Celula solara

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 și 0,2 mm și sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma joncțiuni „p” și „n”. Această structură e similară cu a unei diode. Când stratul de siliciu este expus la lumină se va produce o „agitație” a electronilor din material și va fi generat un curent electric.

Celulele, numite și celule fotovoltaice, au de obicei o suprafață foarte mică și curentul generat de o singură celulă este mic dar combinații serie, paralel ale acestor celule pot produce curenți suficient de mari pentru a putea fi utilizați în practică. Pentru aceasta, celulele sunt încapsulate în panouri care le oferă rezistență mecanică și 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 și celule cu strat subțire.
Un alt criteriu este felul materialului: se întrebuințează, de exemplu, ca materiale semiconductoare combinațiile 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 și a materialelor organice sau a pigmenților organici.

Materiale

1.Celule pe bază de siliciu

​Strat gros​
Celule monocristaline (c-Si)randament mare - în producția în serie se pot atinge până la peste 20 % randament energetic, tehnică de fabricație pusă la punct; totuși procesul de fabricație este energofag, ceea ce are o influență 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 producția în serie s-a atins deja un randament energetic de peste la 16 %, cosum relativ mic de energie în procesul de fabricație, și până acum cu cel mai bun raport preț – performanță.​
Strat subțire​
Celule cu siliciu amorf (a-Si)cel mai mare segment de piață la celule cu strat subțire; randament energetic al modulelor de la 5 la 7 %; nu există strangulări în aprovizionare chiar și la o producție de ordinul TeraWatt
Celule pe bază de siliciu cristalin, ex. microcristale (µc-Si)în combinație cu siliciul amorf randament mare; tehnologia aceeași ca la siliciul amorf.​

2.Semiconductoare pe bază de elemente din grupa III-V

Celule cu GaAsrandament 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 radiația ultravioletă, tehnologie scumpă, se utilizează de obicei în industria spațială (GaInP/GaAs, GaAs/Ge).

3.Semiconductoare pe bază de elemente din grupa II-VI

Celule cu CdTeutilizează o tehnologie foarte avantajoasă CBD(depunere de staturi subțiri pe suprafețe mari în mediu cu pH , temperatură șiconcentrație 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 cunoaște fiabilitatea. Din motive de protecția mediului este improbabilă utilizarea pe scară largă.

4.Celule CIS, CIGS

CIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs în stație 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 stație pilot în Uppsala/Suedia. Producătorii de mai sus promit trecerea la producția în masă în anul 2007.​

​5.Celule solare pe bază de compuși organici

Tehnologia bazată pe chimia organică furnizează compuși care pot permite fabricarea de celule solare mai ieftine. Prezintă, totuși, un impediment faptul că aceste celule au un randament redus și o durată de viață redusă (max. 5000h). Încă (ianuarie2007) nu există celule solare pe bază de compuși organici pe piață.

 



  

                                                                               





















6.Celule pe bază de pigmenți​

Numite și celule Grätzel utilizează pigmenți 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 soluția: oxid de cupru/NaCl. Sunt celule foarte ușor de fabrict dar puterea și siguranța în utilizare sunt limitate.

​8.Celule pe bază de polimeri

Deocamdată se află doar în fază de cercetare.



Rezervele de materie prima

Ca materie primă de bază siliciul este disponibil în cantități aproape nelimitate. Pot apărea însă strangulări în aprovizionare datorate capacităților de producție insuficiente și din cauza tehnologiei energofage.

La celulele solare ce necesită materiale mai speciale cum sunt cele pe bază de indiu, galiu, telur și seleniu situația se prezintă altfel. La metalele rare indiu și galiu consumul mondial (indiu cca. 850 t, galiu cca. 165 t) depășește deja de mai multe ori producția anulă (USGS Minerals Information). Deosebit de critică este situația datorită creșterii accentuate a consumului de indiu în formă de indiu – oxid de zinc în ecranele cu cristale lichide și cele cu LED organic, precum și utilizării de galiu și indiu în producția diodelor luminiscente (LED) care se comercializează în surse de lumină cu consum mic de energie respectiv ca sursă de lumină de fundal în televizoare cu ecran plat. Rezervele de indiu, estimate la 6000 tone(economic exploatabile 2800 tone), se presupune că se vor epuiza deja în acest deceniu.

