3 c 1 celula solara.doc
TRANSCRIPT
CAPITOLUL 1. Celula fotovoltaică
Celula solară este un dispozitiv care converteşte energia solară de la soare în
electricitate. Celulele solare au o arie mare de raspândire cum ar fi: calculatoare,
ceasuri, maşini. În ultimul timp celulele solare sunt folosite din ce în ce mai des pentru
iluminarea caselor.
Celulele solare nu generează dioxid de carbon (CO2), deci nu contribuie la
încălzirea globală. Celulele nu produc nici oxid de sulf (SOx) sau oxid de azot (NOx) care
duc la ploi acide.
Spre deosebire de combustibili fosili (petrol, cărbuni, gaze naturale) care au
resurse limitate, energia solară este practic infinită.
O celulă fotoelectrică poate fi asimilată cu o o dioda fotosensibilă, funcţionarea ei
bazându-se pe propietaţile materialelor semiconductoare.
Celula fotoelectrică permite conversia directă a energiei luminoase în energie
electrică. Principiul de funcţionare se bazează pe efectul fotoelectric.
De fapt, o celula este constituită din două straturi subţiri de material
semiconductor. Cele două straturi sunt dopate diferit:
- pentru stratul N, aport de electroni periferici
- pentru stratul P, deficit de electroni.
Figura 1.1 Structura unei celule solare
Între cele două straturi va apare o diferenţă de potenţial electric. Energia fotonilor
luminii, captaţi de electronii periferici (stratul N) le va permite acestora să depăşească
bariera de potenţial si să creeze astfel un curent electric continuu.
12
Pentru colectarea acestui curent, se depun, prin serigrafie, electrozi pe cele două
straturi semiconductoare. Electrodul superior este o grilă ce permite trecerea razelor
luminoase. Pe acest electrod se depune apoi un strat antireflectorizant, pentru cresterea
cantităţii de lumină absorbită.
1.1 Principiul de funcţionare
Celulele solare pe bază de materiale semiconductoare în principiu sunt construite
ca nişte fotodiode cu suprafaţă mare care însă nu se utilizează ca detectoare de radiaţii
ci ca sursă de curent.
Interesant la acest tip de semiconductoare este că prin absorbţie de energie
(caldură sau lumină) eliberează purtatori de sarcină (electroni şi goluri). Este nevoie de
un câmp electrostatic intern pentru ca din aceşti purtători să se creeze un curent electric
dirijandu-i in direcţii diferite.
Acest câmp electric intern apare în dreptul unei joncţiuni p-n. Pentru că
intensitatea fluxului luminos scade exponenţial cu adancimea, această joncţiune este
necesară să fie cât mai aproape de suprafaţa materialului şi să se patrundă cât mai
adânc.
Această joncţiune se creează prin impurificarea controlată. Pentru a realiza
profilul dorit, în mod normal se impurifică „n” un strat subţire de suprafata şi „p” stratul
gros de dedesubt în urma căruia apare joncţiunea. Sub acţiunea fotonilor apar cupluri
electron-gol în joncţiune, din care electronii vor fi acceleraţi spre interior, iar golurile spre
suprafaţă. O parte din aceste cupluri electron-gol se vor recombina în joncţiune
rezultând o disipare de caldură, restul curentului putând fi utilizat de un consumator,
încărcat într-un acumulator sau prin intermediul unui invertor livrat în reţeaua publică.
Tensiunea electromotoare maxima la bornele unei celule solare (de exemplu la
cele mai utilizate, celulele de siliciu cristaline) este de 0,5 V.
Structura celulelor solare se realizează în asa mod încât să absoarbă cât mai
multă lumină şi să apară cât mai multe sarcini în joncţiune. Pentru aceasta electrodul de
suprafată trebuie să fie transparent, contactele la acest strat să fie pe cât posibil de
subţiri, pe suprafaţa se va aplica un strat antireflectorizant pentru a micşora gradul de
13
reflexie a luminii incidente. Acestui strat antireflectorizant i se atribuie culoare negru-
albăstruie a celulelor solare care fară aceasta ar avea o culoare gri-argintie.
