Соларна ћелија

Из Википедије, слободне енциклопедије
Иди на навигацију Иди на претрагу
Соларна ћелија израђена од плочице (вафера) монокристалног силицијума
Монокристална соларна ћелија

Соларна ћелија (фотонапонска ћелија) је полупроводички уређај који претвара сунчеву енергију директно у електричну помоћу фотоелектричног ефекта. Групе ћелија формирају соларне модуле, познате и као соларни панели или фотонапонска плоча. Енергија произведена соларним модулима је пример соларне енергије.

Ћелије се означавају као фотонапонске ћелије када извор светлости није нужно сунчева светлост. Оне се користе за детекцију светлости или других облика електромагнетског зрачења близу видљивог спектра, на пример детектори инфрацрвеног светла, или мерење интензитета светлости. Ефикасност им је од 10% за јефтиније израде са аморфним силицијумом, до 25% за скупље израде. За сада су још увек економски нерентабилни, јер им је цена око 6000$/kW.

Принцип рада фотонапонске ћелије[уреди]

Шема кућног система фотонапонских ћелија

Фотонапонске ћелије могу се користити као самостални извори енергије или као додатни извор енергије. Као самостални извор енергије користи се нпр. на сателитима, знаковима на путу, калкулаторима и удаљеним објектима који захтевају дуготрајни извор енергије. У свемиру је и снага сунчевог зрачења пуно већа, јер Земљина атмосфера апсорбује велики део зрачења, па је и добијена енергија већа. Као додатни извори енергије, фотонапонске ћелије могу се прикључити на електричну мрежу, али за сада је то неисплативо.

Историја соларних ћелија[уреди]

Појам „фотонапонско“ долази од грч. φῶς - phōs са значењем светлост. Појам "фотонапонско" је у енглеском језику у употреби од 1849.[1]

Фотоелектрични ефект је 1839. открио француски физичар А. Е. Бекуерел, али је тек 1883. израђена прва соларна ћелија. Израдио ју је Чарлс Фритс, тако што је прекрио полупроводник селен изразито танким слојем злата да створи спојеве. Ефикасност уређаја била је само око 1%. 1888. руски физичар Александар Столетов израдио је прву фотоелектричну ћелију утемељену на вањском фотоелектричном ефекту који је открио Хајнрих Херц 1887.г. Алберт Ајнштајн је 1905. објаснио фотоелектрични ефект због чега је добио и Нобелову награду за физику 1921. године. Расел Охл је 1946. патентирао модерну полупроводничку соларну ћелију,[2] која је откривена током рада на унапређењима у изради транзистора.

Bell производи прву практичну ћелију[уреди]

Прва модерна фотонапонска ћелија произведена је 1954. од стране компаније Бел лабораторије (енгл. Bell Laboratories).[3] Високоучинску соларну ћелију први су произвели Дарил Чапин, Калвин Сатер Фулер и Џералд Пеарсон 1954. користећи дифузни силицијумски p-n спој.[4] Ћелије су испрва рађене за играчке и остале ситне потребе, јер је цена струје коју су производиле била врло висока – у релативним појмовима, ћелија која је производила 1 W електричне снаге по јаком сунцу коштала је $250, у поређењу са $2-$3 та струју из електране на угаљ.

Соларне ћелије су спашене од заборава предлогом да се уграде у сателит Вангуард 1. Према оригиналним плановима, сателит би се напајао само батеријама и трајао кратко време док се не истроше. Додавши ћелије извана на труп, време мисије се могло продужити без већих измена на свемирској летилици или њеним електричним водовима. Испрва је постојао скептицизам, али соларне ћелије су се у пракси показале великим успехом, и убрзо су додате на многе нове сателите, посебно Белов властити Телстар.

У идуће две деценије напредак је био спор, једина раширена употреба била је у свемирским применама, где је њихов однос снаге према маси био већи од било које конкурентске технологије. Међутим тај успех је уједно био и разлог спором напретку. „Свемирски“ корисници су били спремни да плате било коју цену за најбоље могуће ћелије, тако да није било разлога за инвестирање у јефтинија решења. Умјесто тога, цена ћелија била је одређена углавном од стране индустрије полупроводника. Прелазак на интегририсана кола у 1960-има довео је до доступности већих комада кристала по релативно нижим ценама. Како је њихова цена падала, тако је падала и цена ћелија. Ипак, ти ефекти су били ограничени све до 1971. године, кад су трошкови ћелија процењени на око $100 по вату.[5]

Берманове редукције цена[уреди]

У касним 1960-има, Елиот Берман је истраживао нов метод за производњу силицијумске сировине у тракастом процесу (енгл. ribbon process). Наишао је на слаб интерес за пројект и није могао наћи новчана средства за његов развој. Касније је, игром случаја, представљен тиму у компаније Ексон (енгл. Exxon), који је тражио пројекте за наредних 30 година. Група је закључила да ће електрична енергија бити много скупља до 2000. године, и претпоставили су да ће то повећање цене учинити нове алтернативне изворе енергије, међу којима су најзанимљивији соларни, атрактивнијима. Берман се 1969. прикључио лабораторији Ексона у Линдену у Њу Џерзију званом Соларна снага корпорација (енгл. Solar Power Corporation, СПЦ).[6]

