Tipuri de Celule Solare

Tipuri de celule solare

1.Cristale de siliciu

Cel mai important material din cristalinul celulelor solare este siliciul. Dupa oxigen acesta este al doilea cel mai raspandit element de pe pamant si este practic prezent in cantitati nelimitate. Nu este prezent in forma pura ci in amestec chimic cu oxigen sub forma de cuart sau nisip. Oxigenul nedorit trebuie intai sa fie separat din dioxidul de siliciu. Pentru a face acest lucru, nisipul de cuart este incalzit alaturi de o pudra de carbon, cocs si carbune intr-un furnal cu arc electric pana la o temperatura intre 1800-1900 grade celsius. Astefel se produce monoxidul de carbon si ceea ce este cunoscut ca siliciu metaurgic care este in proportie de 98 procente pur. Dar cele 2 procente de impuritati din siliciu reprezinta o concentratie prea mare pentru aplicatii in electronica. Doar bilionimi dintr-un procent este o concentratie acceptabila pentru aplicatii cu celule fotovoltaice si aceasta concentratie trbuie sa fie de zece ori mai mica pentru industria semiconductoarelor. Materialul brut de siliciu este in continuare purificat mai departe prin procese chimice. Siliciul in final intra in reactie cu un gaz de clorida de hidrogen (acid hidrocloric) si formeaza hidrogen si triclorsilan- un lichid care fierbe la temperatura de 31 grade celsius. In fazele repetate acest lichid este distilat pana cand nivelul de impuritati cerut. Standardul curent in industrie este un procedeu chimic de depunere a vaporilor, acesta fiind cunoscut sub numele de procedeul Siemens, care este utilizat pentru extragerea siliciului ultra pur din triclorsilan si hidrogen. Cle doua gaze sunt introduse intr-un reactor unde tije fine de siliciu de inalta puritate este asezat, incalzit la temperaturi intre 1000-1200 grade celsius. Siliciuul din triclorsilan este depozitat pe aceste tije. Siliciuul format prin acest proces este policristalin si este cunoscut ca polisiliciu. Tijele crec in diametru inte 10-15 cm. Acestea sunt sparte in bucati si utilizate ca susrse de material pentru fagurii siliciuul monocristalin si policristalin, care apoi sunt turnate in celule solare.

Deoarece puritatea necesara pentru siliciu utlizata in fabricarea celulelor solare nu este asa de ridicat ca siliciul folosit in industria semiconductoarelor, practic pentru fabricarea celulelor solare se folosesc materialele ramase din industria semiconductoarelor.In orice caz, din 1998 nu au mai ramas suficiente deseuri pentru a acoperii o cerere in crestere. Deficitul a fost acoperit utilizand siliciu ultra pur, dar care, in unele cazuri, este de o calitate putin mai scazuta. Din aceasi perioada au fost dezvoltate procedee care acum fac posibila producerea siliciului de calitatea necesara producerii celulelor solare, dar constand mult mai putin economisind timp si energie.

Fig.1 FABRICAREA CELULELOR MONOCRISTALINE SI POLICRISTALINE

Uni producatori de siliciu pentru celule solare utilizeaza reactoare fluidizate. Mici particule de siliciu sunt introduse in reactor. Tricrosilanul sau silanul este suflat in reactor impreuna cu hidrogenul. La temperaturi de 1000 de grade pentru tricrosilan saul 700 grade pentru silan, siliciuul din aceste materiale se depoziteaza in particule ce devin din ce in ce mai mari pana devin asa de grele incat picura la fundul reactorului si pot fi colectate ca siliciu granulat. Procesul reactorului sub forma de tub in contrast este similar procedeului Siemens. Dar in loc de tije foloseste cilindri de siliciu goi inauntru care trebuie incalziti doar pana la 800 grade celsius deoarece materialul sursa utilizat este silanul. In prodeul depunerii de vapori lichizi (VLD) dezvoltat in Japonia, siliciuul din tricrosilanul gazos; care este intodus in reactor impreuna cu hidrogenul este depozitat intr-un tub de grafit incalzit pana la 1500 grade celsius. Siliciuul care se lichefiaza la temperaturi intr 1410-1420 grade celsius cade la fundul reactorului unde se solidifica in granulat.

