CONVERSIA ENERGIEI SOLARE IN ENERGIE ELECTRICĂ

functionare fotovoltaice

EFECTUL FOTOVOLTAIC

Efectul de apariţie a unei tensiuni electromotoare, sub acţiunea energiei solare, denumit efect fotovoltaic, a fost descoperit de fizicianul francez Alexandre-Edmond Becquerel, în anul 1839. Denumirea acestui efect provine din grecescul phos, care înseamnă lumină şi din numele fizicianului Allesandro Volta, realizatorul primei baterii electrice din lume. Efectul fotovoltaic este datorat eliberării de sarcini electrice negative (electroni) şi pozitive (goluri), într-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 într-un circuit închis. Dispozitivele care funcţionează pe baza acestui fenomen, sunt denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare. Pentru a permite furnizarea unei puteri elctrice rezonabile, celulele fotovoltaice nu funcţionează individual ci legate în serie într-un mumăr 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 cca. 25% din aceasta, deci este disponibil în cantităţi suficiente, fiind astfel şi ieftin. în plus, procesele de prelucrare a acestui material nu sunt agresive pentru mediul ambiant.
în figura 5.1 este prezentată structura energetică a materialelor semiconductoare, deci şi a siliciului

. Structura energetică a materialeor semiconductoare 

Analizarea acestei scheme energetice este utilă în vederea înţelegerii condiţiilor în care semiconductorii pot deveni materiale conductoare de curent electric. In situaţii normale, electronii ocupă în juml nucleelor atomilor materialului respectiv, diferite nivelele energetice denumite şi straturi sau benzi energetice. Aceste nivele energetice accesibile pentm electroni, sunt separate de benzi energetice interzise, reprezentând adevărate “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 valenţă. Următorul nivel energetic accesibil electronilor, dar neocupat de aceştia, este denumit bandă energetică de conduţie, sau mai simplu bandă de conducţie. Este evident că pentru materiale diferite, nivelele energetice ale benzii de valenţă şi ale benzii de conducţie simt diferite. Diferenţa de potenţial energetic AE, 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 AE=Ec-Ev. In cazul siliciului monocristalin, valoarea acestei bariere energetice este AE~leV, iar în cazul siliciului amorf poate să ajungă la AE~l,7eV. Aceste valori ale barierei energetice, reprezintă cuante de energie care trebuie să fie transmise electronilor de pe stratul de valenţă pentru ca aceştia să 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 simt numiţi aceştia, sunt capabili să transmită electronilor de pe banda de valenţă, energia necesară pentru a depăşi “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 predominanţa diferită a sarcinilor electrice, în zona de contact, se obţine o aşa numită joncţiune de tip p-n de tipul celei reprezentate schematic în figura

Joncţiune p-n

Sub acţiunea diferenţei de potenţial electric, manifestată în zona de contact, electronii excedentari din stratul n, prezintă tendinţa de mi grape în stratul p, deficitar în electroni. Analog, golurile excedentare din stratul p, prezintă tendinţa de a migra în stratul n, deficitar în sarcină electrică pozitivă. Această tendinţă de deplasare a sarcinilor electrice este reprezentată în figura

Tendinţa de migrare a sarcinilor electrice 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 ocupată de sarcini electrice negative (electroni), iar o zonă 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, de tipul celei reprezentate în figura

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

Se observă că efectul acestei redistribuiri este reprezentat de aparitia unei diferenţe de potenţial locale, la nivelul joncţiunii. Această diferenţă internă 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 atât 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.
Dacă joncţiunea p-n este supusă radiaţiei 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 valenţă ale atomilor, pentru a treace pe straturile de conducţie şi 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 odată 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 părăsit, 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 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.In 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, aşa cum se observă în figura

Polarizarea suprafeţelor exterioare ale joncţiunii p-n

Dacă suprafeţele exterioare ale joncţiunii p-n sunt acoperite cu câte un strat metalic, reprezentând fiecare câte un electrod, între aceştia se va manifesta o diferenţă de potential, 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 tip cât se manifestă radiaţia solară. Este evident că variatia intensităţii radiaţiei solare va produce şi variaţii ale diferenţei de potenţial, dar mai ales ale intensităţii curentului electric aşa cumse va arăta ulterior.

Joncţiunea p-n, împreună cu cei doi electrozi, alcătuieşte o celulă fotovoltaică sau o celulă elctrică solară având construcţia de tipul celei reprezentate în figura

Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice

Grosimea totală a unei celule fotovoltaice este ce cca. 0,3mm, iar grosimea stratului n, este de cca. 0,002mm. Uzual, deasupra electrodului negativ al celulei fotovoltaice, se amplaseaza un strat antireflexie, cu rolul de a împiedica reflexia radiaţiei solare incidente pe suprafaţa celulei electrice solare, astfel încât o cantitate cât mai mare de energie să fie transferată electronilor de valenţă din cele două straturi semiconductoare. Celulele fotovoltaice au dimensiuni uzulale de lOxlOcm şi mai recent de 15xl5cm.