Његово прво веће настојање било је да се истражи потенцијално тржиште како би се видело који су могући начини употребе новог производа. Убрзо су открили да постоји значајна потражња, уколико долари по вату падну са тадашњих $100/ват на отприлике $20/ват. Знајући да би се његов концепт траке развијао годинама, тим је почео тражити начине за постизање границе $20/ват употребом постојећих материјала.[6]

Први напредак било је запажање да су постојеће ћелије базиране на стандардном процесу производње полупроводника, иако то није било оптимално. Поступак је почињао с комадом кристала, који се резао на дискове зване вафери (плочице), који се затим полирају и потом, за употребу у ћелијама, превлаче антирефлексијским слојем. Берман је примијетио да грубо изрезани вафери већ имају савршено одговарајућу антирефлексијску предњу површину. Штампањем електрода директно на ту површину, два значајна корака у производњи ћелија тиме су отклоњена. Тим је такође истражио начине за побољшање уградње ћелија у низове, отклањајући скупе материјале и ручно ожичење кориштене у свемирским применама уз помоћ штампане плочице на полеђини, акрилне пластике сприједа те лепила базираног на силицијуму између, које затвара ћелије. Међутим највеће постигнуће у постизању ниже цијене било је Берманово схваћање да је постојећи силицијум ефективно био "предобар" за употребу у соларним ћелијама; ситне несавршености које би упропастиле цели комад кристала (или појединачни вафер) за електронику, имале би безначајан утицај у соларној примјени.[7]

Уводећи све ове промене у праксу, компанија је отпочела куповати "одбачен" силицијум од постојећих произвођача по врло ниским ценама. Користећи највеће доступне вафере, према томе умањујући количину ожичења за дату површину панела, и њиховим паковањем у панеле употребом властите нове методе. До 1973. године SPC је производио панеле по $10 и продавао их по $20 – петоструко снижење цене у две године.

Навигацијско тржиште[уреди]

СПЦ је приступио компанијама које производе пловеће светионике као свом природном тржишту, међутим наишао је на занимљиву ситуацију. Водећа компанија у том послу била је Аутоматска Снага (енгл. Automatic Power), произвођач батерија. Схвативши да би им соларне ћелије могле одузети део профита од батерија, Аутоматик је откупио права на ранији дизајн ћелија и потиснуо их. Видевши да ту нема интереса, СПЦ се окренуо Тиделанд сигналу, другом произвођачу батерија основаном од стране бивших менаџера Аутоматика Тиделанд је ускоро представио светионик напајан соларном енергијом и тиме нарушио Аутоматиково пословање.

Избор момента није могао бити погоднији; стрмоглаво повећање броја нафтних платформи на мору и постројења за утовар створило је големо тржиште међу нафтним компанијама. Како је богатство Тиделанда повећано, компанија Аутоматска Снага је почела да тражи властитог снабдевача соларних панела. Нашли су Била Јеркса из компаније Соларна снага интернационал (енгл. Solar Power International СПИ) у Калифорнији, који је тражио тржиште. СПИ је ускоро купљен од стране једног од својих највећих клијената, нафтног гиганта АРЦО-а, створивши АРЦО Солар. Компанија АРЦО Солар у Камарилу у Калифорнији била је прва намијењена искључиво производњи соларних панела, и у непрекидном је погону од куповине 1977. до данашњег дана.

Ово је тржиште, заједно с нафтном кризом 1973., довело до занимљиве ситуације. Нафтне компаније су сада имале пуно новца због великих профита током кризе, а биле су такође свесне да им будући успех зависи од неког другог облика енергије. Током идућих неколико година, веће нафтне компаније су покренуле низ соларних компанија, те су током више деценија биле највећи произвођачи соларних панела. Exxon, ARCO, Shell, Amoco (касније купљен од стране БП-а), Мобил, све су имале значајне соларне оделе током 1970.-их и 80-их. Технолошке компаније су такође имале одређена улагања, укључујући General Electric, Motorolu, IBM, Tyco и RCA.[8]

Даља побољшања[уреди]

Побољшања од времена Бермановог рада су снизила трошкове производње на испод $1/ват, с велепродајном ценом реда $2. Трошкови остатка уређаја (трошкови система) су сада постали већи од трошкова самих ћелија; у великим комерцијалним пољима панела у погону су износили око $5/ват у 2010. години.

Како је индустрија полупроводника ишла на све веће и веће комаде кристала, старија опрема је постала доступна по распродајним ценама. Ћелије су доступношћу те опреме такође расле у величи. ARCO Соларови оригинални панели су користили ћелије од 2 до 4 инча у пречнику. Панели у 1990.-има и раним 2000.-има углавном користили 5 инчне вафере, а од 2008. готово сви нови панели користе 6 инчне ћелије. Још једна велика промена био је прелазак на поликристални силицијум. Тај материјал има мањи учинак, али је јефтинији за масовну производњу. Свеобухватно увођење телевизора с равним екраном у касним 1990.-има и раним 2000.-има довело је до широке доступности великих плоча висококвалитетног стакла, кориштених на предњој страни панела.

Друге технологије су такође дошле на тржиште. Компанија Први солар (енгл. First Solar) је нарастао у највећег произвођача панела у погледу годишње произведене снаге, кориштењем ћелије од танког филма између два слоја стакла. То је био први производ који је срушио трошкове производње испод $1/ват.[9] Отада је изобиље поликристалног силицијума потиснуло цене конвенционалних панела на исту сразмеру.

