Read Microsoft Word - Celule_solare_Efectul_fotovoltaic[1].doc text version

Efectul fotovoltaic, Celule solare

(Material orientativ pentru documentare i formare a unui nivel minimal de cunotine de baz.)

Istoric

Efectul fotovoltaic este principalul proces fizic care st la baza tehnologiilor de construcie a celulelor solare care convertesc lumina de la soare în electricitate. În anul 1839, Edmund Becquerel, fizician francez în vârst de 19 ani, descoper efectul fotovoltaic în timpul unui experiment cu o celul electrolitic fcut din doi electrozi de metal. Acesta a descoperit c anumite materiale pot produce mici cantiti de energie electric atunci când sunt expuse la lumin. Prima celul solar a fost construit de Charles Fritts care a acoperit seleniu semiconductor cu un film subire de aur pentru a forma o jonciune metal semiconductor. Dispozitivul avea o eficien de 1%. Celulele solare au devenit de uz practic ca surse de energie dup ce Russel Ohl, în anul 1941, a dezvoltat tehnologia jonciunilor p/n ce a permis atingerea unor eficiene mai mari de 5% prin anii 1950-1960. Astzi celulele solare dezvoltate la nivel de laborator ating eficiene >20%, iar la nivel industrial se situeaz în medie la 13 % (vezi raportul comisiei Europene- bibliografie). Vârsta modern a tehnologiilor solare a venit în 1954 de la Bell Laboratories care dezvoltau experimente cu semiconductori, descoperind accidental ca siliciu dopat cu anumite impuriti era sensibil la lumin. Daryl Chapin, Calvin Fuller i Gerald Pearson [D. M. Chapin, C. S. Fuller, and G. L. Pearson; J. Appl. Phys. 25, 676 (1954)] au inventat primul dispozitiv practic de conversie a energiei solare în energie electric cu o eficien de 6%. Prima baterie de celule solare a fost construit în aprilie, 1954. Primul panou solar a fost folosit pe satelitul Vanguard 1 lansat în Martie 1958 i era format din celule solare produse Hoffman Electronics. Acest eveniment a creat interes pentru producerea i lansarea de comunicaii geostaionare cu satelii alimentai cu energie electric de la panouri solare.

1

În 1970 a fost creat prima heterostructur de GaAs pe care s-au construit celule solare de mare eficien. Zhores Alferov [Alferov, Zh. I., V. M. Andreev, M. B. Kagan, I. I. Protasov,and V. G. Trofim (1970). Fiz. Tekh. Poluprovodn 4: 2378, Nobel Prize 2000] a creat primul heterotranzistor care a revoluionat telefonia mobil i comunicaiile prin satelit. Tehnologia folosit MOCVD- Depunere chimic din faz de vapori a compuilor metaloorganici- dezvoltat în 1980 a permis elaborarea celulelor solare pe GaAs. În SUA prima celul solar cu eficiena de 17% fa de coeficientul AM0 (vezi anexa) a fost dezvoltat de Applied Solar Energy Corporation (ASEC). ASEC a dezvoltat celule cu "jonciune dual" prin depunerea de GaAs pe substrat de Ge ce a permis tensiuni mari în circuit deschis. Celule cu jonciune dual pe structuri GaAs au atins în anii 2007 o eficien de 30% AM0.

Principiul de realizare

O celul fotovoltaic este alcatuit din dou straturi de siliciu semiconductor dopat. Fotonii din radiaia solar ce cad pe siliciu sunt absorbii inducând procese de generare de electroni liberi. Doparea siliciului cu diferite metale/nemetale intensific generarea de sarcini electrice. 2

Doparea cu fosfor induce în siliciu sarcini negative suplimentare. Siliciu dopat cu fosfor se numete dopat n sau N-Si. Siliciu dopat n este un conductor electric mai bun decât siliciu monocristalin pur. (Fosforul are valena 5, iar siliciu valena 4, prin urmare orice impuritate cu valena mai mare decât a siliciului este capabil s doneze electroni suplimentari). Doparea cu bor produce semiconductori de tip p (exces de sarcini pozitive). O lips de electroni genereaz locuri cu ioni pozitivi în siliciul dopat p. Aceste locuri încrcate pozitiv se numesc "goluri". Pentru a înelege cum funcioneaz orice dispozitiv electronic, inclusiv celulele fotovoltaice este necesar în primul rând s vedem structura semiconductorilor care stau la baza întregii electronici de astzi. Germaniu i siliciu sunt reprezentativi, îns siliciul este cel mai intens utilizat în aplicaiile moderne.