Grosimea stratului influentează culoarea celulei (culoarea de interferentă).
Grosimea stratului trebuie să fie cât se poate de uniformă, deoarece abateri de caţiva
nanometri măresc gradul de reflexie. Celulele îşi datorează culoarea albastră realizării
unei grosimi ce corespunde lungimii de undă a culorii roşii, culorea cea mai bine
absorbită de siliciu. În principiu însa în acest mod se pot realiza celule roşii, galbene,
sau verzi la cerinţe arhitectonice deosebite, dar vor avea un randament mai slab. În
cazul nitratului de siliciu şi a bioxidului de siliciu stratul antireflectorizant mai are şi un rol
de a reduce viteza de recombinare superficiala.
1.2 Modelul matematic
Modelul matematic al celulei fotoelectrice se poate obţine, plecând de la cel al
joncţiunii PN. Se adaugă curentul Iph, proporţional cu iluminarea şi un termen ce
modelează fenomenele interne. Curentul I furnizat de celulă se poate scrie:
(1)
(2)
în care:
• Iph - fotocurent, sau curent generat prin iluminare [A];
• I0d - curent de saturaţie [A];
• Rs - rezistenţa serie [Ω];
• Rsh - rezistenţa paralel [Ω];
• k - constanta lui Boltzmann (k = 1,38.10-23);
• q - sarcina electronului (q = 1,602.10-19 C);
• T - temperatura celulei (°K).
Expresia de mai sus se poate deduce din schema echivalentă
14
Figura 1.2 Schema echivalentă a unei celule solare
Dioda modelează comportamentul celulei în intuneric.
Sursa de curent modeleaza curentul Iph generat prin iluminare.
Rezistentele modeleaza pierderile interne:
-rezistenţa serie Rs - modelează pierderile ohmice ale materialului
-rezistenţa paralel Rsh - modelează curenţii paraziţi ce parcurg celula.
Ideal, se poate neglija Rs şi I faţa de U, şi să se lucreze cu un model simplificat:
(3)
Cum rezistenţa paralel este mult mai mare decât rezistenţa serie, se poate neglija
curentul prin Rsh.
(4)
Astfel putem obţine schema echivalentă simplificată care corespunde celulei ideale.
Figura 1.3 Schema echivalentă simplificată a unei celule solare
1.3 Caracteristicile tehnice ale celulelor solare
15
Parametrii tehnici ai celulelor solare sunt daţi pentru condiţii standard (STC,
Standard Test Conditions):
- Intensitate luminoasă de 1000 W/m2 in zona panoului
- Temperatura celulei solare constant 25 °C
- Spectrul luminii AM 1,5 global
Se defineşte randamentul energetic al unei celule, ca fiind raportul dintre puterea
electrică maximă şi puterea incidentă:
(5)
în care:
• E - iluminarea [W/m²];
• S - suprafaţa activă a panourilor [m²].
• Pm - puterea maximă masurată în condiţiile STC (Standard Test Conditions), respectiv
în spectrul AM1.5, la o temperatură de 25°C şi iluminare de 1000 W/m².
Randamentul unei celule este, în general, destul de scăzut, de ordinul 10 - 20%.
Au fost obţinute randamente mai bune cu materiale noi (în laborator, arseniura de galiu
AsGa oferă un randament mai mare de 25%) sau cu tehnologii experimentale
(tehnologia multistraturi), deseori dificile şi costisitoare pentru a fi puse în practică.
În aceste condiţii, materialul fotoelectric cel mai utilizat este siliciul, care
reprezintă o soluţie economică. Pentru astfel de celule, randamentul energetic nu
depaseşte 15%.
