1

UTILIZAREA ÎN ROMÂNIA A ENERGIILOR SOLARE,

EOLIENE ŞI HIDRO1

CAPITOLUL 1

CONVERSIA FOTOVOLTAICĂ A ENERGIEI SOLARE

Dr. fiz. Maria Teodoreanu, Dr. fiz. Dan I. Teodoreanu

1.1. Introducere

Efectul fotovoltaic constă în producerea unui curent electric ca urmare a absorbţiei radiaţiei

electromagnetice (fotoni). Acest efect cunoaşte aplicaţii importante în semiconductori, unde

generarea de purtători de sarcină liberi (electroni, goluri) este semnificativă în raport cu numărul

purtătorilor generaţi termic. Dacă în semiconductor există un câmp electric intens (ca în cazul

joncţiunilor n-p în siliciu) atunci electronii generaţi ca urmare a absorbţiei radiaţiei (fotoelectroni)

vor fi conduşi într-un circuit exterior, generându-se, astfel, energie electrică.

Efectul fotovoltaic a fost descoperit în anul 1839 de către A. E. Becquerel, la iradierea unor

electrozi de argint în electrolit, şi descris de W. Adams şi R. Day pentru electrozi de seleniu în

1877. Târziu, după descoperirea tranzistorului (1948) şi elaborarea teoriei Shockley (1949), s-a

realizat prima celulă solară cu randament de 6% (D.M. Chapin, C.S. Fuller şi G.L. Pearson, de la

Bell Laboratories – SUA, 1954). Până în anul 1973 (prima criză a petrolului) celulele solare s-au

utilizat mai mult în aplicaţii spaţiale. Până la începutul anilor ’90 producţia mondială de celule

solare (aproximativ 50 MW/an) era complet nesemnificativă la nivelul consumului de electricitate

global.

Sursele regenerabile de energie, şi în particular energia solară fotovoltaică, au primit un

impuls puternic în urma summit-ului de la Kyoto (1997) privind starea surselor de poluare ale

planetei. Ca urmare a acestui summit, s-a stabilit o reducere a emisiilor de CO2 (principala cauză a

1 Partea I a fost elaborată sub coordonarea Dr. fiz. Dan. I. Teodoreanu

2

efectului de seră) cu 15% până în anul 2010 şi, implicit, sprijinirea dezvoltării accentuate a surselor

regenerabile de energie, în particular a aplicaţiilor fotovoltaice. Astfel, în anul 1997 a fost lansat în

SUA programul intitulat “1 Milion de acoperişuri”, ce anticipează o producţie de 1,5 GW în anul

2010. In Japonia, Programul susţinut de guvern prevede o producţie de 4,6 GW pe an în 2010.

Estimări realiste prevăd o creştere minimă a producţiei anuale de la 130 MW în 1997 la 5 GW în

2010.

Parlamentul European îşi propune finanţarea realizării unui milion de acoperişuri

fotovoltaice până în anul 2010. În aceste condiţii, producţia fotovoltaică mondială va creşte la 20

GWP în acelaşi an.

Având în vedere că producţia medie anuală va fi de 2GW în perioada 2000 – 2010, strategia

de dezvoltare a celulelor solare trebuie adaptată acestei cereri. Se ştie că pentru realizarea unei

producţii de 100 MW/an sunt necesare 1000 t de siliciu. În perspectiva anului 2010 siliciul va

rămâne cu o pondere de aproximativ 70% în piaţa celulelor solare, faţă de 95% cît reprezintă

actualmente, iar pentru o producţie de 1400 MW la nivelul anului 2010 vor fi necesare ca. 14000 t

de siliciu pe an, cantitate apropiată de producţia mondială. In această situaţie, cercetările pentru

creşterea randamentului celulelor solare, cât şi pentru utilizarea siliciului “grad solar” vor fi absolut

necesare.

Materialele semiconductoare policristaline cu structură calcopiritică au o largă utilizare în

heterojoncţiuni pentru fabricarea celulelor solare. Interesul pentru acest tip de materiale a apărut

datorită proprietăţilor lor optice - în special absorbţia optică – astfel încât, grosimi de strat de

ordinul a 1 µm sunt suficiente pentru absorbţia eficientă a luminii solare şi pentru obţinerea unor

eficienţe de conversie comparabile cu cele ale celulelor solare cu siliciu monocristalin. Economia de

material ce rezultă de aici, combinată cu procedee tehnologice pretabile la obţinerea de suprafeţe

mari, duc la reduceri esenţiale ale costurilor de fabricaţie pentru celulele şi modulele solare, condiţie

obligatorie pentru aplicarea pe scară largă a conversiei fotovoltaice a energiei solare.

Prezentul capitol abordează probleme de promovare a surselor fotovoltaice în ţara noastră.

Studiile s-au realizat in cadrul ICPE- Laboratorului de Surse Noi, unde s-au realizat de-a

lungul anilor din 1980 si pana in prezent module, sisteme utilizate în toate aplicaţiile fotovoltaice

realizate în aceşti ani (ceasuri şi lămpi fotovoltaice, centrale fotovoltaice independente şi conectate

la reţea, balize marine, etc.)

