CAPITOLUL 1. Celula fotovoltaică

Celula solară este un dispozitiv care converteşte energia solară de la soare în

electricitate. Celulele solare au o arie mare de raspândire cum ar fi: calculatoare,

ceasuri, maşini. În ultimul timp celulele solare sunt folosite din ce în ce mai des pentru

iluminarea caselor.

Celulele solare nu generează dioxid de carbon (CO2), deci nu contribuie la

încălzirea globală. Celulele nu produc nici oxid de sulf (SOx) sau oxid de azot (NOx) care

duc la ploi acide.

Spre deosebire de combustibili fosili (petrol, cărbuni, gaze naturale) care au

resurse limitate, energia solară este practic infinită.

O celulă fotoelectrică poate fi asimilată cu o o dioda fotosensibilă, funcţionarea ei

bazându-se pe propietaţile materialelor semiconductoare.

Celula fotoelectrică permite conversia directă a energiei luminoase în energie

electrică. Principiul de funcţionare se bazează pe efectul fotoelectric.

De fapt, o celula este constituită din două straturi subţiri de material

semiconductor. Cele două straturi sunt dopate diferit:

- pentru stratul N, aport de electroni periferici

- pentru stratul P, deficit de electroni.

Figura 1.1 Structura unei celule solare

Între cele două straturi va apare o diferenţă de potenţial electric. Energia fotonilor

luminii, captaţi de electronii periferici (stratul N) le va permite acestora să depăşească

bariera de potenţial si să creeze astfel un curent electric continuu.

12

Pentru colectarea acestui curent, se depun, prin serigrafie, electrozi pe cele două

straturi semiconductoare. Electrodul superior este o grilă ce permite trecerea razelor

luminoase. Pe acest electrod se depune apoi un strat antireflectorizant, pentru cresterea

cantităţii de lumină absorbită.

1.1 Principiul de funcţionare

Celulele solare pe bază de materiale semiconductoare în principiu sunt construite

ca nişte fotodiode cu suprafaţă mare care însă nu se utilizează ca detectoare de radiaţii

ci ca sursă de curent.

Interesant la acest tip de semiconductoare este că prin absorbţie de energie

(caldură sau lumină) eliberează purtatori de sarcină (electroni şi goluri). Este nevoie de

un câmp electrostatic intern pentru ca din aceşti purtători să se creeze un curent electric

dirijandu-i in direcţii diferite.

Acest câmp electric intern apare în dreptul unei joncţiuni p-n. Pentru că

intensitatea fluxului luminos scade exponenţial cu adancimea, această joncţiune este

necesară să fie cât mai aproape de suprafaţa materialului şi să se patrundă cât mai

adânc.

Această joncţiune se creează prin impurificarea controlată. Pentru a realiza

profilul dorit, în mod normal se impurifică „n” un strat subţire de suprafata şi „p” stratul

gros de dedesubt în urma căruia apare joncţiunea. Sub acţiunea fotonilor apar cupluri

electron-gol în joncţiune, din care electronii vor fi acceleraţi spre interior, iar golurile spre

suprafaţă. O parte din aceste cupluri electron-gol se vor recombina în joncţiune

rezultând o disipare de caldură, restul curentului putând fi utilizat de un consumator,

încărcat într-un acumulator sau prin intermediul unui invertor livrat în reţeaua publică.

Tensiunea electromotoare maxima la bornele unei celule solare (de exemplu la

cele mai utilizate, celulele de siliciu cristaline) este de 0,5 V.

Structura celulelor solare se realizează în asa mod încât să absoarbă cât mai

multă lumină şi să apară cât mai multe sarcini în joncţiune. Pentru aceasta electrodul de

suprafată trebuie să fie transparent, contactele la acest strat să fie pe cât posibil de

subţiri, pe suprafaţa se va aplica un strat antireflectorizant pentru a micşora gradul de

13

reflexie a luminii incidente. Acestui strat antireflectorizant i se atribuie culoare negru-

albăstruie a celulelor solare care fară aceasta ar avea o culoare gri-argintie.

Grosimea stratului influentează culoarea celulei (culoarea de interferentă).

