Sve o Solarnim ćelijama.

Sve o Solarnim ćelijama

Solarna ćelija izrađena od pločice monokristalnog silicija

Monokristalna solarna ćelija

Solarna ćelija (zvana i fotonaponska ćelija) je poluvodički uređaj koji pretvara sunčevu energiju izravno u električnu pomoću fotoelektričnog efekta. Grupe ćelija tvore solarne module, poznate i kao solarni paneli ili fotonaponska ploča. Energija proizvedena solarnim modulima primjer je solarne energije.

Ćelije se označavaju kao fotonaponske ćelije kada izvor svjetlosti nije nužno sunčeva svjetlost. One se koriste za detekciju svjetlosti ili drugih oblika elektromagnetskog zračenja blizu vidljivog spektra, na primjer detektori infracrvenog svjetla, ili mjerenje intenziteta svjetlosti.

Povijest solarnih ćelija

Pojam "fotonaponsko" ("photovoltaic") dolazi od Grčke riječi φῶς (phōs) što znači "svjetlost", i "volt", što znači električno, od imena talijanskog fizičara Volta, po kojemu je jedinica elektromotorne sile, volt, dobila ime. Pojam "fotonaponsko" ("photo-voltaic") je u engleskom jeziku u upotrebi od 1849.[1]

Fotoelektrični efekt je 1839. otkrio francuski fizičar A. E. Becquerel, no tek je 1883. izrađena prva solarna ćelija. Izradio ju je Charles Fritts, tako što je prekrio poluvodič selen izrazito tankim slojem zlata da stvori spojnice. Efikasnost uređaja bila je samo oko 1%. 1888. ruski fizičar Aleksandr Stoletov izradio je prvu fotoelektričnu ćeliju utemeljenu na vanjskom fotoelektričnom efektu koji je otkrio Heinrich Hertz 1887.g. Albert Einstein je 1905. objasnio fotoelektrični efekt zbog čega je dobio i Nobelovu nagradu iz fizike 1921.g. Russell Ohl je 1946. patentirao modernu poluvodičku solarnu ćeliju,[2] koja je otkrivena tijekom rada na unapređenjima u izradi tranzistora.

Bell proizvodi prvu praktičnu ćeliju

Prva moderna fotonaponska ćelija proizvedena je 1954. u Bell laboratoriju.[3] Visokoučinkovitu solarnu ćeliju prvi su proizveli Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller i Gerald Pearson 1954. koristeći p-n spoj difundiranog silicija.[4] Ćelije su isprva rađene za igračke i ostale sitne potrebe, jer je cijena struje koju su proizvodile bila vrlo visoka – u relativnim pojmovima, ćelija koja je proizvodila 1 W električne snage po žarkom suncu koštala je $250, u usporedbi s $2-$3 za elektranu na ugljen.

Solarne ćelije spašene su od zaborava prijedlogom da ih se ugradi u satelit Vanguard 1. Prema originalnim planovima, satelit bi se napajao samo baterijama i trajao kratko vrijeme dok se ne istroše. Dodavši ćelije izvana na trup, vrijeme misije se moglo produljiti bez većih preinaka na svemirskoj letjelici ili njenim sustavima napajanja. Isprve je postojao skepticizam, ali solarne ćelije su se u praksi pokazale velikim uspjehom, i ubrzo su dodane na mnoge nove satelite, posebice Bell-ov vlastiti Telstar.

U iduća dva desetljeća napredak je bio spor, jedina raširena upotreba bila je u svemirskim primjenama, gdje je njihov odnos snage prema masi bio veći od bilo koje konkurentske tehnologije. Međutim taj je uspjeh ujedno bio i razlog sporom napretku; "svemirski" korisnici bili su spremni platiti bilo koju cijenu za najbolje moguće ćelije, nije bilo razloga za investiranje u jeftinija rješenja ako bi to smanjilo učinkovitost. Umjesto toga, cijena ćelija bila je određena uglavnom od strane industrije poluvodiča; prelazak na integrirane sklopove u 1960-ima doveo je do dostupnosti većih komada kristala po relativno nižim cijenama. Kako je njihova cijena padala, tako je padala i cijena ćelija. Ipak, ti su efekti bili ograničeni pa su do 1971.g. troškovi ćelija procijenjeni na $100 po vatu.[5]