La seleniu și telur, care e și mai greu de găsit, situația pare mai puțin critică, deoarece ambii metaloizi se regăsesec în cantități mici în nămolul anodic rezultat în urma procesului de electroliză a cuprului iar producătorii de cupru utilizează doar o parte din nămolul rezultat pentru extragerea de telur și seleniu. Rezervele exploatabile economic la seleniu se estimează totuși la doar 82000 tone, iar la telur la doar 43000 tone, vizavi de cupru unde se estimează la 550 milioane tone!

Multe procese de producție utilizează galiu, indiu, seleniu și telur în mod neeconomic.
Spre deosebire de cupru, unde procesul de reciclare este pus la punct, la galiu, indiu, seleniu și telur procesul de reciclare nu este posibil deoarece aceste elemente se găsesc incluse în structuri multistrat foarte fin distribuite de unde recuperarea, se pare, nici în viitor nu va fi posibilă.



Celule solare pe baza de siliciu

Materialul cel mi utilizat pentru fabricarea de celule solare pe bază de semiconductori este Siliciul. Dacă la început pentru producerea celulelor solare se utilizau deșeuri rezultate din alte procese tehnologice pe bază de semiconductori, astăzi se apelează la materiale special în acest scop fabricate. Pentru industria semiconductorilor siliciul este materialul aproape ideal. Este ieftin, se poate produce întru-un singur cristal la un înalt grad de puritate, și se poate impurifica(dota) în semiconductor de tip “n” sau “p”. Prin simpla oxidare se pot crea straturi izolatoare subțiri. Totuși lărgimea zonei interzise fac siliciul mai puțin potrivit pentru exploatarea directă a efectului fotoelectric. Celule solare pe bază pe siliciu cristalin necesită o grosime de strat de cel puțin 100 µm sau mai mult pentru a pute absorbi lumina solară eficient. La celulele cu strat subțire de tip semiconductor direct ca de exemplu GaAs sau chiar siliciu cu structura cristalină puternic perturbată (vezi mai jos), sunt suficiente 10 µm.

În funcție de starea cristalină se deosebesc următoarele tipuri de siliciu:

Monocristaline Celulele rezultă din așa numitele Wafer (plăci de siliciu dintr-un cristal). Aceste cristale reprezintă materia de bază pentru industria de semiconductori și sunt destul de scumpe.



Policristaline Celulele sunt din plăci care conțin zone cu cristale cu orientări diferite. Acestea pot fi fabricate de exemplu prin procedeul de turnare, sunt mai ieftine și ca atare cele mai răspândite în producția de dispozitive fotovoltaice. Deseori ele se numesc și celule solare policristaline.

Amorfe Celulele solare constau dintr-un strat subțire de siliciu amorf (fără cristalizare) și din această cauză se numesc celule cu strat subțire. Se pot produce de exemplu prin procedeul de condensare de vapori de siliciu și sunt foarte ieftine, dar au un randament scăzut în spectru de lumină solară, totuși au avantaje la lumină slabă. De aceea se utilizează în calculatoare de buzunar și ceasuri.

Microcristaline acestea sunt celule cu strat subțire cu structură microcristalină. Au un randament mai bun decât celulele amorfe și nu au un strat atât de gros ca cele policristaline. Se utilizează parțial la fabricarea depanouri fotovoltaice, dar nu sunt atât de răspândite.



Celule solare tandem sunt straturi de celule solare suprapuse, deobicei o combinație de straturi policristaline și amorfe. Straturile sunt din materiale diferite și astfel acordate pe domenii diferite de lungimi de undă a luminii. Prin utilizarea unui spectru mai larg din lumina solară, aceste celule au un randament mai mare decât celulele solare simple. Se utilizează parțial la fabricarea de panouri solare dar sunt relativ scumpe. O ieftinire apreciabilă se va obține prin utilizarea în combinație cu sisteme de lentile, așa numitele sisteme de concentrare.

​