Pe baza caracteristicilor curent-tensiune şi putere-tensiune, se pot obţine şi alţi
parametrii:
• Curentul de scurtcircuit Icc, respectiv curentul debitat de celulă, atunci cand tensiunea
la bornele sale este nulă. Practic, acest curent este foarte apropiat de fotocurentul Iph.
• Tensiunea în gol Vco, respectiv, tensiune la bornele celulei, atunci când curentul debitat
este nul.
• Între cele două extreme, există un optim care oferă puterea maximă Pmax sau MPP
(Maximum Power Point).
• Factorul de formă, care arată cât de ideală este caracteristica, respectiv raportul:
16
(6)
Randamentul celulelor solare comerciale este de circa 20 %, iar modulele
construite cu acestea ating un randament de circa 17 %. Recordul pentru celulele
fabricate în condiţii de laborator este de 24,7 % , din care s-au confecţionat panouri cu
un randament de 22 %. Preţul acestor module fabricate prin procedeul de topire zonală
este de circa 200 Euro pe celulă la o suprafaţă a celulei de 21,6 cm2, corespunzând unui
cost de 5-10 Euro/W.
Îmbătrânirea conduce la scaderea randamentului cu circa 10 % în 25 ani.
Fabricanţii dau garanţii pe cel putin 80 % din puterea maximă în 20 ani.
În spaţiu constanta solară este mai mare decât iluminarea globală pe pamânt,
totodata celulele solare îmbătrânesc mai repede. Panourile pentru sateliţi ating
momentan un randament de 25 % la o durată de viaţa de 15 ani.
1.4 Tipuri de celule solare
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 intrebuinţează, de exemplu, ca materiale
semiconductoare combinaţiile CdTe, GaAs sau CuInSe, dar cel mai des folosit este
siliciul. După structura de bază deosebim materiale cristaline(mono-policristaline)
respectiv amorfe.
În fabricarea celulelor fotovaltaice pe langă materiale semiconductoare, mai nou,
există posibiltatea utilizării materialelor organice sau a pigmenţilor organici.
Cel mai utilizat material pentru realizarea fotopilelor sau a celulelor solare este
siliciul, un semiconductor de tip IV. Acesta este tetra-valent, ceea ce înseamnă că un
atom de siliciu se poate asocia cu patru alţi atomi de aceeaşi natură.
Se mai utilizează arseniura de galiu şi straturi subţiri de CdTe (telura de cadmiu), CIS
(cupru-indiu-diseleniu) şi CIGS (cupru-indiu-galiu-diselenat).
17
Figura 1.4 Tipuri de celule solare
1.5 Clasificarea celulelor solare
O primă clasificare a celulelor se poate face dupa tipul de material din care este
alcătuită celula. Celulele pot fi fabricate din mai multe tipuri de materiale:
Celule pe baza de siliciu
- Strat gros:
- Celule monocristaline (c-Si) randament mare - în producţia în serie se
pot atinge până la peste 20 % randament energetic, tehnica 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 pană acum cu cel mai bun raport preţ –
performantă.
18
- Strat subţire:
- Celule cu siliciu amorf (a-Si) au 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
Celule pe bază de elemente semiconductoare din grupa III-V
Celule cu GaAs au randament mare, foarte stabile la schimbările de temperatură,
la încalzire au 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)
Celule pe bază de elemente semiconductoare 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 regent
controlate) ; în laborator s-a atins un randament de 16 %, dar modulele fabricate pâna
acum au atins un randament sub 10 %, dar nu se cunoaşte fiabilitatea. Din motive de
protecţia mediului este improbabila utilizarea pe scara largă.
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 statie pilot în Uppsala în
Suedia. Producatorii de mai sus promit trecerea la producţia în masă în anul 2007.
Celule solare pe bază de compuşi organici
Tehnologia bazată pe chimia organică furnizează compuşi care pot permite
fabricarea de celule solare mai ieftine. Prezintă, totusi, un impediment faptul că aceste
celule au un randament redus şi o durată de viaţă redusă (max. 5000h). Înca nu există
celule solare pe bază de compusi organici pe piaţă.