Structur i dopare

Structura siliciului pur este reprezentat tridimensional printr-un în care cristal atomii

ocup vârfurile unui cub dup cum sunt dirijai i electronii si de valen. Siliciu este element din grupa a IV-a în Tabelul Periodic din care face parte i carbonul, germaniul. Caracteristica esenial a acestor elemente este ca fiecare atom are patru electroni de valen pe care îi poate pune în comun cu cei ai atomilor vecini formând legturi. Dac exist un factor extern, de exemplu, temperatura, atunci cu creterea ei, datorit agitaiei termice o parte din legturi elibereaz electroni în reeaua cristalin. În consecin crete conductivitatea electric a siliciului.

3

Locurile rmase neocupate de electroni (valenele libere) se numesc goluri. Concentraiile de goluri (np) i electroni (ne) sunt egale, iar semiconductorul se numete intrinsec. Transportul sarcinilor în semiconductorul intrinsec sub aciunea unui potenial este prezent sugestiv în figura alaturat. Curentul care "curge" prin

semiconductorul intrinsec este format din dou componente: electroni i goluri. Electronii au avut nevoie pentru a "rupe" legatura covalent de o anumit cantitate de energie minim necesara pentru a putea trece liber în spaiile interstiiale ale reelei de siliciu. Aceast energie minim de a trece din stare legat (valen) în stare liber (de conducie) se numete energia benzii interzise. Golurile rmân localizate pe strile energetice libere din zona de valen (band de valen) care are o structur de nivele de energie provenit din nivelele atomice de valen ale siliciului. Domeniul de energii pe care le iau electronii liberi formeaz banda de conducie. În concluzie electronii "sar" între poziiile reelei pentru a umple vacanele lsate de electronii eliberai. Ei se mic liber în zona de energii ce formeaz banda de conducie. Golurile se mic în banda de valen în sens opus. În exterior întotdeauna msurm un curent de electroni i nu de goluri.

Cum se formeaz structura de benzi?!

Atomii individuali au electronii dispui pe nivele de energie. Electronii de pe ultimul nivel energetic sau electronii de valen sunt determinani în inducerea caracteristicilor de conducie a materialelor. Atunci când atomii sunt în stare liber (vapori sau gaz) ei au configuraia electronic conform descrierii din Tabelul Periodic (a).

4

Prin condensare i solidificare distana dintre atomi se reduce pân la atingerea unor valori de echilibru care sunt dependente de natura atomului i structura nivelelor energetice a electronilor de valen.

Dei au aceeai configuraie electronic ns2p2 funcie de natura interaciilor reciproce i a miezului ionic nivelele energetice ale atomilor se separ în subbenzi de valen pe care o ocup electronii de valen i în benzi cu nivele energetice libere (banda de conducie) (b,c,d,e) Lrgimea benzii interzise i natura conduciei electrice este puternic determinat de distana interatomic, diametrul atomilor, natura configuraiilor interne a restului de electroni (miezul ionic).

5

Dopare n i p

Introducerea de impuriti cum ar fi arsen sau fosfor prin substituirea atomilor de siliciu induce o cretere a numrului de electroni, iar semiconductorul devine dopat n. Arsenicul sau fosforul sunt elemente din grupa a V-a din tabelul periodic, având 5 electroni de valen. Patru din ei formeaz legturi chimice cu atomii de siliciu adiaceni. Al cincilea electron rmâne neîmperecheat i în consecin poate fi deplasat sub aciunea unui câmp electric. Semiconductorii cu exces de electroni se numesc de tip n. Dac substituional se atomi introduc cu trei

electroni de valen ( de exemplu Al din grupa a-III-a sau Ga) atunci se pot forma numai trei legturi cu atomii adiaceni de siliciu. Cea de a patra legatur nu poate fi format i în consecin avem un "gol" în cristal sau o lips de electroni. Experimentele arat c acolo unde exist un loc liber atunci electronii se vor deplasa spre acel spaiu pentru a-l completa. Electronii ce se deplaseaz s umple un gol va lsa în urm legatura covalent "goal" pe care ali electroni vor încerca s o completeze. În acest sens golurile apar a se deplasa ca sarcini pozitive prin cristal. Acesta este un semiconductor de tip p.

