Kako delujejo sončne celice
Kaj se zgodi v sončni celici, ko nanjo posveti svetloba? Od dogajanja v siliciju do sestave modula poglejmo, kako delujejo sončne celice in kaj vpliva na njihovo moč.
Sončne celice so naprave, ki energijo elektromagnetnega valovanja sončne svetlobe neposredno prenašajo na elektrone. Pri svojem delovanju izkoriščajo fotonapetostni učinek, ki pomeni, da se na sončni celici, kadar je izpostavljena svetlobi, pojavi električna napetost. Ko nanjo priključimo porabnik in sklenemo električni krog, skozi porabnik steče enosmerni električni tok.
Ko govorimo o sončnih celicah, imamo v mislih sončne fotonapetostne celice in ne sončnih toplotnih kolektorjev, ki energijo sončnega sevanja uporabljajo za ogrevanje vode ali drugega medija.
Kaj se dogaja v sončni celici
Svetloba je elektromagnetno valovanje, njeno energijo pa lahko opišemo s fotoni, kvanti elektromagnetnega sevanja. V sončni celici se energija absorbiranih fotonov prenese na elektrone v polprevodniku. Tako lahko celica del energije sončnega sevanja odda kot tok elektronov.
Pri silicijevi celici fotoni z dovolj energije, ki se v njej absorbirajo, prenesejo energijo na elektrone ter jih vzbudijo v višje energijske nivoje. Elektroni preidejo v prevodni pas. Tako nastanejo pari elektronov in vrzeli. Zgradba celice omogoča njihovo ločevanje in zbiranje na električnih kontaktih. Usmerjenemu gibanju nosilcev naboja pravimo električni tok.
Vrste sončnih celic
Med sončnimi celicami so daleč najbolj razširjene celice iz kristalnega silicija. Celice iz amorfnega silicija, organske sončne celice in nekatere kombinacije različnih tehnologij so manj razširjene.
Sončne celice iz kristalnega silicija delimo na dva tipa: monokristalne in polikristalne. Pri monokristalnih je kristalna struktura silicija po celotni celici orientirana v isto smer, kar je mogoče doseči le z izjemno čistim silicijem (99,9999 %). Orientacijo kristalov dosežemo z nadzorovano rastjo enega kristala.
Pri polikristalnih je celica sestavljena iz več kristalnih zrn z različnimi orientacijami. Čistost silicija je v tem primeru manjša, a še vedno zelo visoka (99,9995 %).
Kako je sestavljena sončna celica
Primesi in dopiranje
Ko tako čistemu siliciju v majhnih količinah dodamo posamezne primesi, lahko vplivamo na njegove električne in druge lastnosti. Postopku pravimo dopiranje.
Če dodajamo primesi elementov s tremi valenčnimi elektroni, med katere spadajo bor, aluminij in galij, dobimo t. i. p-tip polprevodnika. Če dodajamo elemente s petimi valenčnimi elektroni, kot so fosfor, arzen in antimon, dobimo n-tip polprevodnika.
Pri petvalentnih elementih, vezanih v kristalno zgradbo silicija, se peti elektron lažje odcepi in postane prost nosilec naboja. Zato v n-tipu polprevodnika prevladujejo prosti elektroni, v p-tipu pa vrzeli. Vrzel je nezasedeno elektronsko stanje v valenčnem pasu, ki ga lahko zasede elektron. Pri prevajanju se obnaša kot pozitivni nosilec naboja.
Trivalentni atom primesi ima en valenčni elektron manj kot silicij. Ko sprejme elektron za dopolnitev vezi s sosednjimi atomi, v valenčnem pasu ostane vrzel. Elektron je negativno nabit, vrzel pa se obnaša kot pozitivno nabit nosilec.
Kljub temu sta homogeno dopirana n-tip in p-tip silicija kot celota električno nevtralna: naboj prostih elektronov oziroma vrzeli uravnotežijo nasprotno nabiti ioni primesi. Oznaki n in p torej povesta, kateri nosilci naboja prevladujejo, ne kakšen je skupni naboj materiala.