19
Celule pe baza 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.
Celule cu electrolit semiconductor
De exemplu soluţia: oxid de cupru, NaCl. Sunt celule foarte uşor de fabricat dar
puterea şi siguranţa în utilizare sunt limitate.
Celule pe bază de polimeri
Deocamdată se află doar în faza de cercetare.
Un alt criteriu de clasificare îl reprezintă structura de bază a meterialelor.
Celule solare cristaline.
La celulele solare actuale randamentul este de circa 12 - 17 %. Adesea
fabricantul acordă o garanţie la randament de 80 - 85 % (la puterea de vârf) dupa 20
ani.Rezultă deci dupa un timp de utilizare îndelungat pierderi destul de limitate, ceea ce
îndreptaţeşte utilizarea sistemelor cu panouri solare.
Pentru îmbătrânirea propriu-zisă a celulelor solare raspunzatoare sunt defecte
provenite din recombinare, ceea ce reduce durata de viaţa a purtătorilor de sarcină cu
circa 10 % faţa de valoarea iniţială. În celulele fabricate după procedeul Czochralski
îmbatrânirea este produsă de crearea de compuşi complexi cu bor-oxigen.
Celulele monocristaline. Celulele rezultă din asa numitele Wafer (placi de siliciu
dintr-un cristal). Aceste cristale reprezintă materia de bază pentru industria de
semiconductori şi sunt destul de scumpe.
Acest tip de fotopile sunt primele care au fost realizate, pe baza unui bloc de
siliciu cristalizat într-un singur cristal.
Ele se prezintă sub forma unor plachete rotunde, pătrate sau pseudo-pătrate.
Randamentul lor este de 12 - 16%. Totuşi, ele au două dezavantaje: preţul ridicat
si o durată mare de amortizare prin energia furnizată.
Celule multicristaline sau policristaline. Celulele sunt din plăci care conţin zone cu
cristale cu orientări diferite. Acestea pot fi fabricate de exemplu prin procedeul de
20
turnare, sunt mai ieftine şi ca atare cele mai răspândite în producţia de dispozitive
fotovoltaice. Deseori ele se numesc şi celule solare policristaline.
Acest tip de celule se realizează pe baza unui bloc de siliciu cristalizat în mai
multe cristale, care au orientări diferite. Randamentul lor este de 11 - 13%, dar presupun
un cost de producţie mai redus decât cel al celulelor monocristaline.
Celule solare amorfe.
Celulele solare constau dintr-un strat subţire de siliciu amorf (fară cristalizare) şi
din această cauză se numesc celule cu strat subţire. Se pot produce de exemplu prin
procedeul de condensare de vapori de siliciu şi sunt foarte ieftine, dar au un randament
scăzut în spectru de lumină solară, totuşi au avantaje la lumină slaba.
Aceste celule ating un grad avansat de îmbătrânire de pana la 25 % în primul an
de funcţionare de aceea pentru acest tip de panouri solare în caracteristicile tehnice din
documentele de insoţire 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 efect
Staebler-Wronski(SWE). În cadrul acestuia siliciul hidrogenat amorf (a-Si:H) metastabil
trece printr-o fază de creştere a concentratiei 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. Dupa circa 1000 ore de expunere la soare,
celulele de siliciu amorf ating un grad de saturare stabil.
Aceste celule sunt realizate dintr-un suport de sticlă sau material sintetic, pe care
se depune un strat subţire de siliciu (organizarea atomilor nu este regulată, ca în cazul
unui cristal). Randamentul lor este de 5 - 10%, mai mic decât al celulelor cristaline, dar
preţul este bun.
Ele sunt utilizate în mici produse comerciale (ceasuri, calculatoare), dar pot fi
utilizate şi în instalaţiile solare.