Grosimea stratului trebuie să fie cât se poate de uniformă, deoarece abateri de caţiva

nanometri măresc gradul de reflexie. Celulele îşi datorează culoarea albastră realizării

unei grosimi ce corespunde lungimii de undă a culorii roşii, culorea cea mai bine

absorbită de siliciu. În principiu însa în acest mod se pot realiza celule roşii, galbene,

sau verzi la cerinţe arhitectonice deosebite, dar vor avea un randament mai slab. În

cazul nitratului de siliciu şi a bioxidului de siliciu stratul antireflectorizant mai are şi un rol

de a reduce viteza de recombinare superficiala.

1.2 Modelul matematic

Modelul matematic al celulei fotoelectrice se poate obţine, plecând de la cel al

joncţiunii PN. Se adaugă curentul Iph, proporţional cu iluminarea şi un termen ce

modelează fenomenele interne. Curentul I furnizat de celulă se poate scrie:

(1)

(2)

în care:

• Iph - fotocurent, sau curent generat prin iluminare [A];

• I0d - curent de saturaţie [A];

• Rs - rezistenţa serie [Ω];

• Rsh - rezistenţa paralel [Ω];

• k - constanta lui Boltzmann (k = 1,38.10-23);

• q - sarcina electronului (q = 1,602.10-19 C);

• T - temperatura celulei (°K).

Expresia de mai sus se poate deduce din schema echivalentă

14

Figura 1.2 Schema echivalentă a unei celule solare

Dioda modelează comportamentul celulei în intuneric.

Sursa de curent modeleaza curentul Iph generat prin iluminare.

Rezistentele modeleaza pierderile interne:

-rezistenţa serie Rs - modelează pierderile ohmice ale materialului

-rezistenţa paralel Rsh - modelează curenţii paraziţi ce parcurg celula.

Ideal, se poate neglija Rs şi I faţa de U, şi să se lucreze cu un model simplificat:

(3)

Cum rezistenţa paralel este mult mai mare decât rezistenţa serie, se poate neglija

curentul prin Rsh.

(4)

Astfel putem obţine schema echivalentă simplificată care corespunde celulei ideale.

Figura 1.3 Schema echivalentă simplificată a unei celule solare

1.3 Caracteristicile tehnice ale celulelor solare

15

Parametrii tehnici ai celulelor solare sunt daţi pentru condiţii standard (STC,

Standard Test Conditions):

- Intensitate luminoasă de 1000 W/m2 in zona panoului

- Temperatura celulei solare constant 25 °C

- Spectrul luminii AM 1,5 global

Se defineşte randamentul energetic al unei celule, ca fiind raportul dintre puterea

electrică maximă şi puterea incidentă:

(5)

în care:

• E - iluminarea [W/m²];

• S - suprafaţa activă a panourilor [m²].

• Pm - puterea maximă masurată în condiţiile STC (Standard Test Conditions), respectiv

în spectrul AM1.5, la o temperatură de 25°C şi iluminare de 1000 W/m².

Randamentul unei celule este, în general, destul de scăzut, de ordinul 10 - 20%.

Au fost obţinute randamente mai bune cu materiale noi (în laborator, arseniura de galiu

AsGa oferă un randament mai mare de 25%) sau cu tehnologii experimentale

(tehnologia multistraturi), deseori dificile şi costisitoare pentru a fi puse în practică.

În aceste condiţii, materialul fotoelectric cel mai utilizat este siliciul, care

reprezintă o soluţie economică. Pentru astfel de celule, randamentul energetic nu

depaseşte 15%.

Pe baza caracteristicilor curent-tensiune şi putere-tensiune, se pot obţine şi alţi

parametrii:

• Curentul de scurtcircuit Icc, respectiv curentul debitat de celulă, atunci cand tensiunea

la bornele sale este nulă. Practic, acest curent este foarte apropiat de fotocurentul Iph.

• Tensiunea în gol Vco, respectiv, tensiune la bornele celulei, atunci când curentul debitat

este nul.

• Între cele două extreme, există un optim care oferă puterea maximă Pmax sau MPP

(Maximum Power Point).