Примена[уреди]

Поликристалне силицијумске фотонапонске ћелије у модулу ламелиране за позадински материјал
Поликристалне фотонапонске ћелије

Соларне ћелије се често електрично спајају и затварају у модуле. Фотонапонски модули углавном имају стаклену плочу спреда (према сунцу), пропуштајући светло и у исто време штитећи полупроводник од огреботина и утицаја ветром ношених честица, кише, града, итд. Соларне ћелије су такође често серијски спојене у модуле, стварајући збирни напон. Ако се споје паралелно, то формира већу струју. Модули се затим међусобно спајају, серијски или паралелно, или на оба начина, да би се створило поље са жељеним вршним вредностима истосмерног напона и струје.

Како би се практично искористила енергија добијена од сунца, електрицитет се најчешће предаје у електричну мрежу употребом инвертора, та је то фотонапонски систем спојен на мрежу. У самосталним системима за чување енергије која тренутно није потребна користе се батерије. Соларни панели се могу користити за погон или пуњење преносивих уређаја.

Теорија[уреди]

Рад соларне ћелије одвија се у три корака:

  • Фотони из сунчеве светлости ударају у соларни панел и полупроводнички материјали попут силицијума их апсорбираје.
  • Електрони се потискују из атома и постају слободни, те могу да слободно теку материјалом, чиме се формира струју. Због посебне грађе соларних ћелија, електрони се могу кретати само у једном смјеру.
  • Поље соларних ћелија претвара енергију сунца у употребљиву количину једносмерне струје (DC).

Технологија фотонапонске ћелије[уреди]

Фотонапонска ћелија се састоји од материјала полупроводника као што је силицијум, који се допује фосфором у првом N-силицијум слоју за негативно наелектрисање и бором P-силицијум у другом за позитивно наелектрисање. Силицијум се користи јер је најобилнији елемент нађен у природи (у песку) и има специјалне хемијске карактеристике, где атом силицијума садржи 14 електрона који су подељени у три прстена. Унутрашња два прстена су потпуно пуна, а трећи прстен је полу пун и садржи 4 електрона од могућих 8. Када се два атома силицијума споје, креира се чврста веза и нема слободних електрона који могу да преносе електрични ток.

Због ових чврстих веза се у силицијум додају "нечистоће", као што су фосфор и бор. Атом фосфора има 5 електрона у спољашњем прстену, а веза између силицијума и фосфора оставља један слободан електрон. Када сунце реагује на ове атоме, уз мало енергије се пети, слободни електрон фосфора, ослобађа. Ови електони слободно путују кроз кристалну мрежу, тражећи слободно место да се повежу и тако се ствара струјни ток.

Други део је допован бором, који има сам три електрона у свом спољашњем прстену и назива се П-типом силицијума, због позитивног наелектрисања. Оваква структура нема слободне електроне, али има једно празно место које може да прихвати слободан електрон који "шета" по структури и тако ствара електрични ток, односно струју.

Принцип рада вишеслојне фотонапонске ћелије

Ефикасност[уреди]

Ефикасност соларне ћелије се може поделити на ефикасност рефлексије, термодинамичку ефикасност, ефикасност одељивања носилаца набоја и ефикасност проводљивости. Укупна ефикасност је производ свих наведених појединачних компоненти.

Због тешкоћа у директном мерењу тих параметара, уместо њих мере се: термодинамичка ефикасност, квантна ефикасност, интегрисана квантна ефикасност, однос VOC, и фактор пуњења. Губици рефлексије су део "спољашње квантне ефикасности". Губици рекомбинације сачињавају део квантне ефикасности, односа VOC, и фактора пуњења. Губици отпора су углавном сврстани под фактором пуњења, међутим такође чине мањи део квантне ефикасности и VOC.

Уређаји од кристалног силицијума се приближавају теоријској граници ефикасности од 29%.

Цена[уреди]

Цена соларне ћелије се даје по јединици максималне електричне снаге. Трошкови производње нужно укључују и цену енергије потребне за производњу. У свету тарифе за предају соларне енергије у мрежу варирају, чак и унутар исте земље.[10] Такве тарифе могу бити веома ефикасне у подршци развоја пројеката соларне енергије.

Соларне ћелије високе ефикасности су од интереса у погледу смањења трошкова соларне енергије. Многи трошкови соларне електране су пропорционални површини електране; ћелије веће ефикасности могу умањити површину и цену електране, чак и ако су ћелије саме по себи скупље. Ефикасност самих ћелија, да би биле корисна у процењивању економичности соларне електране, се мора вредновати по реалним условима. Основни параметри су струја кратког споја и напон празног хода.[11]

Графикон с десне стране приказује највише лабораторијске ефикасности добијене за разне материјале и технологије. Обично се мери на врло малим ћелијама, око 1 цм². Комерцијалне ефикасности су значајно ниже.

Репортед тимелине оф солар целл енергy цонверсион еффициенциес (фром Натионал Ренеwабле Енергy Лабораторy (УСА)

Јефтина фотонапонска ћелија је ћелија од танког филма намењена производњи електричне енергије по цени упоредивој са ценом традиционалних извора енергије (фосилна горива и нуклеарна енергија). То укључује фотонапонске ћелије друге и треће генерације, које су јефтиније од прве генерације (ћелије од кристалног силицијума, такође зване вафер или масовне ћелије).

