FOTOVOLTAIKA

 

Zgodovina razvoja fotovoltaike

Tehnologije izdelave in primeri uporabe sončnih celic

Kristalne sončne celice

Amorfne sončne celice

Druge vrste sončnih celiv

Lastnosti materialov sončnih celic (tabela)

 

Beseda »fotovoltaika« izvira iz grške besede "phos", ki pomeni svetlobo in besede "volt". Fotovoltaika (angl. photovoltaics - PV) je veda, ki proučuje pretvorbo energije svetlobe, natančneje energijo fotonov neposredno v električno energijo. Izkorišča se direktno in difuzno sončno sevanje. Za pretvorbo potrebujemo sončne celice, ki so glede na zgradbo lahko amorfne, polikristalne ali monokristalne. V večini primerov so izdelane iz silicija. Najpreprostejši primeri uporabe sončnih celic so napajanje žepnih računalnikov, parkirnih ur in podobnih naprav. Z združevanjem več sončnih celic dobimo sončne module, kar prikazuje spodnja slika. Z združevanjem več modulov in z uporabo drugih elementov, kot so akumulatorji, regulatorji polnjenja in razsmerniki lahko zgradimo poljubno močan sistem za oskrbo z električno energijo – sončno elektrarno – na katerikoli lokaciji, če je le na razpolago dovolj sončnega sevanja.

 

 

Sončne celice so torej osnovni gradnik sončnih elektrarn. Narejene so iz silicija, iz drugega po vrsti najbolj razširjenega elementa v zemeljski skorji. To je material, ki ob izpostavljenosti sončni svetlobi sprošča elektrone, kar povzroča nastajanje električnega toka in s tem enosmerno napetost. Električno energijo proizvajajo vse dokler na njih seva sončna svetloba, skoraj ne potrebujejo vzdrževanja, ne onesnažujejo in ne povzročajo hrupa, zato je proizvajanje elektrike na ta način najčistejše in najbolj varno.

 

 

Življenjska doba sončnih celic je 20 do 30 let, njihovi izkoristki so med 12 in 14 %, vendar se z razvojem ti povečujejo in na trgu so že na prodaj fotovoltaični moduli z 18 % izkoristkom.

 

ZGODOVINA RAZVOJA FOTOVOLTAIKE

 

1839   Becquerel odkrije fotovoltaični učinek  

1954   Izdelana prva silicijeva solarna celica v Bell-ovih laboratorijih  

1958   Prvi satelit na energijo pridobljeno iz fotovoltaike  

1966   CdS/Cu2O fina prevleka celic  

1974   Prva amorfna Si celica  

1983   Prva sončna elektrarna s kapacitetami preko 1 MW

1985   Prva silicijeva solarna celica z učinkovitostjo nad 20 %

1989  Prvo zaporedje solarnih celic z učinkovitostjo nad 30 %

 

TEHNOLOGIJE IZDELAVE IN PRIMERI UPORABE SONČNIH CELIC

 

Kristalne sončne celice

V to skupino prištevamo polikristalne in monokristalne sončne celice. Osnova za izdelavo celic je blok kristalnega silicija. Rezine silicija, ki so osnova za izdelavo sončnih celic, režemo iz bloka z diamantno žago. Rezine, debeline 1mm, ki so rezane na 0,1 mm natančno, se nato položi med dve paralelni, nasproti rotirajoči, kovinski plošči, s čimer dosežemo izravnavo obeh ravnin rezine na nekaj tisočink mm natančno. Nato sledi postopek izdelave celic v več korakih.

 

Najprej se dopirane rezine jedka do globine nekaj mikrometrov. Na ta način odstranimo nepravilnosti v strukturi kristala, ki so nastale zaradi žaganja, obenem pa se rezine na ta način tudi očisti. Temu postopku sledi difuzija. Pri temperaturi 800°C pride do difuzije fosforja, ki ga dovajamo v plinasti obliki, v notranjost materiala. Nastane N dopirana plast in oksidna plast, bogata s fosforjem, na vrhu rezine, zaradi reakcije s kisikom.

 

Rezine se nato zložijo v obliko kocke, ki se nato jedka v kisikovi plazmi, s čimer odstranimo N plast na robovih. V naslednji fazi s pomočjo mokrega kemijskega jedkanja odstranimo še oksidne plasti na površinah rezin. Na zadnji strani se nato izdela površina kontaktov iz srebra, ki vsebuje 1% aluminija. Srebro se na površino celic tiska preko maske, s posebnim postopkom.

 

Nato se potiskano celico sintra pri visokih temperaturah. Na podoben način tiskamo še kontakte za povezavo na prednji strani celic. Tudi antirefleksno plast nanašamo na podoben način. Na izbiro imamo titanove paste.

 

Amorfne sončne celice

Amorfne sončne celice izdelujemo s podobnimi postopki kot integrirana vezja. Zaradi tega tovrstne module večkrat imenujemo tudi tankoplastni moduli (angl. thin-film modules). Najprej se temeljito očisti steklen substrat, sledi nanašanje spodnje kontaktne plasti, površina se nato strukturira oz. razdeli v trakove in v naslednjem koraku se v vakuumu nanaša plast amorfnega silicija pod vplivom visokofrekvenčnega električnega polja. Ponovno sledi delitev v trakove in nanašanje zgornjih kovinskih elektrod.

