O celula solara, sau celula fotovoltaica, este un dispozitiv electric care converteste energia luminii direct in electricitate prin efectul fotovoltaic, care este un fenomen fizic si chimic. Este o forma de celula fotoelectrica, definita ca un dispozitiv ale carui caracteristici electrice, precum curent, tensiune sau rezistenta, variaza atunci cand sunt expuse la lumina.
Dispozitivele individuale cu celule solare sunt adesea blocurile electrice ale modulelor fotovoltaice, cunoscute colocvial sub numele de panouri solare. Celula solara comuna de siliciu cu jonctiune simpla poate produce o tensiune maxima in circuit deschis, de aproximativ 0,5 pana la 0,6 volti.
Celulele solare sunt descrise ca fiind fotovoltaice, indiferent daca sursa este lumina soarelui sau o lumina artificiala. Pe langa producerea de energie, acestea pot fi utilizate ca fotodetector (de exemplu, detectoare cu infrarosu), detectand lumina sau alte radiatii electromagnetice in apropierea intervalului vizibil sau masurand intensitatea luminii.
Functionarea unei celule fotovoltaice (PV) necesita trei atribute de baza:
- Absorbtia luminii
- Separarea purtatorilor de incarcare de tipuri opuse
- Extragerea separata a acestor purtatori intr-un circuit extern
In schimb, un colector solar termic furnizeaza caldura absorbind lumina soarelui, fie pentru incalzirea directa, fie pentru generarea indirecta de energie electrica din caldura. O “celula fotoelectrolitica” (celula fotoelectrochimica), pe de alta parte, se refera fie la un tip de celula fotovoltaica (cum ar fi cea dezvoltata de Edmond Becquerel si la celulele solare moderne sensibilizate la colorant), fie la un dispozitiv care imparte apa direct in hidrogen si oxigen, folosind doar iluminarea solara.
Celulele fotovoltaice si colectoarele solare sunt cele doua mijloace de producere a energiei solare.
Aplicatii
Ansamblurile de celule solare sunt utilizate pentru a produce module solare care genereaza energie electrica din lumina soarelui, diferentiat de un „modul solar termic” sau „panou solar de apa calda”. O retea solara genereaza energie solara folosind energia solara.
Celule, module, panouri si sisteme
Celulele solare multiple intr-un grup integrat, toate orientate intr-un singur plan, constituie un panou sau modul solar fotovoltaic. Modulele fotovoltaice au adesea o foaie de sticla pe partea orientata spre soare, permitand trecerea luminii in timp ce protejeaza semiconductoarele. Celulele solare sunt de obicei conectate in serie, creand tensiune aditiva. Conectarea celulelor in paralel produce un curent mai mare.
Cu toate acestea, problemele din celulele paralele, cum ar fi efectele de umbra, pot opri sirul paralel mai slab (mai putin iluminat), provocand pierderi substantiale de energie si posibile daune datorita polarizarii inverse aplicate celulelor umbrite de partenerii lor luminati.
Desi modulele pot fi interconectate pentru a crea o matrice cu tensiunea DC de varf dorita si capacitatea curentului de incarcare, care se poate face cu sau fara utilizarea MPPT-urilor independente (trackere de punct maxim de putere) sau, specifice fiecarui modul, cu sau fara electronica de nivel modul de putere (MLPE), cum ar fi microinvertoarele sau optimizatoarele DC-DC. Diodele de sunt pot reduce pierderile de putere de umbrire in matrice cu celulele conectate in serie / paralel.
Istoric
Efectul fotovoltaic a fost demonstrat experimental mai intai de fizicianul francez Edmond Becquerel. In 1839, la 19 ani, a construit prima celula fotovoltaica din lume in laboratorul tatalui sau. Willoughby Smith a descris pentru prima data „Efectul luminii asupra seleniului in timpul trecerii unui curent electric” intr-un numar din 20 Februarie 1873 al revistei Nature. In 1883 Charles Fritts a construit prima celula fotovoltaica in stare solida acoperind seleniul semiconductor cu un strat subtire de aur pentru a forma jonctiunile; dispozitivul era eficient in jur de 1%. Alte repere includ:
- 1888 – Fizicianul rus Aleksandr Stoletov a construit prima celula pe baza efectului fotoelectric exterior descoperit de Heinrich Hertz in 1887.
