Celule solare

O celulă solară este alcătuită 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.

Componente cheie

Celulele solare sunt componenta cheie a fiecărui panou solar. Un solar tipic Si (Poly) are dimensiunile de 156x156 și produce o putere de 4,33 W+. Pentru a crește producția de energie electrică, mai multe celule sunt conectate împreună în serie pentru a forma un panou solar. (sau modul solar). Aceste panouri sunt apoi conectate împreună, în paralel sau în serie, pentru a forma o rețea solară

Care este compoziția celulelor solare?

O celulă fotovoltaică tipică este formată din două sau mai multe straturi de material semiconductor. Unul dintre cele două straturi conține electroni pozitivi (tip P), în timp ce celălalt conține electroni negativi sau găuri (tip N). Limita care separă cele două straturi se numește joncțiune P-N.

Cum funcționează celulele solare?

Lumina soarelui este formată din particule foarte mici, numite fotoni. Fotonii ar putea fi vizualizați ca mici pachete de energie solară. Atunci când acești fotoni lovesc celulele PV, are loc un fenomen foarte interesant și unic: la lovirea celulelor PV, unii dintre fotoni sunt reflectați, în timp ce alții sunt absorbiți. Când o energie suficientă a fost absorbită de electroni (cunoscută și sub denumirea de energie de prag), aceștia se eliberează de structura lor de legătură atomică și migrează către stratul pozitiv, creând o diferență de potențial de tensiune. Dacă există o sarcină externă conectată la celulele fotovoltaice, formând un circuit electric închis, acești electroni circulă prin el din cauza diferenţialului de tensiune, creând electricitate. Această energie electrică ar putea fi apoi utilizată pentru a functiona aparate electrice sau ar putea fi stocată în bănci de baterii pentru utilizare ulterioară sau în perioadele în care nu există lumină solară disponibilă (nopți, zile înnorate). Curentul produs de acest proces este de natură DC (curent continuu). Acesta nu poate fi folosit pentru a alimenta majoritatea sarcinilor uzuale de uz casnic, deoarece aceste sarcini necesită ca curentul să fie AC (curent alternativ). Pentru a converti DC în AC, se folosește un invertor solar.

Funcționează panourile solare în zilele ploioase și în timpul nopții?

Panourile solare funcționează sub ploaie și în zilele înnorate. Cu toate acestea, producția lor este scăzută, cu 70% până la 80% mai mică decât într-o zi însorită medie. De exemplu, dacă sistemul dvs. solar de 1 kW produce 4 kWh pe zi în mod regulat, acest lucru ar putea scădea la 0,8 kWh în cea mai rea vreme.

Cât despre noapte, panourile solare nu produc energie electrică deloc. Motivul este că lumina lunii care provine din reflectarea luminii solare pe suprafața lunii poartă o energie foarte scăzută, atât de scăzută încât nu poate fi transformată în energie electrică de către panourile solare. Energia solară din lumina lunii este de 400.000 de ori mai mică decât lumina soarelui.

Materiale si tipuri de siliciu

Materialul cel mai 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 de panouri 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. 

Îmbătrânirea

Prin îmbătrânire înțelegem modificarea parametrilor de funcționare a elementelor semiconductoare a celulelor solare în timp. În cazul de față în special scăderea randamentului pe parcursul vieții acestora.
Perioada luată în considerare este de cca 20 ani, În condiții de utilizare terestră, randamentul scade cu cca 10 %, pe când în spațiu acest procent se atinge într-un timp mult mai scurt datorită câmpurilor de radiații mult mai puternice.
Pierdere de randament în utilizare se datorează în multe cazuri unor cause banale independente de celulele solare. Aici enumerăm murdărirea suprafețelor sticlei de protecție a modulelor, mucegăirea pornind de la rama modulului, umbrirea modulelor de către vegetația din jur crescută între timp, ingălbirea polimerilor care constituie materialul de contact între celulă și sticlă.

• Celule solare cristaline

La celulele solare actuale randamentul este de cca 12 - 17  %. Adesea fabricantul acordă o garanție 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 îndreptățește utilizarea sistemelor cu panouri solare.

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

• 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.