[Izvor - Wikipedia - prevod i adaptacija - Grejanje.com ]

Ako električnu energiju dobijamo direktnom transformacijom energije sunčevog zračenja tada govorimo o solarnoj fotonaponskoj (FN) energiji. U fizici ovakva transformacija energije poznata je pod nazivom fotoelektrični efekat. Uređaji u kojima se odvija fotonaponska transformacija energije zovu se fotonaponske solarne ćelije.

Sunčeva FN energija ubraja se u obnovljive izvore energije.

Princip rada

Prema kvantnoj fizici svetlost ima dualni karakter. Svetlost je i čestica i talas. Čestice svetlosti nazivaju se fotoni. Fotoni su čestice bez mase i osciluju brzinom svetlosti. Energija fotona zavisi od njegove talasne dužine odnosno od frekvencije. Energiju fotona možemo izračunati Ajnštajnovim zakonom koji glasi:

E= hν

gde je:

E - Energija fotona

h - Plankova konstanta, iznosi h = 6.626×10 − 34Js

ν - Frekvencija fotona

Fotoelektrična konverzija u PN spoju

U metalima i uopšte u materiji, elektroni mogu postojati kao valentni ili slobodni. Valentni elektroni vezani su uz atom, dok se slobodni elektroni mogu slobodno kretati. Da bi od valentnog elektrona nastao slobodni, on mora dobiti energiju koja je veća ili jednaka energiji veze. Energija veze predstavlja energiju kojom je elektron vezan za atom u nekoj od atomskih veza. U slučaju fotoelektričnog efekta elektron potrebnu energiju dobija od sudara sa fotonom.

Deo energije fotona troši se da bi se elektron oslobodio od uticaja atoma za koji je vezan, a preostali deo energije pretvara se u kinetičku energiju, sada već slobodnog elektrona. Slobodni elektroni dobijeni fotoelektričnim efektom nazivaju se još i fotoelektroni.

Energija koja je potrebna da se valentni elektron oslobodi uticaja atoma naziva se izlazni rad Wi, i zavisi od vrste materijala u kojem se dogodio fotoelektrični efekat. Jednačina koja opisuje ovaj proces glasi:

hν = W_i + E_k

gde je:

hν - Energija fotona

W_i - Rad izlaza

E_k - Kinetička energija emitiranog elektrona

Iz gornje jednačine vidljivo je da elektron ne može da se oslobodi ako je energija fotona manja od izlaznog rada.

Proces konverzije je zasnovan na fotoelektričnom efektu, otkrio ga je Heinrich Rudolf Hertz 1887. godine, a prvi objasnio Albert Ajnštajn 1905. za šta je 1921. godine dobio Nobelovu nagradu.

Da bi dobili električnu energiju fotoelektričnim efektom neophodno je postojanje usmerenog kretanja fotoelektrona. Sve naelektrisane čestice, pa i fotoelektroni kreću se usmereno pod uticajem električnog polja. Električno polje koje je ugrađeno u sam materijal nalazi se u poluprovodnicima i to u osiromašenom području PN spoja (diode). Za poluprovodnike treba naglasiti da uz slobodne elektrone u njima postoje i praznine kao nosioci napona, koje su svojevrstan nusprodukt pri nastanku slobodnih elektrona.

Praznina nastaje svaki put kada od valentnog elektrona nastane slobodni elektron i taj proces naziva se generacija, dok se obrnuti proces, kada slobodni elektron popuni prazno mesto - prazninu, zove rekombinacija. Ako parovi elektron-praznina nastanu daleko od osiromašenog područja moguće je da se rekombinuju pre nego što ih razdvoji električno polje. Parovi koji nastanu uz osiromašeno područje ili u njemu bivaju privučeni, i to praznine prema P strani poluprovodnika, a elektroni prema N strani poluprovodnika. Zbog toga se fotoelektroni i praznine u poluprovodnicima nagomilavaju na suprotnim krajevima i na taj način stvaraju elektromotornu silu. Ako na takav sistem priključimo potošač, dobićemo električnu energiju.

Na ovakav način solarne ćelije proizvode napon od oko 0.5-0.7 V uz gusinu struje od oko nekoliko desetina mA/cm2 zavisno od intenziteta sunčevog zračenja, ali i od spektra zračenja.