Паритет мреже, тачка у којој је фотонапонска енергија једнака или јефтинија од цене енергије мреже, може се досегнути употребом јефтиних соларних ћелија. Најприје је остварен у подручјима с обиљем сунца и скупом електричном енергијом, попут Калифорније и Јапана.[12] Паритет мреже је досегнут и на Хавајима и другим острвима која иначе користе дизел за производњу енергије. Џорџ V. Буш је поставио 2015. као годину паритета мреже у САД.[13][14] У говору на конференцији 2007., главни инжењер Генерал Електрика је предвидео да ће се паритет мреже без субвенција постићи у сунчаним дијеловима САД-а око 2015. године.[15]

Цена соларних панела је континуирано падала током задњих 40 година, до 2004. када су високе субвенције у Немачкој тамо драстично повећале потражњу, и значајно повећале цену пречишћеног силицијума (који се користи и у рачунарским чиповима). Једна истраживачка компанија предвиђа да ће нови производни капацитети, који су почели радити 2008.г. снизити цене за 70% до 2015. године. Други аналитичари упозоравају да би капацитети могли бити успорени због економских разлога, али да ће потражња пасти ради мањих субвенција. Остала потенцијална уска грла су капацитет индустрије израде полуга силицијума и њиховог резања на плочице, те снабдевање специјалним хемикалијама кориштеним за облагање ћелија.[16]

Тренд раста употребе фотонапонских ћелија[уреди]

Пхотоволтаицс целл продуцтион.свг

У Европској унији тренутно је 40% годишњи раст инсталиране снаге фотонапонских ћелија. То се наизглед чини као велики раст, али ту ипак ради о врло малим количинама, па раст од 40% не утиче посебно на укупну заступљеност таквих извора енергије.

2000. година[уреди]

У 2000. години у Европској унији било је инсталирано 183.5 MWp, а то је 43,6 % повећања у односу на 1999. I у том подручју Немачка је са 113.8 MWp (укључујући 100 MWp прикључених на електричну мрежу) водећа држава у Европи. Тако велики удео може се захвалити Немачком закону о обновљивим изворима енергије. По том закону откупна цена енергије из фотонапонских ћелија је 0.5 евра по kWh за првих 350 MWp.

2010. година[уреди]

План Европске уније био је инсталирање 3000 MWp до 2010. године, али се испоставило да је до тада инсталирано 1780 MWp.

2020. година[уреди]

Државе Европске уније задале су себи амбициозан циљ да повећају удео обновљивих извора енергије са 8,5 % у 2005. години на 20% целокупне потрошње енергије у Европској унији до 2020. године. Ово повећање удела обновњивих извора енергије је нужни допринос у борби са глобалним климатским променама и велики искорак према већој енергетској независности Уније, што је такође врло важан дугорочни циљ држава чланица Европске уније. Боља контрола енергетске зависности све је важнија због високе цене сирове нафте и нестабилне политичке и економске ситуације у Украјини, а та ситуација увек може резултовати смањењем снабдевања Уније природним плином из Русије.

Материјали[уреди]

Максимална теоријска ефикасност соларне ћелије.

Различити материјали имају различиту ефикасност и цену. Материјали за ефикасне соларне ћелије морају имати карактеристике које се слажу са спектром доступног светла. Неке ћелије су направљене тако да ефикасно претварају таласне дужине сунчевог светла које допире до Земљине површине. Постоје и ћелије које су оптимизоване за апсорпцију светла изван атмосфере. Материјали који апсорбирају светлост често се могу користити у "вишеструким физичким конфигурацијама", како би се искористили различити механизми апсорпције светла и раздвајања набоја.

Материјали тренутно кориштени за фотонапонске соларне ћелије укључују монокристални силицијум, поликристални силицијум, аморфни силицијум, кадмијум телурид и бакар индијум селенид/сулфид.[17]

Многе тренутно доступне соларне ћелије израђене су од комада материјала резаног у плочице (вафера). Њихова дебљина је између 180 до 240 микрометара. Оне се обрађују попут осталих полупроводника.

Други материјали су направљени као слојеви танког филма, органских пигмента или органских полимера који се депонују на потпорне супстрате. Трећа група је направљена од нанокристала и кориштена као квантне тачке (ноночестице са ограниченим електронима). Силицијум је и даље једини материјал који је добро истражен у облику "комада" и у облику "танког филма".

Кристални силицијум[уреди]

Основна структура соларне ћелије и механизам њихова рада

Далеко најраспрострањенији масивни материјал за соларне ћелије је кристални силицијум (c-Si), такође познат и као "силицијум соларног квалитета". Масивни силицијум се дијели у више категорија према кристалности и величини кристала настале полуге, траке, или плочице.

  1. Монокристални силицијум (c-Si): често добијен процесом Чохралског. Плочасте ћелије од једног кристала обично су скупе, и пошто су резане из цилиндричних полуга не покривају потпуно правоугаони соларни модул без значајних губитака рафинираног силицијума. Зато многи c-Si панели имају непокривене празнине у угловима ћелије.
  2. Поли- или мултикристални силицијум (поли-Si или mc-Si): направљен од ливених правоугаоних полуга — велики блокови растопљеног силицијума су пажљиво охлађени и очврснути. Поли-Si ћелије су јефтиније за производњу него ћелије од једног кристала силицијума, али су мање ефикасне. Подаци с САД ДОЕ показују да је продаја мултикристалног силицијума већ надмашила продају монокристалног.
  3. Тракасти силицијум[18] је тип мултикристалног силицијума. Он се формира извлачењем равних танких филмова из растопљеног силицијума, а резултује у мултикристалној структури. Те ћелије имају нижу ефикасност од поли-Si, али штеде на трошковима израде због великог смањења силицијумског отпада, јер тај приступ не захтева резање из полуга.