Berman-ove redukcije cijena

U kasnim 1960.-ima, Elliot Berman istraživao je novu metodu za proizvodnju silicijske sirovine u vrpčanom procesu (eng. ribbon process). Naišao je na slab interes za projekt i nije mogao naći novčana sredstva za njegov razvoj. Kasnije je, igrom slučaja, predstavljen timu u Exxon-u koji je tražio projekte za narednih 30 godina. Grupa je zaključila da će električna energija biti mnogo skuplja do 2000.g., i pretpostavili su da će to povećanje cijene učiniti nove alternativne izvore energije, među kojima su najzanimljiviji solarni, atraktivnijima. Berman se 1969. priključio laboratoriju Exxon-a u Linden-u, New Jersey zvanom Solar Power Corporation (SPC).[6]

Njegovo prvo veće nastojanje bilo je istražiti potencijalno tržište kako bi vidio koji su mogući načini uporabe novog proizvoda. Ubrzo su otkrili da postoji značajna potražnja, ukoliko dolari po vatu padnu od tadašnjih $100/vat na otprilike $20/vat. Znajući da bi se njegov koncept vrpce razvijao godinama, tim je počeo tražiti načine za postizanje granice $20/vat uporabom postojećih materijala.[6]

Prvi napredak bilo je uviđanje, da su postojeće ćelije bazirane na standardnom procesu proizvodnje poluvodiča, iako to nije bilo optimalno. Postupak je počinjao s komadom kristala, koji se rezao na diskove zvane "wafer"-i (pločice), koji se zatim poliraju i potom, za uporabu u ćelijama, prevlače antirefleksijskim slojem. Berman je primijetio da grubo izrezani waferi već imaju savršeno odgovarajuću antirefleksijsku prednju površinu. Tiskanjem elektroda izravno na tu površinu, dva značajna koraka u proizvodnji ćelija time su otklonjena. Tim je također istražio načine za poboljšanje ugradnje ćelija u nizove, otklanjajući skupe materijale i ručno ožičenje korištene u svemirskim primjenama uz pomoć tiskane pločice na poleđini, akrilne plastike sprijeda te ljepila baziranom na siliciju između, koje zatvara ćelije. No najveće postignuće u postizanju niže cijene bilo je Berman-ovo shvaćanje da je postojeći silicij efektivno bio "predobar" za uporabu u solarnim ćelijama; sitne nesavršenosti koje bi upropastile cijeli komad kristala (ili pojedinačni wafer) za elektroniku, imale bi beznačajan utjecaj u solarnoj primjeni.[7]

Uvodeći sve ove promjene u praksu, tvrtka je otpočela kupovati "odbačen" silicij od postojećih proizvođača po vrlo niskim cijenama. Koristeći najveće dostupne wafer-e, prema tome umanjujući količinu ožičenja za danu površinu panela, i njihovim pakiranjem u panele uporabom vlastite nove metode, do 1973.g. SPC je proizvodio panele po $10 i prodavao ih po $20 – peterostruko sniženje cijene u dvije godine.

Navigacijsko tržište

SPC je pristupio tvrtkama koje proizvode ploveće svjetionike kao svom prirodnom tržištu, no naišao je na zanimljivu situaciju. Vodeća kompanija u tom poslu bila je Automatic Power, proizvođač baterija. Shvativši da bi im solarne ćelije mogle oduzeti dio profita od baterija, Automatic je otkupio prava na raniji dizajn ćelija i potisnuo ih. Vidjevši da tu nema interesa, SPC se okrenuo Tideland Signal-u, drugoj tvrtci baterijama osnovanoj od strane bivših menadžera Automatic-a. Tideland je uskoro predstavio svjetionik napajan solarnom energijom i time slomio Automatic-ovo poslovanje.

Izbor trenutka nije mogao biti pogodniji; strmoglavo povećanje broja naftnih platformi na moru i postrojenja za utovar stvorilo je golemo tržište među naftnim kompanijama. Kako je bogatstvo Tideland-a povećano, Automatic je počeo tražiti vlastitog dobavljača solarnih panela. Našli su Bill Yerks-a iz Solar Power International (SPI) u Kaliforniji, koji je tražio tržište. SPI je uskoro kupljen od strane jednog od svojih najvećih klijenata, naftnog giganta en:ARCO-a, stvorivši ARCO Solar. Tvornica ARCO Solar u Camarillu bila je prva namijenjena isključivo proizvodnji solarnih panela, i u neprekidnom je pogonu od kupnje 1977.g. do današnjeg dana.

