1. Principiu
O celulă fotoelectrică poate fi asimilată cu o o diodă fotosensibilă, funcţionarea ei bazându-se pe propietăţile materialelor semiconductoare.
Celula fotoelectrică permite conversia directă a energiei luminoase în energie electrică. Principiul de funcţionare se bazează pe efectul fotoelectric.
De fapt, o celulă 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.
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 şi să creeze astfel un curent electric continuu. Pentru colectarea acestui curent, se depun, prin serigrafie, electrozi pe cele două straturi semiconductoare (Figura 1). Electrodul superior este o grilă ce permite trecerea razelor luminoase. Pe acest electrod se depune apoi un strat antireflectorizant, pentru creşterea cantităţii de lumină absorbită.
Figura 1: Schema unei ceule elementare.
2. Tehnologii ale celulelor solare
Cel mai utilizat material pentru realizarea fotopilelor sau a celulelor solare este siliciu, 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 arseniură de galiu şi straturi subţiri de CdTe (telură de cadmiu), CIS (cupru-indiu-diseleniu) şi CIGS.
Există mai multe tipuri de celule solare:
În tabelul următor sunt prezentate valorile randamentului tipic şi teoretic ce poate fi obţinut cu aceste diferite tehnologii.
Tabelul 1: Randamentele diferitelor tehnologii.
Celula fotoelectrică este elementul de bază în conversia fotoelectrică. În întuneric, ea se comportă ca şi o joncţiune PN (diodă). În aceste condiţii, o celulă fotoelectrică are caracteristica curent - tensiune a unei joncţiuni PN (Figura 1).
Animaţia de mai jos vă permite să vizualizaţi această caracteristică, după ce aţi ales în prealabil convenţia de semne: generator sau receptor, ca şi tipul iluminării.
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:
,
în care:
• Iph: fotocurent, sau curent generat prin iluminare
[A];
• I0d: curent de saturaţie [A];
• Rs: rezistenţă serie [Ω];
• Rsh: rezistenţă 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 din Figura 1:
Figura 1: Schema echivalentă a unei celule fotoelectrice.
Dioda modelează comportamentul celulei în întuneric. Sursa de curent modelează curentul Iph generat prin iluminare.
Rezistenţele modelează 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 faţă de U, şi să se lucreze cu un model simplificat:
Cum rezistenţa paralel este mul mai mare decât rezistenţa serie, se poate neglija curentul prin Rsh. Rezultă:
Schema echivalentă din Figura 2 corespunde celulei ideale:
Figura 2: Schema echivalentă simplificată.
Se defineşte randamentul energetic al unei celule, ca fiind raportul dintre puterea electrică maximă şi puterea incidentă:
,
în care:
• E - iluminarea [W/m˛];
• S - suprafaţa activă a panourilor [m˛].
• Pm - puterea maximă măsurată în condiţiile STC (Standard Test Conditions), respectiv în spectrul AM1.5, la o temperatură de 25°C şi iluminare de 1000 W/m˛.
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%) au 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 depăşeşte 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 când 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:
.
Randamentul unei celule depinde de iluminare şi de temperatură.
Temperatura este un parametru important, deoarece celulele sunt expuse radiaţiei solare, fiind posibilă încălzirea lor. În plus, o parte din energia absorbită nu este convertită în energie electrică: se disipă sub formă de căldură. Din aceste motive, temperatura celulelor este întotdeauna mai ridicată decât a mediului ambiant.
Pentru a estima temperatura unei celule Tc, cunoscând temperatura mediului ambiant Ta, se poate folosi expresia:
,
în care:
• Em: iluminarea medie [W/m2].
• TUC: Temperatura de utilizare a celulei [°C].
Animaţia de mai jos vă permite să vizualizaţi influenţa valorii temperaturii (pe care o puteţi modifica prin intermediul cursorului), asupra curentului şi puterii. Se poate, de asemenea, să se vizualizeze puterea maximă, ce va determina caracteristica P = f(U).
Ipoteze:
• iluminarea este constantă (1000 W/m2);
• celula este realizată din siliciu.
Cu ajutorul animaţiei de mai sus se poate observa că temperatura celulei are o importanţă foarte mare asupra performanţelor electrice. Cu cât temperatura este mai mică, cu atât celula este mai eficientă.