• Factorul de formă, care arată cât de ideală este caracteristica, respectiv raportul:

16

(6)

Randamentul celulelor solare comerciale este de circa 20 %, iar modulele

construite cu acestea ating un randament de circa 17 %. Recordul pentru celulele

fabricate în condiţii de laborator este de 24,7 % , din care s-au confecţionat panouri cu

un randament de 22 %. Preţul acestor module fabricate prin procedeul de topire zonală

este de circa 200 Euro pe celulă la o suprafaţă a celulei de 21,6 cm2, corespunzând unui

cost de 5-10 Euro/W.

Îmbătrânirea conduce la scaderea randamentului cu circa 10 % în 25 ani.

Fabricanţii dau garanţii pe cel putin 80 % din puterea maximă în 20 ani.

În spaţiu constanta solară este mai mare decât iluminarea globală pe pamânt,

totodata celulele solare îmbătrânesc mai repede. Panourile pentru sateliţi ating

momentan un randament de 25 % la o durată de viaţa de 15 ani.

1.4 Tipuri de celule solare

Celulele solare pot fi clasificate după mai multe criterii. Cel mai folosit criteriu este

după grosimea stratului materialului. Aici deosebim celule cu strat gros şi celule cu strat

subţire. Un alt criteriu este felul materialului: se intrebuinţează, de exemplu, ca materiale

semiconductoare combinaţiile CdTe, GaAs sau CuInSe, dar cel mai des folosit este

siliciul. După structura de bază deosebim materiale cristaline(mono-policristaline)

respectiv amorfe.

În fabricarea celulelor fotovaltaice pe langă materiale semiconductoare, mai nou,

există posibiltatea utilizării materialelor organice sau a pigmenţilor organici.

Cel mai utilizat material pentru realizarea fotopilelor sau a celulelor solare este

siliciul, un semiconductor de tip IV. Acesta este tetra-valent, ceea ce înseamnă că un

atom de siliciu se poate asocia cu patru alţi atomi de aceeaşi natură.

Se mai utilizează arseniura de galiu şi straturi subţiri de CdTe (telura de cadmiu), CIS

(cupru-indiu-diseleniu) şi CIGS (cupru-indiu-galiu-diselenat).

17

Figura 1.4 Tipuri de celule solare

1.5 Clasificarea celulelor solare

O primă clasificare a celulelor se poate face dupa tipul de material din care este

alcătuită celula. Celulele pot fi fabricate din mai multe tipuri de materiale:

Celule pe baza de siliciu

- Strat gros:

- Celule monocristaline (c-Si) randament mare - în producţia în serie se

pot atinge până la peste 20 % randament energetic, tehnica de

fabricaţie pusă la punct; totuşi procesul de fabricaţie este energofag,

ceea ce are o influenţă negativă asupra periodei de recuperare (timp în

care echivalentul energiei consumate în procesul de fabricare devine

egal cantitatea de energia generată)

- Celule policristaline (mc-Si) la producţia în serie s-a atins deja un

randament energetic de peste la 16 %, cosum relativ mic de energie în

procesul de fabricaţie, şi pană acum cu cel mai bun raport preţ –

performantă.

18

- Strat subţire:

- Celule cu siliciu amorf (a-Si) au cel mai mare segment de piaţă la

celule cu strat subţire; randament energetic al modulelor de la 5 la 7 %;

nu există strangulări în aprovizionare chiar şi la o producţie de ordinul

TeraWatt

- Celule pe bază de siliciu cristalin, ex. microcristale (µc-Si)

în combinaţie cu siliciul amorf randament mare; tehnologia aceeaşi ca

la siliciul amorf

Celule pe bază de elemente semiconductoare din grupa III-V

Celule cu GaAs au randament mare, foarte stabile la schimbările de temperatură,

la încalzire au o pierdere de putere mai mică decât la celulele cristaline pe bază de

siliciu, robust vizavi de radiaţia ultravioletă, tehnologie scumpă, se utilizează de obicei în

industria spaţială (GaInP/GaAs, GaAs/Ge)

Celule pe bază de elemente semiconductoare din grupa II-VI

Celule cu CdTe utilizează o tehnologie foarte avantajoasă CBD(depunere de

staturi subţiri pe suprafeţe mari în mediu cu pH , temperatură şi concentraţie de regent

controlate) ; în laborator s-a atins un randament de 16 %, dar modulele fabricate pâna

acum au atins un randament sub 10 %, dar nu se cunoaşte fiabilitatea. Din motive de

protecţia mediului este improbabila utilizarea pe scara largă.

