Solarna ćelija

Izvor: Wikipedia
Solarna ćelija izrađena od pločice (wafer) monokristalnog silicija
Polikristalne silicijske fotonaponske ćelije u modulu lamelirane na pozadinski materijal

Solarna ćelija (zvana i fotonaponska ćelija) je poluvodički uređaj koji pretvara solarnu energiju direktno u električnu pomoću fotoelektričnog efekta. Grupe ćelija formiraju solarne module, poznate i kao solarni paneli. Energija proizvedena u solarnim modulima primjer je solarne energije.

Ćelije se označavaju kao fotonaponske ćelije kada izvor svjetlosti nije nužno sunčeva svjetlost. One se koriste za detekciju svjetlosti ili drugih oblika elektromagnetskog zračenja blizu vidljivog spektra, na primjer detektori infracrvenog svjetla, ili mjerenje intenziteta svjetlosti.

Historija razvoja solarnih ćelija[uredi - уреди]

Termin fotonaponski ("photovoltaic") je sintagma od grčke riječi φῶς (phōs) = "svjetlost" i "volt" = električni, od imena talijanskog fizičara Volta, po kojemu je jedinica elektromotorne sile, volt, dobila ime. Termin fotonaponski ("photo-voltaic") je u engleskom jeziku u upotrebi od 1849.[1]

Fotoelektrični efekt je već 1839. otkrio francuski fizičar Alexandre Edmond Becquerel, no tek je 1883. izrađena prva solarna ćelija, koju je izradio američki pronalazač Charles Fritts, tako što je prekrio poluvodič selen izrazito tankim slojem zlata da stvori vodiče. Efikasnost uređaja bila je samo oko 1%. ruski fizičar Aleksandar Stoletov je 1888. konstruirao prvu fotoelektričnu ćeliju (en:photoelectric cell) formiranu na vanjskom fotoelektričnom efektu koji je otkrio Heinrich Hertz 1887. god. Albert Einstein je 1905. objasnio fotoelektrični efekt zbog čega je dobio i Nobelovu nagradu iz fizike 1921. god. Russell Ohl je 1946. patentirao modernu poluvodičku solarnu ćeliju,[2] koja je otkrivena tokom rada na unapređenjima u izradi tranzistora.

Monokristalna solarna ćelija

Bell Laboratories proizvodi prvu praktičnu ćeliju[uredi - уреди]

Prva moderna fotonaponska ćelija proizvedena je 1954. u Bell laboratoriju.[3] Visoko efikasnu solarnu ćeliju prvi su proizveli en:Daryl Chapin, en:Calvin Souther Fuller i en:Gerald Pearson 1954. koristeći p-n spoj difundiranog silicija.[4] Ćelije su isprva rađene za igračke i ostale sitne potrebe, jer je cijena struje koju su proizvodile bila vrlo visoka – u relativnim pojmovima, ćelija koja je proizvodila 1 W električne snage po žarkom suncu koštala je $250, u usporedbi sa $2-$3 za elektranu na ugljen.

Solarne ćelije spašene su od zaborava prijedlogom da ih se ugradi u satelit Vanguard 1. Prema originalnim planovima, satelit bi se napajao samo akomulatorima i trajao kratko vrijeme dok se ne istroše. Dodavši ćelije izvana na trup, vrijeme misije se moglo produljiti bez većih preinaka na svemirskoj letjelici ili njenim sistemima napajanja. Isprva je postojao skepticizam, ali solarne ćelije su se u praksi pokazale velikim uspjehom, i ubrzo su dodane na mnoge nove satelite, između ostalog i na Bell-ov slavni Telstar.

U iduća dva desetljeća napredak je bio spor, jedina raširena upotreba bila je u svemirskim primjenama gdje je njihov odnos snage prema masi bio veći od bilo koje konkurentske tehnologije. Međutim taj je uspjeh ujedno bio i razlog sporom napretku; "svemirski" korisnici bili su spremni platiti bilo koju cijenu za najbolje moguće ćelije, nije bilo razloga za investiranje u jeftinija rješenja ako bi to smanjilo efikasnost. Umjesto toga, cijena ćelija bila je određena uglavnom od strane industrije poluvodiča; prelazak na integrirane sklopove u 1960-ima doveo je do dostupnosti većih komada kristala po relativno nižim cijenama. Kako je njihova cijena padala, tako je padala i cijena ćelija. Ipak, ti su efekti bili ograničeni pa su do 1971.g. troškovi ćelija procijenjeni na $100 po vatu.[5]

Bermanova redukcije cijena[uredi - уреди]

U kasnim 1960-ima, Elliot Berman istraživao je novu metodu za proizvodnju silicijske sirovine u tračnom procesu (eng. ribbon process)., ali je naišao je na slab interes za projekt i nije mogao pronaći investitore. Kasnije je, igrom slučaja, predstavljen timu u en:Exxon-u koji je tražio projekte za narednih 30 godina. Exxonov tim je shatio da će električna energija biti mnogo skuplja do 2000.godine, i pretpostavili su da će to povećanje cijena, rezultirati time da novi alternativni izvori energije, a među njima i solarni, budu atraktivniji. Berman se 1969. priključio laboratoriju Exxon-a u Linden-u, New Jersey zvanom Solar Power Corporation (SPC).[6]

Njegovo prvo veće nastojanje bilo je istražiti potencijalno tržište, kako bi vidio gdje su mogući načini primjene novog proizvoda. Ubrzo su otkrili da postoji značajna potražnja, ukoliko snize cijene od tadašnjih $ 100 po vatu na otprilike $20 po vatu. Znajući da bi se njegov koncept tračne proizvodnje razvijao godinama, njegov tim je počeo tražiti načine da dosegne magičnu granicu $20 po vatu primjenom postojećih materijala.[6]