1.2 Celule siliciuice din monocristaline

Fabricatie

Procedeul Czochralski a intrat in productie de siliciu monocristalic pentru aplicatii terestre. In acest procedeu materia prima policristalina este topit intr-un creuzet de cuart la temperaturi in jurul a 1420 de garde celsius. Un cristal samanta cu o orientare definita este introdusa in topitura de siliciu si este tras incet in sus din topitura. In timpul acestui proces cristalul creste intr-un monocristal cilindric cu pana la 30 cm in diametru si mai multi metri in lungime. Aceste monocristale cilindrice sunt taiate in forme semirotunde sau bare patrate, care apoi sunt taiate cu fire ferestrau in feli ce au o grosime de aproximativ 3 mm. In timpul procesului de taiere a monocristalinelor si a felierii cu firele ferestrau, o mare parte din siliciu este pierdut ca rumegus si trebuie sa fie retopit. Feliile sunt curatate chimical in gravuri si clatite in bai pentru a indeparta rezidurile ramase in urma taierii si semnele. Acest procede de curatare indeparteaza aproximativ 0,01 mm din grosimea feliei pe ambele parti. Incepand cu feliile neprelucrate care au fost deja p-dopate cu bor stratu subtire n-dopat este creat prin difuzia de fosfor. Gazul fosforic este raspandit intr-un cuptor de difuzie la temperaturi intre 800-900grade celsius, si suprafata de deasupra este dopata. Inima celulei solare, jonctiune p-n este creata. Dupa aplicarea unui invelis antireflectiv, liniile de colectoare de curent sunt printate pe fata, in timp ce contactele apar pe spate intr-un proces de printare pe ecran. Contactele trebuie sa fie coapte pentru a contacta partea din fata prin invelisul antireflectiv. In final celulele solare sunt gravate la marginipentru a crea diviziune curata intre stratul p si n pentru a preveni un scurt circuit intre parti.

Eficienta: 15 pana la 18 procente (siliciu Czochralski).

Forma: in functie de cat monocristalin este indepartat celule semirotunde sau patrate sunt create. Celulele rotunde sunt mai ieftine decat cele semirotunde sau patrate deoarece mai putin material este pierdut in timpul producerii acestora. In ciuda acestui fapt ele sunt foarte rar utilizate in module standard deoarece atunci cand sunt plasate una langa alta intr-un modul nu utilizeaza spatiul suficient. In orice caz in modulele speciale in integrarea in constructii trnsparenta lor partiala este de dorit sau pentru sistemele solare casnice, celule solare fiind o alternativa perfect viabila.

Masuri uzuale:10cm2 x 10cm2 (4 inchi); 5 inchi; 6 inchi; 0:12.5 cm sau 15 cm.

Grosime: 0.2 mm pana la 0.3 mm.

Aparenta: uniforma.

Culoare: albastru inchis pana la negru ( cu ANTIREFLEXIV AR); gri (fara AR).

Producatori de celule

Astro Power, Bharat Electronics, BHEL, BP Solar, Canrom, CEL, CellSiCo, DeutscheCell, Eurosolare, GE Energy, GPV, Helios, Humaei, Isofoton, Kaifeng Solar CellFactory, Kwazar JSC, Maharishi, Matsushita Seiko, Microsolpower, Ningbo SolarEnergy Power, Pentafour Solec Technology, Photowatt, RWE Schott Solar, Sharp,Shell Solar, Solartec, Solar Wind Europe, Solec, Solmecs, Solterra, Suntech, Sunways,Telekom-STV, Tianjin Jinneng Solar Cell, Viva Solar, Webel SL, YunnanSemiconductor.

Fig.2 Celule monocristaline de forme patrat,semirotund si rotund

1.3 Celulele din siliciu policristalin

Fabricatie

Materialul siliciuic de inceput este topit intr-un creuzet de cuart si turnat sub forma de cub. Printr-un proces controlat de incalzire si racire, cuburile se racesc in mod egal intr-o singura directie. Scopul acestei solidificari directionate este formarea unui numar cat mai mare de siliciu cristalin homogen posibil, cu granule de marimi de la cativa milimetri pana la mai multi centimetri. In metoda creeri de blocuri, bucati mari de siliciu sau lingouri sunt create. Lingourile sunt in general taiate in bare utilizand un ferestrau banda, si apoi fiind taiate in feli

de aproximativ 0,3 mm grosime. Taierea feliilor au ca rezultat pierderea unei parti de siliciu ca rumegus. Dupa curatare si doparea cu fosfor stratu antireflexiv este aplicat. In fianl sunt printate contactele si marginile sunt gravate.

Eficienta: 13 pana la 16 procente (cu AR).

Forma: patrat

Masuri uzuale:10 cm2 x 10cm2;12.5 cm2 x 12.5 cm2 ;15cm2 x15 cm2 ;15.6 cm2x15.6 cm2 si 2 1cm2 x21cm2 (4 inchi; 5 inchi; 6 inchi; 6+ inchi; si 8 inchi).

Grosime: 0.24 mm si 0.3 mm.

Aparenta: procesul de turnare a blocurilor formeaza cristale cu orientari diferite. Deoarece lumina este reflectata diferit, cristalele individuale nu pot fi vazute clar pe suprafata (suprafata inghetata).

Culoare: albastru (cu AR), gri argintiu (fara AR).


Al-Afandi, BP Solar, Deutsche Cell, ErSol, Eurosolare, GPV, Kwazar JSC, Kyocera,Maharishi, Mitsubishi, Motech, Photovoltech, Photowatt, Q-Cells, RWE Schott Solar,Sharp, Shell Solar, Solar Power Industries, Solartec, Solterra, Suntech, Sunways,Tianjin Jinneng Solar Cell.