Celule CIS, CIGS

CIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs în staţie pilot la firma

Würth Solar în Marbach am Neckar, respectiv Cupru-Indiu-Disulfat la firma Sulfurcell în

Berlin, iar CIGS pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs în statie pilot în Uppsala în

Suedia. Producatorii de mai sus promit trecerea la producţia în masă în anul 2007.

Celule solare pe bază de compuşi organici

Tehnologia bazată pe chimia organică furnizează compuşi care pot permite

fabricarea de celule solare mai ieftine. Prezintă, totusi, un impediment faptul că aceste

celule au un randament redus şi o durată de viaţă redusă (max. 5000h). Înca nu există

celule solare pe bază de compusi organici pe piaţă.

19

Celule pe baza de pigmenţi

Numite şi celule Grätzel utilizează pigmenţi naturali pentru transformarea luminii

în energie electrică; o procedură ce se bazează pe efectul de fotosinteză. De obicei sunt

de culoare mov.

Celule cu electrolit semiconductor

De exemplu soluţia: oxid de cupru, NaCl. Sunt celule foarte uşor de fabricat dar

puterea şi siguranţa în utilizare sunt limitate.

Celule pe bază de polimeri

Deocamdată se află doar în faza de cercetare.

Un alt criteriu de clasificare îl reprezintă structura de bază a meterialelor.

Celule solare cristaline.

La celulele solare actuale randamentul este de circa 12 - 17 %. Adesea

fabricantul acordă o garanţie la randament de 80 - 85  % (la puterea de vârf) dupa 20

ani.Rezultă deci dupa un timp de utilizare îndelungat pierderi destul de limitate, ceea ce

îndreptaţeşte utilizarea sistemelor cu panouri solare.

Pentru îmbătrânirea propriu-zisă a celulelor solare raspunzatoare sunt defecte

provenite din recombinare, ceea ce reduce durata de viaţa a purtătorilor de sarcină cu

circa 10 % faţa de valoarea iniţială. În celulele fabricate după procedeul Czochralski

îmbatrânirea este produsă de crearea de compuşi complexi cu bor-oxigen.

Celulele monocristaline. Celulele rezultă din asa numitele Wafer (placi de siliciu

dintr-un cristal). Aceste cristale reprezintă materia de bază pentru industria de

semiconductori şi sunt destul de scumpe.

Acest tip de fotopile sunt primele care au fost realizate, pe baza unui bloc de

siliciu cristalizat într-un singur cristal.

Ele se prezintă sub forma unor plachete rotunde, pătrate sau pseudo-pătrate.

Randamentul lor este de 12 - 16%. Totuşi, ele au două dezavantaje: preţul ridicat

si o durată mare de amortizare prin energia furnizată.

Celule multicristaline sau policristaline. Celulele sunt din plăci care conţin zone cu

cristale cu orientări diferite. Acestea pot fi fabricate de exemplu prin procedeul de

20

turnare, sunt mai ieftine şi ca atare cele mai răspândite în producţia de dispozitive

fotovoltaice. Deseori ele se numesc şi celule solare policristaline.

Acest tip de celule se realizează pe baza unui bloc de siliciu cristalizat în mai

multe cristale, care au orientări diferite. Randamentul lor este de 11 - 13%, dar presupun

un cost de producţie mai redus decât cel al celulelor monocristaline.

Celule solare amorfe.

Celulele solare constau dintr-un strat subţire de siliciu amorf (fară cristalizare) şi

din această cauză se numesc celule cu strat subţire. Se pot produce de exemplu prin

procedeul de condensare de vapori de siliciu şi sunt foarte ieftine, dar au un randament

scăzut în spectru de lumină solară, totuşi au avantaje la lumină slaba.

Aceste celule ating un grad avansat de îmbătrânire de pana la 25 % în primul an

de funcţionare de aceea pentru acest tip de panouri solare în caracteristicile tehnice din

documentele de insoţire nu se dă puterea atinsă la fabricaţie ci puterea de după

procesul de îmbătrânire.