Ovo je tržište, zajedno s naftnom krizom 1973.g., dovelo do zanimljive situacije. Naftne kompanije su sada imale puno novca zbog velikih profita tijekom krize, no bile su također svjesne da im budući uspjeh ovisi o nekom drugom obliku energije. Tijekom idućih nekoliko godina, veće naftne kompanije pokrenule su niz solarnih tvrtki, te su tijekom više desetljeća bile najveći proizvođači solarnih panela. Exxon, ARCO, Shell, Amoco (kasnije kupljen od strane BP-a), Mobil, sve su imale značajne solarne odjele tijekom 1970.-ih i 80-ih. Tehnološke tvrtke su također imale određena ulaganja, uključujući General Electric, Motorolu, IBM, Tyco i RCA.[8]

Daljnja poboljšanja

Poboljšanja od vremena Bermanovog rada, snizila su troškove proizvodnje na ispod $1/vat, s veleprodajnom cijenom reda $2. Troškovi ostatka uređaja sada su postali veći od troškova samih ćelija; u velikim komercijalnim poljima panela u pogonu su iznosili oko $5/vat u 2010. godini.

Kako je industrija poluvodiča išla na sve veće i veće komade kristala, starija oprema je postala dostupna po rasprodajnim cijenama. Ćelije su dostupnošću te opreme također rasle veličinom. ARCO Solar-ovi originalni paneli su koristili ćelije od 2 do 4 inča u promjeru. Paneli u 1990.-ima i ranim 2000.-ima su uglavnom koristili 5 inčne wafere, a od 2008. gotovo svi novi paneli koriste 6 inčne ćelije. Još jedna velika promjena bio je prelazak na polikristalni silicij. Taj materijal ima manju učinkovitost, ali je jeftiniji za masovnu proizvodnju. Sveobuhvatno uvođenje televizora s ravnim ekranom u kasnim 1990.-ima i ranim 2000.-ima dovelo je do široke dostupnosti velikih ploča visokokvalitetnog stakla, korištenih na prednjoj strani panela.

Druge tehnologije su također došle na tržište. First Solar je narasao u najvećeg proizvođača panela, u terminima godišnje proizvedene snage, korištenjem ćelije od tankog filma između dva sloja stakla. To je bio prvi proizvod koji je srušio troškove proizvodnje ispod $1/vat.[9] Otada je izobilje polikristalnog silicija gurnulo cijene konvencionalnih panela na istu razinu.

Primjena

Polikristalne silicijske fotonaponske ćelije u modulu lamelirane za pozadinski materijal

Polikristalne fotonaponske ćelije

Solarne ćelije se često električki spajaju i zatvaraju u module. Fotonaponski moduli uglavnom imaju staklenu ploču sprijeda (prema suncu), propuštajući svjetlo i u isto vrijeme štiteći poluvodič od ogrebotina i utjecaja vjetrom nošenih čestica, kiše, tuče, itd. Solarne ćelije su također često serijski spojene u modulima, stvarajući zbirni napon. Ako se spoje paralelno, to rezultira većom strujom. Moduli se zatim međusobno spajaju, serijski ili paralelno, ili oboje, da stvore polje sa željenim vršnim vrijednostima istosmjernog napona i struje.

Kako bi se praktično iskoristila energija dobivena od sunca, elektricitet se najčešće predaje u električnu mrežu uporabom invertora, pa je to fotonaponski sustav spojen na mrežu. U samostalnim sustavima za pohranjivanje energije koja trenutno nije potrebna koriste se baterije. Solarni paneli mogu biti korišteni za pogon ili punjenje prenosivih uređaja.

Teorija

Rad solarne ćelije odvija se u tri koraka:

Fotoni iz sunčeve svjetlosti udaraju u solarni panel i poluvodički materijali poput silicija ih apsorbiraju.
Elektroni (negativno nabijeni) se izbijaju iz atoma i postaju slobodni, te mogu slobodno teći materijalom kako bi stvorili struju. Zbog posebne građe solarnih ćelija, elektroni se mogu gibati samo u jednom smjeru.
Polje solarnih ćelija pretvara energiju sunca u upotrebljivu količinu istosmjerne struje(DC).