Fig.3 Blocuri de policristal obtinute prin turnare si taiere

In producerea de celule policristaline exista un trend catre producerea unor celule largi si deci producerea unor module mai eficiente. Multi producatori ofera celule policristaline de 8 inchi: marimea margini este 8 inchi (21cm). Celule mai mari vor duce la scaderea costurilor de productie a celulelor si a modulelor in viitor, deoarece mai putine celule sunt necesare pentru un modul. In orice caz producatori de module trebuie sa ajusteze productia sistemelor lor pentru a se plia pe noile marimi si sa creeze noi diode de bypass si cuti de jonctiune care sunt create pentru curenti mai mari si diodele de temperatura. Specificatiile tehnologice ale

sistemelor sunt de asemenea mai mari (cabluri, invertoare, etc) deoarece sisteme trebuie sa lucreze cu, curenti mai mari.

Fig.4 Faguri policristalini cu AR,fara AR ,cu AR si grila de linii de contacte

Se munceste in prezent pentru a produce celule cat mai subtiri in viitor. Cea mai mare dificultate consta in printarea contactelor deoarece pasta are o coeficiente de expansiune termala diferita decat siliciuul si celulele se deformeaza cand contactele se coc. Cu tehnologia actuala limita ar trbui sa fie in jurul a 0.1mm deoarece feliile policristaline devin tot mai instabile atunci cand marginile acestora scad in grosime. Siliciuul monocristalin prin contrast nu este asa de susceptibil la rupere deoarece feliile devin flexibile in jurul grosimii de 0.08mm.

Fig.5 Celule de 6 si 8 inchi

1.4 Celule siliciuice extrase sub forma de banda

Cu metodele conventionale de fabricatie a fagurilor de siliciu cristalin, pana la 40 procente din siliciuul initial este pierdut ca rumegus pana cand fagurele final este produs. Taierea fagurilor de asemenea necesita o grosime de taiere de apoximativ 0.3mm din motive mecanica. Pentru a reduce risipa mare de materiale si pentru cresterea si eficientizarea utilizarii de material mai

multe procedee de extractie a benzilor a fost dezvoltate. Aici, filme sunt extrase direct din topitura siliciuica, barele siliciuice au deja grosimea viitorilor faguri, tot ce ramane de facut, in general utilizand lasere este de a taia suprefetele plate in bucati. Acest progres tehnologic a crecut sperantele ca in viitor va fi posibila reducerea grosimii benzilor de siliciu pana la 0.1mm. In comparatie cu metodele clasice metoda extraxtiei sub forma de banda este mult mai economica atat in folosirea energiei cat si a materialelor, si are un potential simificant de reducere a costurilor.

Trei tehnologii au ajuns in stadiul de productie si sunt utulizate in productia celulelor solare in scopuri comerciale.

Celule siliciuice policristaline EFG

Fabricatie

Procesul EFG a fost utilizat in mai aplicatii pentru productia de masa timp de mai multi ani. O suprafata de forma octangonala facut din grafit este scufundata in topitura siliciuica si trasa afara. Acest lucru duce la formarea unor tuburi octangonale de pana la 6.5 m in lungime cu suprafete de 10 cm sau 12.5 cm in latime si o grosime medie a peretilor de 0.3mm. Fagurii finali sunt taiati din cele 8 fete. Materialul pierdut prin acest proces este mai mic 10 procente. Dupa doparea cu fosfor si aplicarea stratului din spate de contacte, fagurii sunt completati cu retele de contacte, iar in fata cu un strat antireflexiv. Siliciuul EFG este policristalin dar are foarte putine margini granulate si defcte de cristal. In aparenta si proprietati electrice aceste celule sunt mult mai apropiate de celulele monocristaline.

Eficienta: 14 procente.

Forma: patrat.

Marime: 12.5 cm2 x 12.5 cm2 .

Grosime: medie 0.24mm.

Aparenta: procesul EFG produce cristale lungi care pot fi vazute doar daca te uit de aproape. Suprafata celulei este usor denivelata.

Culoare: albastru (cu AR).

Producator de celule

RWE Schott Solar.

Fig.6 Masina de extractie a benzii EFG,Fagurii sunt taiati de laser tuburi octogonale,Celule EFG patrate

Fig.7 Tragerea benzii de siliciu

Celule siliciuice din siruri de benzi policristaline

Fabricatie

In procesul sirurilor de benzi doua fibre de carbon sau cuart incalzite la temperaturi foarte inalte- sirurile- sunt trase vertical printr-un creuzet plat din topitura de siliciu. Siliciuul lichid formeaza o strat intre siruri si se cristalizeaza intr-o fasie larga de 8cm- banda. Partea trasa a procesului functioneza continuu: sirurile sunt trecute prin role iar siliciuul crud este adaugat continu la creuzet, in timp ce banda creste si este taiata in faguri rectangulari la final.

Eficienta: 12 pana la 13 procente.

Forma: rectangulara.

Marime:8cm2 x 15cm2.

Grosime: 0.3mm.

Aparenta: la fel ca la EFG.


Producator celule

Evergreen Solar, EverQ.

