Celulele solare obisnuite pot fi confecționate după mai multe metode de fabricație.

​



Materia primă siliciu este al doilea element chimic din compoziția scoarței terestre în privința cantitatății. Se regăsește în compuși chimici cu alte elemente formând silicate sau cuarț. Siliciul brut numit și siliciu metalurgic se obține din quarț prin topire în furnal.Reducera siliciului se petrece cu ajutorul carbonului la o temperatura de cca 1700 °C, rezultând la fiecare tonă de siliciu metalurgic de puritate de cca 98-99 % în jur de 1,5 T de CO2. Prin acest procedeu în 2002 s-au produs 4,1 T siliciu. Mare parte din acesta este utilizat de industrie la fabricare a oțelului și în industria chimică și numai o mică parte în microelectronică și la fabricarea de celule fotovoltaice.

Din siliciul brut printr-un proces de fabricație în trepte bazat pe triclorsilan se obține siliciul policristalin de cea mai mare puritate.
Până în prezent (2006) în producție se recurge la o tehnologie Siemens bazat pe un procedeu de tip CVD condensare de vapori de siliciu, procedeu elaborat și optimizat pentru ramura de microelectronică. În microelectronică cerințele de calitate sunt total diferite de cele din fabricarea de celule fotovoltaice. Pentru fabricarea de celule solare este foarte importantă puritatea plăcii de siliciu în toată masa ei pentru a asigura o cât mai mare durată de viață pentru purtătorii de sarcină, pe când în microelectronică cerința de foarte înaltă puritate se rezumă în principiu la stratul superior până la o adâncime de 20-30 µm. Deoarece între timp consumul de siliciu de înaltă puritate pentru fabricarea de celule fotovoltaice a întrecut pe cel pentru microelectronică, actualmente se fac cercetări intense pentru elaborarea de procedee de fabricare speciale mai ieftine optimizate pentru celule solare.
Cu toate că procesul de producție a siliciului pur este foarte energofag, energia consumată la fabricareaa celulelor solare, în funcție de tehnologia utilizată, se poate recupera în 1,5 până la 7 ani. Dacă se ia în considerare că durata de viață a panourilor solare este de peste 20 ani bilanțul energetic rezultat este pozitiv.
Siliciul pur în continuare poate fi prelucrat în mai multe feluri. Pentru celule policristaline amintim procedeele de turnare Bridgman și EVG, pe când pentru cele monocristaline procedeul Czochralski. În fiecare din acestea în procesul fabricare a blocurilor sau barelor se face simultan și impurificare cu Bor.

Procedeul de turnare

Acesta se utilizează la fabricarea siliciului policristalin. Siliciul pur se topește într-un cuptor cu inducție după care se toarnă într-un recipient de formă pătrată în care se supune la un proces de răcire cât mai lent posibil în cursul căruia vor apare cristale cât mai mari posibil. Recipientul are dimensiunile 50*50 cm, masa solidificată având înălțimea de 30 cm. Blocul astfel solidificat se taie în mai multe blocuri mai mici cu lungimea de 30 cm. Un alt mod reprezintă turnare continuă, procedeu prin care materialul este turnat direct pe support la dimensiunile cerute. Avantajul constă în eliminare pierderilor rezultate din tăiere.
Un alt mod reprezintă turnarea continuă, procedeu prin care materialul este turnat direct pe support la dimensiunile cerute. Avantajul constă în eliminare pierderilor rezultate din tăiere.
Procedeul Bridgman
Procedeul numit după Percy Williams Bridgman este aplicat tot în procesul de fabricare a siliciului policristalin. Siliciul pur se topește tot într-un cuptor cu inducție dar procesul de răcire în urma căruia în masa topită se formează mari zone ocupate de câte un cristal are loc chiar în cuptor. Materialul se supune unei încălziri progresive pornind de la bază astfel încât în momentul topirii stratului superior, la bază deja se produce întărirea materialului. Dimensiunile blocurilor obținute sunt mai mari (60*60 cm –70*70 cm) cu înălțimea de 20-25 cm, și se procedează la tăierea lor în blocuri mai mici având lungimea de 20-25 cm.
Procedeul Czochralski
Este utilizat la fabricarea de bare lungi monocristaline. Înainte de tăierea plăcilor necesare celulelor, barele cilindrice rezultate se ajustaează astfel încât să prezinte o secțiune pătrată.
Procedeul de topire zonală
Se mai numește și procedeu Float-Zone și se aplică tot la producerea monocristalelor de siliciu sub formă de bară. Puritatea materialului obținut fiind superioară celei necesitate în confecționarea celulelor solare, și costurile fiind mari, prodedeul este rar utilizat. Singura firmă ce utilizează acest procedeul este SunPower din Statele Unite.