Аналитичари предвиђају да ће цене поликристалног силицијума пасти, јер компаније граде додатне капацитете за израду полисилицијума брже од пројектоване индустријске потражње. С друге стране, трошак производње унапређеног силицијума металуршког ранга, познатог и као UMG Si, може потенцијално имати шестину трошка израде полисилицијума.[19]

Произвођачи плочастих (вафер) ћелија одговарају нижим ценама танких филмова с убрзаним смањењем потрошње силицијума код израде. Према Џефу Пуртмансу, директору ИМЕЦ-овог соларног одељења, тренутне ћелије користе између осам и девет грама силицијума по вату генериране снаге, с дебљинама плочица око 0.200 мм. 2008. на пролећној конференцији стручњака за фотонапонске примене (енгл. IEEE Photovoltaic Specialists' Conference/PVS'08), Џон Вохлгемут, научник из БП Солара, објавио је да његова компанија има одобрене модуле базиране на плочицама дебљине 0.180 mm, и да тестирају процесе за 0.160 mm резане жицом дебљине 0.1 mm. IMEC-ов план развоја, представљен на недавном годишњем сусрету организације, предвиђа употребу плочица дебљине 0.08 mm до 2015. године.[20]

Танки филмови[уреди]

Технологије танког филма смањују количину материјала потребног за израду соларне ћелије. Премда то умањује трошкове материјала, такође може да умањи ефикасност претварања енергије. Силицијумске ћелије танког филма постале су популарне због цене, флексибилности, мање тежине и лакоће интеграције, у поређењу с плочастим силицијумским ћелијама.

Кадмијум телуридне соларне ћелије[уреди]

Кадмијум телуридне соларне ћелије користе танки филм кадмијум телурида (CdTe) као полупроводнички слој за апсорпцију и претварање сунчевог светла у електрицитет.[21]

Кадмијум присутан у ћелијама је токсичан ако се испусти. Међутим испуштање је немогуће током нормалног погона ћелије, и мало је веројатно у случају пожара на стамбеном крову.[22] Квадратни метар CdTe садржи отприлике исту количину кадмијума као једна никл-кадмијумска батерија типа C, у стабилнијем и слабије топивом облику.[22]

Бакар индијум селенид[уреди]

Бакар индијум галијум селенид - CIGS) је материјал директног енергетског прелаза. Он има највећу ефикасност међу материјалима танког филма (~20%). Традиционалне методе производње обухватају процесе у вакууму укључујући вештачко испаравање и распршивање. Недавна истраживања у ИБМ-у и Наносолару су за циљ имала смањење цене користећи обраду растопа без вакуума.

Вишеспојни галијум арсенид[уреди]

Високо ефикасне вишеспојне ћелије су оригинално биле развијене за посебне намене, попут сателита и истраживања свемира. Међутим, у данашње време би њихова употреба у концентраторима на Земљи могла бити алтернатива с најнижом ценом израженом у $/kWh и $/W.[23] Вишеспојне ћелије се састоје од вишеструких танких филмова израђених кориштењем металорганске епитаксе парне фазе. Троструко спојна ћелија се на пример може састојати од полупроводника: GaAs, германијума (Ge) и индијума (GaInP2).[24] Сваки тип полупроводника има карактеристичну енергију расцепа, која узрокује да полупроводник најефикасније апсорбује светлост одређене боје, или прецизније, да апсорбује електромагнетно зрачење из дела спектра. Полупроводници се пажљиво одабиру тако да упијају готово цели сунчев спектар, те да генеришу електрицитет из што је могуће више сунчеве енергије.

Вишеспојне ћелије базиране на GaAs су досад најефикасније. 2010. године троструко спојна метаморфна ћелија је досегла рекорд од 42.3%.[25]

Ова технологија се тренутно користи у мисијама ровера за истраживање Марса, које су у погону далеко дуже од њиховог дизајнираног века трајања од 90 дана.

Тандемске соларне ћелије базиране на монолитним, серијски спојеним pn-спојевима галијум индијум фосфата (GaInP), галијум арсенида GaAs и германијума Ge, доживљавају стрми раст потражње. У само 12 мјесеци (12/2006 – 12/2007), цена метала 4N галијума је порасла с око $350/kg на $680/kg. Такође, цене метала германијума су знатно порасле, до $1000–$1200/kg протекле године (2010).

Троструко-спојене GaAs соларне ћелије се такође користе као извор енергије четвороструког холандског побједника у Светском соларном изазову, Нуна у 2003., 2005. и 2007., те у холандским соларним аутомобилима Солутра (2005), Двадест један (2007) и 21Revolution (2009).

Холандски Радбоуд универзитет Најмеген је поставио рекорд у ефикасности соларних ћелија од танког филма на 25,8 % 2008. користећи једноспојни GaAs дебљине слоја само 4 µm, који се може пренети с базе плочице (вафера) на стаклени или пластични филм.