Fig.8 Celule solare in siruri de benzi

Celule varf policristaline

Fabricatie

Celulele varf reprezinta prima aplicatie a unui procedeu cu film subtire de aplicare a siliciului cristalin care a intrat in stadiul de productie. Un substrat conductiv electric ceramic continand siliciu inlocuieste fagurele subtire de siliciu si intr-un proces orizontal continuu este aplicat un start siliciuic subtire policristalin de grosime intre 0.03 si 0.1mm cu functia de strat fotovoltaic. O celula solara intr-un format foarte mare este astfel produsa avand proprietati similare celulelor policristaline conventionale. Un procedeu de incalzire regionala la temperaturi de 900-1000 grade celsius este in continuare necesar dar cantitatile mici de material semiconductor de puritate inalta si viteza de productie ridicata promit avanataje in ceee ce priveste costurile.

Eficienta: 9.5 procente.

Forma: patrat.

Marime: 20.8 cm2 x 20.8 cm2.

Grosime: 0.03 pana la 0.1mm + substratul ceramic.

Aparenta: ca si celulele solare cristaline, dar cu cristale mai mici.


Producator celule

GE Energy

Fig.9 Procesul de productie pentru celule solare

1.5 Stratul antireflexis pe celulele siliciuice cristaline

Deoarece ca, cat mai multa lumina posibila sa patrunda in celula, un strat antireflexiv de nitrid de siliciu saudioxid de titaniu este aplicat. Acest lucru ne asigura ca, cat mai putina lumina posibil este reflectata de suprafata celulei reducand pierderile de reflexie cu cateva procente. Nitridul de siliciu are de asemenea rolul de a reduce defectele cristalelor de pe suprafata. Reducerea previne perechile de purtatori de sarcina sa se recombine.

Fig.10 Paleta colora a celulelor monocristaline

Fig.11 Celule policristaline verzi,aurii cu acoperire AR,fara AR argintii,cu AR maro,violet

Acest strat AR face ca griul initial al fagurilor cristalini sa ia o culoare albastra (celule policristaline) sau albastru inchis spre negru (celule monocristaline). In afara de stratul antireflexiv este posibil sa se creeze un ton de culoare diferita prin variatia grosimii stratului. Culorile sunt cauzate de reflectarea a unei parti diferite a spectrului de lumina in fiecare caz. In prezent culorile verde, auriu, maro si violet se pot produce. In orice caz efectul optic vine

cu un cost de eficienta mai redusa a celulelor. Este de asemenea posibil sa nu se aplice un strat aer absolut deloc si sa avem fagurii in culoarea gri auriu originala (celule policristaline) sau gri inchis (celule monocristaline). Celulele fara AR sunt in mod frecvent utilizate pentru integrarea in fatade. Ele sunt simplu de produs iar culoare neutra este deseori dorita de catre arhitecti. In acelasi timp, este acceptabil ca pana la 30 de procente din lumina sa fie reflectata de suprafata celulei solare.

1.6 Contactele frontale

Astfel ca celulele sa poate fi integrate intr-un circuit electric, contacte metalice sunt aplicate pe ambele fete. Un strat fin metalic este utilizat pe suprafata in care bate soarele pentru a mentine suprafata umbrita cat mai putin posibil. Contactele din fata sunt in general aplicate un proces de serigrafie. In acest proces o pasta de argint este aplicata prin serigrafie in fagurii siliciuici. Liniile de contact au o grosime de aproximativ 0.1-0.2mm in acest proces. Doua linii de contacte colectoare de grosime de la 1.5-2.5mm merg pe suprafata subtire a contactelor. Acestea sunt conectate apoi la contactele din spate a celulei urmatoare intr-un nod sudat de o fasie de cupru.

Fig.12 Comparatie intre metoda serigrafica si tehnologia Saturn

Tehnologii speciale au fost dezvoltate petru celule solare de inalta performanta pentru a imbunatatii proprietatile contactelor si a minimaliza reflexia de la suprafata celulei. Un exemplu este cunoscut ca si procedeul Saturn. In acesta, linia de contact este taiata utilizand laserul. Grosimea liniilor de contact de 0.2mm este redusa coonsiderabil in comparatie cu cele produse prin serigrafie. Ca rezultat, mai putin din suprafata celulei este umbrita in schimb ne permitem ca mai multe liniisa fie taiate in celula solara. Deoarece aceste canale taiate cu laserul pot fi umplute cu materialul de contact, pierderile ohmice in conductia purtatorilor de sarcina sunt reduse. In tehnologia contactelor ingropate in locul jgheaburilor in forma de V, canale cu o sectiune sub forma de patrat sunt create.

Fig.13 Celule policristaline cu, contacte frontale serigrafiate,celule monocristaline cu contacte frontale formate cu laser

In plus o suprafata texturata consistand din mici piramide reduce in continuare pierderile prin reflexie. Suprafata este reflectata si refractata in mod repetat de suprafetele piramidei, acest lucru permite ca mai multa lumina sa penetreze celula si sa fie absorbita. Acest efect este cunoscut ca, capcana de lumina. In functie de proces si producator diferite structuri sau texturi ale suprafetei sunt gravate pe celula.

