Seria articolelor dedicate temelor despre energia obținută din surse regenerabile continuă cu un articol despre eficiența celulelor solare și tipuri de celule solare existente. Aceste articole au rolul de a aduce lămuriri asupra modurilor de obținere de energii curate și de a aduce publicului cât mai multe informații, astfel încât să conștientizăm importanța trecerii la moduri de obținere a energiei prin tehnologii nepoluante și cu un consum cât mai mic de resurse.
 

Eficiența celulelor solare

 
Eficiența panoului solar se referă la câtă energie electrică obținem din energia solara care cade pe panou.
 

Suprafața celulelor fotovoltaice este, de obicei, foarte mica iar curentul generat de o singură celulă este mic. De aceea, mai multe astfel de celule fotovoltaice sunt legate între ele, în serie sau în paralel, astfel încât acestea pot produce destul de mult curent pentru a putea fi utilizat în practică. Aceste celule sunt integrate în panouri pentru a le crește rezistența mecanică și rezistența la intemperii.
 
Eficiența electrică a unei celule fotovoltaice este o proprietate fizică care reprezintă câtă energie electrică poate produce o celulă pentru o anumită iradiere solară. Expresia de bază pentru eficiența maximă a unei celule fotovoltaice este dată de raportul dintre puterea de ieșire și energia solară incidentă (zona de flux a radiațiilor). Eficiența este măsurată în condiții ideale de laborator și reprezintă eficiența maximă realizabilă a celulei sau modulului fotovoltaic.
 
Eficiența reală a unui panou solar depinde de mai mulți factori: materialul din care este produs, tipul de montaj ales (fix sau mobil), unghiul din care cade lumina pe panou, umbrirea parțială, îmbătrânirea panourilor, temperatură.
 
Pentru a înțelege mai bine modul de funcționare a unei celule solare și ce înseamnă eficiența acesteia, trebuie să știți că există mai multe tipuri de materiale din care se pot fabrica acestea, fiecare având caracteristici diferite.

Tipuri de celule solare

Cele mai cunoscute tipuri de celule solare sunt: CIS (Cooper Indium Diselenide), CIGS, CdTe (Cadmium Telluride), monocristaline, policristaline, amorfe și film subțire.
 
Din această mulțime s-au remarcat ca fiind cele mai eficiente celulele solare monocristaline și policristaline, însă vorbim despre celulele comerciale existente pe piață în momentul de față.
 
Cele mai folosite sunt celulele solare pe bază de siliciu.

Celule solare pe bază de siliciu

Materialul cel mai utilizat pentru fabricarea de celule solare pe bază de semiconductori este siliciul.
 
Siliciul este materialul aproape ideal. Este ieftin, se poate produce întru-un singur cristal la un înalt grad de puritate, și se poate impurifica în semiconductor de tip “n” sau “p”. Prin simpla oxidare se pot crea straturi izolatoare subțiri.
 
Celule solare pe bază pe siliciu cristalin necesită o grosime de strat de cel puțin 100 µm sau mai mult pentru a pute absorbi lumina solară eficient. La celulele cu strat subțire de tip semiconductor direct ca de exemplu GaAs sau chiar siliciu cu structura cristalină puternic perturbată, sunt suficiente 10 µm. (sursa: Wikipedia.org)
 
În funcție de starea cristalină se deosebesc următoarele tipuri de siliciu:
 
Monocristaline
 
Celulele rezultă din plăci de siliciu dintr-un cristal (Wafer)). Aceste cristale reprezintă materia de bază pentru industria de semiconductori și sunt destul de scumpe.
 
Policristaline
 
Celulele sunt din plăci care conțin zone cu cristale cu orientări diferite. Acestea pot fi fabricate de exemplu prin procedeul de turnare, sunt mai ieftine și ca atare cele mai răspândite în producția de dispozitive fotovoltaice. Deseori ele se numesc și celule solare policristaline.
 