6

Echilibrul termodinamic al purttorilor de sarcini, potenialul chimic sau nivelul Fermi Nivelul Fermi sau potenialul chimic

Pentru a înelege cum funcioneaz jonciunile din celulele solare este necesar s introducem o noiune ce descrie echilibrul sarcinilor electrice din semiconductorii intrinseci sau extrinseci ( dopai). Într-un semiconductor intrinsec concentraiile purttorilor de sarcini sunt egale. Se pune întrebarea: care este nivelul maxim de energii pe care il pot ocupa electronii?. Identic pentru goluri. La 0K unde agitaia termic este nul atunci electronii vor ocupa un nivel maxim al energiei, iar golurile unul minim, iar concentraiile lor sunt egale. Pentru aceasta, termodinamica ne spune c potenialele chimice ale celor dou componente trebuie s fie egale. Enrico Fermi dezvolt aceasta teorie i deduce c la 0K energia maxim pe care o ocup electronii se afl la mijlocul benzii interzise pentru semiconductorii intrinseci (A, B).

Banda de conducie (BC): zona de energii unde conducia electric ( micarea liber a electronilor) este posibil. Electronii cu aceste energii se "elibereaz" de atomii originali i se mic liber prin cristal.

7

Banda de valen (BV)­ zona de energii unde conducia electric nu este posibil. Electronii sunt legai de atomi. Banda interzis- intervalul energetic dintre banda de valen i cea de conducie unde electronii nu pot rmâne. Ei trebuie fie s câtige energie pentru a trece în banda de conducie fie s piard energie i s revin în banda de valen. Nivel Fermi- acesta este cel mai înalt nivel de energie din cristal ce poate fi populat cu electroni la temperatura de 0K. Electronii cu energie mai mare decât valoarea EF sunt disponibili pentru conducie, invers ei sunt legai în structura cristalului. Nivelul Fermi este identic ca semnificaie cu potenialul chimic definit în termodinamic. Diagrama A- reprezint un conductor electric cum ar fi Cu sau Ag. BC i BV se suprapun, iar electronii trec liber fr a fi necesar un supliment de energie. Diagrama B prezint un izolator tipic (sticle, ceramici). Toi electronii sunt localizai pe structura atomic i necesit energii mari pentru a fi extrai în BC. Diagrama C reprezint un cristal dopat N de tipul Si sau Ge. Lrgimea benzii interzise este prezent ( 0.5-3 eV), dar mult mai mic fa de un izolator (> 5eV). Dac el este dopat N, atunci electronii au suficient energie termic pentru a sri în BC. Nivelul Fermi este deplasat înspre banda de conducie. Diagrama D- reprezint un semiconductor de tip P. Impuritile de tip P tind s atrag i s rein electronii liberi. Aceasta "trage" nivelul Fermi în jos spre banda de valen. Când punem în contact un semiconductor n cu unul p are loc un transfer reciproc de sarcini pân când nivelele Fermi ale celor dou se "echilibreaz" (egalitatea potenialelor chimice). În consecin benzile de conducie i de valen se deplaseaz spre atingerea unei noi stri de echilibru (diagrama E). La interfaa de contact dintre cei doi semiconductori se va forma un strat de sarcini electrice (strat de baraj) caracteristic jonctiunii p-n ce va crea un câmp electric a crui valoare maxim depinde de concentraiile dopanilor. Acum este simplu de înteles de ce semiconductorul n este expus la lumin într-o celul solar. Sub aciunea radiaiei incidente se genereaz perechi electron-gol care vor reduce bariera de potenial i va permite "curgerea" unui curent electric.