Prvi napredak bilo je uviđanje da su postojeće ćelije bazirane na standardnom procesu proizvodnje poluvodiča, iako to nije bilo optimalno. Postupak je počinjao s komadom kristala, koji se rezao na diskove zvane "wafer"-i (pločice), koji se zatim poliraju i nakon toga, zbog primjene u ćelijama, prevlače antirefleksijskim slojem. Berman je primijetio da grubo izrezani waferi već imaju savršeno odgovarajuću antirefleksijsku prednju površinu. Štampanjem elektroda izravno na tu površinu, otklonjena su dva skupa procesa u proizvodnji ćelija. Njegov tim je također istražio načine za poboljšanje ugradnje ćelija u nizove, otklanjajući skupe materijale i ručno ožičenje korišteno u svemirskim primjenama, uz pomoć štampane pločice na poleđini, akrilne plastike sprijeda te ljepila baziranog na siliciju između, koje zatvara ćelije. No najveći napredak u snižavanju cijene bio je Bermanovo shvaćanje da je tadašnji silicij efektivno bio "predobar" za primjenu u solarnim ćelijama; sitne nesavršenosti koje bi upropastile cijeli komad kristala (ili pojedinačni wafer) kod elektronike, imale su beznačajan utjecaj u solarnoj primjeni.[7]

Uvodeći sve ove promjene u praksu, kompanija je otpočela kupovati "odbačen" silicij od postojećih proizvođača po vrlo niskim cijenama. Koristeći najveće dostupne wafer-e, prema tome umanjujući količinu ožičenja za danu površinu panela, i njihovim pakiranjem u panele primjenjujući vlastite nove metode, do 1973.g. SPC je proizvodio panele po $10 i prodavao ih po $20, dakle uspio je peterostruko sniziti cijenu u samo dvije godine.

Navigacijsko tržište[uredi - уреди]

SPC se obratio kompanijama koje proizvode ploveće svjetionike kao svom prirodnom tržištu, no naišao je na parodoksalnu situaciju. Vodeća kompanija u tom poslu bila je Automatic Power, proizvođač akomulatora. Shvativši da bi im solarne ćelije mogle oduzeti dio profita od akomulatora, Automatic je otkupio prava na raniji dizajn ćelija i stavio ih u sef. Vidjevši da tu nema interesa, SPC se okrenuo Tideland Signal-u, drugom proizvođaču akomulatora kojju su osnovali bivši menadžera Automatic Powera, Tideland je uskoro predstavio svjetionik napajan solarnom energijom i time pokrenuo kraj Automatic Power-ovog poslovanja u toj branši.

Izbor momenta nije mogao biti pogodniji; strmoglavo povećanje broja naftnih platformi na moru i postrojenja za utovar stvorilo je golemo tržište među naftnim kompanijama. Kako je bogatstvo Tideland-a povećano, Automatic je počeo tražiti vlastitog dobavljača solarnih panela. Našli su Bill Yerks-a iz Solar Power International (SPI) u Kaliforniji, koji je tražio tržište. SPI je uskoro kupljen od strane jednog od svojih najvećih klijenata, naftnog giganta en:ARCO-a, stvorivši ARCO Solar. Tvornica ARCO Solar u en:Camarillo, California bila je prva namijenjena isključivo proizvodnji solarnih panela, i u neprekidnom je pogonu od kupnje 1977. do današnjeg dana.

Ovo je tržište, zajedno s naftnom krizom 1973.g., dovelo do zanimljive situacije. Naftne kompanije su sada imale puno novca zbog velikih profita tokom krize, no bile su također svjesne da im budući uspjeh ovisi o nekom drugom obliku energije. Tokom idućih nekoliko godina, veće naftne kompanije pokrenule su niz solarnih kompanija, te su tokom više desetljeća bile najveći proizvođači solarnih panela. Exxon, ARCO, Shell, Amoco (kasnije kupljen od strane BP-a), Mobil, sve su imale značajne solarne odjele tokom 1970.-ih i 80-ih. Tehnološke kompanije su također imale određena ulaganja, uključujući General Electric, Motorolu, IBM, Tyco i RCA.[8]

Daljnja poboljšanja[uredi - уреди]

Poboljšanja od vremena Bermanovog rada, snizila su troškove proizvodnje na ispod $1/vat, s veleprodajnom cijenom reda $2. Troškovi ostatka uređaja ("en:Balance of system costs") su sada postali veći od troškova samih ćelija; u velikim komercijalnim poljima panela u pogonu su iznosili oko $5/vat u 2010. godini.

Kako je industrija poluvodiča išla na sve veće i veće komade kristala, starija oprema je postala dostupna po rasprodajnim cijenama. Ćelije su dostupnošću te opreme također rasle veličinom. ARCO Solar-ovi originalni paneli su koristili ćelije od 2 do 4 inča u promjeru. Paneli u 1990.-ima i ranim 2000.-ima su uglavnom koristili 5 inčne wafere, a od 2008. gotovo svi novi paneli koriste 6 inčne ćelije. Još jedna velika promjena bio je prelazak na polikristalni silicij. Taj materijal ima manju efikasnost, ali je jeftiniji za masovnu proizvodnju. Sveobuhvatno uvođenje televizora s ravnim ekranom u kasnim 1990.-ima i ranim 2000.-ima dovelo je do široke dostupnosti velikih ploča visokokvalitetnog stakla, korištenih na prednjoj strani panela.

Pojavile su se i druge tehnologije, koje su izašle na tržište. Kompanija First Solar, Inc je izrasla u najvećeg proizvođača solarnih panela, koji koriste ćelije od tankog filma između dva sloja stakla. To je bio prvi proizvod koji je srušio troškove proizvodnje ispod $1/vat.[9] Otada je izobilje polikristalnog silicija snizila cijene konvencionalnih panela na istu razinu.

Primjena[uredi - уреди]

Polikristalne fotonaponske ćelije

Solarne ćelije se često električki spajaju i zatvaraju u module. Fotonaponski moduli uglavnom imaju staklenu ploču sprijeda (prema suncu), propuštajući svjetlo i u isto vrijeme štiteći poluvodič od ogrebotina i utjecaja vjetrom nošenih čestica, kiše, tuče, itd. Solarne ćelije su također često serijski spojene u modulima, stvarajući zbirni napon. Ako se spoje paralelno, to rezultira većom strujom. Moduli se zatim međusobno spajaju, serijski ili paralelno, ili oboje, da stvore polje sa željenim vršnim vrijednostima istosmjernog napona i struje.

Kako bi se praktično iskoristila energija dobivena od sunca, elektricitet se najčešće predaje u električnu mrežu primjenom invertora (en:solar inverter), pa je to fotonaponski sistem spojen na mrežu. U samostalnim sistemiima za pohranjivanje energije koja trenutno nije potrebna koriste se akomulatori. Solarni paneli mogu biti korišteni za pogon ili punjenje prenosivih uređaja.