Masti serigrafice mai fine care vor crea degete de contactde doar 0.03 mm grosime si procedee de ingropare a contactelor pentru celule solare policristaline sunt programate sa fie lansate in curand. In plus primele celule cu trei bare au fost produse. Acestea permit ca, curenti mai mari din celulele policristaline din ce in ce mai largi sa fie transportate cu eficienta mai mare si cu perderi electrice scazute.

Fig.14 Celule solare policristaline cu trei bare

Fig.15 Contacte frontale

Ca parte a proiectului international de cercetari BIMODE, Institutul Atomic al Universitatii Australiene a experimentat cu designul liniilor de contact din fata sa aiba un randament

aditional printr-un efect optic. Modelele contactelor frontale care au fost creatate arata o pierdere de eficienta nu mai mare de 5 procente in comparatie cu modelele standard optimizate. Atunci cand se incearca plasarea contactelor frontale dea lungul limitelor siliciului policristalin eficienta celulelor creste. In orice caz aceste modele de contacte frontale au fost aplicate manual ceea ce duce la un cost ridicat. Cercetarile au condus la modul solar comercial facut din celule speciale cu magistrale de curent diagonale care pot fi aranjate dupa dorinta in module.

1.7 Contactele din spate

Spre deosebire de contactele frontale, contactele metalice din spatele celulelor pot fi aplicate pe o suprafata mult mai mare. In timp ce acestea nu pot fi vazute in modulele standard care au un strat acoperitor opac pe spatele celulei, ele sunt vizibile la modulele speciale folosite in integrarea constructiilor avand un strat acoperitor transparent pe partea din spate si care poate fi utilizat ca un element de design in plus. Pentru a optimiza eficienta un invelis aplicat pe intreaga suprafata din aluminiu, este printat la spatele celulei intre contactele serigrafiate in punct sau banda, avand intre 2.5 - 6mm latime.

1.8 Celule de inalta performanta

Utilizand procese de productie scumpe, laboratoarele de cercetare au putut sa produca de mai multi ani celule siliciuice cristaline de inalta eficienta de pana la 25 procente. In acestea pierderile electrice si optice sunt minimalizate. Un exemplu a unui proces de productie a fagurilor de inalta calitate este metoda zonei plutitoare. Acest proces permite productia de celule solare mnocristaline cu o puritate mai mare si in consecinta 1-2 procente mai eficiente. Materia prima necesara aici este o tija de siliciu policristalin purificat cu o samanta de siliciu cristalin in varf- dar acest material este scump. Aceasta tija este coborata printr-o bobina electromagnetica si topita sub forma de inel utilizand campuri de inalta frecventa incepand cu varful monocristalin. Impuritatile sunt transportate in zona lichida la capatul tijei pentru a fi incalzita. Cand se racesc se formeaza o structura monocristalina cu un grad mare de puritate si cu o inalta calitate a cristalelor pe intraga tija.

Pentru a minimaliza pierderile recombinarii la suprafata si contacte, spatele poate fi eficientizat cu oxid de siliciu sau cu siliciu amorf. Contactele in punc de pe spate cu o dopare locala masiva a suprafetei campului p, de asemenea creste eficienta. In final pierderile optice sunt reduse prin suprefete texturate si contacte ingropate ducand la o umbrire minimal. Aici mici piramide microscopice, structuri in forma de creste sau santuri sunt create pe suprafata celulei utilizand lasere. Acestea reprezinta capcane de lumina care previn reflexia.

Celulele solare cu contactele la spate

Aceste celule atat conatctele pozitive cat si cele negative sunt conectate la spatele celulei. Atat eviatrea umbririi de catre contactele frontale pe suprafata dinspre soare, acest lucru faciliteaza crearea unor siruri de celule in module si permit o parnta uniforma cu spatiu mic intre celule. Celulele Sun Power A-300 pentru modulele comerciale sunt module optimizate din punct de vedere al costului pentru calatorii spatiale si au fost dezvoltate pentru NASA. Fagurii bruti

sunt produsi din siliciu monocristalin, care spre deosebire de fagurii solari conventionali sunt dopati –n. Calitatea inalta a siliciului este necesara deoarece purtatorii de sarcina trebuie sa se difuzeze prin intreaga grosime a celului pentru a ajunge la jonctiunea p-n pe partea din spate. Acest lucru este creat cu doparea cu n si p in benzi si sunt conectate prin degete metalice care de asemenea functioneaza ca reflectoare. Ambele suprafete sunt eficientizate cu oxid de siliciu. Pentru a reduce recombinarea la contacte electrozii sunt conectati cu stratele p si n prin contacte varf-gaura.

Aceste celule ating o eficienta de pana la 21.5 procente in productia de masa si permit eficienta modulelor de pana la 18.6 procente. Ele au o sensibilitate spectrala larga dea lungul spectrului solar.


Forma: semi-rotund.

Marime: 12.5 cmx 12.5 cm nominal (5 inchi).