Korisnost fotonaponske solarne ćelije definiše se kao odnos električne snage koju daje FN solarna ćelija i snage sunčevog zračenja. Matematički se to može formulisati relacijom:

gde je:

P_el - Izlazna električna snaga

P_{sol -} Snaga zračenja (najčešće Sunčevog)

U - Efektivna vrednost izlaznog napona

I - Efektivna vrednost izlazne struje

E - Specifična snaga zračenja (npr. u W/m2)

A - Površina

Efikasnost FN solarnih ćelija kreće se od svega nekoliko procenata do četrdesetak posto. Ostatak koji se ne pretvori u električnu energiju uglavnom se pretvara u toplotu i na taj način zagreva ćeliju. Uopšteno, porast temperature solarne ćelije utiče na smanjene efikasnosti FN ćelije.

Karakteristike pojedinih ćelija

FN (PV) ćelije iz silicijuma se izvode u više morfoloških oblika, kao monokristalne, polikristalne i amorfne.

• Monokristalne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 140 W električne energije površinom ćelija od 1 m2. Za proizvodnju monokristalnih Si ćelija potreban je apsolutno čisti poluvodički materijal. Monokristalni štapići se proizvode iz rastvora silicijuma i isecaju na tanke pločice. Ovakav način izrade omogućuje relativno visoki stepen efikasnosti.

• Polikristalne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 130 W električne energije površinom ćelija od 1 m2. Proizvodnja ovih ćelija je ekonomski efikasnija u odnosu na monokristalne. Tekući silicijum se uliva u blokove koji se zatim iseca na ploče. Tokom stvrdnjavanje materijala stvaraju se kristalne strukture različitih veličina na čijim granicama se pojavljuju greške, zbog čega solarna ćelija ima manju efikasnost.

• Amorfne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 50 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Ukoliko se tanki film silicijuma stavi na staklo ili neku drugu podlogu to se naziva amorfna ili tankoslojna ćelija. Debljina sloja iznosi manje od 1 µm, stoga su troškovi proizvodnje manji u skladu sa niskom cenom materijala. Međutim efikasnost amorfnih ćelija je niža u poređenju s drugim tipovima ćelija. Prvenstveno se koristi u opremi gde je potrebna mala snaga (satovi, kalkulatori) ili kao element fasade.
• Galijum arsenidne (GaAs) ćelije: galijum arsenid je poluprovodnik napravljen iz smeše galijuma i arsena. Pogodan je za upotrebu u višeslojnim i visokoefikasnim ćelijama. Širina zabranjene trake (band gap)  pogodna je za jednoslojne solarne ćelije. Ima visoku apsorpciju, pa je potrebna debljina od samo nekoliko mikrometara da bi apsorbovao sunčeve zrake. Relativno je neosetljiv na toplotu i zračenje u poređenju sa Si ćelijama. Zbog visoke cene koristi se u svemirskim programima i u sistemima s koncentrisanim zračenjem gde je ograničena površina. Projekti koncentrisanog zračenja su još u fazi istraživanja. Galijum indijum fosfidna/galijum arsenid (GaInP)/GaAs dvoslojna ćelija ima efikasnost od 30% i koristi se u komercijalne svrhe za svemirske aplikacije. Ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 300 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m2.

• Kadmijum-telur (CdTe) ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 160 W električne energije površinom ćelija od 1 m2 u laboratorijskim uslovima. Kadmijum teleurid je jedinjenje  metala kadmijuma i polumetala telura. Pogodan za upotrebu u tankim PV modulima zbog fizičkih svojstava i jeftine tehnologije izrade. Usprkos navedenim prednostima zbog kadmijumove otrovnosti i sumnje na kancerogenost nije u širokoj upotrebi.

Povezivanje ćelija u veće celine

Povezivanje ćelija može biti izvedeno na dva načina:

1.  Paralelno– paralelnim spajanjem dolazi do povećanja jačine struje povećanjem površine, a izvodi se tako što se svi (+) polovi spoje na isti provodnik, odnosno na (-) provodnik.
2.  Redno – rednim spajanjem povećava napon povećanjem površine, a izvodi se naizmeničnim spajanjem (+) i (-) polova ćelija u nizu.