Ca urmare acest tip de panouri au caracteristici mai bune la cumpărare decât

cele din documente.

Îmbătrânirea se produce sub acţiunea luminii şi este rezultatul aşa numitului efect

Staebler-Wronski(SWE). În cadrul acestuia siliciul hidrogenat amorf (a-Si:H) metastabil

trece printr-o fază de creştere a concentratiei defectelor cu un ordin de mărime, paralel

cu scăderea conductivităţii şi deplasarea nivelului Fermi către mijlocul distanţei dintre

banda de valenţă şi banda de conducţie. Dupa circa 1000 ore de expunere la soare,

celulele de siliciu amorf ating un grad de saturare stabil.

Aceste celule sunt realizate dintr-un suport de sticlă sau material sintetic, pe care

se depune un strat subţire de siliciu (organizarea atomilor nu este regulată, ca în cazul

unui cristal). Randamentul lor este de 5 - 10%, mai mic decât al celulelor cristaline, dar

preţul este bun.

Ele sunt utilizate în mici produse comerciale (ceasuri, calculatoare), dar pot fi

utilizate şi în instalaţiile solare.

Ele au avantajul de a se comporta mai bine la lumina difuză şi la cea

fluorescentă, fiind deci mai performante le temperaturi mai ridicate.

21

Celule cu CdTe, CIS şi CIGS.

Tehnologiile CdTe, CIS şi CIGS sunt în curs de dezvoltare sau de industrializare:

Celulele cu CdTe se bazează pe telura de cadmiu, material interesant datorită

proprietăţii de absorbţie foarte mare. Totuşi, dezvoltarea lor riscă să fie frânată datorită

toxicitaţii cadmiului.

Celulele cu CIS (CuInSe2) se bazează pe cupru, indiu şi seleniu. Acest material

se carcterizează printr-o bună stabilitate sub acţiunea iluminării. Ele au proprietăţi de

absorbţie excelente.

Celulele cu CIGS sunt realizate din aceleaşi materiale ca şi cele cu CIS, având

ca particularitate alierea indiului cu galiu. Aceasta permite obţinerea unor caracteristici

mai bune.

1.6 Compararea caracteristicilor tehnice a celulelor solare

Celulele se comportă diferit, în funcţie de compoziţia lor. Astfel randamentul

variază în funcţie de tipul de celulă ales.

Figura 1.5 Valorile tipice pentru randament şi factorul de umplere

Putem vedea că celulele variază în funcţie de condiţiile de mediu. Astfel în

laborator, având condiţii optime celulele prezintă un randament maxim. Modulele

prototip au un randament intermediar, în timp ce modulele comerciale au cel mai mic

randament, acesta datorânduse condiţiilor în care sunt utilizate.

22

Figura 1.6 Variaţia randamentului în funcţie de mediul de exploatare

Fiecare celulă are avantajele şi dezavantajele ei. În tabelul următor sunt descrise

cele mai importante celule care se află acum pe piaţa, si putem vedea avantajele şi

dezavantajele folosirii fiecărui tip de celulă.

Figura 1.7 Avantajele şi dezavantajele diferitelor tipuri de celule

23

1.7 Moduri de asamblare

În funcţie de tehnologia utilizată, o singură celulă solară generează o tensiune

MPP de aproximativ 0,5 V până la 2 V. Prin urmare, echipamentele electrice nu pot fi

alimentate la această tensiune scăzută, în afară de cazul dispozitivelor mici sau

jucăriilor.

În general, este necesară o tensiune ridicată. Aceasta poate fi produsă prin

conectarea celulelor în serie, ca în cazul bateriilor. De exemplu, în modulele standard

sunt conectate în serie 36 de celule de Si cristalin, producând o tensiune MPP de

aproximativ 18 V, corespunzătoare încărcării bateriilor cu o tensiune de 12 V.

În acelaşi timp, sunt module standard cu 72 de celule şi module speciale alcătuite

din mai mult de 100 de celule conectate în serie. Prin urmare, astfel de module solare

pot fi conectate în serie, sub formă de şir, formând un generator solar care dezvoltă

tensiuni mai mari de câteva sute de volţi.