Fabricare de waferi (discuri/plăci subțiri de siliciu)

Din barele de cristal vor fi secționate plăcuțe(wafer) cu un fierăstrău special constând dintr-o sârmă lungă pe care s-au aplicat particule de diamant și care este înfășurată pe cilindri ce se rotesc. Un bloc este complet secționat în plăcuțe de cca 0,18…0,28 mm la o singură trecere. Praful rezultat în urma debitării este inutilizabil și reprezintă până la 50 % din material.

Pentru obținerea de plăcuțe de siliciu la început se utiliza materia primă excedentară rezultată din fabricarea de circuite integrate, care nu corespundea calitativ dar era potrivită pentru fabricarea celulelor solare. Datorită cererii mult crescute a producției de panouri solare, această sursă are o importanță nesemnificativă.
Celulele monocristaline prezintă o suprafață omogenă, pe când la celulele policristaline se pot deosebi zone distincte cu cristale având orientări diferite, ceea ce creează o imagine asemănătoare florilor de gheață.
În stadiul de plăcuță(wafer) fața și reversul plăcuței nu se deosebesc.
Prelucrarea plăcilor de siliciu
Plăcile debitate vor fi trecute prim mai multe băi de spălare chimică pentru a înlătura defectele de debitare și a pregăti o suprafață potrivită captării luminii. Pentru aceasta s-au elaborat diferite procedee utilizate de fabricanți.
În mod normal în această fază plăcile sunt deja impurificate cu bor. Aceasta înseamnă că se găsește deja un surplus de goluri care pot capta electroni deci avem o impurificare tip “p”. Pe parcursul procesului de fabricare a celulei solare pentru crearea unei joncțiuni “p-n” este necesar să impurificăm suprafața ei cu impurități de tip “n” ceea ce se poate realiza într-un cuptor într-o atmosferă de fosfor. Atomii de fosfor pătrund în suprafață și vor crea o zonă de cca 1 µm cu un surplus de electroni.
Pasul următor va consta în adăugarea unui electrod transparent din SiNx sau TiO2 .
Urmează imprimarea zonelor de conact și a structurii necesare pentru colectarea curentului generat. Fața celulei este prevăzută de cele mai multe ori cu două benzi pe care ulterior se vor fixa legăturile dintre mai multe celule. În afară de aceasta se va aplica o grilă conductoare foarte subțire , care pe de o parte deranjează foarte puțin intrarea luminii, pe de altă parte micșorează rezistența electrică a electrodei. Reversul plăcii de regulă este complet acoperit cu un material bun conductor de electricitate.
După procesare, celulele vor fi clasificate după proprietățile lor optice și electrice, mai apoi sortate și asamblate în panouri solare.
Fabricarea plăcilor semiconductoare în mod direct

În dorința de a se evita detașarea plăcilor din blocuri , se găsesc diferite alte modalități ce permit fabricarea celulelor solare. 

Fabricarea plăcilor semiconductoare în mod direct

În dorința de a se evita detașarea plăcilor din blocuri , se găsesc diferite alte modalități ce permit fabricarea celulelor solare.
Procedeul EFG
EFG este prescurtarea de la Edge-defined Film-fed Growth. Prin acest procedeu dintr-o cadă de grafit încălzită electric se trag în sus tuburi octogonale de cca 6 până la 7 m cu o viteză de cca 1 mm/s. Lățimea unei fețe este de 10-12.5 cm, iar grosimea peretelui atinge cca 280 µm. Apoi tuburile vor fi tăiate de-a lungul canturilor cu un laser NdYAG, după care fiecare fațetă pe baza unei grile de-a latul. Astfel se pot realiza celule cu diferite dimensiuni (de exemplu 12.5*15 cm sau 12.5*12.5 cm). În acest fel se obține o întrebuințare de 80 % a materialului disponibil. Celulele astfel realizate sunt deobicei policristaline, care la vedere se deosebesc clar de cele debitate, printre altele suprafața lor este mai ondulată. Acest procedeu se mai numește și procedeu octagonal sau de extrudare.
Procedeul EFG este utilizat de firma Schott Solar în Germania și afost dezvoltat de firma ASE Solar din Statele Unite.
Procedeul String-Ribbon
Mai există un procedeu dezvoltat de firma Evergreen Solar din Statele Unite care constă în tragerea cu ajutorul a două fire a unei pelicule din siliciul topit. În cursul acestui proces rezultă mai puține deșeuri (șpan ce trebuie înlăturat) ca la procedeele uzuale.