- 1905 – Albert Einstein a propus o noua teorie cuantica a luminii si a explicat efectul fotoelectric intr-o lucrare de referinta, pentru care a primit premiul Nobel pentru fizica, in 1921.
- 1941 – Vadim Lashkaryov a descoperit jonctiuni p-n in protocoale Cu2O si Ag2S.
- 1946 – Russell Ohl a brevetat celula solara moderna cu jonctiune semiconductoare.
- 1954 – Prima celula fotovoltaica practica a fost demonstrata public la Laboratoarele Bell. Inventatorii au fost Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin si Gerald Pearson.
- 1957 – Inginerul egiptean Mohamed M. Atalla dezvolta procesul de pasivare a suprafetei siliciului prin oxidare termica la laboratoarele Bell. Procesul de pasivizare a suprafetei a devenit de atunci critic pentru eficienta celulelor solare.
- 1958 – Celulele solare au castigat importanta prin incorporarea lor in satelitul Vanguard I.
Aplicatii spatiale
NASA a folosit celule solare pe nava sa inca de la inceput. De exemplu, Explorer 6, lansat in 1959, avea patru matrice care au inceput sa functioneze indata ce nava a ajuns pe orbita. Au furnizat energie timp de luni intregi in spatiu.
Celulele solare au fost utilizate pentru prima data intr-o aplicatie proeminenta atunci cand au fost propuse si folosite pe satelitul Vanguard in 1958, ca o sursa alternativa de alimentare la sursa primara de alimentare a bateriei. Prin adaugarea de celule in exteriorul corpului, timpul misiunii ar putea fi prelungit fara modificari majore asupra navei spatiale sau a sistemelor sale de alimentare. In 1959, Statele Unite au lansat Explorer 6, cu matrice solare mari in forma de aripa, care au devenit o caracteristica comuna a satelitilor. Aceste tablouri au constat din 9600 de celule solare Hoffman.
Pana in anii 1960, celulele solare erau (si sunt in continuare) principala sursa de energie pentru majoritatea satelitilor care orbiteaza Pamantul si un numar de sonde in sistemul solar, deoarece ofereau cel mai bun raport putere-greutate.
Cu toate acestea, acest succes a fost posibil, deoarece in aplicatia spatiala, costurile sistemului de alimentare puteau fi mari, deoarece utilizatorii spatiului aveau putine alte optiuni de alimentare si erau dispusi sa plateasca pentru cele mai bune celule posibile. Piata energiei spatiale a condus la dezvoltarea unor eficiente mai mari in celulele solare pana cand programul „Cercetare aplicata nevoilor nationale” al Fundatiei Nationale a Stiintei a inceput sa impinga dezvoltarea celulelor solare pentru aplicatii terestre.
La inceputul anilor 1990, tehnologia utilizata pentru celulele solare spatiale s-a abatut de la tehnologia de siliciu utilizata pentru panourile terestre, aplicatia navei spatiale trecand la materialele semiconductoare III-V pe baza de arsenid de galiu, care au evoluat apoi in celula moderna multijunctionala III-V folosita pe nave spatiale.
In ultimii ani, cercetarile s-au indreptat catre proiectarea si fabricarea celulelor solare usoare, flexibile si extrem de eficiente. Tehnologia celulelor solare terestre utilizeaza in general celule fotovoltaice care sunt laminate cu un strat de sticla pentru rezistenta si protectie.
Aplicatiile spatiale pentru celulele solare necesita ca celulele si tablourile sa fie atat extrem de eficiente, cat si extrem de usoare. Unele tehnologii mai noi implementate pe sateliti sunt celule fotovoltaice cu mai multe jonctiuni, care sunt compuse din diferite jonctiuni PN cu spatii de banda variate, pentru a utiliza un spectru mai larg de energie a soarelui. In plus, satelitii mari necesita utilizarea unor retele solare mari pentru a produce electricitate.
