Casa > coneixement > Contingut

Photovoltaics: Electricitat solar i cèl·lules solars en Teoria i Pràctica

Aug 28, 2015

La paraula   fotovoltaica   és una combinació de la paraula grega per la llum i el nom del físic Alessandro Volta. Identifica la conversió directa de la llum solar en energia per mitjà de cèl·lules solars. El procés de conversió es basa en l'efecte fotoelèctric descobert per Alexander Becquerel en 1839. L'efecte fotoelèctric descriu l'alliberament de portadors de càrrega positius i negatius en un estat sòlid quan la llum incideix la seva superfície.

Com funciona una cèl·lula solar?

Les cèl·lules solars estan compostes de diversos materials semiconductors. Els semiconductors són materials, que es tornen elèctricament conductor quan subministra amb llum o la calor, però que funcionen com aïllants a baixes temperatures.

Més del 95% de totes les cèl·lules solars produïdes a tot el món estan compostos pel material semiconductor de silici (Si). A mesura que el segon element més abundant en l'escorça earth`s, silici té l'avantatge, d'estar disponibles en quantitats suficients, i, a més, processar el material no carrega el medi ambient. Per produir una cèl·lula solar, el semiconductor està contaminat o "dopat". "Dopatge" és la introducció intencionada dels elements químics, amb els quals es pot obtenir un excedent de qualsevol dels portadors de càrrega positiva (capa de semiconductor p-realització) o portadors de càrrega negatius (n conductores capa semiconductora) del material semiconductor. Si es combinen dues capes semiconductores diferents graus de contaminació, a continuació, un denominat resultats unió pn en el límit de les capes.

  • model d'una cèl·lula solar cristal·lina

En aquest encreuament, un camp elèctric interior es construeix el que condueix a la separació dels portadors de càrrega que són alliberats per la llum. A través dels contactes de metall, una càrrega elèctrica pot ser aprofitat. Si el circuit exterior està tancada, el que significa un consumidor està connectat, a continuació, dirigir el corrent flueix.

cèl·lules de silici són d'aproximadament 10 cm per 10 cm gran (recentment també de 15 cm per 15 cm). Una pel·lícula anti-reflexió transparent protegeix a la cèl·lula i disminueix la pèrdua de reflexió a la superfície cel·lular.

Les característiques d'una cèl·lula solar

  • línia de corrent-tensió d'una cèl·lula si-solar

El voltatge utilitzable a partir de les cèl·lules solars depèn del material semiconductor. En el silici que ascendeix a aproximadament 0,5 voltatge V. Terminal és només dèbilment depenent de la radiació de llum, mentre que la intensitat del corrent augmenta amb una major lluminositat. Una cèl·lula de silici 100 cm², per exemple, arriba a una intensitat de corrent màxima d'aproximadament 2 A quan radiada per 1,000 W / m².

La sortida (producte de l'electricitat i el voltatge) d'una cèl·lula solar és depenent de la temperatura. temperatures són més elevades condueixen a una menor producció, i per tant a una menor eficiència. El nivell d'eficiència indica quant de la quantitat irradiada de la llum es converteix en energia elèctrica utilitzable.

Diferents tipus de cèl·lules

Es poden distingir tres tipus de cèl·lules d'acord amb el tipus de vidre: monocristal·lí, policristal·lí i amorf. Per produir una cèl·lula de silici monocristal·lí, material semiconductor absolutament pura és necessari. barres monocristal·lines s'extreuen a partir de silici fos i tot seguit serrar en plaques primes. Aquest procés de producció garanteix un nivell relativament alt d'eficiència.  
La producció de cèl·lules policristal·lines és més rendible. En aquest procés, el silici líquid s'aboca en blocs que es va serrar posteriorment en plaques. Durant la solidificació del material, es formen estructures cristal·lines de diferents mides, en les fronteres defectes emergir. Com a resultat d'aquest defecte de vidre, la cèl·lula solar és menys eficient.  
Si una pel·lícula de silici es diposita sobre el vidre o un altre material de substrat, aquesta és una crida cel·lular capa amorfa o prima. Les quantitats gruix de la capa a menys d'1? M (gruix d'un cabell humà: 50-100 micres), de manera que els costos de producció són més baixos a causa dels baixos costos de materials. No obstant això, l'eficiència de les cèl·lules amorfes és molt menor que la dels altres dos tipus de cèl·lules. A causa d'això, que s'utilitzen principalment en equips de baixa potència (rellotges, calculadores de butxaca) o com a elements de façana.