Ele au avantajul de a se comporta mai bine la lumina difuză şi la cea
fluorescentă, fiind deci mai performante le temperaturi mai ridicate.
21
Celule cu CdTe, CIS şi CIGS.
Tehnologiile CdTe, CIS şi CIGS sunt în curs de dezvoltare sau de industrializare:
Celulele cu CdTe se bazează pe telura de cadmiu, material interesant datorită
proprietăţii de absorbţie foarte mare. Totuşi, dezvoltarea lor riscă să fie frânată datorită
toxicitaţii cadmiului.
Celulele cu CIS (CuInSe2) se bazează pe cupru, indiu şi seleniu. Acest material
se carcterizează printr-o bună stabilitate sub acţiunea iluminării. Ele au proprietăţi de
absorbţie excelente.
Celulele cu CIGS sunt realizate din aceleaşi materiale ca şi cele cu CIS, având
ca particularitate alierea indiului cu galiu. Aceasta permite obţinerea unor caracteristici
mai bune.
1.6 Compararea caracteristicilor tehnice a celulelor solare
Celulele se comportă diferit, în funcţie de compoziţia lor. Astfel randamentul
variază în funcţie de tipul de celulă ales.
Figura 1.5 Valorile tipice pentru randament şi factorul de umplere
Putem vedea că celulele variază în funcţie de condiţiile de mediu. Astfel în
laborator, având condiţii optime celulele prezintă un randament maxim. Modulele
prototip au un randament intermediar, în timp ce modulele comerciale au cel mai mic
randament, acesta datorânduse condiţiilor în care sunt utilizate.
22
Figura 1.6 Variaţia randamentului în funcţie de mediul de exploatare
Fiecare celulă are avantajele şi dezavantajele ei. În tabelul următor sunt descrise
cele mai importante celule care se află acum pe piaţa, si putem vedea avantajele şi
dezavantajele folosirii fiecărui tip de celulă.
Figura 1.7 Avantajele şi dezavantajele diferitelor tipuri de celule
23
1.7 Moduri de asamblare
În funcţie de tehnologia utilizată, o singură celulă solară generează o tensiune
MPP de aproximativ 0,5 V până la 2 V. Prin urmare, echipamentele electrice nu pot fi
alimentate la această tensiune scăzută, în afară de cazul dispozitivelor mici sau
jucăriilor.
În general, este necesară o tensiune ridicată. Aceasta poate fi produsă prin
conectarea celulelor în serie, ca în cazul bateriilor. De exemplu, în modulele standard
sunt conectate în serie 36 de celule de Si cristalin, producând o tensiune MPP de
aproximativ 18 V, corespunzătoare încărcării bateriilor cu o tensiune de 12 V.
În acelaşi timp, sunt module standard cu 72 de celule şi module speciale alcătuite
din mai mult de 100 de celule conectate în serie. Prin urmare, astfel de module solare
pot fi conectate în serie, sub formă de şir, formând un generator solar care dezvoltă
tensiuni mai mari de câteva sute de volţi.
Pentru a asigura puterea de ieşire dorită a generatorului solar, câteva module
sau şiruri pot fi conectate în paralel, conducând la creşterea curentului electric. Această
interconectare modulară permite generatoarelor fotovoltaice să fie proiectate cu puteri
de ieşire de la mW până la MW, toate cu aceeaşi tehnologie de bază.
1.7.1 Conectarea celulelor solare în serie
Celulele pot fi conectate în serie ca în figura de mai jos.
Figura 1.8 Conectarea în serie a trei celule solare similare
24
Celulele solare şi modulele solare sunt conectate în serie pentru a produce
tensiuni totale mai mari. În conexiunea serie curentul este acelaşi în toate celulele astfel
încât, tensiunea totală este rezultatul sumei tensiunilor individuale.