Teorija[uredi - уреди]

Glavni članak: :en:Theory of solar cell

Rad solarne ćelije odvija se u tri koraka:

  1. Fotoni iz sunčeve svjetlosti udaraju u solarni panel i poluvodički materijali poput silicija ih apsorbiraju.
  2. Elektroni (negativno nabijeni) se izbijaju iz atoma i postaju slobodni, te mogu slobodno teći materijalom kako bi stvorili struju. Zbog posebne građe solarnih ćelija, elektroni se mogu gibati samo u jednom smjeru.
  3. Polje solarnih ćelija pretvara energiju sunca u upotrebljivu količinu istosmjerne struje (DC).

Efikasnost[uredi - уреди]

Efikasnost solarne ćelije može se rastaviti na efikasnost refleksije, termodinamičku efikasnost, efikasnost odjeljivanja nosilaca naboja i efikasnost provodljivosti. Ukupna efikasnost je zbroj svih navedenih pojedinačnih efikasnosti.

Zbog teškoća u izravnom mjerenju tih parametara, umjesto njih mjere se drugi: termodinamička efikasnost, kvantna efikasnost (en:quantum efficiency of a solar cell), omjer VOC, i faktor punjenja (en:fill factor). Gubici refleksije dio su "vanjske kvantne efikasnosti". Gubici rekombinacije činne dio kvantne efikasnosti, omjer VOC, i faktora punjenja. Gubici otpora su uglavnom svrstani pod faktor punjenja, no također čine manji dio kvantne efikasnosti i VOC. Uređaji od kristalnog silicija se približavaju teorijskoj granici efikasnosti od 29%.

Cijena[uredi - уреди]

Cijena solarne ćelije dana je po jedinici vršne električne snage. Troškovi proizvodnje nužno uključuju i cijenu energije potrebne za proizvodnju. U svijetu tarife za predaju viškova solarne energije u mrežu variraju, čak i unutar iste zemlje.[10] Takve tarife mogu imati velikog efekta u ohrabrivanju razvoja projekata solarne energije.

Solarne ćelije visoke efikasnosti su zanimljive u pogledu smanjenja troškova solarne energije. Mnogi troškovi solarne elektrane proporcionalni su površini elektrane; ćelije veće efikasnosti mogu umanjiti površinu i cijenu elektrane, čak i ako su ćelije same po sebi skuplje. efikasnosti samih ćelija, da bi bile korisne u procjenjivanju ekonomičnosti solarne elektrane, moraju biti vrednovane u realnim uvjetima. Osnovni parametri koji moraju biti vrednovani su struja kratkog spoja i napon praznog hoda.[11]

Grafikon s desne strane prikazuje najviše laboratorijske efikasnosti dobivene za razne materijale i tehnologije. Obično se mjeri na vrlo malim ćelijama, oko 1 cm2. Komercijalne efikasnosti su značajno niže.

Kronološki izvještaj o efikasnosti solarnih ćelija u konverziji energije (izvor National Renewable Energy Laboratory (USA)

Jeftina fotonaponska ćelija je ćelija od tankog filma namijenjena proizvodnji električne energije po cijeni usporedivoj s onom tradicionalnih izvora energije (fosilna goriva i nuklearna energija). To uključuje fotonaponske ćelije druge i treće generacije, koje su jeftinije od prve generacije (ćelije od kristalnog silicija, također zvane wafer ili masovne ćelije).

Paritet mreže, točka u kojoj je fotonaponska energija jednaka ili jeftinija cijenom od energije mreže, može se dostići primjenom jeftinih solarnih ćelija. Najprije je ostvaren u područjima s obiljem sunca i skupom električnom energijom, poput Kalifornije i Japana.[12] Paritet mreže je dosegnut i na Havajima i drugim otocima koji inače koriste dizel za proizvodnju energije. George W. Bush je postavio 2015. kao godinu pariteta mreže u Americi.[13][14] U govoru na konferenciji 2007., glavni inženjer en:General Electrica predvidio je paritet mreže bez subvencija u sunčanim dijelovima SAD-a oko 2015. godine.[15]

Cijena solarnih panela kontinuirano je padala 40 godina, sve do 2004. kad su visoke subvencije u Njemačkoj, drastično povećale potražnju za solarnim panelima, i značajno povećale cijenu pročišćenog silicija (koji se koristi i u kompjutorskim čipovima). Jedna istraživačka kompanija predviđa da će novi proizvodni kapaciteti koji su počeli raditi 2008.g. sniziti cijene za 70% do 2015.g. Drugi analitičari upozoravaju da bi kapaciteti mogli biti usporeni zbog ekonomskih razloga, ali da će potražnja pasti radi manjih subvencija. Ostala potencijalna uska grla su kapacitet industrije izrade poluga silicija i njihovog rezanja na pločice, te opskrba specijalnim kemikalijama korištenim za oblaganje ćelija.[16]

Materijali[uredi - уреди]

Shockley-Queisserova granica (en:Shockley-Queisser limit) maksimalne teorijske efikasnosti solarne ćelije. Poluvodiči s energetskim procjepom između 1 i 1.5 eV imaju najveći potencijal za izgradnju efikasne ćelije. Ovdje prikazana granica može se nadići višespojnim solarnim ćelijama (en:multijunction solar cells).

Različiti materijali imaju različite efikasnosti i cijenu. Materijali za efikasne solarne ćelije moraju imati karakteristike koje se slažu sa spektrom dostupnog svjetla. Neke su ćelije napravljene tako da efikasno pretvaraju valne duljine sunčeva svjetla koje dopire do Zemljine površine. No neke ćelije su optimirane također i za apsorpciju svjetla izvan atmosfere. Materijali koji apsorbiraju svjetlost često mogu biti korišteni u "višestrukim fizičkim konfiguracijama", kako bi iskoristili različite mehanizme apsorpcije svjetla i razdvajanja naboja.

Materijali trenutno korišteni za fotonaponske solarne ćelije uključuju monokristalni silicij (en:monocrystalline silicon), polikristalni silicij (en:polycrystalline silicon), amorfni silicij (en:amorphous silicon), kadmij telurid (en:cadmium telluride) i bakar-indij-selen (en:copper indium selenide) sulfid.[17]

Mnoge trenutno dostupne solarne ćelije izrađene su od komada materijala rezanog u pločice (wafer) debele između 180 do 240 mikrometara koje se tada obrađuju poput ostalih poluvodiča.