 

Druge vrste sončnih celic
Ostale, manj uporabljane sončne celice, so celice izdelane z metodo EFG (angl. Edge Defined Film fed Growth), celice APex iz silicija, celice izdelane iz kadmijevega telurida in celice izdelane iz bakrovega-indijevega selenida (CIS). EFG celice se izdelujejo neposredno iz taline silicija, s čimer odpade žaganje na rezine, kar pomeni prihranek proizvodnih stroškov in prihranek materiala, saj ni odpadnega materiala zaradi žaganja. Pri proizvodnem postopku izdelave EFG celic se iz taline silicija vleče trak silicija v obliki pravilne cevi z osmimi ravnimi stranicami. Dolžina cevi znaša nekaj metrov. Ravne stranice cevi se nato z laserjem razžagajo v posamezne sončne celice. Dimenzije posameznih sončnih celic znašajo 100x100 mm in so v večini primerov pravilne kvadratne oblike. To ima za posledico večjo moč modula ob manjši površini za razliko od kristalnih modulov, kjer so celice v obliki kvadrata s prisekanimi robovi. Kontakti so izvedeni v obliki bakrenih trakov, posamezne celice pa se nato združujejo na podoben način kot pri ostalih vrstah celic. EFG celice izdeluje proizvajalec ASE. Za razliko od EFG celic so Apex celice polikristalne z zaščitenim proizvodnim postopkom, proizvaja pa jih le proizvajalec Astropower Inc. Celice iz kadmijevega telurida in bakrovega-indijevega selenida (CIS) se trenutno uporabljajo v manjši meri in še to pretežno v laboratorijskih raziskavah.

 

Lastnosti materialov sončnih celic

Material	Debelina	Izkoristek	Barva	Slabosti	Prednosti in perspektive
Monokristalne Si sočne celice	0,3 mm	15 - 18 %	Temno modre, črne z AR plastjo, sive brez AR plasti	Dolgotrajni proizvodni postopki, potrebno žaganje rezin	Najbolj raziskan material. Tudi v prihodnjih letih bo prevladoval na tržišču, posebej tam, kjer je potrebno veliko razmerje moč/površina
Polikristalne Si sončne celice	0,3 mm	13 - 15 %	Modre z AR plastjo, srebrno-sive brez AR plasti	V primerjavi s tankoplastnimi tehnologijami daljši proizvodnji postopki, potrebno žaganje rezin	Najpomembnejši material vsaj v naslednjih nekaj letih.
Polikristalne transparentne sončne celice	0,3 mm	10 %	Modre z AR plastjo, srebrno-sive brez AR plasti	Nižji izkoristek, posebni proizvodni postopki za doseganje prosojnosti celic	Celice zanimive za BIPV aplikacije. Možna tudi proizvodnja dvostranskih celic
EFG	0,28 mm	14 %	Modre z AR plastjo	Omejena uporaba proizvodnih postopkov	Možnost znižanja proizvodnih stroškov v prihodnosti. Ni žaganja rezin. Zelo hitra rast kristala
Polikristalne Si celice v obliki traku	0,3 mm	12 %	Modre z AR plastjo, srebrno-sive brez AR plasti	Omejena uporaba proizvodnih postopkov	Možnost znatnega znižanja proizvodnih stroškov v prihodnosti. Ni žaganja rezin
Apex (polikristalne Si) sončne celice	0,03 do 0,1 mm + keramični substrat	9,5 %	Modre z AR plastjo, srebrno-sive brez AR plasti	Omejena uporaba proizvodnih postopkov	Možna proizvodnja v obliki traku, ni žaganja rezin, material veliko obeta. Možnost znatnega znižanja proizvodnih stroškov v prihodnosti
Monokristalne Si celice v obliki dendritne mreže	0,13 mm vključno s kontakti	13 %	Modre z AR plastjo	Omejena uporaba proizvodnih postopkov	Možna proizvodnja v obliki traku, ni žaganja rezin
Amorfne sončne celice	0,0001 mm + 1 do 3 mm substrat	5 - 8 %	Rdeče-modre, črne	Manjša učinkovitost, krajša življenjska doba	Možna proizvodnja v obliki traku, ni žaganja rezin. Ob izboljšanju dolgoročnih lastnosti (izkoristek, življenjska doba) najbolj perspektiven material
Kadmijev telurid (CdTe)	0,008 mm + 3 mm steklen substrat	6 - 9 % (modul)	Temno zelene, črne	Strupene surovine	Možnost znatnega znižanja proizvodnih stroškov v prihodnosti
Bakrov indijev diselenid (CIS)	0,003 mm + 3 mm steklen substrat	7,5 - 9,5 % (modul)	Črne	Omejene zaloge indija v naravi	Možnost znatnega znižanja proizvodnih stroškov v prihodnosti
Hibridne (HIT) sončne celice	0,02 mm	18 %	Temno modre, črne	Omejena uporaba proizvodnih postopkov	Višja učinkovitost, boljši temperaturni koeficient in manjša debelina

 

 

na vrh strani