Фотоосетљиви пигменти (DSSC)[уреди]

Ћелије с фотоосетљивим пигментима су направљене од јефтиних материјала. Оне не захтевају сложену опрему за производњу, па се могу израдити и путем "уради сам" технике. У великим количинама се очекује да ће бити знатно јефтиније од старијих дизајна ћелија у техници чврстог стања. DSSC-ови се могу израдити као савитљиви листови, и премда им је ефикасност претварања мања од најбољих ћелија од танког филма, однос перформанса/цена би требао бити довољно висок да им омогући такмичење с производњом електричне енергије из фосилних горива. DSSC је развио професор Мајкл Гратцел 1991. на Швајцарском федералном технолошком институту (EPFL).

Типично се користи металоргански пигмент рутенијума као монослој материјала осетљивог на светлост. Ћелије с фотоосјетљивим пигментима зависе од порозног слоја наночестичног титан диоксида који знатно повећава површину материјала (200–300 m²/g TiO2, у поређењу са 10 m²/g равног појединачног кристала). Фотогенерисани електрони из "фотоосетљивог пигмента" се предају TiO2 n-типа, а шупљине апсорбира електролит на другој страни пигмента. Електрични круг се затвара редокс везом у електролиту, која може бити течна или чврста материја. Овај тип ћелије омогућава флексибилнију употребу материјала и типично се производи штампањем на филм и/или употребом ултразвучних млазница, с потенцијалом ниже цене обраде него оне код масивних соларних ћелија. Међутим, пигменти у овим ћелијама су подложни деградацији под утицајем топлоте и УВ светла, а кућиште ћелија је тешко запечатити због растварача кориштених у уређају. Упркос тога, ово је популарна технологија у помолу, с предвиђањима комерцијалног утицаја током ове деценије. Прву комерцијална пошиљка DSSC соларних модула је пласирала на тржиште 2009. компанија Г24и Иновације (енгл. G24i Innovations).

Органске/полимерне соларне ћелије[уреди]

Органске соларне ћелије су релативно нова технологија, која има потенцијал да знатно смањи цене (у поређењу са силицијумом у танком филму) и стога да омогући бржи повратак инвестиција. Ове ћелије могу бити обрађене из раствора, па отуда могућност једноставног процеса исписа који води до јефтине производње на велико.

Органске и полимерне соларне ћелије су израђене од танких филмова (типично 100 nm) органских полупроводника, попут полифенилен винилена и спојева малих молекула попут бакар фталоцијанина (плави или зелени органски пигмент), и фулерена и деривата фулерена попут PCBM. Ефикасности претварања енергије употребом проводних полимера достигнуте до данас су ниске у поређењу с неорганским материјалима. Знатна побољшана су остварена у задњих неколико година. Највиша потврђена ефикасност је 6.77%. Ове ћелије би такође могле бити корисне у применама где су битни механичка флексибилност и могућност нешкодљивог уклањања.

Ови уређаји се разликују од ћелија начињених од неорганских полупроводника по томе што се не ослањају на велико уграђено електрично поље PN споја за раздвајање електрона и шупљина створених при упијању фотона. Активно подручје органске ћелије састоји се од два материјала, једног који делује као донор електрона, и други као прималац. Када се фотон претвори у пар електрон-шупљина, типично у донорском материјалу, набоји теже да остану везани у облику ексцитона и раздвајају се када ексцитон дифундира на спој донор-прималац. Кратке дифузијске даљине ексцитона већине полимерних система ограничавају ефикасност таквих уређаја. Наноструктурни спојеви, понекад у облику великих хетероспојница, могу поправити ефикасност.[26]

Танки филм силицијума[уреди]

Ћелије од танког филма силицијума углавном су израђене хемијским парном депозицијом (обично појачаном плазмом - PE-CVD) гаса силана и водоника. Зависно од параметара таложења, тиме се може добити:[27]

  1. Аморфни силицијум (а-Si или а-Si:H)
  2. Протокристални силицијум, или
  3. Нанокристални силицијум (nc-Si или nc-Si:H), такође зван микрокристални силицијум.

Пронађено је да је протокристални силицијум с малим запреминским уделом нанокристалног силицијума оптималан за велики напон отвореног круга.[28] Ови типови силицијума формирају климаве и увијене везе, које резултују у дубоким дефектима (енергијским нивоима у енергетском процепу), као и деформацијама валентног и водљивог појаса (реп појаса). Соларне ћелије направљене од ових материјала углавном имају нижу ефикасност претварања енергије од обичног силицијума, али су и јефтиније за израду. Квантна ефикасност соларних ћелија од танког филма је такође нижа због мањег броја прикупљених носилаца набоја по упадном фотону.