Drugi materijali su napravljeni kao slojevi tankog filma (en:thin films), organski pigmenti (en:dye) ili organski polimeri koji se deponiraju na potporne supstrate (en:supporting substrate). Treća grupa je napravljena od nanokristala (en:nanocrystalline solar cell) i korištena kao kvantne točke (en:quantum dot; electron-confined nanoparticle). Silicij je i dalje jedini materijal koji je dobro istražen i u obliku "komada" i u obliku "tankog filma".

Kristalni silicij[uredi - уреди]

Osnovna struktura solarne ćelije

Daleko najrasprostranjeniji masivni materijal za solarne ćelije je kristalni silicij (kao skupina skraćeno pisano c-Si), također poznat i kao "silicij solarnog razreda". Masivni silicij se dijeli u više kategorija prema kristalnosti i veličini kristala nastale poluge (en:ingot), trake (en:ribbon), ili pločice.

  1. Monokristalni silicij (c-Si): često dobiven procesom Czochralskog (en:Czochralski process). Pločaste ćelije od jednog kristala obično su skupe, i pošto su rezane iz cilindričnih poluga ne pokrivaju potpuno pravokutni solarni modul bez značajnih gubitaka rafiniranog silicija. Zato mnogi c-Si paneli imaju nepokrivene praznine u kutovima ćelije.
  2. Poli- ili multikristalni silicij (en:multicrystalline silicon) (poly-Si ili mc-Si): napravljen od lijevanih pravokutnih poluga — veliki blokovi rastaljenog silicija pažljivo ohlađeni i očvrsnuti. Poly-Si ćelije su jeftinije za proizvesti nego ćelije od jednog kristala silicija, ali su manje efikasne. Podaci s US DOE pokazuju da je prodaja multikristalnog silicija već nadmašila prodaju monokristalnog.
  3. Trakasti silicij (en:ribbon silicon)[18] je tip multikristalnog silicija: formira se izvlačenjem ravnih tankih filmova iz rastaljenog silicija, a rezultira multikristalnom (en:multicrystalline) strukturom. Te ćelije imaju nižu efikasnost od poly-Si, ali štede na troškovima izrade zbog velikog smanjenja silicijskog otpada (en:silicon waste), jer taj pristup ne zahtjeva rezanje iz poluga.

Analitičari predviđaju da će cijene polikristalnog silicija pasti jer kompanije grade dodatne kapacitete za izradu polisilicija brže od projicirane industrijske potražnje. S druge strane, trošak proizvodnje unaprijeđenog silicija metalurškog razreda, poznatog i kao en:UMG Si, može potencijalno biti šestina troška izrade polisilicija.[19]

Proizvođači pločastih (wafer) ćelija odgovaraju nižim cijenama tankih filmova s ubrzanim smanjenjem potrošnje silicija kod izrade. Prema Jef Poortmansu, direktoru en:IMEC-ovog solarnog odjela, trenutne ćelije koriste između osam i devet grama silicija po vatu generirane snage, s debljinama pločica oko 0.200 mm. 2008.g. na proljetnoj konferenciji stručnjaka za fotonaponske primjene (eng. IEEE Photovoltaic Specialists' Conference / en:PVS'08), John Wohlgemuth, znanstvenik u en:BP Solar-u, obznanio je da njegova kompanija ima odobrene module bazirane na pločicama debljine 0.180 mm, i da testiraju procese za 0.160 mm rezane žicom debljine 0.1 mm. IMEC-ov plan razvoja, predstavljen na nedavnom godišnjem susretu organizacije, predviđa upotrebu pločica debljine 0.08 mm do 2015. godine.[20]

Tanki filmovi[uredi - уреди]

Glavni članak: :en:Thin film solar cell

Tehnologije tankog filma smanjuju količinu materijala potrebnog za izradu solarne ćelije. Premda to umanjuje troškove materijala, također može umanjiti efikasnost transformacije energije. Silicijske ćelije tankog filma postale su popularne zbog cijene, fleksibilnosti, manje težine i lakoće integracije, u usporedbi s pločastim silicijskim ćelijama.

Kadmij telurid solarne ćelije[uredi - уреди]

Kadmij telurid solarne ćelije koriste tanki film (en:thin film) kadmij telurida (en:cadmium telluride / CdTe) kao poluvodički sloj za apsorpciju i pretvorbu sunčeva svjetla u elektricitet. en:Solarbuzz[21] je objavio da najniža cijena modula od tankog filma iznosi US$1.76 po vršnom vatu (en:watt-peak), a najniža cijena modula od kristalnog silicija (c-Si) $2.48 po vršnom vatu.

Kadmij prisutan u ćelijama je toksičan ako se ispusti. No ispuštanje je nemoguće tokom normalnog pogona ćelije, i malo vjerojatno u slučaju požara na stambenom krovu.[22] Kvadratni metar CdTe sadrži otprilike istu količinu kadmija kao jedna nikal-kadmij baterija (en:nickel-cadmium battery) tipa C, u stabilnijem i slabije topivom obliku.[22]

Bakar-Indij Selen[uredi - уреди]

Bakar indij galij selen (en:copper indium gallium selenide - CIGS) je materijal direktnog energetskog procjepa (en:direct bandgap). Ima najveću efikasnost među materijalima tankog filma (~20%, pogledati en:Copper Indium Gallium Selenide Solar Cells). Tradicionalne metode proizvodnje obuhvaćaju procese u vakuumu uključujući umjetno isparavanje i raspršivanje. Nedavna istraživanja u IBM-u i Nanosolar-u su za cilj imala smanjenje cijene koristeći procesiranje otopine bez vakuuma.

Višespojni galij arsenid[uredi - уреди]

Visokoefikasne višespojne ćelije su izvorno bile razvijene za posebne namjene poput satelita i istraživanja svemira (en:space exploration), no danas bi njihova upotreba u zemljanim koncentratorima mogla biti alternativa s najnižom cijenom u pojmovima $/kWh i $/W.[23] Te se višespojne ćelije sastoje od višestrukih tankih filmova izrađenih korištenjem en:metalorganic vapour phase epitaxy. Trostruko spojna ćelija se, naprimjer, može sastojati od poluvodiča: galij(III) arsenida (eng. GaAs), germanija (Ge) i indija (eng. GaInP2).[24] Svaki tip poluvodiča ima karakterističnu energiju procjepa (en:band gap) koja, laički govoreći, uzrokuje da poluvodič najučinkovitije apsorbira svjetlost određene boje, ili preciznije, da apsorbira elektromagnetsko zračenje iz dijela spektra. Poluvodiči se pažljivo odabiru tako da upijaju gotovo cijeli sunčev spektar, prema tome generirajući elektricitet iz što je moguće više sunčeve energije.