Spoj dveh tipov polprevodnika
Ko združimo n-tip in p-tip silicijevega polprevodnika, zaradi razlike v koncentraciji nosilcev elektroni iz n-tipa prehajajo v p-tip, kjer se rekombinirajo z vrzelmi. Enako vrzeli iz p-tipa prehajajo v n-tip. Takemu prehajanju zaradi razlike v koncentraciji pravimo difuzija.
Elektroni, ki so iz n-tipa prešli v p-tip, ob spoju za seboj pustijo nepremične pozitivno nabite ione primesi. Na strani p-tipa ostanejo nepremični negativno nabiti ioni primesi. Ob spoju tako nastane območje, v katerem je zelo malo prostih nosilcev naboja. Imenujemo ga osiromašeno območje oziroma območje prostorskega naboja.
Pozitivni prostorski naboj na strani n-tipa in negativni na strani p-tipa ustvarita vgrajeno električno polje na spoju obeh tipov polprevodnika. To polje je ključno za delovanje sončne celice. V temi in v ravnovesju uravnoteži difuzijo, zato samo po sebi ne zagotavlja trajnega toka ali električne energije.
Nastanek napetosti ob osvetlitvi
Ko na sončno celico posveti svetloba, absorbirani fotoni z zadostno energijo vzbudijo elektrone iz valenčnega v prevodni pas. Temu pravimo generiranje parov elektronov in vrzeli. Vgrajeno električno polje v spoju elektrone usmerja v n-tip, vrzeli pa v p-tip polprevodnika.
Za dober izkoristek sončnih celic je torej ključen spoj med obema tipoma polprevodnika, kjer je vgrajeno električno polje. Generiranje parov elektronov in vrzeli omogoči nastanek napetosti na kontaktih, ob sklenjenem zunanjem električnem krogu pa tok skozi porabnik.
Kako celica zajame več svetlobe
Da bi sončna celica delovala učinkoviteje, mora absorbirati čim več vpadne svetlobe in zbrati čim več nastalih nosilcev naboja, preden se rekombinirajo. Večja površina celice pri enaki osvetlitvi prestreže več svetlobe in omogoča večjo moč.
Če osiromašenemu območju spoja p–n dodamo intrinzično, nedopirano, plast, povečamo možnost absorpcije fotonov in dosežemo večji izkoristek sončnih celic.
Električni kontakti in protiodbojna zaščita
Električni kontakti na zgornji, sončni strani celice morajo biti izdelani tako, da svetlobi čim manj ovirajo pot do celice. Pri klasični enostranski silicijevi celici je zadnji kontakt izveden z aluminijasto plastjo, ki prekriva zadnjo površino.
Plast del svetlobe, ki se med prvim prehodom skozi celico ni absorbirala, odbije nazaj v silicij in ji omogoči ponovni prehod. S tem se poveča izkoristek sončne celice, ki danes pri kristalnem siliciju v industrijskih aplikacijah znaša 25,5 % in več. Za električne kontakte se pogosto uporablja srebro, ki ima zelo dobro električno prevodnost.
Za povečanje izkoristka se na sprednjo stran celic nanese tanka plast silicijevega nitrida. Ta deluje kot protiodbojna zaščita, da se na površini odbije čim manj fotonov in jih čim več preide v celico. Ta plast lahko daje celicam značilno modrikasto barvo, končni videz pa je odvisen od njene debeline in obdelave površine. Celice so zato lahko tudi zelo temne, skoraj črne.
Od česa sta odvisna moč in izkoristek
Moč sončne celice je odvisna od njenega izkoristka, površine in pogojev osvetlitve ter temperature. Izkoristek pove, kolikšen delež vpadne svetlobne moči lahko celica pretvori v električno moč. Pri enaki površini in enakih merilnih pogojih celica z višjim izkoristkom dosega večjo moč.
Izkoristka posamezne celice ne smemo enačiti z izkoristkom celotnega modula. Prav tako višji izkoristek sam po sebi še ne dokazuje daljše življenjske dobe ali večje zanesljivosti. Za ceno proizvedene električne energije so poleg nakupne cene pomembni tudi dejanska proizvodnja, življenjska doba in stroški vzdrževanja.