Figura 1.9 Curba curent-tensiune a trei celule conectate în serie
Conexiunea serie a celulelor şi modulelor are totuşi un dezavantaj major: „fragila
legătură” determină performanţa întregului şir. Chiar dacă numai o celulă este parţial
umbrită, această celulă determină curentul total şi prin urmare puterea de ieşire a
întregului şir. Umbrirea trebuie astfel evitată în măsura posibilului.
Chiar mici zone umbrite ca cele determinate de stâlpi, cabluri, vârfuri de copaci,
frunze, excrement de pasăre şi praf conduc în general la pierderi de productivitate şi
sunt de obicei cauzele unei producţii de energie nesatisfăcătoare a sistemelor
fotovoltaice.
Producţia de energie nesatisfăcătoare este posibilă şi în cazul conectărilor în
serie a celulelor cu diferite caracteristici datorate toleranţelor de fabricaţie sau dacă părţi
de celule din interiorul modulului sunt sparte şi prin urmare devin inactive. Şi în acest
caz celula fragilă influenţează performanţa globală.
Celulele şi modulele trebuie sortate şi asamblate împreună în aşa fel încât să
producă acelaşi curent MPP. Această condiţie suplimentară este răsplătită de creşterea
productivităţii de energie.
25
1.7.2 Conectarea celulelor solare în paralel
Celulele pot fi conectate în paralel ca în figura de mai jos.
Figura 1.10 Conectarea în paralel a trei celule solare similare
Dacă sistemul trebuie să producă curenţi mari, modulele sau şirurile pot fi
conectate în paralel.
Figura 1.11 Curba curent-tensiune a trei celule conectate in paralel
La conexiunea în paralel, toate celulele au aceiaşi tensiune, iar curentul global
este rezultatul curenţilor individuali.
Ca şi conexiunile în serie, se pune întrebarea cum afectează umbrirea,
performanţa unei singure celule sau a unui singur modul. În general, efectele producţiei
26
de energie este ceva mai scăzută faţă de cea a unui sistem cu acelaşi număr de celule
conectate în serie.
În particular, în cazul conexiunii în paralel, în mod obişnuit nu este pericolul ca o
celulă umbrită să fie supraîncărcată de curentul invers dat de celelalte celule din şirurile
tipice. În aplicaţiile de tensiuni joase, ca sistemele solare pentru locuinţe diodele de şir
pot fi în general omise.
1.7.3 Conectarea mixta a celulelor solare
În figura de mai jos avem 9 celule distribuite in 3 serii de celule conectate in paralel.
Fiecare serie contine la rândul ei 3 celule.
Figura 1.12 Conectarea mixta a celulelor solare
Diagrama instalaţiei electrice şi curbele rezultante ale curbei curent – tensiune
pentru generatorul solar cu câteva module solare conectate în serie şi în paralel.
Figura 1.13 Curba curent-tensiune a celulelor conectate in serie si in paralel
27
1.8 Conversia energiei solare în energie electrică
Efectul fotovoltaic este datorat eliberării de sarcini electrice negative (electroni) şi
pozitive (goluri), intr-un material solid, atunci când suprafaţa acestuia interacţionează cu
lumina. Datorită polarizării electrice a materialului respectiv, care se produce sub
acţiunea luminii, apare o tensiune electromotoare, care poate genera curent electric intr-
un circuit închis. Dispozitivele care functionează pe baza acestui fenomen, sunt
denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare.
Pentru a permite furnizarea unei puteri electrice rezonabile, celulele fotovoltaice
nu funcţionează individual ci legate în serie într-un număr mai mare, alcătuind panouri
fotovoltaice, sau panouri electrice solare (a nu se confunda cu panourile solare
pentru producerea energiei termice, denumite şi colectori solari sau panouri solare
termice).
Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe materiale semiconductoare, dar
peste 95% din celulele solare sunt realizate din siliciu (Si), care este al doilea element
chimic cel mai răspândit în scoarţa terestră, reprezentând circa 25% din aceasta, deci
este disponibil în cantităţi suficiente, fiind astfel si ieftin. În plus, procesele de prelucrare
a acestui material nu sunt agresive pentru mediul ambiant.