Procedeul cu transfer de strat

La acest procedeu direct pe un substrat (corp subțire solid, deobicei cu o orientare cristalină predefinită) se crește un monocristal de siliciu sub forma unui strat de cca 20 µm grosime. Ca material purtător se pot utiliza substraturi ceramice, sau siliciu supus unui tratatament superficial. Placa(wafer) formată ca fi deprinsă de stratul purtător care în continuare va putea fi reutilizată. Avantajele procedeului constau în consumul de siliciu semnificativ redus datorită grosimii mici, și lipsa deșeurilor din debitare (pas ce nu mai mai apre în acest procedeu). Randamentul atins este mare și se situează în domeniul celulelor monocristaline.
Celule din siliciu „murdar“
Procesul de topire și impurificare zonală se poate aplica și în cazul suprafețelor plate/straturi. Principiul constă în faptul că impurificarea, prin tratamentul termic (multiplă retopire prin deplasare laterală de exemplu cu ajutorul unui fascicol laser) al siliciului, poate fi concentrată în câteve locuri.

Celule cu concentrator

La acest tip de celulă se economisește suprafață de material semiconductor prin faptul că lumina este concentrată pe o suprafață mai mică prin utilizarea lentilelor, acestea fiind mult mai ieftine decât materialul semiconductor. În mare parte la acest tip de celule se utilizează semiconductori pe bază de elemente din grupa III-V de multe ori aplicate în tandem sau pe trei straturi. Din cauza utilizării lentilelor, panourile cu acest tip de celule trebuie orientate incontinuu perpendicular pe direcția razelor solare.
Celule solare electrochimice pe bază de pigmenți
Acest tip ce cellule se mai numesc și celule Grätzel. Spre deosebire de celulele prezentate pînă acum la celule Grätzel curentul se obține prin absorbție de lumină cu ajutorul unui pigment, utilizându-se oxidul de titan ca semiconductor. Ca pigmenți se utilizează în principiu legături complexe al metalului rar ruthenium, dar în scop demonstrativ se pot utiliza și pigmenți organici, de exemplu clorofila, sau anthocian (din mure) (dar au o durată de viață foarte redusă). Modul de funcționare al acestui tip de celule nu este încă pe deplin clarificat; este foarte probabilă utilizarea comercială, dar tehnologia de producție nu este pusă la punct.
Celule solare din compuși organici
Celule solare din compuși organici utilizează legături carbon-hidrogen care au proprietăți semiconductoare. În acești semiconductori lumina excită goluri/electroni din legăturile de valență, care însă au un spectru de lungime de undă destul de restrâns. De aceea deseori se utilizează două materiale semiconductoare cu nivele de energie puțin diferite pentru a împiedica dispariția acestor purtători. Randamentul pe o suprafață de 1cm² se cifrează la maximal 5 % (situația la nivel de ianuarie 2007).
Celule bazate pe fluorescență​

Este vorba de celule solare, care mai întâi produc lumină de lungime de undă mai mare prin fenomenul de fluorescență, ca mai apoi să o transforme la marginile plăcii.

Celule solare amorfe

Aceste celulea ating un grad avansat de îmbătrânire de până la 25 % în primul an de funcționare de aceea pentru acest tip de panouri solare în caracteristicile tehnice din documentele de însoțire nu se dă puterea atinsă la fabricație 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 acțiunea luminii și este rezultatul așa numitului effect Staebler-Wronski(SWE). În cadrul acestuia siliciul hidrogenat amorf (a-Si:H) metastabil trece printr-o fază de creștere concentrației defectelor cu un ordin de mărime, paralel cu scăderea conductivității și deplasarea nivelului Fermi către mijlocul distanței dintre banda de valență și banda de conducție. După cca 1000 ore de expunere la soare, celulele de siliciu amorf ating un grad de saturare stabil.

Amortizarea energetică și eficiența energetică

Amortizarea energetică este momentul în care energia consumată pentru fabricarea celulei fotovoltaice este egalată de cea produsă în timpul exploatării. Cel mai bine se prezintă din acest punct de vedere celulele cu strat subțire. Un panou solar (fără cadru) cu astfel de celule se amortizează în 2-3 ani, Celulele policristaline necesită până la amortizare cca 3-5 ani, pe când cele monocristaline 4-6 ani. Deoarece un sistem cu panouri solare include și suporții de montare, invertor etc. durata de amortizare energetică se mărește cu cca 1 an.

Protecția mediului

În fabricarea de celule solare se utilizează parțial și materiale dăunătoare sănătății și mediului. Exemplu în acest sens prezintă celulele cu strat subțire CdTe și arseniura de galiu și mult discutatele celule solare de tip CIS și CISG. Producția în masă și utilizarea pe suprafețe extinse a acestora trebuie bine cântărită. Dar și producția de celule cu siliciu tradiționale ascunde pericole pentru mediu. Pentru persoane neavizate aceste riscuri ce sunt legate de procesul de fabricație nu sunt vizibile. Aici intervine cerința de a promova selectiv tehnologiile de fabricare a celulelor solare ce nu distrug mediul și care pe baza progreselor tehnologice promit avantaje concurențiale.



Bibliografie:http://ro.wikipedia.org/wiki/Celul%C4%83_solar%C4%83