Učinkovitost

Učinkovitost solarne ćelije može se rastaviti na učinkovitost refleksije, termodinamičku učinkovitost, učinkovitost odjeljivanja nosilaca naboja i učinkovitost provodljivosti. Ukupna učinkovitost je umnožak svih navedenih pojedinačnih učinkovitosti.

Zbog teškoća u izravnom mjerenju tih parametara, umjesto njih mjere se drugi: termodinamička učinkovitost, kvantna učinkovitost , razmjer VOC, i faktor punjenja. Gubici refleksije dio su "vanjske kvantne učinkovitosti". Gubici rekombinacije tvore dio kvantne učinkovitosti, razmjera VOC, i faktora punjenja. Gubici otpora su uglavnom svrstani pod faktor punjenja, no također čine manji dio kvantne učinkovitosti i VOC.

Uređaji od kristalnog silicija se približavaju teorijskoj granici učinkovitosti od 29%.

Cijena

Cijena solarne ćelije dana je po jedinici vršne električne snage. Troškovi proizvodnje nužno uključuju i cijenu energije potrebne za proizvodnju. U svijetu tarife za predaju suviška solarne energije u mrežu variraju, čak i unutar iste zemlje.[10] Takve tarife mogu imati velikog učinka u ohrabrivanju razvoja projekata solarne energije.

Solarne ćelije visoke učinkovitosti su zanimljive u pogledu smanjenja troškova solarne energije. Mnogi troškovi solarne elektrane proporcionalni su površini elektrane; ćelije veće učinkovitosti mogu umanjiti površinu i cijenu elektrane, čak i ako su ćelije same po sebi skuplje. Učinkovitosti samih ćelija, da bi bile korisne u procjenjivanju ekonomičnosti solarne elektrane, moraju biti vrednovane u realnim uvjetima. Osnovni parametri koji moraju biti vrednovani su struja kratkog spoja i napon praznog hoda.

Grafikon s desne strane prikazuje najviše laboratorijske učinkovitosti dobivene za razne materijale i tehnologije. Obično se mjeri na vrlo malim ćelijama, oko 1 cm2. Komercijalne učinkovitosti su značajno niže.

Jeftina fotonaponska ćelija je ćelija od tankog filma namijenjena proizvodnji električne energije po cijeni usporedivoj s onom tradicionalnih izvora energije (fosilna goriva i nuklearna energija). To uključuje fotonaponske ćelije druge i treće generacije, koje su jeftinije od prve generacije (ćelije od kristalnog silicija, također zvane masovne ćelije.

Cijena solarnih panela kontinuirano je padala 40 godina, do 2004. kada su visoke subvencije u Njemačkoj tamo drastično povećale potražnju, i značajno povećale cijenu pročišćenog silicija (koji se koristi i u kompjutorskim čipovima). Jedna istraživačka tvrtka predviđa da će novi proizvodni kapaciteti koji su počeli raditi 2008.g. sniziti cijene za 70% do 2015.g. Drugi analitičari upozoravaju da bi kapaciteti mogli biti usporeni zbog ekonomskih razloga, ali da će potražnja pasti radi manjih subvencija. Ostala potencijalna uska grla su kapacitet industrije izrade poluga silicija i njihovog rezanja na pločice, te opskrba specijalnim kemikalijama korištenim za oblaganje ćelija.[16]

Kristalni silicij

Osnovna struktura solarne ćelije i mehanizam njihova rada

Daleko najrasprostranjeniji masivni materijal za solarne ćelije je kristalni silicij (kao skupina skraćeno pisano c-Si), također poznat i kao "silicij solarnog razreda". Masivni silicij se dijeli u više kategorija prema kristalnosti i veličini kristala nastale poluge, trake, ili pločice.

