Proizvodnja fotonaponskih ćelija za solarne panele

Osnova svake fotonaponske instalacije uvijek je fotonaponski modul. Fotonaponski modul kombinacija je fotonaponskih ćelija međusobno električno povezanih. Pojam fotonapon sastoji se od dvije riječi «foto» (od grč. svjetlo) i «volt» (Alessandro Volta - 1745-1827, talijanski fizičar) - mjerna jedinica za napon u elektrotehnici. Analizirajući pojam fotonapon, možemo reći — jest pretvaranje svjetlosti u električnu energiju.

Fotonaponska ćelija (solarna ćelija) služi za proizvodnju električne energije pretvorbom sunčevog zračenja. Fotoćelija se može zamisliti kao dioda sastavljena od poluvodiča n-tipa i p-tipa s formiranim područjem osiromašenim nosiocem, tako da je neosvijetljena fotoćelija poput diode i može se opisati kao dioda.

Za poluvodiče širine između 1 i 3 eV maksimalna teoretska učinkovitost može se doseći do 30%. Zazorni pojas je minimalna energija fotona koja može podići elektron iz valentnog pojasa u vodljivi pojas. Najčešće komercijalne solarne ćelije su elementi od kremena.

Monokristali i polikristali silicija. Silicij je danas jedan od najčešćih elemenata za proizvodnju fotonaponskih modula. Međutim, zbog niske apsorpcije sunčevog zračenja, silicijeve kristalne solarne ćelije obično se proizvode širine 300 µm. Učinkovitost silicijske monokristalne fotoćelije doseže 17%.

Ako uzmemo fotoćeliju od polikristalnog silicija, tada je njezina učinkovitost 5% niža od učinkovitosti monokristalnog silicija. Granica zrna polikristala je središte rekombinacije nositelja naboja. Veličina kristala polikristalnog silicija može varirati od nekoliko mm do jednog cm.

Galijev arsenid (GaAs). Galijev arsenid solarne ćelije već su u laboratorijskim uvjetima pokazale učinkovitost od 25%. Galijev arsenid, razvijen za optoelektroniku, teško je proizvesti u velikim količinama i prilično je skup za solarne ćelije. Primjenjuju se solarne ćelije galijevog arsenida zajedno sa solarnim koncentratorima, kao i za kozmonautiku.

Tehnologija fotoćelija tankog filma. Glavni nedostatak silicijevih ćelija je njihova visoka cijena. Dostupne su tankoslojne ćelije izrađene od amorfnog silicija (a-Si), kadmijeva telurida (CdTe) ili bakar-indijevog diselinida (CuInSe2). Prednost tankoslojnih solarnih ćelija je ušteda sirovina i jeftinija proizvodnja u usporedbi sa silicijskim solarnim ćelijama. Stoga možemo reći da tankoslojni proizvodi imaju izglede za upotrebu u fotoćelijama.

Loša strana je to što su neki materijali prilično otrovni, pa sigurnost proizvoda i recikliranje igraju važnu ulogu. Osim toga, telurid je iscrpljujući resurs u usporedbi sa silicijem.Učinkovitost tankoslojnih fotoćelija doseže 11% (CuInSe2).

Početkom 1960-ih solarne ćelije koštale su otprilike 1000 USD/W vršne snage i uglavnom su se proizvodile u svemiru. Sedamdesetih godina prošlog stoljeća počinje masovna proizvodnja fotoćelija i njihova cijena pada na 100 $/W. Daljnji napredak i smanjenje cijene fotoćelija omogućilo je korištenje fotoćelija za potrebe kućanstva.Pogotovo za dio stanovništva koji živi daleko od dalekovoda i standardna napajanja, fotonaponski moduli postali su dobra alternativa.

Fotografija prikazuje prvu solarnu ćeliju na bazi silicija. Kreirali su je znanstvenici i inženjeri američke tvrtke Bell Laboratories 1956. godine. Solarna ćelija je kombinacija fotonaponskih modula koji su međusobno električno povezani. Kombinacija se odabire ovisno o potrebnim električnim parametrima kao što su struja i napon. Jedna ćelija takve solarne baterije, koja proizvodi manje od 1 vata električne energije, košta 250 dolara. Proizvedena električna energija bila je 100 puta skuplja nego iz konvencionalne mreže.