Fiecare grad de încălzire a celulei, determină o pierdere a randamentului de ordinul a 0,5 %. În mod empiric, s-a constatat că fotocurentul creşte puţin cu temperatura (de ordinul a 0.05%/°K, în cazul celulelor cu siliciu).
De asemenea, se poate observa că punctul de putere maximă poate avea variaţii semnificative.
Fotocurentul este, practic, proporţional cu iluminarea sau cu fluxul luminos.
Animaţia de mai jos vă permite să vizualizaţi influenţa valorii iluminării (pe care o puteţi modifica prin intermediul cursorului), asupra curentului şi puterii. Se poate, de asemenea, să se vizualizeze puterea maximă, ce va determina caracteristica P = f(U).
Ipoteze:
• temperatura este constantă (27°C);
• celula este realizată din siliciu.
În mod normal, curentul nu se modifică. Acest comportament nu este valabil decât pentru celulele care nu utilizează concentratoare a radiaţiei solare, sau cu concentrare redusă. În consecinţă, densitatea purtătorilor de sarcină şi curentul de saturaţie variază prin modificarea temperaturii şi a concentraţiei iluminării.
Fotocurentul creat de o celulă fotoelectrică este proporţional şi cu suprafaţa S a joncţiunii, supusă expunerii la radiaţia solară; pe de altă parte, tensiunea în gol nu depinde de această suprafaţă, ci doar de calitatea materialului semiconductor şi de tipul joncţiunii.
Se poate considera că tensiunea U este constantă, deoarece variaţia valorii Upmax în funcţie de iluminare, este infimă (Figura 2a, 2b). Pierderea de putere nu va fi semnificativă.
 |
 |
|
|
Figura 2a: Familie de caracteristici U-I |
|
Figura 2b: Familie de caracteristici U-P |
Pentru creşterea iluminării celulelor, este de dorit ca acestea să fie orientate astfel încât, razele Soarelui să cadă perpendicular pe ele. Există panouri fixe, dar şi cu înclinare variabilă, cele din urmă fiind mai eficiente. De exemplu, pe timpul iernii, un panou plasat orizontal este de două ori mai puţin eficient decât un panou înclinat, astfel încât incidenţa radiaţiei să fie perpendiculară.
În condiţii standard STC (1000W/m˛, 25°C, AM1.5), puterea maximă a unei celule de siliciu de 10 cm˛ va fi de aproximativ 1,25 W. Celula fotoelectrică elementară reprezintă, deci, un generator electric de foarte mică putere, insuficient pentru majoritatea aplicaţiilor casnice sau industriale. În consecinţă, generatoarele fotoelectrice sunt realizate prin conectarea (asocierea) în serie şi/sau în paralel a unui număr mare de celule elementare. Aceste grupări se numesc module, care la răndul lor vor forma panourile.
Această conectare trebuie să se realizeze cu respectarea anumitor criterii precise, ţinând cont de dezechilibrele care se crează în timpul funcţionării într-o reţea de fotocelule. Practic, chiar dacă numeroasele celule care formează un generator, sunt teoretic identice, datorită inevitabilelor dispersii de fabricaţie, ele au caracteristici diferite. Pe de altă parte, iluminarea şi temperatura celulelor nu este aceeaşi pentru toate celulele din reţea.
Conectarea în serie a celulelor face ca tensiunea la bornele ansamblului să fie mai mare, curentul fiind acelaşi în toate celulele. Conectarea în paralel determină creşterea curentului debitat, tensiunea la bornele ansamblului fiind aceeaşi.
Conectarea în serie
În cazul conectării în serie, celulel sunt parcurse de acelaşi curent, iar caracteristica ansamblului rezultat este dată de suma tensiunilor celulelor componente, la un anumit curent.
Figura 1: Conectarea serie.
Conectarea în paralel
În cazul conectării în paralel, tensiunea la bornele tuturor celulelor este aceeaşi, curentul rezultat al ansamblului fiind suma curenţilor celulelor componente. Caracteristica ansamblului este dată de suma curenţilor furnizaţi de celulele componente, la o anumită tensiune.
Figura 2: Conectarea paralel.
Cea mai mare parte a modulelor comercializate, sunt compuse din 36 de celule de siliciu cristalin, conectate în serie pentru aplicaţii de 12 V.