Соларна ћелија од аморфног силицијума (а-Si) је израђена од аморфног или микрокристалног силицијума и њена основна електроничка структура је п-и-н спојница. Пошто аморфна структура има виши постотак апсорпције светлости од кристалних ћелија, целокупни спектар светлости може бити апсорбован врло танким слојем фотоелектрично активног материјала. Филм дебљине само 1 микрон може апсорбовати 90% употребљиве соларне енергије.[29] Производња а-Si соларних ћелија танког филма користи стакло као супстрат и таложи врло танки слој силицијума PE-CVD поступком. Произвођачи а-Si раде на појефтињењу добијене енергије и вишој ефикасности претварања континуираним истраживањима и развојем вишеспојних соларних ћелија за соларне панеле.[30]

Аморфни силицијум има виши енергетски процеп (1.7 eV) од кристалног силицијума (c-Si, 1.1 eV), што значи да апсорбује видљив део спектра сунчеве светлости јаче од инфрацрвеног дела. Пошто "nc-Si" има отприлике исти енергетски процеп као c-Si, nc-Si и а-Si се могу погодно комбиновати у танке слојеве, стварајући слојевиту ћелију такозвану "тандемску ћелију". Горња ћелија од а-Si апсорбира видљив део светлости и оставља инфрацрвени део спектра доњој ћелији од nc-Si.

Недавно су развијена решења за савладавање ограничења кристалног силицијума у танком филму. Шеме хватања светлости где се слабо апсорбујућа светлост велике таласне даљине посредно спреже са силицијумом и прелази преко филма неколико пута, може знатно увећати апсорпцију сунчеве светлости у танким филмовима силицијума.[31] Технике термалне обраде могу знатно унапредити квалитет кристала силицијума и према томе водити до веће ефикасности добивених соларних ћелија.[32]

Производња[уреди]

Пошто су соларне ћелије полупроводички уређаји, они деле многе технике обраде и производње с осталим полупроводичким уређајима попут рачунара и меморијских чипова. Међутим, захтеви за чистоћом и контролом квалитета израде полупроводника нису толико строги за соларне ћелије. Већина великих комерцијалних произвођача соларних ћелија данас израђује соларне ћелије од поликристалног силицијума. Из појединачних кристалних плочица које се користе у полупроводичкој индустрији могу се израдити изврсне високо ефикасне соларне ћелије, али се сматрају прескупим за масовну производњу.

Плочице од поликристалног силицијума израђују се пиљењем ливених полуга силицијума жицом у врло танке (180 до 350 микрометара) кришке или плочице. Плочице су обично слабо допирани полупроводници p-типа. За добивање соларне ћелије из плочице, изводи се површинска дифузија допаната n-типа с предње стране плочице. То ствара p-n спој неколико стотина нанометара испод површине.

Обично се примењује антирефлексијска превлака, за повећање количине искоришћене светлости у ћелији. Силицијум нитрид је поступно замијенио титан диоксид као антирефлексијску превлаку због својих изврсних способности пасивизације површине. Он спречава рекомбинацију носилаца набоја на површини соларне ћелије. Обично се примјењује у слоју дебелом неколико стотина нанометара употребом PE-CVD поступка. Неке соларне ћелије имају текстуриране предње површине које, попут антирефлексијских облога, служе увећању количине светлости искориштене у ћелији. Такве се површине обично могу формирати само на појединачним кристалима силицијума, иако су се задњих година развиле методе њиховог формирања на мултикристалном силицијуму.

Плочици се тада додаје метални контакт по целој задњој површини, и мрежасти метални контакт направљен од танких "прстију" и већих "сабирница" које се штампају на заслон предње површине употребом сребрне пасте. Стражњи контакт се такође формира штампањем металне пасте на заслон, обично алуминијске. Тај контакт најчешће покрива целу задњу страну ћелије, иако се у неким дизајнима ћелија штампа у мрежасти узорак. Паста се затим греје на неколико стотина степени Целзијуса да формира металне електроде у омском контакту са силицијумом. Неке компаније користе додатни корак електро-анодирања да увећају ефикасност ћелије. Након што се израде метални контакти, соларне ћелије се међусобно спајају у серију (и/или паралелу) плоснатим жицама или металним тракама и састављају у модул или "соларни панел". Соларни панели имају с предње стране плочу тврдог стакла, а са задње стране чауру од полимера.

Животни век[уреди]

Већина комерцијално доступних соларних ћелија способна је да производи електрицитет барем двадесет година без значајног пада ефикасности. Типично јамство произвођача панела је на период од 25 - 30 година, у којему излаз ћелије неће опасти испод одређеног постотка (око 80%) називног капацитета.[33]

Предмети истраживања[уреди]

Тренутно је много истраживачких група активно на пољу фотоелектрицитета у академским и истраживачким установама по целом свету. Та истраживања се могу поделити у три подручја:

  1. јефтинија израда соларних ћелија у доступним технологијама и/или повећање њихове ефикасности да се могу успешно натицати с осталим изворима енергије
  2. развој нових технологија базираних на новим архитектонским дизајнима соларних ћелија
  3. развој нових материјала као апсорбера светлости и носилаца набоја.

Примери соларних панела са фотонапонским ћелијама[уреди]

Види још[уреди]

Референце[уреди]

