Modularna zasnova fotonapetostnih generatorjev omogoča izdelovanje sistemov za oskrbo z električno energijo zelo različnih moči, od samo nekaj tisočink vata za zapestne ure do sistemov z nazivno močjo nekaj kW za samostojne porabnike, kot so na primer gorske koče, in celo do omrežnih fotonapetostnih sistemov, tako imenovanih sončnih elektrarn, z nazivno močjo nekaj deset MW.
Fotovoltaika se razvija v obsežen, trajnostno naravnan in inovativen gospodarski sektor, ki tudi Sloveniji ponuja veliko priložnost za razvoj in prodor naprednih tehnologij izrabe obnovljivih virov energije.
Kristalni silicij (c-Si)
Trg proizvodnje PV modulov se je globalno razvil. Kristalni silicij je tradicionalni celični material za sončne module in je ohranil vsaj 80 odstotkov tržnega deleža svetovne proizvodnje fotonapetostnih modulov. Do danes je kristalni silicij dosegel najvišjo učinkovitost modula pod standardnimi preskusnimi pogoji. Poleg tega imajo kristalni silikoni najbolj razvit proizvodni proces.
Monokristalni solarni moduli
Monokristalni material se pogosto uporablja zaradi svoje visoke stopnje učinkovitosti v primerjavi z več kristaliničnimi. Že 1998 leta so poročali o monokristalnih sončnih celicah v obliki satja z učinkovitostjo 24,4 odstotka. Pomembno pa je omeniti, da je učinkovitost modula vedno nižja od učinkovitosti celic.
Več kristalni ali polikristalni
Leta 1998 so poročali o sončnih celicah v obliki satovja z učinkovitostjo 19,8 odstotka za več kristalne. Več kristalni solarni moduli so cenejši za proizvodnjo, raje so bolj priljubljeni na trgu. Vendar so v primerjavi z monokristalnimi solarnimi moduli manj učinkoviti.
Kratka predstavitev osnovnih sistemov sončne energije, fotovoltaičnih (PV) sistemov, fotonapetostnih celic, PV merilnih tehnik in omrežnih sistemov, pregled potenciala PV električne energije za študente in nove inženirje na temo, ki se začenja z osnovnimi načeli sončne energije, so pojasnjeni temelji fizike polprevodnikov ter struktura in delovanje sončne celice. Opisuje trenutne tehnike merjenja solarnih modulov ter načrtovanje in delovanje omrežnih in zunaj vodnih fotonapetostnih sistemov.
Sestava solarne celice
Sončno energijo lahko izkoristimo kot svetlobo ali toploto. Proces pretvarjanja svetlobe (fotonov) v elektriko (napetost) se imenuje fotovoltaični (PV) učinek. Dejavnik PV je najprej odkril francoski fizik Edmund Becquerel leta 1839 z uporabo bakrovega oksida v elektrolitu.
Za ustvarjanje PV učinka sevanje sonca (sončna svetloba) zadene fotonapetostno celico
Za ustvarjanje PV učinka sevanje sonca (sončna svetloba) zadene fotonapetostno celico. Te celice so sestavljene iz dveh plasti polprevodnega materiala, običajno silicija, ki je bil kemično obdelan. Industrija se nanaša na te plasti kot P in N. Meja med P in N deluje kot dioda, ki omogoča, da se elektroni gibljejo od N do P, vendar ne od P do N. Če fotoni z zadostno energijo udarijo v celico, povzročijo elektrone premik (samo od N do P), ki povzroča odvečne elektrone v N-plasti in pomanjkanje v P-sloju.
Ta napetostna razlika je običajno v območju 0,5 V, dokler je celica v sončni svetlobi. Če kratek stik zgornji in spodnji sloj tok teče približno 3 amperov. Če uredite zadostno število celic v seriji, je rezultat PV modul ali PV panel. Recimo, da 36 celic v seriji proizvede 36 x 0.5V = 18V pri 3 amperih = 54 vatov.