Pentru a asigura puterea de ieşire dorită a generatorului solar, câteva module

sau şiruri pot fi conectate în paralel, conducând la creşterea curentului electric. Această

interconectare modulară permite generatoarelor fotovoltaice să fie proiectate cu puteri

de ieşire de la mW până la MW, toate cu aceeaşi tehnologie de bază.

1.7.1 Conectarea celulelor solare în serie

Celulele pot fi conectate în serie ca în figura de mai jos.

Figura 1.8 Conectarea în serie a trei celule solare similare

24

Celulele solare şi modulele solare sunt conectate în serie pentru a produce

tensiuni totale mai mari. În conexiunea serie curentul este acelaşi în toate celulele astfel

încât, tensiunea totală este rezultatul sumei tensiunilor individuale.

Figura 1.9 Curba curent-tensiune a trei celule conectate în serie

Conexiunea serie a celulelor şi modulelor are totuşi un dezavantaj major: „fragila

legătură” determină performanţa întregului şir. Chiar dacă numai o celulă este parţial

umbrită, această celulă determină curentul total şi prin urmare puterea de ieşire a

întregului şir. Umbrirea trebuie astfel evitată în măsura posibilului.

Chiar mici zone umbrite ca cele determinate de stâlpi, cabluri, vârfuri de copaci,

frunze, excrement de pasăre şi praf conduc în general la pierderi de productivitate şi

sunt de obicei cauzele unei producţii de energie nesatisfăcătoare a sistemelor

fotovoltaice.

Producţia de energie nesatisfăcătoare este posibilă şi în cazul conectărilor în

serie a celulelor cu diferite caracteristici datorate toleranţelor de fabricaţie sau dacă părţi

de celule din interiorul modulului sunt sparte şi prin urmare devin inactive. Şi în acest

caz celula fragilă influenţează performanţa globală.

Celulele şi modulele trebuie sortate şi asamblate împreună în aşa fel încât să

producă acelaşi curent MPP. Această condiţie suplimentară este răsplătită de creşterea

productivităţii de energie.

25

1.7.2 Conectarea celulelor solare în paralel

Celulele pot fi conectate în paralel ca în figura de mai jos.

Figura 1.10 Conectarea în paralel a trei celule solare similare

Dacă sistemul trebuie să producă curenţi mari, modulele sau şirurile pot fi

conectate în paralel.

Figura 1.11 Curba curent-tensiune a trei celule conectate in paralel

La conexiunea în paralel, toate celulele au aceiaşi tensiune, iar curentul global

este rezultatul curenţilor individuali.

Ca şi conexiunile în serie, se pune întrebarea cum afectează umbrirea,

performanţa unei singure celule sau a unui singur modul. În general, efectele producţiei

26

de energie este ceva mai scăzută faţă de cea a unui sistem cu acelaşi număr de celule

conectate în serie.

În particular, în cazul conexiunii în paralel, în mod obişnuit nu este pericolul ca o

celulă umbrită să fie supraîncărcată de curentul invers dat de celelalte celule din şirurile

tipice. În aplicaţiile de tensiuni joase, ca sistemele solare pentru locuinţe diodele de şir

pot fi în general omise.

1.7.3 Conectarea mixta a celulelor solare

În figura de mai jos avem 9 celule distribuite in 3 serii de celule conectate in paralel.

Fiecare serie contine la rândul ei 3 celule.

Figura 1.12 Conectarea mixta a celulelor solare

Diagrama instalaţiei electrice şi curbele rezultante ale curbei curent – tensiune

pentru generatorul solar cu câteva module solare conectate în serie şi în paralel.

Figura 1.13 Curba curent-tensiune a celulelor conectate in serie si in paralel

27

1.8 Conversia energiei solare în energie electrică

Efectul fotovoltaic este datorat eliberării de sarcini electrice negative (electroni) şi

pozitive (goluri), intr-un material solid, atunci când suprafaţa acestuia interacţionează cu

lumina. Datorită polarizării electrice a materialului respectiv, care se produce sub

acţiunea luminii, apare o tensiune electromotoare, care poate genera curent electric intr-

un circuit închis. Dispozitivele care functionează pe baza acestui fenomen, sunt

denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare.