Višespojne ćelije bazirane na GaAs su dosad najučinkovitije ćelije. U listopadu 2010., trostruko spojna metamorfna ćelija je dosegla rekord od 42.3%.[25]

Ova tehnologija se trenutno koristi u misijama Mars Exploration Rover, koje su u pogonu daleko dulje od njihovog dizajniranog vijeka trajanja od 90 dana.

Tandemske solarne ćelije bazirane na monolitnim, serijski spojenim pn-spojevima galij indij fosfata (GaInP), galij arsenida GaAs i germanija Ge, doživljavaju strmi rast potražnje. U samo 12 mjeseci (12/2006 – 12/2007), cijena metala 4N galija je porasla s oko $350/kg na $680/kg. Također, cijene metala germanija su znatno porasle, do $1000–$1200/kg protekle godine (2010).

Trostruko-spojne GaAs solarne ćelije su također korištene kao izvor energije četverostrukog nizozemskog pobjednika na World Solar Challenge, Nuna u 2003., 2005. i 2007., te također u nizozemskim solarnim automobilima Solutra (2005), Twente One (2007) i 21Revolution (2009).

Nizozemski univerzitet Radboud University Nijmegen postavio je rekord u efikasnosti solarnih ćelija od tankog filma na 25.8% u augustu 2008. koristeći jednospojni GaAs debljine sloja samo 4 µm, koji se može prenijeti s baze pločice (wafer) na stakleni ili plastični film.[26]

Fotoosjetljivi pigmenti (DSSC)[uredi - уреди]

Ćelije s fotoosjetljivim pigmentima (en:Dye-sensitized solar cell - DSSC) napravljene su od jeftinih materijala i ne trebaju složenu opremu za proizvodnju, pa se mogu izraditi i tehnici "uradi sam", vjerojatno omogućavajući sudionicima da ove vrste solarnih ćelija proizvedu više nego neke druge. U velikim količinama bi trebale biti znatno jeftinije od starijih dizajna ćelija u tehnici čvrstog stanja (eng. solid-state). DSSC-ovi se mogu izraditi kao savitljivi listovi, i premda im je efikasnost transformacije manja od najboljih ćelija iz tankog filma, omjer performanse/cijena bi trebao biti dovoljno visok da im omogući natjecanje s proizvodnjom električne energije iz fosilnih goriva (en:fossil fuel electrical generation). DSSC je razvio prof. Michael Grätzel 1991.g. na Švicarskom federalnom institutu tehnologije – EPFL (en:École Polytechnique Fédérale de Lausanne).

Tipično se koristi metalorganski pigment rutenija kao monosloj materijala osjetljivog na svjetlost. Ćelije s fotoosjetljivim pigmentima ovise o poroznom sloju nanočestičnog titan dioksida koji znatno povećava površinu materijala (200–300 m2/g TiO2, u usporedbi s 10 m2/g ravnog pojedinačnog kristala). Fotogenerirani elektroni iz "fotoosjetljivog pigmenta" se predaju TiO2 n-tipa, a šupljine apsorbira elektrolit na drugoj strani pigmenta. Električni krug se zatvara redoks vezom u elektrolitu, koji može biti tekućina ili krutina. Ovaj tip ćelije omogućava fleksibilniju upotrebu materijala i tipično se proizvodi printanjem na film i/ili upotebom ultrazvučnih štrcaljki (en:Ultrasonic Nozzle), s potencijalom niže cijene procesiranja nego one kod masivnih solarnih ćelija. Međutim, pigmenti u ovim ćelijama također trpe degradaciju pod utjecajem topline i UV svjetla, a kučište ćelija je teško zabrtviti zbog otopina korištenih u uređaju. Unatoč navedenom, ovo je popularna tehnologija u nastajanju, s predviđanjima komercijalnog utjecaja unutar ove dekade. Prva komercijalna pošiljka DSSC solarnih modula desila se u srpnju 2009.g. od strane G24i Innovations (www.g24i.com).

Organske/polimerne solarne ćelije[uredi - уреди]

Organske solarne ćelije (en:organic solar cell) su relativno nova tehnologija, pa ipak obećavaju znatno smanjenje cijene (u usporedbi sa silicijem u tankom filmu) i brži povratak investicije. Ove ćelije mogu biti obrađene iz otopine, pa otuda mogućnost jednostavnog kotrljajućeg procesa ispisa koji vodi do jeftine proizvodnje na veliko.

Organske solarne ćelije i polimerne solarne ćelije (en:polymer solar cell) su izrađene od tankih filmova (tipično 100 nm) organskih poluvodiča (en:organic semiconductor) uključujući polimere, poput polifenilen vinilena i spojeva malih molekula poput bakar ftalocijanina (plavi ili zeleni organski pigment) i ugljikovih fulerena i derivata fulerena poput PCBM. efikasnosti transformacije energije primjenom vodljivih polimera dostignute do danas su niske u usporedbi s anorganskim materijalima. Ipak, znatno se poboljšala u zadnjih nekoliko godina, pa najviša potvrđena efikasnost dosiže 6.77%.[27] Te bi ćelije također mogle biti korisne u primjenama gdje su bitni mehanička fleksibilnost i mogućnost neškodljivog uklanjanja.

Ovi uređaji razlikuju se od ćelija načinjenih od anorganskih poluvodiča po tome što se ne oslanjaju na veliko ugrađeno električno polje PN spoja za razdvajanje elektrona i šupljina stvorenih pri upijanju fotona. Aktivno područje organske ćelije sastoji se od dvaju materijala, jednog koji djeluje kao donor elektrona, i drugi kao primatelj. Kada se foton pretvori u par elektron-šupljina, tipično u donorskom materijalu, naboji teže ostati vezani u obliku ekscitona i razdvajaju se kada eksciton difundira na spoj donor-primatelj. Kratke difuzijske duljine ekscitona većine polimernih sistema ograničavaju efikasnost takvih uređaja. Nanostrukturirani spojevi, ponekad u obliku velikih heterospojnica, mogu popraviti efikasnost.[28]

Tanki film silicija[uredi - уреди]

Ćelije od tankog filma silicija uglavnom su izrađene kemijskim parnim taloženjem (obično pojačano plazmom - PE-CVD) plina silana i vodika. Ovisno o parametrima taloženja, time se može dobiti:[29]

  1. Amorfni silicij (a-Si ili a-Si:H)
  2. Protokristalni silicij, ili
  3. Nanokristalni silicij (nc-Si ili nc-Si:H), također zvan mikrokristalni silicij.