8

În concluzie, conversia cuantei luminoase în energie electric poate fi facut cu ajutorul semiconductorilor, pentru care excitarea electronului i generarea de perechi electrongol indus de cuanta luminoas are un puternic efect asupra conductivitii. Nu este suficient ca electronii s fie excitai i s se miste liber, dac nu este nici o for care s îi fac s se mite. O astfel de for poate fi provocat de prezena unui gradient al potenialului electric, cum ar fi cea gasita în jonciunea p-n a semiconductorilor dopai.

Jonctiunea pn ( cum vede un student ecuaiile i formulele)

O component esenial a unei celule fotovoltaice este jonctiunea p-n. Jonctiunea p-n se formeaz atunci când un semiconductor de tip p i un semiconductor de tip n sunt în contact, deci au o suprafa comun. Initial în jonciunea p-n electronii vor merge în direcia np datorit densitii de electroni mai mare în materialul de tip n decât în cel de tip p i datorit densitii de goluri mai mare în banda de valen pentru materialul de tip p decât cel de tip n. Putem determina condiia de echilibru în funcie de energia Fermi. Iniial, energiile Fermi (potenialele chimice) pentru materialul de tip p i cel de tip n, p i n, sunt diferite dar la echilibru p = n (Fig. 1).

Numrul de electroni în banda de conducie poate fi determinat astfel:

9

, unde Ec i E'c sunt limitele de energie din banda de conducie, n'(E) este numrul de stri per unitatea de energie în interval i f(E) este distribuia Fermi-Dirac. Dac electronii sunt liberi rezult c:

,unde h este constanta lui Planck i m este masa electronului.

Celule Solare (versiunea expunerea la radiaie semiconductorul p)

Sistemele fotovoltaice sunt sisteme ce produc energie electric direct din radiaia solara. Sistemele fotovoltaice sunt sisteme ce produc energie electric fr a consuma combustibili fosil. Jonctiunea p-n poate fi folosit pentru a converti radiaia solar în energie electric. Celula solar este format în aa fel încât materialul de tip p s poat fi expus la radiaia solar incident, de exemplu prin depunerea unui strat subire de material de tip p pe un semiconductor de tip n. În întuneric, curentul total dat de jonciune este zero.

Generaii de celule solare

Celulele solare sunt clasificate în trei generaii care indic ordinea în care ele au cptat importan practic-comercial. În prezent prima generaie de celule solare este i cea mai larg 10

comercializat ocupând aproape 90% din pia în 2007 [Hirshman, William P; Hering, Garret; Schmela, Michael (March 2008), Market Survey: Cell & Module Production http://www.photon-magazine.com]

Prima generaie

Sunt dispozitive unijonciune construite pe siliciu monocristalin. Jonciunile p-n pe siliciu monocristalin ating limita teoretic în eficien de 31 % [Green, Martin A (Aprilie 2002), "Third generation photovoltaics: solar cells for 2020 and beyond", Physica E: Lowdimensional Systems and Nanostructures 14 (1-2): 65­70]. Rata de amortizare a investiiei este estimat la 5-7 ani (vezi bibliografie, Photovoltaics_payback)

A doua generaie

Celule solare în strat subire. Sunt rezultatul dezvoltrii unor noi tehnologii alternative de producie: depunerile din faza de vapori, electrodepuneri, pulverizare ultrasonic, procese ce simplific metodele de fabricaie i costurile per celul solar. A doua generaie de materiale de mare succes sunt: CdTe (telurida de cadmiu), CuInGaSe (selenide Cu Indiu Cadmiu), siliciu amorf, siliciu micromorfic. Aceste materiale sunt depuse secvenial în filme subiri pe substraturi de sticl, ceramic sau chiar plastice. CIGS- cupru-indiu-galiu-diselenid: este un compus I-III-VI2 cu caracteristici de material semiconductor. Materialul este o soluie solid de Cu-In-Se (abreviere CIS) i seleniura de galiu cu formula chimic, CuInxGa(1-x)Se2, unde x ia valori între 0 i 1. Structura semiconductorului este tetraedric de tipul calcopiritelor cu lrgimea benzii interzise variind continu de la 1 eV (x=1, CuInSe2) la 1.7 eV pentru CuGaSe2 (x=0) Celule DSC- celule solare cu sensibilizatori pe baz de colorani. Descoperite de Grätzel sunt celule solare care exploateaz transferul de electroni de la un colorant printr-un electrolit solid sub aciunea radiaiei solare. CdTe- Teluridele de cadmiu sunt utilizate ca ferestre optice în infrarosu i ca material pentru celulele solare. De regul este utilizat un sandwich de CdTe-CdS pentru a forma o jonciune fotovoltaic p-n. 11