Naslednja slika določa plasti znotraj celice. Zgornji sloj je antirefleksni premaz (ARC), ki izboljša svetlobni učinek sonca. N-plast je običajno polprevodniški silicij, dopiran s fosforjem, ki ustvarja prost pretok elektronov. Sloj P je spet po navadi polprevodniški silicij, vendar tokrat dopiran z borom, ki ustvarja prosti pretok pozitivnih nabojev, imenovanih "luknje". Ko se luknje in elektroni privlačijo in se premikajo drug proti drugemu, ustvarijo električno polje v stičišču P-N. Sončna svetloba, ki udari v to električno polje, ločuje elektrone in luknje, kar ustvarja napetost.
Napetost potiska električni tok ali "enosmerni tok" v stike na sprednji in zadnji strani celice, kjer se odvija vzdolž vezja, ki povezuje celice skupaj.
Sončne celice in nizi
Solarne celice so tipično združene v module, ki imajo okoli 40 celic; približno 10 od teh modulov je nameščenih v PV polja, ki lahko merijo do nekaj metrov na strani. Te ravne PV matrike se lahko namestijo pod fiksnim kotom, obrnjenim proti jugu, ali pa se lahko namestijo na sledilno napravo, ki sledi soncu, kar jim omogoča, da zajame največ sončne svetlobe v enem dnevu. Približno 10 do 20 PV nizov lahko zagotovi dovolj energije za gospodinjstvo, pri velikih električnih in industrijskih uporabah se lahko na stotine nizov medsebojno poveže, da tvorijo en sam velik PV sistem.
Tankoplastne sončne celice uporabljajo plasti polprevodniških materialov le nekaj mikrometrov. Tehnologija tankih filmov je omogočila, da se sončne celice zdaj podvojijo kot strešne skodle, strešniki, fasade zgradb ali zasteklitve za strešna okna ali atrije. Izvedba solarnih celic, kot so skodle, nudijo enako zaščito in trajnost kot navadne asfaltne skodle.
Nekatere sončne celice so zasnovane za delovanje s koncentrirano sončno svetlobo. Te celice so vgrajene v zbiralce, ki uporabljajo lečo, da usmerijo sončno svetlobo na celice. Ta pristop ima tako prednosti kot slabosti v primerjavi s ploščatimi foto napetostnimi nizi. Glavna ideja je uporabiti zelo malo dragih polprevodniških PV materialov, medtem ko zbirajo čim več sončne svetlobe. Ker pa morajo biti leče usmerjene proti soncu, je uporaba zbiralnikov omejena na najbolj sončne dele države.
Učinkovitost
Delovanje sončne celice se meri v smislu učinkovitosti pri pretvorbi sončne svetlobe v elektriko. Samo sončna svetloba določenih energij bo delovala učinkovito, da bi ustvarila elektriko, veliko pa se bo odražalo ali absorbiralo v materialu, ki sestavlja celico. Zaradi tega ima tipična komercialna sončna celica učinkovitost 15 odstotkov, približno ena šestina sončne svetlobe, ki udari v celico, proizvaja elektriko, čeprav vodilni konkurenti delajo proti 18 odstotkov. Teoretična maksimalna učinkovitost sončne celice, ki uporablja trenutne tehnike, je v območju 30 odstotkov.
Zaradi tega so izvedbe fotovoltaike najučinkovitejše na območjih z veliko dnevno sončno svetlobo. Upoštevajte, da so sončne celice odvisne od temperature, tako da v hladnem okolju fotovoltaična celica deluje bolje kot v vročem okolju (0,3 odstotka povečanje za 1 °C padca temperature. Na žalost na svetu ni veliko krajev, ki so hladni in imajo dolge sončne dni.
Nizka učinkovitost pomeni, da so potrebni večji nizi, kar pomeni višje stroške. Izboljšanje učinkovitosti sončnih celic ob hkratnem zmanjšanju stroškov na celico je pomemben cilj vseh udeležencev v industriji sončne energije in so dosegli pomemben napredek. Prve sončne celice, zgrajene v petdesetih letih prejšnjega stoletja, so imele učinkovitost manj kot 4 odstotkov.
Na sliki je prikazana maksimalna zmogljivost fotonapetostne celice. Rdeča krivulja je graf napetostne učinkovitosti celice, zelena krivulja pa je graf napetostne napetosti. Najboljše zmogljivosti (v vatih) dobimo pri tisti napetosti, pri kateri se tok zagotovo začne zmanjševati, kar je točka največje moči (MPP).