Figura 1.14 Structura energetică a meterialelor semiconductoare
Analizarea acestei scheme energetice este utilă în vederea întelegerii condiţiilor
în care semiconductorii pot deveni materiale conductoare de curent electric. În situaţii
normale, electronii ocupă în jurul nucleelor atomilor materialului respectiv, diferite nivele
28
energetice denumite şi straturi sau benzi energetice. Aceste nivele energetice accesibile
pentru electroni, sunt separate de benzi energetice interzise, reprezentând adevarate
“bariere energetice” pentru electroni. Nivelul energetic cel mai ridicat dintre cele ocupate
de electroni, este denumit şi bandă energetică de valenţă, sau mai simplu bandă de
valentă. Urmatorul nivel energetic accesibil electronilor, dar neocupat de
aceştia, este denumit bandă energetică de conducţie, sau mai simplu bandă de
conducţie.
Este evident că pentru materiale diferite, nivelele energetice ale benzii de valenţă
şi ale benzii de conducţie sunt diferite. Diferenţa de potenţial energetic ∆E, dintre banda
de conducţie şi banda de valenţă, reprezentând şi valoarea “barierei energetice” dintre
cele două straturi, este diferenţa dintre nivelurile energetice Ec al benzii de conducţie şi
Ev al benzii de valenţă ∆E=Ec-Ev. În cazul siliciului monocristalin, valoarea acestei
bariere energetice este ∆E≈1eV, iar în cazul siliciului amorf poate să ajungă la
∆E≈1,7eV. Aceste valori ale barierei energetice, reprezintă cuante de energie care
trebuie să fie transmise electronilor de pe stratul de valentă pentru ca acestia sa devină
liberi, adică pentru a putea trece pe banda de conducţie. Prin supunerea materialelor
semiconductoare de tipul siliciului la radiaţia solară, fotonii, sau cuantele de lumină cum
mai sunt numiţi acestia, sunt capabili să transmită electronilor de pe banda de valentă,
energia necesară pentru a depaşi “bariera energetică” şi a trece pe banda de conducţie.
Acest fenomen se produce în celulele fotovoltaice.
În vederea fabricării celulelor fotovoltaice „Si” este impurificat (dopat) cu diferite
elemente chimice, pentru obţinerea unui surplus de sarcini electrice negative (electroni)
sau pozitive (goluri). Se obţin astfel straturi de siliciu semiconductoare de tip n, respectiv
de tip p, în funcţie de tipul sarcinilor electrice care predomină. Prin alăturarea a două
asemenea straturi de material semiconductor, caracterizate prin predominantă diferită a
sarcinilor electrice, în zona de contact, se obţine o asa numita jonctiune de tip p-n de
tipul celei reprezentate schematic
29
Figura 1.15 Jonctiunea p-n
Sub acţiunea diferenţei de potenţial electric, manifestată în zona de contact,
electronii excedentari din stratul n, prezintă tendinţa de migraţie în stratul p, deficitar în
electroni. Analog, golurile excedentare din stratul p, prezintă tendinţa de a migra în
stratul n, deficitar în sarcina electrică pozitivă. Tendinţa de migrare a sarcinilor electrice
între straturile jonctiunii p-n este arătată în figura 1.16.
Figura 1.16 Migrarea electronilor între straturile joncţiunii p-n
Amploarea migraţiei sarcinilor electrice între cele două straturi ale joncţiunii p-n
este limitată de nivelul energetic al purtătorilor celor două tipuri de sarcini electrice.
Astfel, cu toate că nu se va realiza o reechilibrare la nivelul sarcinilor electrice în
toată profunzimea celor două straturi, o zonă superficială din stratul p va fi ocupata de
sarcini electrice negative (electroni), iar o zona superficială din stratul n, va fi ocupată de
sarcini electrice pozitive (goluri). Ca efect, se va produce o redistribuire a sarcinilor
electrice în zona joncţiunii p-n. Apariţia unei diferenţe de potenţial electric în zona
joncţiunii p-n este ilustrată în figura 1.17.