Pronađeno je da je protokristalni silicij s malim volumnim udjelom nanokristalnog silicija optimalan za veliki napon otvorenog kruga.[30] Ovi tipovi silicija formiraju klimave i uvijene veze, koje rezultiraju dubokim defektima (energijskim nivoima u energetskom procjepu), kao i deformacijama valentnog i vodljivog pojasa (rep pojasa). Solarne ćelije napravljene od ovih materijala uglavnom imaju nižu efikasnost transformacije energije od običnog silicija, ali su i jeftinije za izradu. Kvantna efikasnost solarnih ćelija od tankog filma je također niža zbog manjeg broja prikupljenih nosilaca naboja po upadnom fotonu.

Solarna ćelija od amorfnog silicija (a-Si) je izrađena od amorfnog ili mikrokristalnog silicija i njena osnovna elektronička struktura je p-i-n spojnica. Pošto amorfna struktura ima viši postotak apsorpcije svjetlosti od kristalnih ćelija, cijelokupni spektar svjetlosti može biti apsorbiran vrlo tankim slojem fotoelektrično aktivnog materijala. Film debljine samo 1 mikrona može apsorbirati 90% upotrebljive solarne energije.[31] Proizvodnja a-Si solarnih ćelija tankog filma koristi staklo kao supstrat i taloži vrlo tanki sloj silicija PE-CVD postupkom. Proizvođači a-Si rade na pojeftinjenju dobivene energije i višim efikasnostima transformacije kontinuiranim istraživanjima i razvojem višespojnih solarnih ćelija (en:multijunction solar cell) za solarne panele. en:Anwell Technologies Limited nedavno je objavio svoj cilj za multi-supstratno-multi-komorni PE-CVD; da snizi cijenu na $0.5 po vatu.[32]

Amorfni silicij ima viši energetski procjep (1.7 eV) od kristalnog silicija (c-Si, 1.1 eV), što znači da apsorbira vidljiv dio spektra sunčeve svjetlosti jače od infracrvenog dijela. Pošto "nc-Si" ima otprilike isti energetski procjep kao c-Si, nc-Si i a-Si se mogu pogodno kombinirati u tanke slojeve, stvarajući slojevitu ćeliju zvanu "tandemska ćelija". Gornja ćelija od a-Si apsorbira vidljiv dio svjetlosti i ostavlja infracrveni dio spektra donjoj ćeliji od nc-Si.

Nedavno su razvijena rješenja za svladavanje ograničenja kristalnog silicija u tankom filmu. Sheme hvatanja svjetlosti gdje se slabo apsorbirajuća svjetlost velike valne duljine posredno spreže sa silicijem i prelazi preko filma nekoliko puta, može znatno uvećati apsorpciju sunčeve svjetlosti u tankim filmovima silicija.[33] Tehnike termalnog procesiranja mogu znatno unaprijediti kvalitetu kristala silicija i prema tome voditi do veće efikasnosti dobivenih solarnih ćelija.[34]

Proizvodnja[uredi - уреди]

Pošto su solarne ćelije poluvodički uređaji, dijele mnoge tehnike procesiranja i proizvodnje s ostalim poluvodičkim uređajima poput računala i memorijskih čipova. Međutim, zahtjevi za čistoćom i kontrolom kvalitete izrade poluvodiča nisu toliko strogi za solarne ćelije. Većina velikih komercijalnih tvornica solarnih ćelija danas izrađuje solarne ćelije od polikristalnog silicija štampanog na zaslonu. Iz pojedinačnih kristalnih pločica koje se koriste u poluvodičkoj industriji mogu se izraditi izvrsne visokoefikasne solarne ćelije, ali općenito se smatraju preskupima za masovnu proizvodnju.

Pločice od polikristalnog silicija izrađuju se rezanjem lijevanih poluga silicija žicom u vrlo tanke (180 do 350 mikrometara) kriške ili pločice. Pločice su obično slabo dopirani poluvodič p-tipa. Za dobivanje solarne ćelije iz pločice, izvodi se površinska difuzija dopanada n-tipa s prednje strane pločice. To stvara p-n spoj nekoliko stotina nanometara ispod površine.

Nakon tog se obično aplicira antirefleksijska prevlaka, za povećanje količine svjetlosti iskorištene u ćeliji. Silicij nitrid je postupno zamijenio titan dioksid kao antirefleksijsku prevlaku zbog svojih izvrsnih mogućnosti pasivizacije površine. Sprečava rekombinaciju nosilaca naboja na površini solarne ćelije. Obično se primjenjuje u sloju debelom nekoliko stotina nanometara upotrebom PE-CVD postupka. Neke solarne ćelije imaju teksturirane prednje površine koje, poput antirefleksijskih obloga, služe povećanju količine svjetlosti iskorištene u ćeliji. Takve se površine obično mogu formirati samo na pojedinačnim kristalima silicija, iako su se zadnjih godina razvile metode njihova formiranja na multikristalnom siliciju.

Pločici se tada dodaje metalni kontakt po cijeloj stražnjoj površini, i mrežasti metalni kontakt napravljen od tankih "prstiju" i većih "sabirnica" koje se štampaju na zaslon prednje površine primjenom srebrne paste. Stražnji kontakt se također formira štampanjem metalne paste na zaslon, koji je obično aluminijski. Taj kontakt najčešće pokriva cijelu stražnju stranu ćelije, iako se u nekim dizajnima ćelija štampa u mrežasti uzorak. Pasta se zatim grije na nekoliko stotina stupnjeva celzijusa da formira metalne elektrode u omskom kontaktu sa silicijem. Neke kompanije koriste dodatni korak elektro-anodiranja da uvećaju efikasnost ćelije. Nakon što se izrade metalni kontakti, solarne ćelije se međusobno spajaju u seriju (i/ili paralelu) plosnatim žicama ili metalnim trakama i sastavljaju u modul ili "solarni panel". Solarni paneli imaju s prednje strane ploču tvrdog stakla, a sa stražnje strane čahuru od polimera.

