Fotovoltaico: l'energia solare e celle solari in teoria e pratica
Aug 28, 2015

La parola   fotovoltaico   è una combinazione della parola greca per la luce e il nome del fisico Allesandro Volta. Identifica la conversione diretta della luce solare in energia tramite celle solari. Il processo di conversione è basato sull'effetto fotoelettrico scoperto da Alexander Bequerel nel 1839. L'effetto fotoelettrico descrive la liberazione di cariche positive e negative in uno stato solido quando la luce colpisce la superficie.

Come funziona una cella solare funziona?

Le celle solari sono composti da vari materiali semiconduttori. Semiconduttori sono materiali che diventano elettricamente conduttivo se alimentati con la luce o calore, ma che operano come isolatori a basse temperature.

Oltre il 95% di tutte le celle solari prodotte nel mondo è composto di materiale semiconduttore silicio (Si). Come secondo elemento più abbondante nella crosta earth`s, silicio ha il vantaggio di essere disponibile in quantità sufficienti, e l'elaborazione inoltre il materiale non gravano sull'ambiente. Per produrre una cella solare, il semiconduttore è contaminato o "drogata". "Doping" è l'introduzione intenzionale di elementi chimici, con cui si può ottenere un surplus di entrambi i portatori di carica positivi (p-conduzione strato semiconduttore) o portatori di carica negativa (n-conduttori strato semiconduttore) dal materiale semiconduttore. Se due strati semiconduttori differentemente contaminati sono combinati, quindi una cosiddetta risultati pn-giunzione sul contorno degli strati.

  • Modello di una cella solare cristallina

A questo incrocio, un campo elettrico interno è costruito che porta alla separazione dei portatori di carica che vengono rilasciati dalla luce. Tramite contatti metallici, una carica elettrica può essere sfruttato. Se il circuito esterno è chiuso, vale a dire un consumatore è collegato, quindi indirizzare flussi di corrente.

celle di silicio sono di circa 10 cm per 10 cm di larghezza (di recente anche 15 cm x 15 cm). Un film antiriflesso trasparente protegge la cella e diminuisce la perdita riflettente sulla superficie cellulare.

Caratteristiche di una cella solare

  • linea corrente-tensione di una cella si-solare

La tensione utilizzabile da cellule solari dipende dal materiale semiconduttore. In silicio è pari a circa 0.5 V. tensione terminale è solo debolmente dipendente dalla radiazione luminosa, mentre l'intensità di corrente aumenta con una maggiore luminosità. Una cella di silicio 100 cmq, per esempio, raggiunge un'intensità massima corrente di circa 2 A quando irradiato da 1000 W / mq.

L'uscita (prodotto di energia elettrica e tensione) di una cella solare dipende dalla temperatura. temperature delle celle più elevate portano ad una minore produzione, e quindi di minore efficienza. Il livello di efficienza indica quanto della quantità di luce irradiata viene convertita in energia elettrica utilizzabile.

Diversi tipi di cellule

Si possono distinguere tre tipi di cellule a seconda del tipo di cristallo: monocristallino, policristallino e amorfo. Per produrre una cella di silicio monocristallino, di materiale semiconduttore assolutamente puro è necessario. aste monocristallini sono estratti da silicio fuso e poi segati in lastre sottili. Questo processo di produzione garantisce un livello relativamente elevato di efficienza.  
La produzione di celle policristalline è più conveniente. In questo processo, il silicio liquido viene versato in blocchi che vengono successivamente segato in lastre. Durante la solidificazione del materiale, strutture cristalline di varie dimensioni sono formate, alle cui frontiere difetti emergono. Come risultato di questo difetto cristallo, la cella solare è meno efficiente.  
Se un film di silicio viene depositato su vetro o altro materiale di substrato, questa è una cosiddetta cella strato amorfo o sottile. Gli importi di spessore dello strato di 1 um (spessore di un capello: 50-100 micron), per cui i costi di produzione sono inferiori a causa dei costi dei materiali bassi. Tuttavia, l'efficienza delle celle amorfe è molto inferiore a quella degli altri due tipi di cellule. A causa di questo, sono utilizzati principalmente in materiali a bassa potenza (orologi, calcolatrici) o come elementi di facciata.