Grosime: 0.27mm.

Aparenta: uniforma; fara grila de contacte.

Culoare: negru catifelat.


SunPower Corporation.

Celulele Maxis BC+ cu contacte pe spate de la Photovoltech au o grila de contacte subtire frontala dar sunt conectate in intregimi prin bare la spate. Pentru a obtine acest lucru fagurii sunt perforati cu laser loc ce mai tarziu va fi umplut de bare. Celulele sunt facute din faguri policristalini suprafata carora sunt gravate puncte egal distribuite fara a avea o directie definita. Aceasta texturare fac ca limitele sa fie indistincte si suprafata sa para mata. Dupa ce se aplica stratu antireflexiv grila fina de contacte sub forma de diamant este printata. Acest lucru umple gaurile taiate cu laserul cu metal si creeaza conexiune electrice cu magistralele conductoare de pe spate. Acestea au nevoie sa fie separate utilizand un laser in asa fel incat sa nu fie un scurt circuit intre fata si spate.

Pana la aceasta data eficienta celulelor de pana la 16.5 procente a fost obtinuta si pe module prototip eficienta a ajuns pana la 14.9 procente. Aparenta uniforma impreuna cu o densitate de putere inalta fac aceste module special potrivite pentru integrare in constructii. Celulele BC+ facute din faguri monocristalini cu format de 6 inchi sunt in faza de test:


Forma: patrat.

Marime: 12.5 cm x 12.5cm nominal (5 inchi).

Grosime: 0.33 mm.

Aparenta: mata si aproape uniforma cu grila de contacte fina sub forma de diaman. Structura policristalina este aproape invizibila.

Culoare: albastru inchis.

Producator celule

Photovoltech.

Celule solare transparente

Fabricatie

Producatorul de celule SunWays ofera doua tipuri de celule transparente. Versiunea mai veche de policristaline numite Power cell este facuta din faguri policristalini care apoi trec printr-un proces de structurare mecanica. Utilizand un cilindru care se roteste rapid, santurile sunt sapate in fata si in spatele fagurișlor de siliciu. Directia santurilor din fata si din spate sunt rotite la 90 de grade unele fata de altele. In punctele in care santurile se intersecteaza, sunt prevazute cu gauri microscopice. Celulele solare lasa lumina sa treca prin aceste puncte. Gaurile fiind distribuite uniform are ca rezultat faptul ca celula devine transparenta in functie de marimea gaurilor aceasta transparenta poate varia intre 0 si 30 procente. Din motive tehnice o bordura opaca ramane la marginea transparenta a celulei. Celula poate fi produsa in asa fel incat sa fie senzitiva la lumina pe ambele parti.

In cele mai noi celule solare transparente Sunways dezvoltate, fagurele monocristalin sau cel policristalin primeste structuri gaurite grosiere egal distribuite facute de laser. In functie de necesitatile clientilor gaurile pot fi facute sub forma de patrat rotund sau orice alta forma. Suprafata texturata da celulei o aparenta in intregime neagra. In module doar celulele cu structura gaurita determina transparenta.

Eficienta: 10 procente sau 13.8 procente; fiecare cu 10 procente transparenta.

Forma: patrat.

Masuri uzuale:10 cm2 x 10cm2;12.5 cm2 x 12.5 cm2 .

Grosime: 0.3mm.

Aparenta: depinde de modelul inghetat al policristalinelor.

Culoare: depinde de tip.

Concepte noi de celule solare

Celule solare sferice

La inceputul anilor 90, Texas Instruments a facut cercetari pe celule solare siliciuice sferic, dar nu le-au adus in stadiul de productie. Firma canadiana Spheral Solar Power a inceput

prima sa produca in masa in scopuri comerciale a celulelor solare monocristaline sferice in 2004. Module facute de Kyosemi Corporation diN Japonia sunt in stadiul de pilot. Aceste celule solare sferice cu diametru de 0.7mm sau de la 1mm la 1.2mm sunt realizate din silico dopat p. Suprafata este dopata n si uneori i se da si un strat antireflexisv.

Cu Kyosemi, contactele sunt distribuite prin doi electrozi opusi facuti din argint si aluminiu in inima p si invelisul n. Acestea sunt legate in serie sau in paralele folosind fire subtiri de cupru. Bilele sunt imbinate intr-o rasina sintetica transparenta si transformate in module transparente de rasina sintetica alba pe un substrat plat care reflecta inapoi lumina incidenta dintre sfere.

Celulele sferice sunt conectate intre doua sfere de aluminiu suprapuse care sunt injectate cu un strat subtire de platic. Stratul de deasupra aluminiului perforat tin sferele din punct bde vedere mecanic si le conecteaza la stratul n. Sferele sunt usor gravate de dedesubt pana cand inima dopata p este expusa.

Kyosemi a demonstrat celule cu eficienta de aproximativ 12.5 procente. Datorita suprafetei aproape sferice a jonctiunii p-n celulele solare sferice pot folosi in mod optim lumina cazuta intr-un anumit unghi si deci utiliza radiatia difuza mult mai bine decat fagurii plati sau celulele film subtire.