30
Figura 1.17 Diferenta de potential local la nivelul joncţiunii
Se observă că efectul acestei redistribuiri este reprezentat de apariţia unei
diferenţe de potenţial locale, la nivelul joncţiunii. Această diferenţă interna de potenţial
reprezintă o barieră care împiedică o eventuală deplasare ulterioară a sarcinilor electrice
negative din stratul n spre stratul p şi a celor pozitive din stratul p spre stratul n. Sarcinile
electrice libere din cele două straturi sunt respinse din zona joncţiunii spre suprafeţele
acestor straturi, opuse joncţiunii p-n.
Este cunoscut faptul că lumina prezintă un caracter dual, având atat caracteristici
de undă, conform teoriei ondulatorii a luminii, cât şi caracteristici corpusculare, conform
teoriei corpusculare, sau fotonice a luminii. Din punctul de vedere al efectului fotovoltaic
este mai util ca lumina să fie considerată ca având caracter corpuscular.
Daca joncţiunea p-n este supusă radiatiei solare, fotonii având un nivel energetic
suficient de ridicat (cu atât mai ridicat cu cât radiaţia solară prezintă o intensitate mai
mare), sunt capabili să transfere suficientă energie electronilor aflaţi pe straturile de
valentă ale atomilor, pentru a trece pe straturile de conducţie si să devină electroni liberi.
Sub acţiunea diferenţei interne de potenţial, care se manifestă local la nivelul
joncţiunii p-n, electronii liberi care se formează în stratul n, sunt respinşi spre suprafaţa
stratului n al joncţiunii, iar electronii liberi care se formează în stratul p, sunt atraşi spre
zona de joncţiune, pe care o vor traversa şi odata ajunşi în stratul n, sunt respinşi spre
suprafaţa acestui strat. Fiecare electron liber, în momentul trecerii sale pe stratul de
conducţie, lasă în urmă un gol (sarcină electrică pozitivă) în structura atomului pe care l-
a parăsit, astfel că sub acţiunea radiaţiei solare nu apar doar electroni liberi ci perechi
de sarcini electrice negative (electroni) şi pozitive (goluri). Sub acţiunea diferenţei
interne de potenţial, care se manifestă local la nivelul joncţiunii p-n, golurile care se
31
formează în stratul p sunt respinse spre periferia stratului p al joncţiunii, iar golurile care
se formează în stratul n, sunt atrase spre zona de joncţiune, pe care o vor traversa şi
odată ajunşi în stratul p, sunt respinşi spre suprafaţa acestui strat.
Figura 1.18 Polarizarea suprafeţelor exterioare ale joncţiunii p-n
În urma deplasării sarcinilor electrice în cele două straturi şi în zona joncţiunii p-n,
conform mecanismului prezentat, se produce o polarizare electrică la nivelul
suprafeţelor exterioare ale joncţiunii p-n. În figura 1.18 putem vedea polarizarea
suprafeţelor exterioare ale joncţiunii p-n.
Dacă suprafeţele exterioare ale joncţiunii p-n sunt acoperite cu cate un strat
metalic, reprezentând fiecare câte un electrod, între aceştia se va manifesta o diferenţă
de potenţial, care într-un circuit închis va produce manifestarea unui curent electric.
Diferenţa de potenţial şi curentul electric se pot menţine la un nivel constant atâta
timp cât se manifesta radiaţia solară. Este evident că variaţia intensităţii radiaţiei solare
va produce şi variaţii ale diferenţei de potenţial, dar mai ales ale intensităţii curentului
electric. Joncţiunea p-n, impreună cu cei doi electrozi, alcătuieşte o celulă fotovoltaică
sau o celulă elctrică solară.
32