Aceste matrice solare trebuie sa fie defalcate pentru a se incadra in constrangerile geometrice ale vehiculului de lansare pe care se deplaseaza satelitul inainte de a fi injectat pe orbita. Din punct de vedere istoric, celulele solare de pe sateliti erau formate din mai multe panouri terestre mici pliate impreuna. Aceste panouri mici ar fi desfasurate intr-un panou mare dupa ce satelitul este instalat pe orbita sa.
Satelitii mai noi isi propun sa utilizeze matrice solare flexibile care se pot roti, care sunt foarte usoare si pot fi impachetate intr-un volum foarte mic. Marimea si greutatea mai mica a acestor tablouri flexibile scade drastic costul total al lansarii unui satelit datorita relatiei directe dintre greutatea utila si costul de lansare al unui vehicul de lansare.
Metode de fabricatie imbunatatite
Imbunatatirile au fost treptate in anii 1960. Acesta a fost, de asemenea, motivul pentru care costurile au ramas ridicate, deoarece utilizatorii spatiului erau dispusi sa plateasca pentru cele mai bune celule posibile, fara a lasa niciun motiv sa investeasca in solutii mai ieftine si mai putin eficiente. Pretul a fost determinat in mare parte de industria semiconductoarelor
La sfarsitul anului 1969, Elliot Berman s-a alaturat grupului de lucru Exxon, iar in Aprilie 1973 a fondat Solar Power Corporation (SPC), o filiala detinuta in intregime de Exxon la acea vreme. Grupul a ajuns la concluzia ca energia electrica va fi mult mai scumpa pana in 2000 si a considerat ca aceasta crestere a pretului va face sursele alternative de energie mai atractive. El a realizat un studiu de piata si a concluzionat ca un pret per watt de aproximativ 20 USD, ar crea o cerere semnificativa. Echipa a eliminat etapele de lustruire a panourilor si acoperirea acestora cu un strat antireflex, bazandu-se pe suprafata taiata bruta. Echipa a inlocuit, de asemenea, materialele scumpe si cablurile utilizate in aplicatiile spatiale cu o placa cu circuite imprimate pe spate, plastic acrilic in fata si lipici siliconic intre cele doua, „imbinand” astfel celulele.
Celulele solare ar putea fi fabricate folosind materiale de pe piata electronica. Pana in 1973 au anuntat un produs finit, iar Tideland Signal a inceput sa-si foloseasca panourile pentru a alimenta geamandurile de navigatie, initial pentru Garda de Coasta a SUA.
Evolutia preturilor
Producatorii de celule au raspuns la preturile ridicate ale siliciului in 2004-2008 cu reduceri rapide ale consumului de siliciu. In 2008, potrivit lui Jef Poortmans, directorul departamentului organic si solar al IMEC, celulele actuale utilizeaza 8-9 grame (0,28-0,32 oz) de siliciu per watt de generare a energiei, cu grosimi in vecinatatea a 200 microni.
Panourile din siliciu cristalin domina pietele mondiale si sunt fabricate in principal in China si Taiwan. Pana la sfarsitul anului 2011, o scadere a cererii europene a scazut brusc preturile modulelor solare cristaline la aproximativ 1,09 dolari per watt fata de 2010. Preturile au continuat sa scada in 2012, ajungand la 0,62 dolari / watt.
Energia solara fotovoltaica creste cel mai rapid in Asia, China si Japonia reprezentand in prezent jumatate din desfasurarea la nivel mondial. Capacitatea PV instalata la nivel mondial a atins cel putin 301 gigawati in 2016 si a crescut pana la furnizarea a 1,3% din energia globala pana la sfarsitul anului 2017.
S-a anticipat ca electricitatea din panourile fotovoltaice va fi competitiva din punct de vedere al costului energiei electrice in intreaga Europa, iar timpul de recuperare a energiei pentru modulele din siliciu cristalin, poate fi redus la mai putin de 0,5 ani pana in 2021.
