Fotovoltaice

Tot ce trebuie să știți despre fotovoltaice

Fotovoltaica a devenit recent una dintre cele mai dinamice industrii în dezvoltare, ale cărei produse devin o parte comună a vieții noastre. Fotovoltaica nu mai este doar „teologie cosmică”, ci încet devine o parte comună a vieții noastre. Prin urmare, nu strică să știți mai mult despre ea.

Definiție

Fotovoltaica este un domeniu tehnic care se ocupă cu procesul de conversie directă a luminii în electricitate. Numele a fost creat prin combinarea a două cuvinte - fotografie (lumină) și volt (unitate de tensiune electrică). Procesul de conversie are loc într-o celulă fotovoltaică.

Cum funcționează o celulă fotovoltaică?

O celulă fotovoltaică (solară) este o componentă electronică care generează electricitate atunci când este expusă fotonilor, particulelor de lumină. Această transformare se numește efect fotovoltaic, care a fost descoperit în 1839, de către fizicianul francez Edmond Becquerel. Abia în anii 1960 celulele fotovoltaice și-au găsit prima aplicație practică în tehnologia prin satelit.

Celula fotovoltaică este realizată din materiale semiconductoare care absorb fotonii emiși de soare și generează un flux de electroni. Fotonii sunt particule elementare care transmit lumina soarelui la o viteză de 300.000 km pe secundă. Când fotonii lovesc un material semiconductor precum siliciu, eliberează electroni din atomii săi, lăsând în urmă un spațiu gol. Electronii rătăcitori se mișcă la întâmplare, căutând o altă „gaură” de umplut.

Cu toate acestea, pentru a produce electricitate, electronii trebuie să curgă în aceeași direcție. Acest lucru se realizează prin utilizarea a două tipuri de siliciu. Stratul de siliciu, care este expus la soare, este dopat cu atomi de fosfor, care are electron mai mult decât siliciu. Cealaltă parte este dopată cu atomi de bor, care are electron mai puțin. Combinația rezultată funcționează similar cu o baterie. Un strat care are exces de electroni devine un terminal negativ (n) iar un strat care are un deficit de electroni este un terminal pozitiv (p). Un câmp electric este creat între cele două straturi.

Când electronii sunt excitați de fotoni, sunt antrenați de câmpul electric către partea n, în timp ce găurile se deplasează spre partea p. Electronii și găurile sunt direcționate către contactele electrice aplicate pe ambele părți în amonte, în circuitul extern sub formă de energie electrică. Aceasta produce un curent continuu. O acoperire antireflexivă este adăugată în partea superioară a celulei pentru a minimiza pierderile de fotoni datorate reflexiei suprafeței.

Care este eficiența celulelor fotovoltaice?

Eficiența este raportul dintre energia electrică produsă de o celulă și cantitatea de lumină solară pe care o primește. Pentru a măsura eficiența, celulele sunt combinate în module care sunt asamblate în tablouri. Panourile rezultate sunt apoi plasate în fața unui simulator solar care imită condițiile solare ideale: 1000W de lumină pe metru cub, la o temperatură ambiantă de 25° C. Electricitatea produsă de sistem sau puterea de vârf reprezintă un procent din energia solară primită. Dacă un panou cu o suprafață de un m2 generează 200W de energie electrică, acesta are o eficiență de 20%. Eficiența teoretică maximă a celulei fotovoltaice este de aproximativ 33%. În viața reală, cantitatea de energie electrică produsă de o celulă, cunoscută sub numele de producție, depinde de eficiența sa, de soarele mediu anual din zonă și de tipul de echipament.

Tipuri de bază de celule fotovoltaice

Există 3 tipuri de bază de celule fotovoltaice: celule de siliciu cristaline, celule cu film subțire și celule organice. Eficiența conversiei lor se îmbunătățește constant.

Celule de siliciu cristaline

Siliciul este extras din silice. Celulele din siliciu reprezintă mai mult de 95% din ansamblul celulelor solare. În aplicațiile comerciale, eficiența acestora variază de la 16,5% la 22%, în funcție de tehnologia utilizată. În metoda de extracție a topiturii, siliciul este transformat într-o structură mare monocristalină și se numește monocristalin. Are o eficiență de laborator de până la 26,6%. Prețul celulelor de siliciu a scăzut în ultimii ani, permițându-le să concureze cu alte surse de energie electrică.

Celule cu film subțire

În loc să tăiați plăci de siliciu cu o dimensiune de aproximativ 200 microni3, este posibil să se aplice material semiconductor în straturi subțiri de doar câțiva microni grosime, pe un substrat precum sticla sau plasticul. Substanțele utilizate în mod obișnuit sunt telurura de cadmiu, selenura de cupru și indiu (CIGS), a căror eficacitate de laborator este apropiată de siliciu, respectiv 22,1% și respectiv 23,3%. Siliciul amorf (necristalin) poate fi, de asemenea, utilizat pentru producerea de celule cu film subțire. Această tehnologie a fost folosită mult timp în calculatoarele mici, dar este mai puțin eficientă decât siliciu.

Celule organice

Celulele solare organice, care folosesc molecule organice sau polimeri în locul mineralelor semiconductoare, încep să fie utilizate comercial. Celulele au în continuare o eficiență redusă de conversie și o durată scurtă de viață, dar sunt o potențială alternativă la costuri reduse în ceea ce privește producția.

Perovskites

Recent, o altă tehnologie, perovskite, a început să atragă atenția. Deși sunt încă necesare multe cercetări pentru a permite producerea în masă a celulelor (problema este instabilitatea lor), perovskitele au multe avantaje. Pe lângă faptul că sunt ușoare și flexibile, materialele lor pot fi amestecate cu cerneală și aplicate pe suprafețe mari. În plus, sunt extrem de rentabile de fabricat.

Convergența tehnologică

Oamenii de știință din întreaga lume lucrează pentru a combina diferite tehnologii fotovoltaice pentru a crea celule multi-trecere. Utilizarea diferitelor materiale permite celulelor să obțină o eficiență mult mai mare decât limita teoretică maximă (33,5%), menținând în același timp costurile de producție sub control. Cercetarea se concentrează în principal pe celule tandem de siliciu cu film subțire, care oferă o eficiență teoretică de 43%. Eficiența teoretică maximă a mai multor conectori este mai mare de 50%.