Monokristalni silicij (c-Si): često dobiven procesom Czochralskog. Pločaste ćelije od jednog kristala obično su skupe, i pošto su rezane iz cilindričnih poluga ne pokrivaju potpuno pravokutni solarni modul bez značajnih gubitaka rafiniranog silicija. Zato mnogi c-Si paneli imaju nepokrivene praznine u kutovima ćelije.
Poli- ili multikristalni silicij (poly-Si ili mc-Si): napravljen od lijevanih pravokutnih poluga — veliki blokovi rastaljenog silicija pažljivo ohlađeni i očvrsnuti. Poly-Si ćelije su jeftinije za proizvesti nego ćelije od jednog kristala silicija, ali su manje efikasne. Podaci s US DOE pokazuju da je prodaja multikristalnog silicija već nadmašila prodaju monokristalnog.
Trakasti silicij[18] je tip multikristalnog silicija: formira se izvlačenjem ravnih tankih filmova iz rastaljenog silicija, a rezultira multikristalnom strukturom. Te ćelije imaju nižu efikasnost od poly-Si, ali štede na troškovima izrade zbog velikog smanjenja silicijskog otpada, jer taj pristup ne zahtjeva rezanje iz poluga.

Tanki film silicija

Ćelije od tankog filma silicija uglavnom su izrađene kemijskim parnim taloženjem (obično pojačano plazmom - PE-CVD) plina silana i vodika. Ovisno o parametrima taloženja, time se može dobiti:[29]

Amorfni silicij (a-Si ili a-Si:H)
Protokristalni silicij, ili
Nanokristalni silicij (nc-Si ili nc-Si:H), također zvan mikrokristalni silicij.

Pronađeno je da je protokristalni silicij s malim volumnim udjelom nanokristalnog silicija optimalan za veliki napon otvorenog kruga.[30] Ovi tipovi silicija formiraju klimave i uvijene veze, koje rezultiraju dubokim defektima (energijskim nivoima u energetskom procjepu), kao i deformacijama valentnog i vodljivog pojasa (rep pojasa). Solarne ćelije napravljene od ovih materijala uglavnom imaju nižu učinkovitost pretvorbe energije od običnog silicija, ali su i jeftinije za izradu. Kvantna učinkovitost solarnih ćelija od tankog filma je također niža zbog manjeg broja prikupljenih nosilaca naboja po upadnom fotonu.

Solarna ćelija od amorfnog silicija (a-Si) je izrađena od amorfnog ili mikrokristalnog silicija i njena osnovna elektronička struktura je p-i-n spojnica. Pošto amorfna struktura ima viši postotak apsorpcije svjetlosti od kristalnih ćelija, cijelokupni spektar svjetlosti može biti apsorbiran vrlo tankim slojem fotoelektrično aktivnog materijala. Film debljine samo 1 mikron može apsorbirati 90% uporabljive solarne energije.[31] Proizvodnja a-Si solarnih ćelija tankog filma koristi staklo kao supstrat i taloži vrlo tanki sloj silicija PE-CVD postupkom. Proizvođači a-Si rade na pojeftinjenju dobivene energije i višim učinkovitostima pretvorbe kontinuiranim istraživanjima i razvojem višespojnih solarnih ćelija (en:multijunction solar cell) za solarne panele. en:Anwell Technologies Limited nedavno je objavio svoj cilj za multi-supstratno-multi-komorni PE-CVD; da snizi cijenu na $0.5 po vatu.[32]

Amorfni silicij ima viši energetski procijep (1.7 eV) od kristalnog silicija (c-Si, 1.1 eV), što znači da apsorbira vidljiv dio spektra sunčeve svjetlosti jače od infracrvenog dijela. Pošto "nc-Si" ima otprilike isti energetski procjep kao c-Si, nc-Si i a-Si se mogu pogodno kombinirati u tanke slojeve, stvarajući slojevitu ćeliju zvanu "tandemska ćelija". Gornja ćelija od a-Si apsorbira vidljiv dio svjetlosti i ostavlja infracrveni dio spektra donjoj ćeliji od nc-Si.