Celule din argint

Produse de firma australiana Origin, celulele din argint se bazeaza pe un strat subtire de 1mm de fagure monocristalin facut din siliciu float-zone. Acestea sunt gravate perpendicular pe suprafata pentru a produce mai multe benzi de 0.05mm cu spatii egale ca marime intre ele. Odata taiate in acest fel fagurii sunt dopati n cu fosfor pe o parte si dopati p cu bor pe cealalta. Spatiul este texturat pasiv si acoperit cu un strat antireflexiv. La final barele care au 10 cm lungime, 1 mm latime si 0.05mm grosime sunt separate de fagure.intr-un modul ele sunt aranjate intre doua foi de sticla cu marginea lunga dopata una in fata celeilalte. Aranjamentul si conexiunile electrice a mai multor mii de celule pe metru patrat se face automat. Modulele pot fi setate pentru orice voltaj. Celulele care sunt in mod absolut simetrice si deci active pe ambele fete sunt in general aranjate permitand un spatiu generos intre ele. Acest lucru permite ca mai multa lumina sa fie utilizata cu acelasi numar de celule, ceea ce inseamna o performanta mai mare. O reflectare difuza proiecteaza lumina cazuta in spatii inapoi in module.

In acest fel siliciuul necesar pe megawatt este redus la o septime fata de un fagure de celule conventionala. Eficienta de pana la 19 procente a fost masurata in laboratoare. Modulele de test au atins eficienta intre 17.7 procente si 13 procente. Primul modul comercial din sticla va aparea pe piata la 40w si 10 procente eficienta.

1.9 Tehnologia celulelor de film-subtire

Inca din 1990 a avut loc o crestere a dezvoltarii a proceselor film-subtire pentru fabricarea celulelor solare. In acestea semiconductori semiactivi sunt aplicati ca un strat subtire pe un substrat ieftin in cele mai multe cazuri sticla. Metoda utilizata include depunerea de vapori, procedeu de improscare si bai electrolitice. Materialele sunt mai tolerante la contaminare fata de atomi straini. Comparat cu temperaturile de fabricatie de pana la 1500 grade celsius pentru celulele siliciuice cristaline, celulele siind subtiri au nevoie de temperaturi de depunere intre 200 si 600 grade celsius. Consumul mai mic de materiale si energie si capacitatea inalta pentru o productie automatizata cu o marecapacitate de productie la capat ofera potentisl de economisire atunci cand comparam cu tehnologia cristalelor siliciuice.

Celulele film-subtire nu sunt restrictionate in formatul lor de marimea fagurilor standard. Teoretic stratul poate fi taiat in orice marime si acoperit cu material semiconductor. In orice caz deoarece doar celulele de aceasi marime pot fi conectate in serie din motive practice doar formatele rectangulare sunt comune.

In ciuda eficientei mici randamentul energetic poate in anumite conditii sa fie considerabil. Utilizarea luminii difuze si slabe este mai buna cu celulele film-subtire. Mai mult datorita formei celulei (benzi lungi si subtiri) celulele film-subtire sunt mai putin senzitive la umbrire.

1.10 Celulele din siliciu amorf

Fabricatie

Siliciuul amorf nu formeaza o structura cristalina regulata, dar o retea iregulara. Ca rezultat apar legaturi deschise care absorb hidrogenul pana la saturatie. Acest siliciu amorf hidrogenat este produs intr-un reactor cu plasma de un gaz chimic de depunere format din silan gazos. Pentru acest proces sunt suficiente temperaturi de 200-250 grade celsius. Doparea este purtata in afara prin amestecarea gazelor care contin materialul de dopaj corespondent. Datorita unei lungimi mici de difuzie sarcina libera transporta direct in jonctiunea p-n.

Dezavantajul celulelor amorfice este eficienta lor scazuta, care scade si mai mult in primele 6 pana la 12 luni de folosire datorita degradarii indusa de lumina, inainte de a ajunge la o valoare stabila.

Eficienta: 5 pana la 7 procente pe modul (stabilizate).

Marime: modulele standard 0.79 m2 x 2.44m2; modulele speciale, maxim 2m2x3m2.

Grosime: 1mm pana la 3 mm materialul de substrat cu aproximativ 0.001mm, acoperire din care aproximativ 0.3 mm siliciu amorf.

Aparenta: uniforma.

Culoare: maro rosiatic spre albastru sau albastru violet.

Producatori celule

BP Solar, Canon, Dunasolar, ECD Ovonics, EPV, Free Energy Europe, Fuji Electric,

ICP, Iowa Thin Film Technologies, Kaneka, MHI, RWE Schott Solar, Sanyo, Shenzhen

Topray Solar, Sinonar, Solar Cells, Terra Solar, Tianjin Jinneng Solar Cell, United

Solar Ovonic, VHF Technologies.

