Energie solara fotovoltaica

Energie solara fotovoltaica

Ce se intelege prin fotovoltaic?

Tehnologia de conversie directa a luminii solare in energie electrica, energie care poate fi utilizata direct sub forma de current continuu, stocata sau transformata in current alternativ. Conceptual este vorba de un dispozitiv fotovoltaic sub forma unui panou solar capsulat, alimentat cu lumina radiata disponibila in univers de la soare, fara a dispuine de piese in miscare. Sistemele fotovoltaice sunt concepute modular (intr-o mare diversitate de forme), ceea ce faciliteaza aplicarea in functie de necesitati. Pentru o mai buna intelegere a puterii fotovoltaice se impune cunoasterea fundamentelor dispozitivului si a modului de functionare. Cea mai simpla structura a unei cellule fotovoltaice este constituita dintr-un material semiconductor unde s-a format o jonctiune p-n prin amplantarea de ioni, identic diodei. Circuitul electric este constituit dintr-o structura de contact cu grila situata pe partea frontala a panoului, care permite patrunderea radiatiei luminoase in celula, un contact pe partea inferioara a panoului si un antireflectant care minimizeaza cantitatea de lumina reflectata de dispozitiv.Fabricarea jonctiunii p-n, precum in cazul oricarui dispozitiv semiconductor, constituie cheia succesului in functionare a unui dispozitiv solar.

Presupunem ca materialul semiconductor un monocristal de siliciu, dar conform tehnologiilor actuale siliciu cristalin care reprezinta un compromis rezonabil in acest caz deoarece sunt binecunoscute si usor de inteles de initiatori. Siliconul, cu numarul atomic 14 cu configuratia celor 14 electroni de 1s22s22p63s23p2, reprezinta structura reprezentativa a unui cristal de diamant, fiecare atom fiind legat bivalent de alte 4 vecini proximi . Electronii din miez, 1s2, 2s2 si 2p6 sunt foarte strans legati de nuclee, la temperaturi normale, necontribuind la conductivitatea electrica. La temperatora zero absolut, cei N atomi de siliciu sunt impreuna adusi in stare solida, generandu-se doua benzi energetice inferioare, banda de valenta (cu 4N stari energetice disponibile si 4 electroni de valenta, deci complet. si mai sus banda de conductie (complet goala la aceasta temperatura). La cresterea temperaturii solidului peste zero absolut, energia se transfera electronilor de valenta, ceea ce probabil face ca un numar de electroni sa dobandeasca o energie suplimentara in maswura de a putea devenii liberi la conductia sarcinii electrice prin banda de conductie (de unde denumirea de electroni extrasi intrinsec). Cantitatea de energie necesara pentru a trece pragul benzilor de valenta si de conductie este legat de intervalul interzis de energie Eg, care pentru siliciu, la temperatura dintr-o camera este de 1.12 eV. Chiar la aceasta temperatura, conductivitatea este destul de mica, respective la 300 K exista extragere intrinseca de 1.6 x 1010/cm³, pentru care materialul este in continuare un foarte bun isolator comparativ cu metalele, care l acea temperatura are o extragere intriseca de 1022/cm³. Pentru a modifica conductivitatea la valori mai utile, in primul rand se va introduce o cantitate mica si controlata de impuritati in materialul de baza, inlocuid sau doptnd siliciu (situat in coloana IV al tabelului periodic) cu un material din coloana III (aluminu, galiu sau indium), sau din coloana V materials (fosfor, arseniu sau antimoniu), asa incat poate fi crescuta si controlata cu precizie numarul golurilor din benzile de conductie si de valenta (deficitare in electroni). Intr-o coloana V dopanta complet prin legatura de covalenta si pe nivelele de aditie, pierd electronii legati ce pot fi transferati in banda de conductie cu un aport energetic de aproximativ 40-50 meV, numoita energie de ionizare. Pentru coloana III impuritatile conduc la o deficienta de un electron in legatura covalenta, respective se creaza un gol. Un electron din banda de valenta poate fi transferat in locul gol pentru a se indeplinii necesitatile de legatura, dar defapt prin acest transfer de electron se va genera un nou gol. Cantitatea de energie necesara pentru aceasta reamplasare a golului in domeniul benzii de valenta este de la 45 la 160 meV.Variind densitatea impuritatilor de dopare se pot concepe siliciu in plaje de la un rau conductor de electricitate pana la conductori aproape metalici. Siliciul dopat cu elemente din coloana III se numeste semiconductor de tip p, iar cu elemente din cloana V se numeste semiconductori de tip n.