PV materiali - tehnologije silicija in tankega filma
Trije ključni elementi v sončni celici so osnova njihove proizvodne tehnologije. Prvi je polprevodnik, ki absorbira svetlobo in jo pretvarja v pare električnih-lukenj. Drugi je polprevodniški spoj, ki ločuje fotogenerirane nosilce (elektrone in luknje), tretji pa stike na sprednji in zadnji strani celice, ki omogočata tok v zunanji tokokrog. Dve glavni kategoriji tehnologije sta opredeljeni z izbiro polprevodnika, ali kristalni silicij v obliki rezin ali tanke plasti drugih materialov.
Kristalne silicijeve celice:
Sončne celice iz kristalnega silicija trenutno predstavljajo več kot 90 odstotkov svetovnega trga za sončne celice. V preteklosti je bil kristalni silicij (c-Si) uporabljen kot polprevodnik, ki absorbira svetlobo, v večini sončnih celic, čeprav je relativno nizek vpoj svetlobe in zahteva veliko debelino (nekaj sto mikrometrov) materiala. Kljub temu se je izkazalo za primerno, ker daje stabilne sončne celice z dobro učinkovitostjo (11 do 16 odstotkov, to je pol do dve tretjini teoretične največje vrednosti) in uporablja procesno tehnologijo, razvito iz ogromne baze znanja industrije mikroelektronike.
V industriji se uporabljata dve vrsti kristalnega silicija. Prva je eno kristalna, izdelana z rezanjem rezin (premera do 150 mm in debeline 350 mikrometrov) iz visoko kristalne kocke z enim kristalom Drugi je več kristalni silicij, izdelan z žaganjem ulitega bloka silicija najprej v palice in nato v rezine. Glavni trend v proizvodnji celic iz kristalnega silicija je v smeri več kristalne tehnologije. Eno kristalne celice imajo večjo učinkovitost pretvorbe kot več kristalne celice, toda stroški eno kristalnih ploščic so na splošno višji od več kristalnih ploščic.
Pri eno in več kristalnem Si se polprevodniška komunikacija tvori z razprševanjem fosforja (n - tip vnos nečistoč) v zgornjo površino silikonske plošče iz nečistega bora (p - tipa). Na sprednjo in zadnjo stran celice se nalepijo zaslonski stiki, pri čemer je sprednji kontaktni vzorec posebej zasnovan tako, da omogoča največjo izpostavljenost svetlobi materiala, Si z minimalnimi električnimi (upornimi) izgubami v celici. Najučinkovitejše proizvodne celice uporabljajo eno kristalni c - Si z laserskimi utori, zakopanimi stiki za maksimalno vpijanje svetlobe in zbiranjem toka.
Nekatera podjetja uporabljajo tehnologije, ki obidejo nekatere od neučinkovitosti poti rasti kristalov / litja in žaganja rezin. Eden od načinov je rast traku silicija, ali kot navaden dvodimenzionalni trak ali kot osem kotni stolpec, tako da se potegne iz silicijeve taline.
Druga je taljenje silicijevega prahu na poceni prevodnem substratu. Ti procesi lahko prinesejo s seboj druga vprašanja nižjih stopenj rasti / vlečenja in slabše izenačenosti in površinske hrapavosti.
Vsaka c - Si celica generira približno 0.5V, tako da je 36 celic običajno spojenih v seriji za izdelavo modula z izhodom za polnjenje 12V baterije. Celice so hermetično zaprte pod kaljenim steklom z visoko stopnjo prenosa za izdelavo zelo zanesljivih in vremensko občutljive naprave.
Tanke filmske sončne celice predstavljajo majhen, a hitro rastoč segment foto napetostnega trga. Visoki stroški rezin iz kristalnega silicija (ki predstavljajo 40-50 odstotkov stroškov končnega modula) so povzročili, da je industrija preučila cenejše materiale za izdelavo sončnih celic.