  1. ^ Смее 1849, стр. 15.
  2. ^ "Лигхт сенситиве девице" УС патент #2402662, Иссуе дате: Јуне 1946
  3. ^ К. А. Тсокос, Пхyсицс фор тхе ИБ Диплома Фифтх едитион. Цамбридге: Цамбридге Университy Пресс.2008. ISBN 978-0-521-70820-3.
  4. ^ Perlin, John (2004). „The Silicon Solar Cell Turns 50” (PDF). National Renewable Energy Laboratory. Приступљено 5. 10. 2010. 
  5. ^ John Perlin, "From Space to Earth: The Story of Solar Electricity". Harvard University Press.2002. стр. 50.
  6. 6,0 6,1 John Perlin, "From Space to Earth: The Story of Solar Electricity". Harvard University Press.2002. стр. 53.
  7. ^ John Perlin, "From Space to Earth: The Story of Solar Electricity". Harvard University Press.2002. стр. 54.
  8. ^ Information, Reed Business (1979). New Scientist. Reed Business Information. ISSN 02624079 Parameter error in {{issn}}: Invalid ISSN.. 
  9. ^ „"First Solar Passes $1 Per Watt Industry Milestone". Архивирано из оригинала на датум 29. 10. 2013. Приступљено 26. 10. 2013. 
  10. ^ Solar Feed in Tariffs. Solarfeedintariff.net. Приступљено 2011-01-19.
  11. ^ Gupta, R.; Alapatt; Podila; Singh; K.F. Poole (2009). „Prospects of Nanostructure-Based Solar Cells for Manufacturing Future Generations of Photovoltaic Modules”. International Journal of Photoenergy. 2009: 1. doi:10.1155/2009/154059. 
  12. ^ BP Global – Reports and publications – Going for grid parity. Bp.com. Приступљено 2011-01-19.
  13. ^ BP Global – Reports and publications – Gaining on the grid. Bp.com. Приступљено 2011-01-19.
  14. ^ The Path to Grid Parity (Graphic)
  15. ^ Wynn, Gerard (19. 10. 2007). „Solar power edges towards boom time”. Reuters. Приступљено 29. 7. 2009. 
  16. ^ Solar rally, The Economist, 28 August 2008
  17. ^ Mark Z. Jacobson (2009). Review of Solutions to Global Warming, Air Pollution, and Energy Security. pp. 4.
  18. ^ „String ribbon silicon solar cells with 17,8 % efficiency” (PDF). 
  19. ^ Charting a Path to Low-Cost Solar. Greentech Media (2008-07-16). Приступљено 2011-01-19.
  20. ^ Katherine Derbyshire (9. 1. 2009). „Wafer-based Solar Cells Aren't Done Yet”. 
  21. ^ Solar Energy Industry Research and Consultancy. Solarbuzz. Приступљено 2011-01-19.
  22. 22,0 22,1 Fthenakis Vasilis M. (август 2004). „Life cycle impact analysis of cadmium in CdTe PV production”. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 8: 303—334. 
  23. ^ Swanson, R. M. (2000). „The Promise of Concentrators”. Progress in Photovoltaics: Res. Appl. 8: 93—111. doi:10.1002/(SICI)1099-159X(200001/02)8:1<93::AID-PIP303>3.0.CO;2-S. 
  24. ^ Triple-Junction Terrestrial Concentrator Solar Cells
  25. ^ Spire pushes solar cell record to 42.3%. Optics.org. Приступљено 2011-01-19.
  26. ^ Mayer, A (2007). „Polymer-based solar cells”. Materials Today. 10 (11): 28. doi:10.1016/S1369-7021(07)70276-6. 
  27. ^ Collins, R (2003). „Evolution of microstructure and phase in amorphous, protocrystalline, and microcrystalline silicon studied by real time spectroscopic ellipsometry”. Solar Energy Materials and Solar Cells. 78: 143. doi:10.1016/S0927-0248(02)00436-1. 
  28. ^ Pearce, C. R.; Podraza; Collins; M.M. Al-Jassim; K.M. Jones; Deng & Wronski (2007). „Optimization of Open-Circuit Voltage in Amorphous Silicon Solar Cells with Mixed Phase (Amorphous + Nanocrystalline) p-Type Contacts of Low Nanocrystalline Content” (PDF). Journal of Applied Physics. 101: 114301. Архивирано из оригинала (PDF) на датум 14. 6. 2011. Приступљено 4. 1. 2012. 
  29. ^ Photovoltaics. Engineering.Com (2007-07-09). Приступљено 2011-01-19.
  30. ^ „ANWELL produces its first solar panel”. NextInsight. 1. 9. 2009. 
  31. ^ Widenborg, Per I.; Aberle, Armin G. (2007). „Polycrystalline Silicon Thin-Film Solar Cells on AIT-Textured Glass Superstrates” (PDF). Advances in OptoElectronics. 2007: 1. doi:10.1155/2007/24584. 
  32. ^ Terry Mason L.; Axel, Straub; Daniel, Inns; Dengyuan, Song; Aberle Armin G. (2005). „Large open-circuit voltage improvement by rapid thermal annealing of evaporated solid-phase-crystallized thin-film silicon solar cells on glass”. Applied Physics Letters. 86: 172108. doi:10.1063/1.1921352. 
  33. ^ „Photovoltaic Systems”. toolbase.org. Архивирано из оригинала на датум 4. 2. 2012. Приступљено 11. 11. 2010. 

Literatura[уреди]

  • Information, Reed Business (1979). New Scientist. Reed Business Information. ISSN 02624079 Parameter error in {{issn}}: Invalid ISSN.. 
  • Komp, Richard J. and John Perlin (2002). Practical Photovoltaics: Electricity from Solar Cells (3rd sub ed изд.). Aatec Publications. ISBN 978-0-937948-11-8. 
  • Roberts, Simon; Guariento, Nicolò (2005). Building Integrated Photovoltaics (Second Edition изд.). Birkhäuser Architecture. ISBN 978-3-7643-9948-1. 

Spoljašnje veze[уреди]