1.11 Celule din cupru indiu deselenizat (CIS)

Fabricatie

Materialul semiconductor activ din celulele solare CIS este cupru indiu deselenizat. Amestecul CIS este deseori permis in amestec cu galiu si/sau sulfura. La fabricarea celulelor substratul de sticla este acoperit initial cu un strat subtire de molibdeniar contactele de la spate utilizand un catod. Stratul absorbant de tip p CIS poate fi fabricat prin vaporizarea simultana de a elementelor cupru, indiu si seleniu, intr-o camera vidata la temperaturi in jurul valorii de 500-600 grade celsius. O alta posibilitate este de a imprastia elementele individuale ca stratu individuale la temperatura camerei, iar apoi sa le combinam pentru a forma CIS incalzind rapid la 500 grade celsius. Oxidul de zinc dopat cu aluminiu este utilizat ca fata transparenta a contactelor. Aceasta este n-conductoare si este imprastiata cu un oxid de zinc intrinsec, care formeaza un strat itermediar. Un strat tampon de sulfat de cadmiu de tip-n poate fi folosit pentru a reduce pierderile cauzate de nepotrivirile cristaline.

Modulele CIS sunt cele mai eficiente dintre toate tehnologiile film-subtire. Prin expansiunea volumica a productiei de masa a redus semnificativ costurile fata de modulele de siliciu cristalin.

Eficienta: 9 pana la 11 procente de modul.

Marime: modulele standard maximum 1.2m x 0.6m.

Grosime: 2 pana la 4 mm, material de substrat.

Aparenta: uniforma.

Culoare: gri inchis spre negru.


CIS Solartechnik GmbH, Daystar, EPV, Global Solar, Shell Solar, Showa Shell,

Solarion, Sulfurcell, Wiirth Solar.

Producatorul Solarion depoziteaza CIS pe filme din polimer ultra subtire, aceste creand module flexibile intr-un format mic pentru aplicatii aerospatiale si terestere.

1.12 Comparatie intre tipurile de celule solare si tendinte

Pentru sistemele solare conectate in grila realizate din celule solare monocristaline si policristaline in general este utilizat siliciu. Eficienta scazuta a siliciului policristalin este compensata de avantajul unor costuri mici in procesul de fabricatie. Modulele facute din siliciu amorf au fost pana acum utilizate predominant in aplicatii dedicate timpului liber si in arhitectura. Acum rezervele privind stabilitatea acestora si comportamentul datorat imbatranirii s-a dovedit nefondat in noi rezultate a unor teste de lunga durata, modulele amorfe bucuradu-se de o renastere devenind tot mai prezente in sisteme mai largi. Modulele CIS au cea mai mare eficienta intre modulele film-subtire, care au atins stadiul de productie de masa; ele acum fiind utilizate si in diferite proiecte pilot. Ca o cale economica alternativa a moduleler film-subtire, modulele CdTe sunt deja utilizate in sisteme din clasa megawattilor montate la sol. Celule solare foarte eficiente film-subtire realizate din ceea ce este cunoscute ca semiconductoare III-V, cum ar fi arseniu – galiu sau germaniu care cuprind elemente din grupele III si V din tabelul periodic, nu sunt competitive cand vine vorba de pret si din aceasta cauza sunt utilizate in aplicatii ale zborurilor spatiale. Exces de eficienta de 30 de procente in princiu este posibil doar cu celule multistrat.

Intre celulele solare organice, doar celulele sintetizate sunt gata pentru piata. Acestea sunt o alternativa buna din punct de vedere al pretului pentru viitor. Cu transparenta si coloratura lor sunt gata sa ceeze noi accente, in special in integrarea cladirilor. In Australia primele module au fost produse comercial intr-o productie mica. In varful eficientei intre modulele comerciale disponibile, modulele hibrid au fost indepartate de pe primul loc de modulele monocristaline care utlizeaza celule de inalta performanta SunPower. Module cu o eficienta si mai mare vor fi curand disponibile. Inalta eficienta este un criteriu decidiv cand spatiul este limitata si scopul este de a instala cea mai mare productir de putere pe o unitatate de suprafata. Figura urmatoare arata sisteme cu module cu cellulele cemai utilizate.

Pentru viitorul previzibil, tehnologia siliciului monocristalin si policristalin va domina piata. Progrese continue au fost facute in ultimi ani in implementarea unei eficiente ridicate in productia de masa. In plus se fac cercetari pentru producerea unor faguri de siliciu mai mari si mai subtiri. Pe langa promisiune potentialului de reducere a costului faguri mai subtiri vor contribui la aplanarea lipsei proviziilor de siliciu solar.

Aceste lipsuri au deschis o noua piata pentru modulele film-subtire. Din cauza eficiente redusei vor fi competitive doar prin scadrea semnificativa a costurilor si randamente mai mari. In acest moment nu sunt eficiente.

Modulele de siliciu amorf domina piata modulelor film-subtire. Module cu o mare productie de energie pana la 100W sunt acum disponibile si au fost deja utilizate pentru sisteme pe scara larga, avand caracteristici de temperatura mult mai bune, prezinta un interes substantial in proiecte din tarile din sud.

Documents

Tipuri de Celule Solare