Projektovanje i izvođenje sistema

Jedan kvadratni metar fotonaponskih solarnih panela može proizvesti do 150 W  u trajanju do trideset godina bez održavanja. Oni će čak i raditi pri difuznom svetlu kad su oblačni dani, ali sa manje izlazne snage. Napon proizveden fotonaponskim panelom ostaje približno isti bez obzira na vreme, ali jačina (A) i snaga (W) će varirati. Najvažniji parametar koji treba imati na umu pri projektovanju fotonaponskih solarnih instalacija je izlazna snaga, a koja u najvećoj meri zavisi od četiri faktora:

1. maksimalna snaga solarnog panela (mereno u peak-vatima ili Wp)
2. intenzitet svetlosti
3. broj sati pri izloženosti suncu i
4. ugao izlaganja suncu

Rad na intenzivnom dnevnom svetlu

Maksimalna snaga Pmax panela izražava se u Wp, znači koliko će energije u jedinici vremena (W)  panel pretvarati u optimalnim uslovima, tj. u podne uz direktnu sunčevu svetlost po hladnom vremenu. Maksimalni intenzitet sunca je 1,000 W/m2.

Sledeći faktori utiču na količinu sunca, a pritom utiču i na efikasnost fotonaponskih panela:

1. vremenski uslovi (oblaci, magla i sl.)
2. Kako je sunce visoko na nebu
3. Broj sunčanih dana

1) Prvi faktor se pomalo olako shvata, 50 W panela bi trebaolo da proizvede 50 W za svaki sat od sunca 1,000 W / m2. Paneli će proizvesti oko pola tog iznosa (25 W svakog sata) kada su izloženi do 1/2 svjetla (500 W / m2). Difuzno svetlo koje prolazi kroz tanke oblake može davati oko 300 W / m2. U vrlo lošim vremenskim uslovima s debelim, tamnim oblacima, intenzitet svetlosti mogao bi pasti na 100 W / m2 i proizvesti samo 5 W po satu.

2) Drugi faktor, visina sunca iznad horizonta varira od godišnjeg doba. Kada je sunce vrlo visoko u nebu (leto), njegovi zraci putuju kroz atmosferu za kraće vreme na kraće udaljenosti, nego kad je nisko na nebu (zimi). Sunčevi zraci su raspršeni sve više i time postaju difuzniji prilikom prolaska kroz maglu ili zagađenja. Mesto koje dobija puno sunca u sepembru moglo bi biti u senci od novembra do februara zbog prepreka (drveće, dimnjaci, krovova i sl.).

3) Treći faktor stvara najveći problem za one koji ne žive u blizini ekvatora, odnosno razlika u broju sunčanih sati između godišnjih doba - a to je optimalno okretanje panela prema Suncu. Uvek je najbolje da se paneli usmere prema jugu sa idealnim uglom nagiba nezavisno do geografskog položaja i doba godine. Sunčevi zraci bi trebalo da trebaju padaju na panel pod pravim uglom. Idealna situacija u Europi je krov okrenut prema jugu sa elevacijom između 40 i 60 stepeni, ili još bolje, ravni krov ili površina na kome panele možemo podesiti po želji. Može se odstupati od ovih vrednosti ako postoje konstruktivna ili estetska ograničenja kako bi se uklopili u postojeće arhitektonske strukture. Budućnost fotonaponskih sistema zavisiće u velikoj meri od skladnoe integracije panela u gradnji zgrada.

Ostali parametri

Od ostalih parametara koji još nisu spomenuti sa energetskog stanovišta, bitno je vreme povrata uložene energije. Kao i svaki uređaj, tako i FN solarne ćelije, da bi se proizvele, zahtevaju određeni ulog energije. Vreme povrata uložene energije je vreme za koje FN ćelija mora raditi da bi proizvela električnu energiju koja je bila potrebna za iniciranje njene proizvodnje. To vreme iznosi od jedne do nekoliko godina, dok je vek trajanja od 10 do 30 godina, u zavisnosti od tehnologije.

Razvoj fotonaponske tehnologije i tržišta

Pod razvojem fotonaponske tehnologije podrazumeva se razvoj tržišta sunčeve FN energije i razvoj same tehnologije.

Razvoj tržišta

Kada govorimo o tržištu FN energije mislimo na instalirane kapacitete solarnih ćelija u nekoj regiji ili svetu. Unazad desetak godina, tržište FN tehnologije raste prakično eksponencijalno. Države u kojima je proizvedeno najviše FN solarnih ćelija su Japan, Nemačka, zatim SAD, Tajvan i Kina.