Dioda cu jonctiunea p-n

Daca un semiconductor uniform de tip p este fixat metalurgic de un semiconductor uniform de tip n, atunci configuratia rezultata va fi asa numita jonctiune de tip p-n. In mod instantaneu, sarcinile electrice positive si negative se vor redistribui stabilind astfel un camp electric, care partial va determina propietatile semiconductoare ale diodei. In momentul formarii, la jonctiunea n se vor crea concentratii uniforme de nn0 electroni liberi mobili si pn0 goluri mobile libere, in timp ce la jonctiunea p concentratii uniforme de pp0 goluri mobile si np0 electroni liberi, cncentratii care trebuie sa respecte relatia :

In momentul formarii jonctiunii, concentratia de electroni este mai mare pe latura n decat pe latura p, in timp ce concentratia de goluri va fi mai mare pe latura p decat pe latura n, fapt ce genereaza o difuzie initiala de curent a electronilor care se scurg de la regiunea n la regiunea p si un transfer de goluri de la regiunea p la regiunea n. Acest lucru conduce la o saracire in zona din apropierea jonctiunii de electroni pe latura n si de goluri pe latura p. Ionii de impuritati donatoare si acceptoare, fixati in aceasta zona saracita, nu vor mai fi in starea de echilibru existenta inainte, fapt ce va genera un camp electric directionat invers scurgerii ulterioare de electroni de la regiunea n si a golurilor de la regiunea p, camp ce va avea ca amplitudine restabilirii echilibrului. In absenta unui potential electric aplicat din exterior, nu va exista nici un curent electric. Pentru a realiza un dispozitiv, se va realiza cate un contact la cele doua capete ale jonctiunii, la care polaritatea pozitiva a tensiunii se va aplica la latura p pentru a stimula curgerea curentului prin jonctiune intre cele doua puncte de contact, iar invers se va bloca trecerea curentului, similar aplicarii unei tensiuni nule.

Ecuatia unei diode ideale este:

in care I reprezinta curentul care circula prin exterior, I₀ curentul invers de saturatie, q sarcina electrica cu valoarea unei constante universale de1.602 x 10^-19 C, V tensiunea aplicata, k constanta universala a lui Boltzmann si T temperatura absoluta. Atunci cand se inverseaza polaritatea tensiunii de alimentare <<1, iar (care este puternic dependent de temperatura jonctiunii si implicit de concentratia intrinseca). I₀ este mai mare la materiale cu liimea benzii interzise mai mici decat invers. Actiunea de redresare a diodei care restrictioneaza trecerea curentului numai intr-o directie, constituie cheia functionarii unui dispozitiv fotovoltaic. Atunci cand lumina parvine pe jonctiunea p-n conditiile de echilibru ale dispozitivului sunt perturbate, purtatorii minoritari, respective electronii din laterialul p si golurile din materialul n, sunt creati in cantitati sufuiciente pentru a reduce potentialul barierei energetice a jonctiunii care permite curentului sa treaca si stabilirea unei tensiuni la borne, ceea ce creaza conditii de generare putere utila.