Comercializarea acestor tehnologii este înca dificil. În 2007 compania First Solar a realizat o centrala fotovoltaic de 200MW din celule solare CdTe. Wurth Solar comercializeaza GICS producând 15MW. Nanosolar comercializeaz tehnologie GICS cu o capacitate de producie de 430MW în 2008.

A treia generaie de tehnologii

Se refer la îmbuntirea performanelor electrice ale generaiei a doua (tehnologiile planare pe straturi subiri) meninând preurile de cost cât mai mici. Cercetrile curente au ca scop atingerea eficienei de conversie de 30-60%. Ele pot depi limitele teoretice de conversie calculate pentru o jonctiune p-n pe siliciu monocristalin în anii 1960 de ctre Shockley i Queisser (limita Schockley). Limita estimat de 31% pentru 1 soare (1370 W/m2). O alta direcie este de a concentra radiaia solar pe arii de celule fotovoltaice utilizând oglinzi Fresnel. Se pot atinge prin concentrare aproximativ 46000 de sori i în consecin un randament sporit. Celulele fotovoltaice multijonciunie sunt proiectate s absoarb spectrul solar de la infrarosu la UV ceea ce va permite s funcioneze i pe perioada nopii.

12

Eficiena celulelor solare funcie de tehnologia utilizat (compilare NIST-Japan)

Tip Eficienta conversiei Fiabilitate Cost Productia de energie

Single-crystalsilicon cell Polycrystallinesilicon cell 12 15 14 17 Abundant records of use Suitable for volume production in future Amorphoussilicon cell 6 9 Tends to deteriorate for flexible products Single-crystalcompound cell (GaAs) Polycrystallinecompound cell (CdS, CdTe, CuInSe2,etc.) Low material availability. Some materials contain environmental pollutants. Consumer× Heavy and fragile Satellite use Consumerproduct use (Electric wristwatches, etc.) Satellite use Power-generation use Powergeneration use

Alte caracteristici

Aplicatii principale

rapidly. Suitable calculators,

13

Pentru avansai

Efectul fotovoltaic- teorie ( pentru avansai) Const în apariia unei tensiuni electromotoare într-un semiconductor iluminat. Interaciunea dintre un solid i undele electromagnetice determin, printre alte fenomene, absorbia radiaiei incidente. În cazul semiconductorilor, unul din mecanismele absorbiei const în tranziia unui electron din banda de valen în banda de conducie (în urma absorbiei unui foton). În consecin numrul purttorilor de sarcin liberi crete, ceea ce determin creterea conductivitii electrice, fenomen numit fotoconductibilitate (sau efect fotoelectric intern). Generarea perechilor electron-gol sub seciunea luminii este o condiie necesar pentru producerea efectului fotovoltaic dar nu i suficient. Noii purttori de sarcin trebuie s se redistribuie, determinând apariia unei diferene de potenial între suprafaa iluminat i cea neiluminat. Redistribuirea poate fi determinat de: 1) 2) 3) 4) generarea neuniform a purttorilor de sarcin într-un semiconductor omogen un câmp intern local din semiconductor care poate fi realizat prin doparea diferit un gradient al timpului de via al purttorilor de sarcin; prezena unui câmp magnetic (efectul fotoelectromagnetic), etc.