Tržište fotonaponskih solarnih ćelija poslednjih nekoliko godina eksponencijalno raste

 

U 2007. godini svetska proizvodnja FN solarnih ćelija iznosila je oko 3800 MW, dok je porast proizvodnje u odnosu na 2006. godinu iznosio 50%. Ovakav drastičan porast može se objasniti državnim subvencijama za obnovljive izvore energije, sve većom brigom za okolinu (Kjoto protokol), kao i rastom cena nafte.

Zbog komplikovane političke situacije u Europi i različite politike svake od država članica ne postoji usaglašen pristup obnovljivim izvorima energije.

Uprkos tome, Europska unija  postavila je cilj da do 2010. godine 12% ukupne i 22% električne energije bude proizvedeno iz obnovljivih izvora energije. Postavljen je cilj da se ukupno ugradi 3000 MW fotonaponskih sistema do 2010. godine, što je povećanje od sto puta u odnosu na 1995. godinu. Odgovarajuća godišnja proizvodnja električne energije je između 2,4 i 3,5 TWh, u zavisnosti od lokacije na kojoj je sistem postavljen.

Razvoj tehnologije

Prva moderna fotonaponska solarna ćelija napravljana je 1956. godine u Belovoj laboratoriji. Prve FN ćelije bile su razvijane za svemirske programe.

Razvoj FN tehnologije poslednjih se godina, podstaknut intenzivnim razvojem tržišta, drastično menja. Do danas je razvijeno mnogo materijala od kojih su najčešće u upotrebi silicijum, zatim galijum-arsenid, kadmijum-sulfid, kadmijum-telurid i mnogi drugi.

Takođe postoji više tehnologija izrade FN ćelija. Tako su razvijene tehnologije izrade FN ćelija od kristalnih poluprovodnika i u obliku tankog filma. Tipovi FN ćelija od kristalnih poluprovodnika su:

• Silicijumske Si monokristalne, polikristalne i amorfne
• Galijum arsenidne GaAs
• Bakar-inidum-diselenidne CuInSe2
• Kadmijum-telurne CdTe

Fotonaponske solarne celije napravljene tehnologijom tankog filma

Za sada na tržištu prevladavaju ćelije od kristalnog silicijuma, dok se predviđa da će u budućnosti sve veći udeo pripasti tankom filmu. Tehnologija tankog filma omogućuje znatnu uštedu materijala i mnogo fleksibilniju ugradnju FN ćelija, pošto ih je moguće saviti. Takođe, solarne ćelije napravljene tehnologijom tankog filma imaju znatno kraće vreme povrata uložene energije dok im je korisnost nešto niža.

Silicijum kao osnovni materijal apsolutno dominira udelom od 98,3%, i to pretežno tehnologija kristalnog silicijuma sa 93,7% učešća u ukupnoj proizvodnji. Sve do nedavno (2000. g.) prevladavala je tehnologija proizvodnje monokristalnog silicijuma koji se dobija tzv. Čohralskijevim postupkom ili tehnologijom lebdeće zone (eng. float zone). Proizvodnja monokristalnog silicijuma je skuplja ali je efikasnost ćelija veća.

Danas ta tehnologija sve više gubi korak sa tehnologijom polikristalnog silicijuma (Mc-Si). Prednosti multikristalinog silicijuma su

• manja kapitalna ulaganja za proizvodnju vafera,
• veće iskorišćenje silicijuma zbog korišćenja četvrtastih vafera koji daju veću aktivnu površinu modula u poređenju sa okruglim ili kvazi-okruglim oblikom monokristalnog vafera. 
• U Mc-Si tehnologiji lakše se proizvode ćelije većih površina (veličina 150×150 i 200×200 mm), što pojednostavljuje njihovu ugradnju u module. Mc-Si tehnologije u ukupnoj proizvodnji solarnih ćelija u 2003. godini su učestvovale sa 57.2%.

Trakasti silicijum ima prednost što je u njegovom procesu proizvodnje izbegnuta potreba za rezanjem vafera, čime se gubilo i do 50% materijala u procesu sečenja. Međutim, kvalitet i mogućnost proizvodnje nije takva da bi ova tehnologija preuzela vodstvo u bliskoj budućnosti. Najveći tehnološki nedostatak kristalinog silicijuma je svojstvo da je poluprovodnik sa tzv. indirektnim zabranjenim pojasom, zbog čega su potrebne relativno velike debljine aktivnog sloja kako bi se u najvećoj meri iskoristila sunčeva energija.