Un dispozitiv fotovoltaic poate fi modelat ca o dioda ideala montata in paralel cu un generator de current ce induce lumina, IL, a carui ampalitudine este functie de generarea perechilor de electroni+goluri prin lumina absorbita si de eficienta colectarii acestor sarcini purtatoare. Catacteristica I-V modificata prin lumina este:

Vor exista pierderi resistive datorita rezistentei inseriate si a suntului, iar din diagrama se vede importanta parametrilor functionali a celulei, respective a curentului de scurtcircuit Isc, a tensiunii la mers in golVoc si al curentului si tensiunii in punctul corespunzator puterii maxime de iesire (Imp si respectiv Vmp), care este produsul dintre Imp si Vmp. Cu toate acestea, puterea poate sa se modifice datorita diversilor factori, care pot fi comasati intr-unul singur, numit factorul FF:

care pentru cellule practice este cuprins intre 0.70 - 0.85. In cazul unei celule solare din siliciu monocristal, Voc = 0.588 V, Jsc = 35 mA/cm² si FF = 0.8, fapt ce evidentiaza faptul ca o celula cu suprafata de 100cm² poate produce aproximativ 1.6 W, care pentru situatii practice este insuficienta. Pentru a dispune de o tensiune mai ridicata se pot monta in serie mai multe celule, iar pentru a asiogura un curent mai ridicat aceste celule se pot monta in paralel, respectiv pot fi concepute panouri si instalatii solare cu nivele de putere de la W la MW.

Resurse solare

Pentru a determina capabilitatea unui system solar de a functiona intr-o zona geografica anume, se impune obtinerea unei caracteristici detaliate a resursei solare. Pentru o suprafata tip de pe pamant, este disponibila o energie fotonica de aproximativ 1000 W/m² pentru a fi convertita in energie electrica. Radiatia solara este redusa la nivelul atmosferei pamantului datorita absorbtiei unor gaze, precum CO₂, vaporilor de apa, ozonului. Fara aceste absorbtii radiatia solara dessupra pamantului este de 1367 W/m²,corespunzator unei mase de aer nule. Asupra pamantului, atunci cand soarele este la azimut.

Eficienta si performanta

Termenul de performanta a unei cellule solare este dat de eficienta conversiei, definita ca:

unde Vmp si Imp corespund punctului de putere maxima. Puterea la intrare este:

unde A este suprafata dispozitivului, F(l) numarul de fotoni / cm2 / s /unitatea latimii de banda incidenta pe dispozitiv pentru o lungime de unda. Raportul reprezinta energia fiecarui foton. Puterea totala la iesire este:

in care factorul de eficienta este aproximativ:

unde n este factorul pentru o dioda ideala. Eficienta conversiei h este defapt un simplu raport intre Se poate calcula eficienta maxim teoretica pentru orice material semiconductor. Deoarece, curentul de scurtcircuit si tensiunea la mers in gol av variatii contrare in functie de latimea benzii interzise (Isc scade cu cresterea lui Eg, iar Voc creste cu cresterea lui Eg), iar factorul FF este functie de Voc, valoarea eficientei maxime va apare pentru o latime de banda interzisa de aproximativ 1.5 eV. Utilizarea rationala a parametrilor dispozitivului la o celula solara cu o singura jonctiune, eficienta maxim theoretic calculata va fi de 29%. Acest calcul este important pentru a descrie si a compara performantele dispozitivelor fotovoltaice, eficienta reala trebuind determinata prin masuratori. Factorul cel mai important care afecteaza precizia masurarii eficientei este data de sursa de lumina utilizata pentru iluminarea celulei, care in mod obisnuit este o sursa de lumina cu spectrul controlat cu precizie. Acest asa numit simulator solar trebuie sa fie dublat pentru fiecare grup reflectat pentru efectuarea masuratorii sau aplicati factori de corectie care iau in considerare numarul de factori ce caracterizeaza diferentele dintre cantitatile calitatii spectrale a diferitelor simulatoare solare. Pentru fiecare material fotovoltaic simulatorul trebuie dublat printr-o experienta cu o celula reala in conditiile luminii solare naturale. Ceea ce se impune controlat cu precizie la fiecare masuratoare este intensitatea luminii si temperatura jonctiunii, precum si deterinarea cu precizie a suprafetei celulei, deoarece curentul de scurtcircuit masurat este puternic dependent de aceasta (pentru lucrari de laborator se poate folosii aria activa, in rest aria totala).