Gotovo 20 godina solarni paneli koriste se samo za svemir. Godine 1977. cijena električne energije smanjena je na 76 dolara po vatnoj ćeliji. Učinkovitost se postupno povećavala: 15% sredinom 1990-ih i 20% do 2000. Trenutačni najrelevantniji podaci o ovoj temi —Učinkovitost solarnih ćelija i modula

Proizvodnja silicijevih solarnih ćelija može se grubo podijeliti u tri glavne faze:

• proizvodnja silicija visoke čistoće;

• izrada tankih silikonskih podložaka;

• ugradnja fotoćelije.

Glavna sirovina za proizvodnju silicija visoke čistoće je kvarcni pijesak (SiO2)2). Talina se dobiva elektrolizom metalurški silicijkoji ima čistoću do 98%. Proces obnavljanja silicija odvija se kada pijesak stupa u interakciju s ugljikom na visokoj temperaturi od 1800°C:

Ovaj stupanj čistoće nije dovoljan za izradu fotoćelije pa se mora dodatno obraditi. Daljnje pročišćavanje silicija za industriju poluvodiča provodi se praktički u cijelom svijetu pomoću tehnologije koju je razvio Siemens.

«Siemensov proces» je pročišćavanje silicija reakcijom metalurškog silicija s klorovodičnom kiselinom, što rezultira triklorosilanom (SiHCl3):

Triklorosilan (SiHCl3) je u tekućoj fazi, pa se lako odvaja od vodika. Osim toga, opetovana destilacija triklorosilana povećava njegovu čistoću na 10-10%.

Naknadni proces — piroliza pročišćenog triklorosilana — koristi se za proizvodnju polikristalnog silicija visoke čistoće. Dobiveni polikristalni silicij ne zadovoljava u potpunosti uvjete za upotrebu u industriji poluvodiča, ali za solarnu fotonaponsku industriju kvaliteta materijala je dostatna.

Polikristalni silicij je sirovina za proizvodnju monokristalnog silicija. Za proizvodnju monokristalnog silicija koriste se dvije metode — metoda Czochralskog i metoda zonskog taljenja.

Metoda Czochralskog je energetski intenzivan kao i materijalno intenzivan. Relativno mala količina polikristalnog silicija se puni u lončić i rastali pod vakuumom.Sitno sjeme monosilicija pada na površinu taline, a zatim se, uvijajući, diže, povlačeći za sobom cilindrični ingot, zbog sile površinske napetosti.

Trenutno su promjeri vučenih ingota do 300 mm. Duljina ingota promjera 100-150 mm doseže 75-100 cm.Kristalna struktura izduženog ingota ponavlja monokristalnu strukturu sjemena. Povećanje promjera i duljine ingota, kao i poboljšanje tehnologije njegova rezanja, smanjit će količinu otpada, a time i troškove dobivenih fotoćelija.

Tehnologija remena. Tehnološki proces koji je razvila tvrtka Mobil Solar Energy Corporation temelji se na izvlačenju silicijskih traka iz taline i formiranju solarnih ćelija na njima. Matrica je djelomično uronjena u talinu silicija i zbog kapilarnog efekta polikristalni silicij se diže, formirajući vrpcu. Talina kristalizira i uklanja se iz matrice. Kako bi se povećala produktivnost, dizajnirana je oprema na kojoj je moguće primiti do devet traka istovremeno. Rezultat je prizma s devet strana.

Prednost remena je njihova niska cijena zbog činjenice da je isključen postupak rezanja ingota. Osim toga, pravokutne fotonaponske ćelije mogu se lako dobiti, dok okrugli oblik monokristalnih ploča ne doprinosi dobrom smještaju fotonaponske ćelije u fotonaponski modul.

Dobivene polikristalne ili monokristalne silikonske šipke moraju se zatim izrezati na tanke pločice debljine 0,2-0,4 mm. Prilikom rezanja šipke od monokristalnog silicija gubi se oko 50% materijala zbog gubitaka.Također, okrugle podloške nisu uvijek, ali često, izrezane da bi dobile kvadratni oblik.