material

Nivell d'eficiència en% Lab

Nivell d'eficiència en la producció%

El silici monocristal·lí

aprox. 24

14 al 17

silici policristal·lí

aprox. 18

13 a 15

silici amorf

aprox. 13

5 a 7

De la cèl·lula a mòdul

Per tal que les tensions i sortides disponibles per a diferents aplicacions apropiades, les cèl·lules solars individuals estan interconnectats per formar unitats més grans. Cèl·lules connectades en sèrie tenen un voltatge més alt, mentre que els connectats en paral·lel produeixen més corrent elèctric. Les cèl·lules solars interconnectades són generalment incrustades en transparent etil-vinil-acetat, equipat amb un marc d'alumini o d'acer inoxidable i es cobreix amb vidre transparent a la part frontal.

Les especificacions de potència típics de tals mòduls solars són entre 10 Wpeak i 100 Wpeak. Les dades característics es refereixen a les condicions de prova estàndard de 1,000 W / m² radiació solar a una temperatura de cèl·lula de 25 ° Celsius. garantia estàndard del fabricant de deu o més anys és bastant llarg i mostra l'alt nivell de qualitat i l'esperança de vida dels productes d'avui dia.

Els límits naturals de l'eficiència

  • nivells màxims teòrics de l'eficàcia de diverses cèl·lules solars en condicions estàndard

A més de l'optimització dels processos de producció, el treball també s'està fent per augmentar el nivell d'eficiència, per tal de reduir els costos de cèl·lules solars. No obstant això, diferents mecanismes de pèrdua estan establint límits a aquests plans. Bàsicament, els diferents materials semiconductors o combinacions són adequats només per a rangs espectrals específiques. Per tant una part específica de l'energia radiant no pot ser utilitzat, perquè els quants de llum (fotons) no tenen prou energia per a "activar" els portadors de càrrega. D'altra banda, una certa quantitat d'energia dels fotons excedent es transforma en calor en lloc d'en energia elèctrica. A més d'això, hi ha pèrdues òptiques, com ara l'ombrejat de la superfície cel·lular a través de contacte amb la superfície de vidre o de reflexió dels raigs entrants en la superfície cel·lular. Altres mecanismes de pèrdua són les pèrdues de resistència elèctrica en el semiconductor i el cable de connexió. La influència interrompre de contaminació material, els efectes de superfície i els defectes de vidre, però, també són significatius.  
mecanismes de pèrdua individuals (fotons amb massa poca energia no s'absorbeixen, l'energia fotònica excedent es transforma en calor) no es pot millorar encara més a causa dels límits físics inherents imposades pels propis materials. Això condueix a un nivell màxim teòric de l'eficiència, és a dir, aproximadament el 28% per al silici cristal·lí.

New Directions

Estructuració de la superfície per reduir la pèrdua de reflexió: per exemple, la construcció de la superfície cel·lular en una estructura piramidal, de manera que la llum entrant arriba a la superfície diverses vegades. Nou material: per exemple, arsenur de gal·li (GaAs), tel·lurur de cadmi (CdTe) o indi selenur de coure (CuInSe²).

Tàndem o apilats cèl·lules: per tal de ser capaç d'utilitzar un ampli espectre de la radiació, diferents materials semiconductors, que són adequats per a diferents rangs espectrals, seran disposades una damunt de l'altra.

Les cèl·lules de concentració:   Una major intensitat de llum es centrarà en les cèl·lules solars per l'ús de sistemes de miralls i lents. Aquest sistema de seguiment del sol, sempre utilitzant la radiació directa.

Cèl·lules de la capa MIS Inversió:   el camp elèctric interior no són produïts per una unió pn, però per la unió d'una capa d'òxid prima per a un semiconductor.

Cèl·lules de Grätzel:   cèl·lules líquids electroquímica amb diòxid de titani com electròlits i el tint per millorar l'absorció de llum.

Text i il·lustracions utilitzades amb el permís de la Fundació Alemanya d'Energia Solar (Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie eV)

explicacions concises i comprensibles dels conceptes bàsics de la calefacció solar i l'energia fotovoltaica es poden trobar a la nostra solar-Lexicon.

Els informes sobre la tecnologia, els negocis i la política, així com presentacions sobre els sistemes i productes innovadors es poden trobar a la Revista Solar