Životni vijek[uredi - уреди]

Većina komercijalno dostupnih solarnih ćelija sposobna je proizvoditi elektricitet barem dvadeset godina bez značajnog pada efikasnosti. Proizvođači solarnih panela danas daju tipičnu garanciju na period od 25 - 30 godina, i garantiraju da izlaz ćelije neće opasti ispod određenog postotka (oko 80%) nazivnog kapaciteta.[35]

Predmeti istraživanja[uredi - уреди]

Glavni članak: :en:Solar cell research

Trenutno je mnogo istraživačkih grupa aktivno na polju fotoelektriciteta na univerzitetima i istraživačkim ustanovama po cijelom svijetu. Ta istraživanja se mogu podijeliti u tri područja:

  1. jeftinija izrada solarnih ćelija u dostupnim tehnologijama i/ili povećanje njihove efikasnosti da se mogu uspješno natjecati s ostalim izvorima energije
  2. razvoj novih tehnologija baziranih na novoj arhitekturi solarnih ćelija
  3. razvoj novih materijala kao apsorbera svjetlosti i nosilaca naboja.

Proizvođači i certificiranje[uredi - уреди]

Postoje tri pouzdana certifikata solarne opreme: UL i IEEE (oba standardi SAD-a) te IEC.

Solarne ćelije se proizvode ponajviše u Japanu, Njemačkoj, Kini, Tajvanu i Sjedinjenim Američkim Državama,[36], iako i mnoge druge nacije imaju značajne kapacitete za proizvodnju solarnih ćelija. Premda se tehnologije konstantno razvijaju u cilju veće efikasnosti, najefikasnije ćelije za jeftinu proizvodnju električne energije nisu nužno one s najvišom efikasnosti, nego one s ravnotežom između jeftine proizvodnje i dovoljno visoke efikasnosti da minimizira troškove vezane uz površinu na kojoj se nalaze. Kompanije s masovnom proizvodnom tehnologijom za prevlačenje jeftinih supstrata mogu, naime, u konačnici biti najjeftiniji proizvođači elektriciteta za mrežu, premda su efikasnosti ćelija niže od onih u tehnologiji jednog kristala silicija.

Kina[uredi - уреди]

Plan kineske vlade bez presedana da ponudi subvencije za projekte solarne energije na komunalnoj razini, vjerojatno će potaknuti novi krug investicija od strane kineskih proizvođača solarnih panela. Kineske kompanije već su igrale značajniju ulogu u proizvodnji solarnih panela proteklih godina. Kina je 2007.g. proizvela solarne ćelije/module s izlaznom snagom 1180 MW, postavši najvećim proizvođačem na svijetu, prema statistikama Kineskog udruženja za fotoelektricitet.[37] Neke kineske kompanije poput Suntech Power, Yingli, LDK Solar Co, JA Solar i ReneSola objavile su projekte u suradnji s regionalnim vladama od po nekoliko stotina megavata svaki, nakon što je objavljen poticajni program vlade "Zlatno sunce".[38] Razvoj proizvođača solarnih panela tehnologije tankog filma poput Veeco i Anwell Technologies Limited dodatno će pomoći pojačati domaću solarnu industriju.[39][40]

Sjedinjene Američke Države[uredi - уреди]

Novi proizvodni kapaciteti za solarne ćelije i module u Massachusettsu, Michiganu, New Yorku, Ohio-u, Oregonu i Texasu obećavaju dovoljno kapaciteta za proizvodnju tisuća megavata solarnih uređaja po godini unutar idućih nekoliko godina od [[2008.[41]

U septembru 2008., Sanyo Electric Company je objavio svoju odluku za gradnjom tvornice solarnih poluga i pločica u Salemu, Oregon. Tvornica je počela s radom u oktobru 2009. i ima kapacitet 70 megavata solarnih pločica po godini.

U oktobru 2008., Forst Solar je započeo širenje svog postrojenja u Perrysburgu, Ohio, koje ima dovoljno kapaciteta za proizvodnju dodatnih 57 megavata solarnih modula po godini, došavši tako do 192 megavata ukupnog kapaciteta po godini.

Sredinom oktobra 2008., SolarWorld je otvorio tvornicu u Hillsboro-u, Oregon, za koju se očekuje da će proizvoditi 500 MW solarnih ćelija po godini kada dosegne punu proizvodnju ove godine.

U martu 2010., SpectraWatt je započeo proizvodnju u svojoj tvornici u Hopewell Junction, NY, za koju se očekivalo da će proizvoditi 120 MW solarnih ćelija godišnje kada dosegne puni kapacitet. Međutim, pred kraj 2010. godine objavljeno je zatvaranje ove tvornice.

Hrvatska[uredi - уреди]

U Hrvatskoj postoje dva proizvođača solarnih panela. Poduzeće Solaris d.o.o. iz Novigrada te poduzeće Solvis iz Varaždina, koje proizvode panele od mono- i polikristalnog silicija od uvoznih ćelija. Poduzeće Solarne ćelije Split jedino je proizvodilo i razvijalo solarne ćelije od amorfnog silicija, međutim saznaje se kako je u međuvremenu upala u probleme te je pred njom vrlo neizvjesna budućnost.

Na Institutu Ruđer Bošković postoji projekt s ciljem ispitivanja i razvoja nanomaterijala za korištenje u solarnim ćelijama, kojeg vode dr. sc. Davor Gracin, Zavod za fiziku materijala, i prof. dr. Davor Balzar, sa Sveučilište u Denveru. Kako se doznaje, projekt je dobio financijsku potporu UKF natječaja.