Nedavno su razvijena rješenja za svladavanje ograničenja kristalnog silicija u tankom filmu. Sheme hvatanja svjetlosti gdje se slabo apsorbirajuća svjetlost velike valne duljine posredno spreže sa silicijem i prelazi preko filma nekoliko puta, može znatno uvećati apsorpciju sunčeve svjetlosti u tankim filmovima silicija.[33] Tehnike termalnog procesiranja mogu znatno unaprijediti kvalitetu kristala silicija i prema tome voditi do veće učinkovitosti dobivenih solarnih ćelija.[34]

Proizvodnja

Pošto su solarne ćelije poluvodički uređaji, dijele mnoge tehnike procesiranja i proizvodnje s ostalim poluvodičkim uređajima poput računala i memorijskih čipova. Međutim, zahtjevi za čistoćom i kontrolom kvalitete izrade poluvodiča nisu toliko strogi za solarne ćelije. Većina velikih komercijalnih tvornica solarnih ćelija danas izrađuje solarne ćelije od polikristalnog silicija tiskanog na zaslonu. Iz pojedinačnih kristalnih pločica koje se koriste u poluvodičkoj industriji mogu se izraditi izvrsne visokoučinkovite solarne ćelije, ali općenito se smatraju preskupima za masovnu proizvodnju.

Pločice od polikristalnog silicija izrađuju se piljenjem lijevanih poluga silicija žicom u vrlo tanke (180 do 350 mikrometara) kriške ili pločice. Pločice su obično slabo dopirani poluvodič p-tipa. Za dobivanje solarne ćelije iz pločice, izvodi se površinska difuzija dopanada n-tipa s prednje strane pločice. To stvara p-n spoj nekoliko stotina nanometara ispod površine.

Iduće se obično aplicira antirefleksijska prevlaka, za povećanje količine svjetlosti iskorištene u ćeliji. Silicij nitrid je postupno zamijenio titan dioksid kao antirefleksijsku prevlaku zbog svojih izvrsnih mogućnosti pasivizacije površine. Sprečava rekombinaciju nosilaca naboja na površini solarne ćelije. Obično se primjenjuje u sloju debelom nekoliko stotina nanometara uporabom PE-CVD postupka. Neke solarne ćelije imaju teksturirane prednje površine koje, poput antirefleksijskih obloga, služe uvećanju količine svjetlosti iskorištene u ćeliji. Takve se površine obično mogu formirati samo na pojedinačnim kristalima silicija, iako su se zadnjih godina razvile metode njihova formiranja na multikristalnom siliciju.

Pločici se tada dodaje metalni kontakt po cijeloj stražnjoj površini, i mrežasti metalni kontakt napravljen od tankih "prstiju" i većih "sabirnica" koje se tiskaju na zaslon prednje površine uporabom srebrne paste. Stražnji kontakt se također formira tiskanjem metalne paste na zaslon, obično aluminijske. Taj kontakt najčešće pokriva cijelu stražnju stranu ćelije, iako se u nekim dizajnima ćelija tiska u mrežasti uzorak. Pasta se zatim grije na nekoliko stotina stupnjeva celzijusa da formira metalne elektrode u omskom kontaktu sa silicijem. Neke kompanije koriste dodatni korak elektro-anodiranja da uvećaju učinkovitost ćelije. Nakon što se izrade metalni kontakti, solarne ćelije se međusobno spajaju u seriju (i/ili paralelu) plosnatim žicama ili metalnim trakama i sastavljaju u modul ili "solarni panel". Solarni paneli imaju s prednje strane ploču tvrdog stakla, a sa stražnje strane čahuru od polimera.

Životni vijek

Većina komercijalno dostupnih solarnih ćelija sposobna je proizvoditi elektricitet barem dvadeset godina bez značajnog pada učinkovitosti. Tipično jamstvo proizvođača panela je na period od 25 - 30 godina, u kojemu izlaz ćelije neće opasti ispod određenog postotka (oko 80%) nazivnog kapaciteta.[35]

Hrvatska

U Hrvatskoj postoje dva proizvođača solarnih panela. Tvrtka Solaris d.o.o. iz Novigrada te tvrtka Solvis iz Varaždina, koje proizvode panele od mono- i polikristalnog silicija od uvoznih ćelija. Tvrtka Solarne ćelije Split jedina je proizvodila i razvijala solarne ćelije od amorfnog silicija, međutim saznaje se kako je u međuvremenu upala u probleme te je pred njom vrlo neizvjesna budućnost.

Na Institutu Ruđer Bošković postoji projekt s ciljem ispitivanja i razvoja nanomaterijala za korištenje u solarnim ćelijama, kojeg vode dr. sc. Davor Gracin, Zavod za fiziku materijala, i prof. dr. Davor Balzar, Sveučilište u Denveru. Kako se doznaje, projekt je dobio financijsku potporu UKF natječaja.