exist posibiltatea utilizrii i a materialelor organice sau a pigmenilor organici.

Materiale1.o

Celule pe baz de siliciu Strat gros Celule monocristaline (c-Si) randament mare - n producia n serie se pot atinge pn la peste 20 % randament energetic, tehnic de fabricaie pus la punct; totui procesul de fabricaie este energofag, ceea ce are o influen negativ asupra periodei de recuperare (timp n care echivalentul energiei consumate n procesul de fabricare devine egal cantitatea de energia generat).

o

2.o

3.o

4.

5.

6.

7.

8.

Celule policristaline (mc-Si) la producia n serie s-a atins deja un randament energetic de peste la 16 %, cosum relativ mic de energie n procesul de fabricaie, i pn acum cu cel mai bun raport pre performan. Strat subire Celule cu siliciu amorf (a-Si) cel mai mare segment de pia la celule cu strat subire; randament energetic al modulelor de la 5 la 7 %; nu exist strangulri n aprovizionare chiar i la o producie de ordinul TeraWatt Celule pe baz de siliciu cristalin, ex. microcristale (c-Si) n combinaie cu siliciul amorf randament mare; tehnologia aceeai ca la siliciul amorf Semiconductoare pe baz de elemente din grupa III-V Celule cu GaAs randament mare, foarte stabil la schimbrile de temperatur, la nclzire o pierdere de putere mai mic dect la celulele cristaline pe baz de siliciu, robust vizavi de radiaia ultraviolet, tehnologie scump, se utilizeaz de obicei n industria spaial (GaInP/GaAs, GaAs/Ge) Semiconductoare pe baz de elemente din grupa II-VI Celule cu CdTe utilizeaz o tehnologie foarte avantajoas CBD(depunere de staturi subiri pe suprafee mari n mediu cu pH , temperatur i concentraie de reagent controlate) ; n laborator s-a atins un randament de 16 %, dar modulele fabricate pn acum au atins un randament sub 10 %, nu se cunoate fiabilitatea. Din motive de protecia mediului este improbabil utilizarea pe scar larg. Celule CIS, CIGS CIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs n staie pilot la firma Wrth Solar n Marbach am Neckar, respectiv Cupru-Indiu-Disulfat la firma Sulfurcell n Berlin, iar CIGS pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs n staie pilot n Uppsala/Suedia. Productorii de mai sus promit trecerea la producia n mas n anul 2007. Celule solare pe baz de compui organici Tehnologia bazat pe chimia organic furnizeaz compui care pot permite fabricarea de celule solare mai ieftine. Prezint, totui, un impediment faptul c aceste celule au un randament redus i o durat de via redus (max. 5000h). nc (ianuarie 2007) nu exist celule solare pe baz de compui organici pe pia. Celule pe baz de pigmeni Numite i celule Grtzel utilizeaz pigmeni naturali pentru transformarea luminii n energie electric; o procedur ce se bazeaz pe efectul de fotosintez. De obicei sunt de culoare mov. Celule cu electrolit semiconductor De exemplu soluia: oxid de cupru/NaCl. Sunt celule foarte uor de fabrict dar puterea i sigurana n utilizare sunt limitate. Celule pe baz de polimeri Deocamdat se afl doar n faz de cercetare.

Rezervele de materia primCa materie prim de baz siliciul este disponibil n cantiti aproape nelimitate. Pot apare ns strangulri n aprovizionare datorate capacitilor de producie insuficiente i din cauza tehnologiei energofage. La celulele solare ce necesit materiale mai speciale cum sunt cele pe baz de indiu, galiu, telur i seleniu situaia se prezint altfel. La metalele rare indiu i galiu consumul mondial (indiu cca. 850 t, galiu cca. 165 t) depete deja de mai multe ori producia anul (USGS Minerals Information). Deosebit de critic este situaia datorit creterii accentuate a consumului de indiu n form de indiu oxid de zinc n ecranele cu cristale lichide i cele cu LED organic, precum i utilizrii de galiu i indiu n producia diodelor luminiscente (LED) care se comercializeaz n surse de lumin cu consum mic de energie respectiv ca surs de lumin de fundal n televizoare cu ecran plat.

Rezervele de indiu, estimate la 6000 tone(economic exploatabile 2800 tone), se presupune c se vor epuiza deja n aceast decad (Neue Zrcher Zeitung 7. Dezember 2005) (reserve de indiu conform USGS Mineral Commodity Summaries (2006)). La seleniu i telur, care e i mai greu de gsit, situaia pare mai puin critic, deoarece ambii metaloizi se regsesec n cantiti mici n nmolul anodic rezultat n urma procesului de electroliz a cuprului iar productorii de cupru utilizeaz doar o parte din nmolul rezultat pentru extragerea de telur i seleniu. Rezervele exploatabile economic la seleniu se estimeaz totui la doar 82000 tone, iar la telur la doar 43000 tone, vizavi de cupru unde se estimeaz la 550 milioane tone! Multe procese de producie utilizeaz galiu, indiu, seleniu i telur n mod neeconomic. Spre deosebire de cupru, unde procesul de reciclare este pus la punct, la galiu, indiu, seleniu i telur procesul de reciclare nu este posibil deoarece aceste elemente se gsesc incluse n structuri multistrat foarte fin distribuite de unde recuperarea, se pare, nici n viitor nu va fi posibil.

Moduri de construciePe lng materia prim o importan mare prezint tehnologia utilizat. Se deosebesc diferite structuri i aranjamente n care se depun electrozii de acoperire transpareni a cror rezisten nu este deloc neglijabil. Alte tehnici vizeaz mrirea eficienei asigurnd absorbia unui spectru de frecven ct mai larg prin suprapunerea mai multor materiale cu diferite caracteristici de absorbie. Se ncearc selectarea materialelor n aa fel nct spectrul luminii naturale s fie absorbit la maximum. Actualmente celulele solare pe baz de materiale semiconductoare cele mai des comercializate sunt cel pe baz de siliciu. Celulele solare pe baz de materiale semiconductoare utilizate pentru producerea de energie electric sunt legate n module. Pe un modul se afl mai multe rnduri de celule solare conectate n serie ntre ele pe faa i pe reversul modulului permind, datorit tensiunii nsumate, utilizarea unor conductori cu seciune mai mic dect la legarea n paralel. Pentru protejarea unei celule solare mpotriva efectului de avalan n jonciune, datorat potenialului mai mare (aprut de exemplu la umbrirea parial a modulului), trebuie incorporate paralel cu celulele solare diode de protecie(bypass). Sistemele de panouri solare sunt nzestrate uneori cu mecanisme de orientare, panoul fiind n permanen direcionat pentru a exploata la maximum energia solar incident. Randamentul termodinamic maxim teoretic pentru producerea de energie din lumina solar este de 85 %. Acesta se calculeaz din temperatura suprafeei soarelui(5800 K), temperatura maxim de absorbie(