Amorfe
 
Celulele solare constau dintr-un strat subțire de siliciu amorf (fără cristalizare) și din această cauză se numesc celule cu strat subțire. Sunt foarte ieftine, dar au un randament scăzut în spectru de lumină solară, totuși au avantaje la lumină slabă. De aceea se utilizează în calculatoare de buzunar și ceasuri.
 
Microcristaline
 
Acestea sunt celule cu strat subțire cu structură microcristalină. Au un randament mai bun decât celulele amorfe și nu au un strat atât de gros ca cele policristaline. Se utilizează parțial la fabricarea de panouri fotovoltaice, dar nu sunt atât de răspândite.
 
Celule solare tandem sunt straturi de celule solare suprapuse, de obicei o combinație de straturi policristaline și amorfe. Straturile sunt din materiale diferite și astfel acordate pe domenii diferite de lungimi de undă a luminii. Prin utilizarea unui spectru mai larg din lumina solară, aceste celule au un randament mai mare decât celulele solare simple. Se utilizează parțial la fabricarea de panouri solare dar sunt relativ scumpe. O ieftinire apreciabilă se va obține prin utilizarea în combinație cu sisteme de lentile, așa numitele sisteme de concentrare.

Îmbătrânirea celulelor solare

În timp, parametrii de funcționare a elementelor semiconductoare a celulelor solare se modifică. În cazul de față, randamentul scade pe parcursul vieții acestora.
 
Pe o perioadă de 20 de ani, în condiții de utilizare terestră, randamentul scade cu cca 10%, pe când în spațiu acest procent se atinge într-un timp mult mai scurt datorită câmpurilor de radiații mult mai puternice.
 
De multe ori, pierderea randamentului se întâmplă din cauze independente de celulele solare, cum ar fi murdărirea suprafețelor sticlei de protecție a modulelor, mucegăirea pornind de la rama modulului, umbrirea modulelor de către vegetația din jur crescută între timp, îngălbenirea polimerilor care constituie materialul de contact între celulă și sticlă.

Randamentul celulelor solare cristaline

La celulele solare actuale randamentul este de cca 12 – 17%. De obicei, fabricantul acordă o garanție la randament de 80 – 85% (la puterea de vârf) după 20 ani.Aceasta înseamnă pierderi foarte mici pe o perioadă îndelungată de timp ceea ce justifică utilizarea sistemelor fotovoltaice.
 
Pentru îmbătrânirea propriu-zisă a celulelor solare răspunzătoare sunt defectele provenite din recombinare, ceea ce reduce durata de viață a purtătorilor de sarcină cu cca 10% față de valoarea inițială.

Randamentul celulelor solare amorfe

Aceste celule ating un grad avansat de îmbătrânire de până la 25% în primul an de funcționare de aceea pentru acest tip de panouri solare în caracteristicile tehnice din documentele de însoțire nu se dă puterea atinsă la fabricație ci puterea de după procesul de îmbătrânire. Ca urmare acest tip de panouri au caracteristici mai bune la cumpărare decât cele din documente. Îmbătrânirea se produce sub acțiunea luminii și este rezultatul așa numitului efect Staebler-Wronski (SWE). După circa 1.000 ore de expunere la soare, celulele de siliciu amorf ating un grad de saturare stabil.

Caracteristici tehnice ale celulelor solare

Parametrii tehnici ai celulelor solare sunt dați pentru condiții standard (STC, Standard Test Conditions): intensitate luminoasă de 1000 W/m² în zona panoului, temperatura celulei solare constant 25 °C, spectrul luminii AM 1,5 global; DIN EN 61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904.
 
Caracteristicile unei celule solare sunt: tensiunea de mers în gol, curentul de scurtcircuit, tensiunea în punctul optim de funcționare, curentul în punctul de putere maximă, puterea maximă estimată, factor de umplere, coeficient de modificare a puterii cu temperatura celulei, randamentul celulei solare η la o suprafață iluminată A și intensitate luminoasă P.
 
Randamentul este raportul dintre puterea debitată de panou și putere conținută în lumina incidentă totală. Semiconductoarele cu zona interzisă stabilă utilizează doar o parte a luminii solare. Randamentul teoretic maxim ce poate fi atins în acest caz este de 33 %, pe când randamentul teoretic maxim la sistemele cu mai multe benzi interzise care reacționează la toate lungimile de undă a luminii solare este de 85%.
 