U tehnologiji tankog filma primenjuju se poluprovodnici sa tzv. direktnim zabranjenim pojasom i njihove debljine mogu biti znatno manje, uz značajno manji utrošak materijala, što omogućuje nisku cenu i stvara uslove za proizvodnju velikih količina ćelija.

Nažalost, iako dugo najavljivane, tehnologije solarnih ćelija u tankom filmu s amorfnim silicijumom, CIS, CdTe i druge, zbog cene, niskog stepena iskorišćenja, stabilnosti modula ili ekološke prihvatljivosti još uvek nisu pokazale svoju tržišnu sposobnost i neophodna su značajna ulaganja da postanu konkurentne kristalnom silicijumu.

Deo tehnologija tankog filma (amorfni silicijum, CdTe, CIS), je uprkos značajnim naporima uloženim u istraživanja ostao vrlo skroman, sa oko 6.3% tržišta u 2003. godini. Međutim, snažan rast proizvodnje sunčanih ćelija s kristalnim silicijumom može prouzrokovati porast cene i nestašicu sirovog silicijuma pa je moguć i veći proboj ovih tehnologija u budućnosti.

Električno polje osiromašenog područja, osim što služi da razdvoji i usmeri kretanje slobodnih napona u PN spoju, stvara dodatnu energetsku barijeru slobodnim nosiocima elektriciteta. Slobodni nosioci (elektroni i praznine) nastali iz sudara valentnog elektrona i fotona bi trebalo da imaju dovoljno energije za savladavanje energetske barijere. Sa tog stanovišta, energetska barijera bi trebalo da bude što manja, ali kada je ne bi bilo, ne bi bilo niti električnog polja, niti funkcije koju ono obavlja.

Prema ovakvom shvatanju izračunata je teorijska maksimalna korisnost za određane energetske barijere. Iznos (širina) energetske barijere ima različite vrednosti za PN veze izrađene od različitih materijala. Širini energetske barijere električnog polja u PN vezi FN ćelije posvećuje se puno pažnje u tehnologiji izrade FN ćelija. Optimalno je da iznosi oko 1.4 eV.

Diagram prikazuje teorijsku efikasnost (korisnost) u zavisnosti od energetskog praga (energetske barijere) za fotonaponske solarne celije

Pri fotoelektričnom efektu samo deo fotona može izazvati fotoelektrični efekat. Za pojedine materijale postoje različite granice energija fotona koje mogu izazvati fotoelektrični efekat. Na primer, silicijumska FN ćelija ima maksimum spektralne osetljivosti za talasnu dužinu od 800nm, tj. najbolje apsorbuje svetlost te talasne dužine. Pri upotrebi samo jednog materijala za izradu FN solarne ćelije veliki deo energetskog spektra fotona ostaje neiskorišćen. Zbog toga se istražuju FN solarne ćelije izrađene od više PN spojeva, odnosno od više poluprovodnih materijala. Svaki materijal koristi deo spektra sunčevog zračenja. Ovakve solarne ćelije nazivaju se višeslojne fotonaponske solarne ćelije (eng. multijunction photovoltaic cells). Na ovaj način moguće je postići veće korisnosti, čak veće od teorijskih korisnosti pri upotrebi samo jednog materijala. Do sada je postignute stepen korisnog dejsva FN solarnih ćelija do oko četrdesetak posto.

Pošto su ovakvi novi materijali vrlo skupi, sunčeva svetlost se optičkim sisitemom ogledala ili sočiva fokusira na male površine skupih fotonaponskih ćelija. Ovakva konstrukcija je ekonomski opravdana ako su fotonaponske ćelije skuplje od optičkog sistema za fokusiranje. Uz ovakvu konstrukciju potrebna je manja površina fotonaponskih solarnih ćelija. Na taj način se izrašuju  moduli kao na slici.

 

Fokusni fotonaponski solarni modul

 

Slika prikazuje kako pojedini poluprovodni materijali upotrebljeni za izradu fotonaponskih solarnih ćelija koriste različite delove spektra solarnog zračenja

 

Fotonaponska solarna elektrana Serpa u Portugalu nominalne snage 11 MW 

 

Fotonaponske solarne celije napajaju Međunarodnu svemirsku stanicu električnom energijom 

 

 

Prikaz fotonaponskog solarnog potencijala u Evropi