Pentru a permite furnizarea unei puteri electrice rezonabile, celulele fotovoltaice

nu funcţionează individual ci legate în serie într-un număr mai mare, alcătuind panouri

fotovoltaice, sau panouri electrice solare (a nu se confunda cu panourile solare

pentru producerea energiei termice, denumite şi colectori solari sau panouri solare

termice).

Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe materiale semiconductoare, dar

peste 95% din celulele solare sunt realizate din siliciu (Si), care este al doilea element

chimic cel mai răspândit în scoarţa terestră, reprezentând circa 25% din aceasta, deci

este disponibil în cantităţi suficiente, fiind astfel si ieftin. În plus, procesele de prelucrare

a acestui material nu sunt agresive pentru mediul ambiant.

Figura 1.14 Structura energetică a meterialelor semiconductoare

Analizarea acestei scheme energetice este utilă în vederea întelegerii condiţiilor

în care semiconductorii pot deveni materiale conductoare de curent electric. În situaţii

normale, electronii ocupă în jurul nucleelor atomilor materialului respectiv, diferite nivele

28

energetice denumite şi straturi sau benzi energetice. Aceste nivele energetice accesibile

pentru electroni, sunt separate de benzi energetice interzise, reprezentând adevarate

“bariere energetice” pentru electroni. Nivelul energetic cel mai ridicat dintre cele ocupate

de electroni, este denumit şi bandă energetică de valenţă, sau mai simplu bandă de

valentă. Urmatorul nivel energetic accesibil electronilor, dar neocupat de

aceştia, este denumit bandă energetică de conducţie, sau mai simplu bandă de

conducţie.

Este evident că pentru materiale diferite, nivelele energetice ale benzii de valenţă

şi ale benzii de conducţie sunt diferite. Diferenţa de potenţial energetic ∆E, dintre banda

de conducţie şi banda de valenţă, reprezentând şi valoarea “barierei energetice” dintre

cele două straturi, este diferenţa dintre nivelurile energetice Ec al benzii de conducţie şi

Ev al benzii de valenţă ∆E=Ec-Ev. În cazul siliciului monocristalin, valoarea acestei

bariere energetice este ∆E≈1eV, iar în cazul siliciului amorf poate să ajungă la

∆E≈1,7eV. Aceste valori ale barierei energetice, reprezintă cuante de energie care

trebuie să fie transmise electronilor de pe stratul de valentă pentru ca acestia sa devină

liberi, adică pentru a putea trece pe banda de conducţie. Prin supunerea materialelor

semiconductoare de tipul siliciului la radiaţia solară, fotonii, sau cuantele de lumină cum

mai sunt numiţi acestia, sunt capabili să transmită electronilor de pe banda de valentă,

energia necesară pentru a depaşi “bariera energetică” şi a trece pe banda de conducţie.

Acest fenomen se produce în celulele fotovoltaice.

În vederea fabricării celulelor fotovoltaice „Si” este impurificat (dopat) cu diferite

elemente chimice, pentru obţinerea unui surplus de sarcini electrice negative (electroni)

sau pozitive (goluri). Se obţin astfel straturi de siliciu semiconductoare de tip n, respectiv

de tip p, în funcţie de tipul sarcinilor electrice care predomină. Prin alăturarea a două

asemenea straturi de material semiconductor, caracterizate prin predominantă diferită a

sarcinilor electrice, în zona de contact, se obţine o asa numita jonctiune de tip p-n de

tipul celei reprezentate schematic

29

Figura 1.15 Jonctiunea p-n

Sub acţiunea diferenţei de potenţial electric, manifestată în zona de contact,

electronii excedentari din stratul n, prezintă tendinţa de migraţie în stratul p, deficitar în

electroni. Analog, golurile excedentare din stratul p, prezintă tendinţa de a migra în

stratul n, deficitar în sarcina electrică pozitivă. Tendinţa de migrare a sarcinilor electrice

între straturile jonctiunii p-n este arătată în figura 1.16.

Figura 1.16 Migrarea electronilor între straturile joncţiunii p-n

Amploarea migraţiei sarcinilor electrice între cele două straturi ale joncţiunii p-n

este limitată de nivelul energetic al purtătorilor celor două tipuri de sarcini electrice.