Material	Randament(AM1,5)	Durată de viață	Costuri
Siliciu amorf	5-10%	< 20 ani
Siliciu policristalin	10-15%	25-30 ani	5 EUR/W
Siliciu monocristalin	15-20%	25-30 ani	10 EUR/W
Arseniura de galiu (monostrat)	15-20%
Arseniura de galiu (doua straturi)	20%
Arseniura de galiu (trei straturi)	25% (30% la AM0)	>20 ani	20-100 EUR/W

Tabel 1 – Randament și durată de viață în funcție de materialul celulei fotovoltaice
Sursă: Wikipedia.org

 
Randamentul celulelor solare comerciale este de circa 20%, iar modulele construite cu acestea ating un randament de circa 17%.

Cele mai eficiente celule solare

Cel mai eficient tip de celule solare până în prezent este o celulă solară concentrator cu mai multe joncțiuni cu o eficiență de 46,0% produsă de Fraunhofer ISE în decembrie 2014.
 
Cea mai mare eficiență obținută fără concentrare include un material de Sharp Corporation la 35,8% folosind o tehnologie de fabricație triplă de joncțiune în 2009, și Boeing Spectrolab (40,7% folosind și un design cu trei straturi).
 
Arsenidul de galiu de specialitate (GaAs), fabricat în SUA, Alta Devices, produce celule comerciale cu o eficiență de 26%, susținând că are celula unică „cea mai eficientă solară” din lume dedicată aplicațiilor flexibile și ușoare.
 
Pentru celulele solare Silicon, compania americană SunPower rămâne liderul cu o eficiență a modulului certificată de 22,8%, cu mult peste media pieței de 15-18%.
 
Există un efort continuu de creștere a eficienței de conversie a celulelor și modulelor fotovoltaice, în principal pentru un avantaj competitiv. Există mai multe grupuri de materiale care sunt dezvoltate. Dispozitive cu eficiență ultra-high (η> 30%) sunt realizate prin utilizarea semiconductorilor GaAs și GaInP2 cu celule tandem multifuncționale. Materiale de înaltă calitate, cu un singur cristal, sunt utilizate pentru a obține celule de înaltă eficiență, cu costuri reduse (η> 20%).
 
Până acum, cea mai mare eficiență de conversie a puterii raportate variază de la 6,7% la 8,94% pentru molecula mică, 8,4% –10,6% pentru OPV-urile polimerice și 7% la 21% pentru OPV-urile perovskite. Se estimează că OPV-urile vor juca un rol major pe piața fotovoltaică. Îmbunătățirile recente au sporit eficiența și au redus costurile, rămânând în același timp benigne și regenerabile pentru mediu.
 
Mai multe companii au început să încorporeze optimizatoare de putere în module PV numite module inteligente. Aceste module efectuează urmărirea maximă a punctelor de putere (MPPT) pentru fiecare modul în parte, măsoară datele de performanță pentru monitorizare și oferă caracteristici suplimentare de siguranță. Astfel de module pot compensa, de asemenea, efectele de umbrire, în care o umbră care se încadrează pe o secțiune a unui modul face ca ieșirea electrică a uneia sau a mai multor șiruri de celule din modul să scadă.
 
Una dintre cauzele majore ale scăderii performanței celulelor este supraîncălzirea. Eficiența unei celule solare scade cu aproximativ 0,5% pentru fiecare creștere a temperaturii cu 1 grad Celsius. Aceasta înseamnă că o creștere de 100 de grade a temperaturii suprafeței ar putea scădea eficiența unei celule solare cu aproximativ jumătate. Celulele solare cu auto-răcire sunt o soluție la această problemă. În loc să folosească energie pentru a răci suprafața, piramidele și formele de con pot fi formate din silice și atașate la suprafața unui panou solar. Astfel, lumina vizibilă poate ajunge la celulele solare, dar reflectă razele infraroșii (care transportă căldură).

 

Sursă: Wikipedia.org