Ce sunt celulele solare?

O celulă solară constă din două sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai întâlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsă între 0,001 şi 0,2 mm şi sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma joncţiuni „p” şi „n”.

Această structură e similară cu a unei diode. Când stratul de siliciu este expus la lumină se va produce o „agitaţie” a electronilor din material şi va fi generat un curent electric.

Celulele, numite şi celule fotovoltaice, au de obicei o suprafaţă foarte mică şi curentul generat de o singură celulă este mic dar combinaţii serie, paralel ale acestor celule pot produce curenţi suficient de mari pentru a putea fi utilizaţi în practică. Pentru aceasta, celulele sunt încapsulate în panouri care le oferă rezistenţă mecanică şi la intemperii.

Clasificare

Celulele solare pot fi clasificate după mai multe criterii. Cel mai folosit criteriu este după grosimea stratului materialului. Aici deosebim celule cu strat gros şi celule cu strat subţire.

Un alt criteriu este felul materialului: se întrebuinţează, de exemplu, ca materiale semiconductoare combinaţiile CdTe, GaAs sau CuInSe, dar cel mai des folosit este siliciul.După structură de bază deosebim materiale cristaline(mono-/policristaline) respectiv amorfe.În fabricarea celulelor fotovaltaice pe lângă materiale semiconductoare, mai nou, există posibiltatea utilizării şi a materialelor organice sau a pigmenţilor organici.

Materiale

1. Celule pe bază de siliciu
   • Strat gros
     • Celule monocristaline (c-Si)
       randament mare - în producţia în serie se pot atinge până la peste 20 % randament energetic, tehnică de fabricaţie pusă la punct; totuşi procesul de fabricaţie este energofag, ceea ce are o influenţă negativă asupra periodei de recuperare (timp în care echivalentul energiei consumate în procesul de fabricare devine egal cantitatea de energia generată).
     • Celule policristaline (mc-Si)
       la producţia în serie s-a atins deja un randament energetic de peste la 16 %, cosum relativ mic de energie în procesul de fabricaţie, şi până acum cu cel mai bun raport preţ – performanţă.
   • Strat subţire
     • Celule cu siliciu amorf (a-Si)
       cel mai mare segment de piaţă la celule cu strat subţire; randament energetic al modulelor de la 5 la 7 %; nu există strangulări în aprovizionare chiar şi la o producţie de ordinul TeraWatt
     • Celule pe bază de siliciu cristalin, ex. microcristale (µc-Si)
       în combinaţie cu siliciul amorf randament mare; tehnologia aceeaşi ca la siliciul amorf
2. Semiconductoare pe bază de elemente din grupa III-V
   • Celule cu GaAs
     randament mare, foarte stabil la schimbările de temperatură, la încălzire o pierdere de putere mai mică decât la celulele cristaline pe bază de siliciu, robust vizavi de radiaţia ultravioletă, tehnologie scumpă, se utilizează de obicei în industria spaţială (GaInP/GaAs, GaAs/Ge)
3. Semiconductoare pe bază de elemente din grupa II-VI
   • Celule cu CdTe
     utilizează o tehnologie foarte avantajoasă CBD(depunere de staturi subţiri pe suprafeţe mari în mediu cu pH , temperatură şi concentraţie de reagent controlate) ; în laborator s-a atins un randament de 16 %, dar modulele fabricate până acum au atins un randament sub 10 %, nu se cunoaşte fiabilitatea. Din motive de protecţia mediului este improbabilă utilizarea pe scară largă.
4. Celule CIS, CIGS
   CIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs în staţie pilot la firma Würth Solar în Marbach am Neckar, respectiv Cupru-Indiu-Disulfat la firma Sulfurcell în Berlin, iar CIGS pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs în staţie pilot în Uppsala/Suedia. Producătorii de mai sus promit trecerea la producţia în masă în anul 2007.
5. Celule solare pe bază de compuşi organici
   Tehnologia bazată pe chimia organică furnizează compuşi care pot permite fabricarea de celule solare mai ieftine. Prezintă, totuşi, un impediment faptul că aceste celule au un randament redus şi o durată de viaţă redusă (max. 5000h). Încă nu există celule solare pe bază de compuşi organici pe piaţă.
6. Celule pe bază de pigmenţi
   Numite şi celule Grätzel utilizează pigmenţi naturali pentru transformarea luminii în energie electrică; o procedură ce se bazează pe efectul de fotosinteză. De obicei sunt de culoare mov.
7. Celule cu electrolit semiconductor
   De exemplu soluţia: oxid de cupru/NaCl. Sunt celule foarte uşor de fabrict dar puterea şi siguranţa în utilizare sunt limitate.
8. Celule pe bază de polimeri
   Deocamdată se află doar în fază de cercetare.

Îmbătrânirea

Prin îmbătrânire înţelegem modificarea parametrilor de funcţionare a elementelor semiconductoare a celulelor solare în timp. În cazul de faţă în special scăderea randamentului pe parcursul vieţii acestora.

Perioada luată în considerare este de cca 20 ani, În condiţii de utilizare terestră, randamentul scade cu cca 10 %, pe când în spaţiu acest procent se atinge într-un timp mult mai scurt datorită câmpurilor de radiaţii mult mai puternice.

Pierdere de randament în utilizare se datorează în multe cazuri unor cause banale independente de celulele solare. Aici enumerăm murdărirea suprafeţelor sticlei de protecţie a modulelor, mucegăirea pornind de la rama modulului, umbrirea modulelor de către vegetaţia din jur crescută între timp, ingălbirea polimerilor care constituie materialul de contact între celulă şi sticlă.

Celule solare cristaline

La celulele solare actuale randamentul este de cca 12 - 17  %. Adesea fabricantul acordă o garanţie la randament de 80 - 85  % (la puterea de vârf) după 20 ani.Rezultă deci după un timp de utilizare îndelungat pierderi destul de limitate, ceea ce îndreptăţeşte utilizarea sistemelor cu panouri solare.

Pentru îmbătrânirea propriu-zisă a celulelor solare răspunzător sunt defecte provenite din recombinare, ceea ce reduce durata de viaţă a purtătorilor de sarcină cu cca 10 % faţă de valoarea iniţială. În celulele fabricate după procedeul Czochralski îmbătrânire este produsă de crearea de compuşi complecşi cu bor-oxigen.

Celule solare amorfe

Aceste celulea ating un grad avansat de îmbătrânire de până la 25 % în primul an de funcţionare de aceea pentru acest tip de panouri solare în caracteristicile tehnice din documentele de însoţire nu se dă puterea atinsă la fabricaţie ci puterea de după procesul de îmbătrânire. Ca urmare acest tip de panouri au caracteristici mai bune la cumpărare decât cele din documente. Îmbătrânirea se produce sub acţiunea luminii şi este rezultatul aşa numitului effect Staebler-Wronski(SWE). În cadrul acestuia siliciul hidrogenat amorf (a-Si:H) metastabil trece printr-o fază de creştere concentraţiei defectelor cu un ordin de mărime, paralel cu scăderea conductivităţii şi deplasarea nivelului Fermi către mijlocul distanţei dintre banda de valenţă şi banda de conducţie. După cca 1000 ore de expunere la soare, celulele de siliciu amorf ating un grad de saturare stabil.

Sursa: wikipedia.