(efectul Dember); a semiconductorului (jonciune p-n);

Într-un semiconductor intrinsec, banda de conducie este nepopulat la 0K i este separat printr-o band interzis Eg de banda de valen ocupat. Diferena dintre valoarea maxim a energiei în banda de valen i valoarea minim în banda de conducie determin valoarea minim a intervalului de energie interzis. Într-un semiconductor extrinsec, nivelele energetice ale impuritilor se gsesc în zona interzis, mai aproape de marginea inferioar a zonei de conducie pentru atomii donori i în vecintatea marginii superioare a zonei de valen pentru atomii acceptori. Deoarece diferena de energie dintre nivelele impuritilor i marginea zonei de valen sau de conducie este mic (0,01 eV) chiar la temperatura camerei, energia termic este suficient pentru ionizarea

14

acestor atomi. Acest lucru explic creterea conductibilitii electrice determinate de impuriti. Pentru majoritatea semiconductorilor intervalul de energie interzis Eg are valori între 0,2 i 2,3 eV. Deci vor produce tranziia electronului din B.V. în B.C. fotonii cu frecvene de cel puin:

=

Eg h

(1)

Intervalului energetic 0,2 ­ 2,3 eV îi corespunde intervalul de lungimi de und 6,2 ­ 0,5 m, deci fotonii din domeniul vizibil i infrarou sunt cei ce determin tranziia. Dac notm cu n0 i p0 concentraiile electronilor i golurilor în lipsa iluminrii i la echilibru termic, sub aciunea unui câmp electric E apare un curent de drift cu densitatea:

v v v r r j = j n + j p = n0 evn + p0 ev p

(2)

(v

n

= n E , v p = p E ) , se obine:

inând cont de legtura dintre vitezele vn i vp i mobilitile n i p

j = e(n0 n + p0 p )E = 0 E

deci

(3)

0 = e(n0 n + p0 p )

(4)

Dac în urma iluminrii concentraiile electronilor i golurilor se modific cu n i p,

n = p , schimbarea conductivitii va fi:

n n + p p (1 + b )n = = 0 n0 n + p 0 p n0 b + p 0

În relaia (5) s-a notat b = n p . 15

(5)

Notm cu coeficientul de absorbie definit ca raportul dintre cantitatea de energie absorbit de unitatea de volum în unitatea de timp i energia incident pe unitatea de suprafa în unitatea de timp. Se poate arta c atunci când d<<l (unde d ­ grosimea stratului semiconductor) intensitatea radiaiei este uniform în prob i deci n i p nu variaz în prob. Dac îns d>>l, intensitatea radiaiei la distana z în prob este:

I ( z ) = I 0 (1 - )e - z

(6)

unde este coeficientul de reflexie la suprafaa iluminat. În consecina va apare un gradient de concentraie care va determina apariia unor cureni de difuzie pentru goluri i electroni. Considerând o variaie liniar a concentraiei, densitile curenilor de difuzie sunt:

j n = eDn

n z p z

(7)

j p = -eD p

(8)

unde Dn i Dp sunt coeficieni de difuzie. Curentul total va fi suma dintre curentul de drift (3) în prezena iluminrii i cel de difuzie:

n p j z = e(n n + p p )E z + e Dn - Dp z z

inând cont c: n = n0 + n , p = p 0 + i n = p , rezult:

(9)

j z = e(n n + p p )E z + e(Dn - D p )

n z

(10)

Aadar, în circuit deschis (jz=0)între faa iluminat i cea neiluminat apare un câmp electric:

Ez =

(D

n z n n + p p

n

- Dp )

(11)

16

i deci o diferen de potenial V. Dac Dn=Dp (atunci când n = p) atunci Ez=0 i

V=0.

Într-o jonciune p-n, ca urmare a difuziei electronilor din domeniul n în domeniul p i difuziei golurilor în sens invers, apare un câmp electric în stratul de baraj i corespunztor o diferen de potenial (fig. 1.). Acest câmp electric împiedic continuarea difuziei i în acelai timp duce la apariia unor cureni de drift care se opun celor de difuzie. În stare de echilibru, curenii de difuzie vor fi egali cu cei de drift, astfel încât curentul rezultant va fi nul. Dac jonciunea p-n este iluminat, se vor crea perechi electron-gol în exces. Dac d>>l, fluxul de fotoni va varia exponenial cu adâncimea, conform relaiei (6). Electronii în exces creai în regiunea p pot difuza prin jonciune i coboar bariera de potenial spre zona n. Golurile în exces create în zona n pot difuza i ele prin jonciune. Apare astfel o sarcin pozitiv pe faa p i una negativ pe faa n. Aceste densiti de sarcin micoreaz diferena de potenial de la j0 la j0 ­ V. Ecuaia de curent -tensiune este:

p q x x p E + + + + n n

x x

eV j = j 0 e kT - 1 + j L unde:

(12)

j0 ­ densitatea curentului invers la saturaie în absena iluminrii, V ­

tensiunea aplicat jonciunii, k ­ constanta lui Boltzmann, jL ­ curentul de generare independent de V i direct proporional cu intensitatea iluminrii (determinat de perechile electron-gol generat de lumina incident). Relaia (12) este ilustrat în fig. 2, pentru iluminri diferite ale jonciunii. Pentru j=0 se obine din relaia (12) tensiunea în circuit deschis Voc:

17

Voc =

j kT ln(1 - L ) e j0

(13)

I

Curentul de scurt circuit se obine punând condiia V=0 în relaia (13). Rezult: j sc = j L (14)

1 2 3 4

V oc

V

Isc

4> 3> 2> 1

Coeficientul masic de aer (AIM)

AIM caracterizeaz spectrul solar dup ce radiaia solar a trecut prin atmosfer. El este folosit la caracterizarea performanelor celulelor solare în condiii standardizate definite de simbolul AM i un numr. De exemplu AM1.5 este universal folosit de a caracteriza puterea generat de panourile solare.

Descriere

Radiaia solar este foarte apropiat de un radiator ideal echivalent cu radiaia spectral a unui corp negru la temperatura de 5800K. Radiaia solar traversând atmosfera reacioneaz cu anumii compui chimici care adsorb anumite lungimi de und din spectru. Cel mai bun exemplu este absorbia ultravioletelor de ctre ozon în atmosfera superioar ce reduce dramatic cantitatea de lungimi scurte de und s ajung pe pmânt. O component mult mai activ sunt vaporii de ap care adsorb spectrul solar pe diverse lungimi de und. Oxigenul, bioxidul de carbon i azotul contribuie i ei la adsorbia radiaiei solare. Prin urmare spectrul solar ce ajunge la suprafaa pmântului este restrâns între infrarou îndeprtat i ultraviolet apropiat. Împrtierea radiaiei în atmosfer deasemeni joac un rol important. Din acest motiv când soarele este la apus drumul radiaiei este mai lung, iar împrtierea radiaiei cu lungimi 18

mici de und este împrtiat mai mult. Soarele la apus arat de culoare roie datorit fenomenelor de împrtiere. Pentru o grosime l0 a atmosferei funcie de unghiul de inciden a radiaiei, , ea parcurge un drum mai lung: l = lo / cos Raportul l / lo este coeficientul massic al aerului [Peter Würfel (2005). The Physics of Solar Cells. Weinheim: Wiley-VCH. ] Spectrul solar în afara atmosferei corespunztor radiaiei corpului negru la 5800K va avea AM0 semnificând "zero atmosfere". Celulele folosite pentru tehnologia spaial cum ar fi comunicaiile prin satelit sunt în general caracterizate folosind AM0. Spectrul solar la nivelul apei mrii când soarele este perpendicular coeficientul este AM1 ceea ce semnific o atmosfer. Celulele solare pe baz de siliciu nu sunt sensibile la spectrul pierdut în atmosfer. Ele sunt dependente de lrgimea benzii interzise care este corespondent energiei fotonilor din spectrul vizibil. Prin urmare celulele solare sunt mai eficiente la AM1 decât la AM0. Panourile solare în general opereaz sub o anumit grosime a atmosferei dac soarele este incident sub un unghi de vizibilitatea diferit de cel de la ecuator. Deoarece dezvoltarea celulelor solare este concentrat în SUA, Japonia, EUROPA se ia în considerare standardul AM1.5, adica 1.5 grosimea atmosferei ceea ce corespunde un unghi de zenit solar de 480. Este considerat standardul terestru de caracterizare a panourilor solare. Panourile solare ce opereaz la poli va trebui s fie folosit AM2 iar cele care opereaz la altitudini mari atunci AM<1.

19

Information

Microsoft Word - Celule_solare_Efectul_fotovoltaic[1].doc

19 pages

Find more like this

Report File (DMCA)

Our content is added by our users. We aim to remove reported files within 1 working day. Please use this link to notify us:

Report this file as copyright or inappropriate

543654