Materiale

Livello di efficienza in% Lab

Livello di efficienza in% Produzione

silicio monocristallino

circa. 24

da 14 a 17

silicone policristallino

circa. 18

13 a15

silicio amorfo

circa. 13

5 a7

Dalla cella al modulo

Al fine di rendere le tensioni e le uscite disponibili per diverse applicazioni appropriate, singole celle solari sono interconnessi per formare unità più grandi. Celle collegate in serie hanno una tensione più elevata, mentre quelli collegati in parallelo producono corrente più elettrica. Le celle solari collegate solitamente sono incorporati in trasparente etil-vinil-acetato, dotato di un telaio in alluminio o acciaio inossidabile e coperto con vetro trasparente sul lato anteriore.

Le potenze tipiche di tali moduli solari sono tra 10 e 100 Wpeak Wpeak. I dati caratteristici riferiscono alle condizioni di prova standard di radiazione solare 1000 W / mq ad una temperatura di cella di 25 ° C. La garanzia convenzionale del produttore di dieci o più anni è piuttosto lungo e mostra il elevati standard di qualità e l'aspettativa di vita dei prodotti di oggi.

Limiti naturali di efficienza

  • livelli massimi teorici di efficienza delle varie celle solari in condizioni standard

Oltre a ottimizzare i processi produttivi, il lavoro è stato fatto anche per aumentare il livello di efficienza, al fine di ridurre i costi delle celle solari. Tuttavia, diversi meccanismi di perdita stanno fissando limiti di questi piani. Fondamentalmente, i differenti materiali semiconduttori o combinazioni sono adatti solo per specifici intervalli spettrali. Quindi una parte specifica di energia radiante non può essere utilizzato, perché i quanti di luce (fotoni) non hanno sufficiente energia per "attivare" i portatori di carica. D'altra parte, una certa quantità di energia fotonica surplus viene trasformata in calore piuttosto che in energia elettrica. In aggiunta a ciò, ci sono perdite ottiche, come il pedinamento della superficie cellulare attraverso il contatto con la superficie di vetro o riflessione dei raggi entranti sulla superficie cellulare. Altri meccanismi di perdita sono perdite di resistenza elettrica nel semiconduttore e il cavo di collegamento. L'influenza di interrompere contaminazione materiale, effetti di superficie e difetti cristallini, tuttavia, sono anche significative.  
meccanismi di perdita singole (fotoni con troppo poca energia non sono assorbiti, energia fotonica eccedenza viene trasformata in calore) non può essere ulteriormente migliorata a causa dei limiti intrinseci fisici imposti dai materiali stessi. Questo porta ad un livello massimo teorico di efficienza, cioè circa il 28% per il silicio monocristallino.

New Directions

Strutturazione superficie per ridurre la perdita di riflessione: per esempio, la costruzione della superficie cellulare in una struttura piramidale, in modo che la luce incidente colpisce la superficie più volte. Nuovo materiale: per esempio, arseniuro di gallio (GaAs), tellururo di cadmio (CdTe) o indio seleniuro di rame (CuInSe²).

Tandem o impilati cellule: per essere in grado di utilizzare un ampio spettro di radiazione, differenti materiali semiconduttori, che sono adatti per diversi intervalli spettrali, saranno disposti uno sopra l'altro.

Cellule del concentratore:   Un'intensità luminosa maggiore sarà focalizzata sulle celle solari con l'uso di sistemi di specchi e lenti. Questo sistema tiene traccia del sole, sempre utilizzando la radiazione diretta.

Cellule strato MIS inversione:   il campo elettrico interno non sono prodotte da una giunzione pn, ma per la giunzione di uno strato di ossido sottile di un semiconduttore.

Celle di Grätzel:   celle elettrochimiche liquidi con diossido di titanio come elettroliti e tintura per migliorare l'assorbimento della luce.

Il testo e le illustrazioni utilizzate con il permesso della Fondazione tedesca per l'energia solare (Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie eV)

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