Također pogledati[uredi - уреди]

Izvori[uredi - уреди]

  1. Alfred Smee (1849). Elements of electro-biology,: or the voltaic mechanism of man; of electro-pathology, especially of the nervous system; and of electro-therapeutics. London: Longman, Brown, Green, and Longmans. str. 15. http://books.google.com/?id=CU0EAAAAQAAJ&pg=PA15. 
  2. "Light sensitive device" US patent #2402662, Issue date: June 1946
  3. K. A. Tsokos, Physics for the IB Diploma Fifth edition, Cambridge University Press, Cambridge, 2008 ISBN 0-521-70820-6
  4. Perlin, John (2004). "The Silicon Solar Cell Turns 50". National Renewable Energy Laboratory. http://www.nrel.gov/docs/fy04osti/33947.pdf. pristupljeno 5. 10. 2010.. 
  5. John Perlin, "From Space to Earth: The Story of Solar Electricity", Harvard University Press, 2002, pg. 50
  6. 6.0 6.1 John Perlin, "From Space to Earth: The Story of Solar Electricity", Harvard University Press, 2002, pg. 53
  7. John Perlin, "From Space to Earth: The Story of Solar Electricity", Harvard University Press, 2002, pg. 54
  8. The multinational connections-who does what where", New Scientist, 18 October 1979, pg. 177
  9. "First Solar Passes $1 Per Watt Industry Milestone", Business Wire, 24 February 2009
  10. Solar Feed in Tariffs. Solarfeedintariff.net. Retrieved on 2011-01-19.
  11. N. Gupta, G. F. Alapatt, R. Podila, R. Singh, K.F. Poole, (2009). "Prospects of Nanostructure-Based Solar Cells for Manufacturing Future Generations of Photovoltaic Modules". International Journal of Photoenergy 2009. DOI:10.1155/2009/154059. 
  12. BP Global – Reports and publications – Going for grid parity. Bp.com. Retrieved on 2011-01-19.
  13. BP Global – Reports and publications – Gaining on the grid. Bp.com. Retrieved on 2011-01-19.
  14. The Path to Grid Parity (Graphic)
  15. Wynn, Gerard. "Solar power edges towards boom time", Reuters, 19. 10. 2007., pristupljeno 29. 07. 2009..
  16. Solar rally, en:The Economist, 28 August 2008
  17. en:Mark Z. Jacobson (2009). Review of Solutions to Global Warming, Air Pollution, and Energy Security p. 4.
  18. "String ribbon silicon solar cells with 17.8% efficiency". http://www.ece.gatech.edu/research/UCEP/papers/3world/STRING%20RIBBON%20SILICON%20SOLAR%20CELLS%20WITH%2017.8%25%20EFFICIENCY.pdf. 
  19. Charting a Path to Low-Cost Solar. Greentech Media (2008-07-16). Retrieved on 2011-01-19.
  20. Katherine Derbyshire. "Wafer-based Solar Cells Aren't Done Yet", 9. 01. 2009..
  21. Solar Energy Industry Research and Consultancy. Solarbuzz. Retrieved on 2011-01-19.
  22. 22.0 22.1 Fthenakis, Vasilis M. (August 2004). "Life cycle impact analysis of cadmium in CdTe PV production" (PDF). Renewable and Sustainable Energy Reviews 8: 303–334. DOI:10.1016/j.rser.2003.12.001. 
  23. Swanson, R. M. (2000). "The Promise of Concentrators". Progress in Photovoltaics: Res. Appl. 8: 93–111. DOI:<93::AID-PIP303>3.0.CO;2-S 10.1002/(SICI)1099-159X(200001/02)8:1<93::AID-PIP303>3.0.CO;2-S. 
  24. Triple-Junction Terrestrial Concentrator Solar Cells
  25. Spire pushes solar cell record to 42.3%. Optics.org. Retrieved on 2011-01-19.
  26. [1]
  27. Egan, Matt. (2010-04-07) Markets. FoxBusiness.com. Retrieved on 2011-01-19.
  28. Mayer, A et al. (2007). "Polymer-based solar cells". Materials Today 10 (11). DOI:10.1016/S1369-7021(07)70276-6. 
  29. (2003) "Evolution of microstructure and phase in amorphous, protocrystalline, and microcrystalline silicon studied by real time spectroscopic ellipsometry". Solar Energy Materials and Solar Cells 78. DOI:10.1016/S0927-0248(02)00436-1. 
  30. J. M. Pearce, N. Podraza, R. W. Collins, M.M. Al-Jassim, K.M. Jones, J. Deng, and C. R. Wronski (2007). "Optimization of Open-Circuit Voltage in Amorphous Silicon Solar Cells with Mixed Phase (Amorphous + Nanocrystalline) p-Type Contacts of Low Nanocrystalline Content". Journal of Applied Physics 101. 
  31. Photovoltaics. Engineering.Com (2007-07-09). Retrieved on 2011-01-19.
  32. "ANWELL produces its first solar panel". NextInsight. 01. 09. 2009.. http://nextinsight.com.sg/index.php/story-archive-mainmenu-60/36-2009/1480-anwell-produces-its-first-solar-panel. 
  33. (2007) "Polycrystalline Silicon Thin-Film Solar Cells on AIT-Textured Glass Superstrates". Advances in OptoElectronics 2007. DOI:10.1155/2007/24584. 
  34. (2005) "Large open-circuit voltage improvement by rapid thermal annealing of evaporated solid-phase-crystallized thin-film silicon solar cells on glass". Applied Physics Letters 86. DOI:10.1063/1.1921352. 
  35. "Photovoltaic Systems". toolbase.org. http://www.toolbase.org/Technology-Inventory/Electrical-Electronics/pv-systems#warranty. pristupljeno November 11, 2010. 
  36. Eco-Economy Indicators – Solar Power | EPI. Earth-policy.org. Retrieved on 2011-01-19.
  37. "High Growth Reported for the Global Photovoltaic Industry". Reuters. 10. 03. 2009.. http://www.reuters.com/article/pressRelease/idUS171170+03-Mar-2009+BW20090303. 
  38. "First Solar’s Gift to China: How to Build a Solar Farm". GreentechMedia. 10. 09. 2009.. http://www.greentechmedia.com/articles/read/first-solars-gift-to-china-how-to-build-a-solar-farm/. 
  39. "Veeco Make Plans to be First CIGS Thin Film Solar Manufacturer in China". AZoNetwork. 10. 09. 2009.. http://www.azom.com/news.asp?newsID=18880. 
  40. "Boost domestic solar industry". China daily. 10. 09. 2009.. http://www.chinadaily.com.cn/cndy/2009-09/10/content_8674282.htm. 
  41. EERE News: EERE Network News. Apps1.eere.energy.gov. Retrieved on 2011-01-19.

Vanjske veze[uredi - уреди]