Danes je mogoče izdelati sončne celice z zelo visokim izkoristkom, a ker je njihova izdelava precej dražja, to ne pomeni hkrati dovolj konkurenčne cene električne energije.
Kako iz celic nastane fotonapetostni modul
Pri enakem izkoristku, enaki osvetlitvi in temperaturi je moč sončne celice sorazmerna z njeno površino. Ker so celice krhke in se hitro zlomijo, je njihova uporabna velikost omejena z zahtevami proizvodnje in ravnanja z njimi.
Za doseganje večjih moči manjše sončne celice med seboj električno povezujemo v fotonapetostne module. Tako nastane samostojna, nedeljiva enota za proizvodnjo enosmerne električne energije, ki mora biti mehansko robustna in električno varna za uporabo.
Povezovanje celic in sestava plasti
Sončne celice v fotonapetostni modul povežemo z električnim spajkanjem, ki pri proizvodnji modulov sodi med tehnološko najzahtevnejše procese. Najprej se posamezne celice strojno povežejo v zaporedne električne nize. Število in velikost celic v nizu sta odvisna od zasnove modula.
Robot nato na steklo položi posebno enkapsulacijsko folijo (EVA ali POE), nanjo pa nize sončnih celic. V naslednjem koraku se nizi električno povežejo v matriko celic.
Na celice se položi še ena plast enkapsulacijske folije, nanjo pa posebna hrbtna folija. Ta celice ščiti pred zunanjimi vplivi in zagotavlja električno izolacijo, potrebno za varno uporabo fotonapetostnega modula.
Pri modulih z dvojno zasteklitvijo hrbtno folijo nadomesti druga steklena plošča. Ta proces večinoma opazimo pri azijskih proizvajalcih, saj je tam steklo cenejše od bolj robustne folije, modul pa je posledično težji. Proizvajalci zato tam uporabljajo manj kakovostno tanjše in zgolj polkaljeno steklo, ki ni odporno proti toči.
Steklo in zaščita pred zunanjimi vplivi
Steklo za izdelavo modulov mora prepuščati čim več svetlobe, zato mora vsebovati čim manj železa. Običajno je premazano s posebno protiodbojno plastjo, da se z njegove površine v okolico odbije čim manj fotonov. S tem se izkoristek delovanja poveča za dobra 2 %.
Za mehansko odpornost sta pomembni ustrezna toplotna obdelava stekla in njegova debelina, skladno z zasnovo ter predvidenimi obremenitvami modula.
Sledi laminacija, tehnološko drugi najzahtevnejši proces v proizvodnji. Med postopkom laminacije enkapsulacijska folija poveže plasti modula tako, da obdaja sončne celice in jih sprime s steklom in hrbtno folijo.
Skupaj z drugimi zaščitnimi plastmi omejuje vpliv vlage in okolja ter pomaga ohranjati celice skozi dolgo življenjsko dobo modula. Laminacija je ključna, ker preprečuje vdor vlage in degradacijo fotonapetostnega modula.
Modul se nato običajno uokviri z aluminijastim okvirjem, ki mu daje potrebno mehansko togost, omogoča pritrditev ter dodatno odpornost proti obremenitvam zaradi vetra in snega. Doda se mu še priključna doza z električnimi kontakti.
Nadzor kakovosti
V celotnem proizvodnem procesu se izvaja natančen nadzor kakovosti. Že manjše napake lahko namreč znatno skrajšajo življenjsko dobo modula ali celo ogrozijo varnost njegove uporabe. Med zaključnimi koraki so meritve električnih lastnosti, varnostni preskusi in deklariranje proizvodov z določitvijo njihove električne moči pri standardnih preskusnih pogojih.
Od modula do sončne elektrarne
Ključna prednost sončnih celic in fotonapetostnih modulov je njihova modularna struktura. Ta omogoča postavitev sončnih elektrarn z močjo od nekaj vatov do več sto megavatov.
