Производња фотонапонских ћелија за соларне панеле

Основа сваке фотонапонске инсталације је увек фотонапонски модул. Фотонапонски модул је комбинација фотонапонских ћелија које су међусобно електрично повезане. Термин фотонапонски састоји се од две речи «фото» (од грч. светлост) и «волт» (Алесандро Волта - 1745-1827, италијански физичар) - јединица мере за напон у електротехници. Анализирајући појам фотонапонски, можемо рећи - јесте претварање светлости у електричну енергију.

Фотонапонска ћелија (соларна ћелија) се користи за производњу електричне енергије претварањем сунчевог зрачења. Фотоћелија се може замислити као диода састављена од полупроводника н-типа и п-типа са формираним регионом осиромашеним носиоцима, тако да је неосветљена фотоћелија попут диоде и може се описати као диода.

За полупроводнике ширине између 1 и 3 еВ, максимална теоријска ефикасност се може достићи до 30%. Размак у појасу је минимална енергија фотона која може подићи електрон из валентног појаса у појас проводљивости. Најчешће комерцијалне соларне ћелије су кремени елементи.

Силицијумски монокристали и поликристали. Силицијум је данас један од најчешћих елемената за производњу фотонапонских модула. Међутим, због ниске апсорпције сунчевог зрачења, соларне ћелије са силицијумским кристалима се обично праве ширине 300 µм. Ефикасност силицијум монокристалне фотоћелије достиже 17%.

Ако узмемо фотоћелију од поликристалног силицијума, онда је ефикасност за њу 5% нижа од оне монокристалног силицијума. Граница зрна поликристала је рекомбинациони центар носилаца наелектрисања. Величина кристала поликристалног силицијума може варирати од неколико мм до једног цм.

Галијум арсенид (ГаАс). Соларне ћелије са галијум арсенидом су већ показале ефикасност од 25% у лабораторијским условима. Галијум арсенид, развијен за оптоелектронику, тешко је произвести у великим количинама и прилично је скуп за соларне ћелије. Примењују се соларне ћелије галијум-арсенида заједно са соларним концентраторима, као и за космонаутику.

Технологија танкослојних фотоћелија. Главни недостатак силицијумских ћелија је њихова висока цена. Доступне су танкослојне ћелије направљене од аморфног силицијума (а-Си), кадмијум телурида (ЦдТе) или бакар-индијум диселинида (ЦуИнСе2). Предност танкослојних соларних ћелија је уштеда сировина и јефтинија производња у поређењу са силицијумским соларним ћелијама. Стога можемо рећи да производи са танким филмом имају изгледе за употребу у фотоћелијама.

Лоша страна је што су неки материјали прилично токсични, тако да сигурност производа и рециклирање играју важну улогу. Поред тога, телурид је исцрпљујући ресурс у поређењу са силицијумом.Ефикасност танкослојних фотоћелија достиже 11% (ЦуИнСе2).

Почетком 1960-их, соларне ћелије су коштале око 1.000 долара/В вршне снаге и углавном су се производиле у свемиру. Седамдесетих година прошлог века почела је масовна производња фотоћелија и њихова цена је пала на 100 долара/В. Даљи напредак и смањење цене фотоћелија омогућило је коришћење фотоћелија за потребе домаћинства. Посебно за део становништва који живи далеко од далековода и стандардна напајања, фотонапонски модули су постали добра алтернатива.

Фотографија приказује прву соларну ћелију на бази силицијума. Направили су га научници и инжењери америчке компаније Белл Лабораториес 1956. Соларна ћелија је комбинација фотонапонских модула међусобно електричних спојева. Комбинација се бира у зависности од потребних електричних параметара као што су струја и напон. Једна ћелија такве соларне батерије, која производи мање од 1 ват електричне енергије, кошта 250 долара. Произведена електрична енергија била је 100 пута скупља него из конвенционалне мреже.

Скоро 20 година соларни панели се користе само за свемир. Године 1977. цена електричне енергије је смањена на 76 долара по ват ћелији. Ефикасност се постепено повећавала: 15% средином 1990-их и 20% до 2000. Тренутни најрелевантнији подаци о овој теми —Ефикасност соларних ћелија и модула

Производња силицијумских соларних ћелија може се грубо поделити у три главне фазе:

• производња силицијума високе чистоће;

• прављење танких силиконских подлошки;

• уградња фотоћелије.

Главна сировина за производњу силицијума високе чистоће је кварцни песак (СиО2)2). Талина се добија електролизом металуршки силицијумкоји има чистоћу до 98%. Процес опоравка силицијума се одвија када песак ступи у интеракцију са угљеником на високој температури од 1800°Ц:

Овај степен чистоће није довољан за производњу фотоћелије, па се мора даље обрадити. Даље пречишћавање силицијума за индустрију полупроводника се спроводи практично широм света коришћењем технологије коју је развио Сиеменс.

„Сименсов процес” је пречишћавање силицијума реакцијом металуршког силицијума са хлороводоничном киселином, што резултира трихлоросиланом (СиХЦл3):

Трихлоросилан (СиХЦл3) је у течној фази, па се лако одваја од водоника. Поред тога, поновљена дестилација трихлоросилана повећава његову чистоћу на 10-10%.

Следећи процес — пиролиза пречишћеног трихлоросилана — користи се за производњу поликристалног силицијума високе чистоће. Добијени поликристални силицијум не испуњава у потпуности услове за употребу у индустрији полупроводника, али је за соларну фотонапонску индустрију довољан квалитет материјала.

Поликристални силицијум је сировина за производњу монокристалног силицијума. За производњу монокристалног силицијума користе се две методе — метода Чохралског и метода зонског топљења.

Метод Чохралског је енергетски интензиван као и материјално интензиван. Релативно мала количина поликристалног силицијума се сипа у лончић и топи под вакуумом.Мало семе моносилицијума пада на површину растопа, а затим се, увијајући, подиже, повлачећи за собом цилиндрични ингот, услед силе површинског напона.

Тренутно су пречници извучених ингота до 300 мм. Дужина ингота пречника 100-150 мм достиже 75-100 цм Кристална структура издуженог ингота понавља монокристалну структуру семена. Повећањем пречника и дужине ингота, као и унапређењем технологије његовог сечења, смањиће се количина отпада, а самим тим и цена добијених фотоћелија.

Технологија каиша. Технолошки процес који је развила Мобил Солар Енерги Цорпоратион заснива се на извлачењу силиконских трака из растопа и формирању соларних ћелија на њима. Матрица је делимично уроњена у силицијумски растоп и, услед капиларног ефекта, поликристални силицијум се подиже, формирајући траку.Растоп се кристалише и уклања се из матрице. Да би се повећала продуктивност, дизајнирана је опрема на којој је могуће примити до девет трака истовремено. Резултат је деветострана призма.

Предност каишева је што су јефтини због чињенице да је искључен процес сечења ингота. Поред тога, правоугаоне фотонапонске ћелије се могу лако добити, док округли облик монокристалних плоча не доприноси добром постављању фотонапонске ћелије у фотонапонски модул.

Добијене поликристалне или монокристалне силиконске шипке се затим морају исећи на танке плочице дебљине 0,2-0,4 мм. Приликом сечења шипке од монокристалног силицијума, око 50% материјала се губи на губитке.Такође, округле подлошке се не режу увек, али често, тако да имају квадратни облик.