Izbrani materiali so vsi močni vpojniki svetlobe in morajo biti debeline le 1 mikron, zato so stroški materiala bistveno manjši. Najpogostejši materiali so amorfni silicij (a - Si, še vedno silicij, vendar v drugačni obliki) ali polikristalni materiali, kot so kadmijev telurid (CdTe) in bakrov indijski (galijev) diselenid (CIS ali CIGS).
Vsak od teh treh je podvržen velikim površinskim nanosom (na podlage z dimenzijami približno 1 meter) in s tem proizvodnjo velikih količin. Polprevodniški sloji s tankim slojem so naneseni na prevlečeno steklo ali na nerjavno jeklo. Polprevodniški spoji so oblikovani na različne načine, bodisi kot p - i - n naprava v amorfnem siliciju, ali kot hetero-spoj (na primer s tanko plastjo kadmijevega sulfida) za CdTe in CIS. Prosojen prevodni oksidni sloj (kot je kositrov oksid) tvori sprednji električni stik celice, kovinski sloj pa tvori zadnji stik.
Tehnologije tankih filmov so kompleksne. Imeli so vsaj dvajset let, v nekaterih primerih jih podpirajo velike korporacije, da bi od faze obetavnih raziskav (približno 8-odstotna učinkovitost na lestvici 1 cm2) prešli na prve proizvodne obrate, ki proizvajajo zgodnje izdelke.
Amorfni silicij je najbolj razvita tehnologija tankih filmov. V svoji najpreprostejši obliki ima celična struktura eno zaporedje plasti p - i - n. Takšne celice so izpostavljene močni razgradnji moči (v območju 15 do 35 odstotkov), kadar so izpostavljene soncu.
Mehanizem degradacije se imenuje Staebler - Wronski učinek, po njegovih odkritjih. Boljša stabilnost zahteva uporabo tanjših plasti, da bi povečali električno poljsko jakost v materialu. To pa zmanjša vpijanje svetlobe in s tem učinkovitost celic.
To je povzročilo, da je industrija razvila tandemske in celo tri slojne naprave, ki vsebujejo p – i - n celice zložene eno na drugo. V celici na dnu strukture je a-Si včasih legiran z germanijem, da bi zmanjšal razpon pasu in dodatno izboljšal vpijanje svetlobe. Vse to dodano zapletenost imajo tudi negativni procesi, ki so bolj zapleteni in donos procesa je verjetno nižji.
Da bi pridobili praktično uporabno napetost iz tankoplastnih celic, njihova izdelava običajno vključuje lasersko zapisovalno zaporedje, ki omogoča, da so spredaj in zadaj sosednjih celic neposredno medsebojno povezani, brez potrebe po nadaljnji spajalni povezavi med celicami.
Kot prej so tankoplastne celice laminatne za izdelavo vremensko odpornega in okolju odpornega modula. Čeprav so manj učinkoviti (proizvodni moduli se gibljejo med 5 in 8 odstotki), so tanke folije potencialno cenejše kot c - Si zaradi nižjih stroškov materiala in večje velikosti substrata. Vendar so nekateri tanki filmski materiali sčasoma poslabšali zmogljivost in stabilizirane učinkovitosti so lahko za 15 do 35 odstotkov nižje od začetnih vrednosti.
Številne tehnologije tankih filmov so pokazale najboljšo učinkovitost celic na raziskovalni lestvici nad 13 odstotkih in najboljšo učinkovitost prototipnega modula nad 10 odstotki. Tehnologija, ki je dolgoročno najbolj uspešna pri doseganju nizkih proizvodnih stroškov, bo verjetno tista, ki lahko doseže najvišjo stabilno učinkovitost (verjetno vsaj 10 odstotkov) z najvišjimi proizvodnimi donosi.
Amorfni silicij je do zdaj najbolj razvita tehnologija tankih filmov in ima zanimiv način nadaljnjega razvoja z uporabo "mikrokristalnega" silicija, ki skuša združiti stabilno visoko učinkovitost kristalne tehnologije Si s preprostejšo in cenejšo površino tehnologija amorfnega silicija. Vendar pa se konvencionalna tehnologija izdelave c - Si še naprej izboljšuje iz leta v leto in tudi njeni proizvodni stroški še vedno padajo.
I.K.