Astfel, cu toate că nu se va realiza o reechilibrare la nivelul sarcinilor electrice în

toată profunzimea celor două straturi, o zonă superficială din stratul p va fi ocupata de

sarcini electrice negative (electroni), iar o zona superficială din stratul n, va fi ocupată de

sarcini electrice pozitive (goluri). Ca efect, se va produce o redistribuire a sarcinilor

electrice în zona joncţiunii p-n. Apariţia unei diferenţe de potenţial electric în zona

joncţiunii p-n este ilustrată în figura 1.17.

30

Figura 1.17 Diferenta de potential local la nivelul joncţiunii

Se observă că efectul acestei redistribuiri este reprezentat de apariţia unei

diferenţe de potenţial locale, la nivelul joncţiunii. Această diferenţă interna de potenţial

reprezintă o barieră care împiedică o eventuală deplasare ulterioară a sarcinilor electrice

negative din stratul n spre stratul p şi a celor pozitive din stratul p spre stratul n. Sarcinile

electrice libere din cele două straturi sunt respinse din zona joncţiunii spre suprafeţele

acestor straturi, opuse joncţiunii p-n.

Este cunoscut faptul că lumina prezintă un caracter dual, având atat caracteristici

de undă, conform teoriei ondulatorii a luminii, cât şi caracteristici corpusculare, conform

teoriei corpusculare, sau fotonice a luminii. Din punctul de vedere al efectului fotovoltaic

este mai util ca lumina să fie considerată ca având caracter corpuscular.

Daca joncţiunea p-n este supusă radiatiei solare, fotonii având un nivel energetic

suficient de ridicat (cu atât mai ridicat cu cât radiaţia solară prezintă o intensitate mai

mare), sunt capabili să transfere suficientă energie electronilor aflaţi pe straturile de

valentă ale atomilor, pentru a trece pe straturile de conducţie si să devină electroni liberi.

Sub acţiunea diferenţei interne de potenţial, care se manifestă local la nivelul

joncţiunii p-n, electronii liberi care se formează în stratul n, sunt respinşi spre suprafaţa

stratului n al joncţiunii, iar electronii liberi care se formează în stratul p, sunt atraşi spre

zona de joncţiune, pe care o vor traversa şi odata ajunşi în stratul n, sunt respinşi spre

suprafaţa acestui strat. Fiecare electron liber, în momentul trecerii sale pe stratul de

conducţie, lasă în urmă un gol (sarcină electrică pozitivă) în structura atomului pe care l-

a parăsit, astfel că sub acţiunea radiaţiei solare nu apar doar electroni liberi ci perechi

de sarcini electrice negative (electroni) şi pozitive (goluri). Sub acţiunea diferenţei

interne de potenţial, care se manifestă local la nivelul joncţiunii p-n, golurile care se

31

formează în stratul p sunt respinse spre periferia stratului p al joncţiunii, iar golurile care

se formează în stratul n, sunt atrase spre zona de joncţiune, pe care o vor traversa şi

odată ajunşi în stratul p, sunt respinşi spre suprafaţa acestui strat.

Figura 1.18 Polarizarea suprafeţelor exterioare ale joncţiunii p-n

În urma deplasării sarcinilor electrice în cele două straturi şi în zona joncţiunii p-n,

conform mecanismului prezentat, se produce o polarizare electrică la nivelul

suprafeţelor exterioare ale joncţiunii p-n. În figura 1.18 putem vedea polarizarea

suprafeţelor exterioare ale joncţiunii p-n.

Dacă suprafeţele exterioare ale joncţiunii p-n sunt acoperite cu cate un strat

metalic, reprezentând fiecare câte un electrod, între aceştia se va manifesta o diferenţă

de potenţial, care într-un circuit închis va produce manifestarea unui curent electric.

Diferenţa de potenţial şi curentul electric se pot menţine la un nivel constant atâta

timp cât se manifesta radiaţia solară. Este evident că variaţia intensităţii radiaţiei solare

va produce şi variaţii ale diferenţei de potenţial, dar mai ales ale intensităţii curentului

electric. Joncţiunea p-n, impreună cu cei doi electrozi, alcătuieşte o celulă fotovoltaică

sau o celulă elctrică solară.

32