In prima parte se prezintă aspecte legate de funcţionarea celulelor solare.

Apoi sunt prezentate rezultatele obţinute la realizarea celulelor solare pe bază de siliciu,

utilizând tehnologii pentru optimizarea performanţelor celulelor.

3

S-au experimentat şi elaborat metodele de optimizare a performanţelor celulelor solare obţinute

prin tehnologia serigrafică integrală. Cu ajutorul acestei tehnologii au fost realizate prima dată în

ţară celule solare de dimensiuni mari (pe plachete de Si de diametru = 4 inch), cu eficienţe de

conversie > 13%. Această tehnologie a fost pusă la punct de către autor integral în cadrul

Laboratorului de Surse Noi de Energie al ICPE – S.A. Optimizarea acestei tehnologii este încă

obiect de studiu pe plan mondial, grupuri de cercetători din Europa, SUA şi Japonia participând la

programe multinaţionale pe această temă.

Sunt prezentate aspecte ale tehnologiilor specifice de realizare a structurilor fotovoltaice cu

straturi subţiri pe bază de CIS.

Sunt prezentate apoi sistemele fotovoltaice realizate în Laborator.

Radiaţia solară

Soarele este o sursă complexă de radiaţii cu o distribuţie spectrală terestră ce poate fi

aproximată cu distribuţia spectrală a unui corp negru la temperatura de 5900 K. Această distribuţie a

radiaţiei emise de corpul negru este însă modificată în cazul radiaţiei solare datorită variaţiei de

temperatură pe suprafaţa discului solar, efectelor ce au loc în atmosfera solară, precum şi datorită

liniilor de absorbţie Fraunhofer.

Figura I.1.1. descrie distribuţia spectrală a radiaţiei solare în afara atmosferei terestre, descrie

distribuţia spectrală a radiaţiei solare comparate cu distribuţia spectrală a radiaţiei emise de corpul

negru temperatura respectivă.

In spaţiul exterior atmosferei terestre 98% din totalul energiei emise de Soare este dat de

radiaţia cu lungimi de undă cuprinse între 0,25 şi 3,0 µm. Se defineşte intensitatea radiaţiei solare ca

fiind puterea totală dată de o sursă radiantă pe unitatea de suprafaţă [W/m2]. Astfel, în afara atmosferei

terestre, radiaţia solară directă pe un plan normal pe direcţia soarelui are intensitatea de

1350W/m2±3,4%.

Intensitatea şi distribuţia spectrală a radiaţiei ce ajunge la suprafaţa Pământului depind de

compoziţia atmosferei precum şi de lungimea drumului parcurs de lumină prin atmosferă. Cei mai

importanţi parametri ce caracterizează compoziţia spectrală a radiaţiei care ajunge la suprafaţa

Pământului sunt:

• conţinutul în vapori de apă al atmosferei

• coeficientul de turbiditate, exprimând efectul ceţii şi al împrăştierii

• conţinutul de ozon

• nebulozitatea

• reflexia pe suprafaţa Pământului.

4

Întrucât radiaţia solară ce ajunge la marginea atmosferei terestre, normal pe direcţia Soarelui,

depinde numai de distanţa Pământ - Soare, celelalte efecte geometrice se manifestă în primul rând prin

variaţia drumului optic prin atmosferă. Dacă luăm în considerare numai radiaţia directă, aceste efecte

geometrice pot fi aproape complet descrise specificând unghiul zenit al Soarelui, "z", dat de unghiul

dintre direcţia Pământ - Soare şi normala la planul ce conţine cercul orizontului, Figura I.1.2. Acest

unghi zenit depinde de ora zilei, de anotimp, de latitudine şi de longitudine.

Se introduce o mărime numită masa aerului (Air Mass) şi notată AM. Masa aerului, AM

defineşte cantitativ gradul în care atmosfera afectează radiaţia solară primită de suprafaţa Pământului.

Lungimea drumului optic pentru un unghi zenit z este egală cu secanta unghiului z înmulţită cu

lungimea drumului optic pentru z=0. Această valoare,

mr =1/cos z

se numeşte masa de aer relativă. Spectrele solare specifice se exprimă în funcţie de acest mr. De

exemplu, AM0 corespunde spaţiului exterior atmosferei terestre (masa de aer zero - "air mass zero"),

iar atmosferei terestre îi corespund AM1, AM2, etc. Spectrele AM0 şi AM1 sunt comparate în Figura

I.1.1, unde se poate observa că deosebirea între cele două spectre este mai puternică în domeniile IR şi

UV. Această deosebire apare deoarece radiaţia IR este absorbită de către vaporii de H2O şi CO2, iar

radiaţia UV este absorbită cu precădere de ozon în straturile superioare ale atmosferei.

Lumina solară este modificată în drumul său prin atmosferă de următoarele procese:

• procesul de împrăştiere Rayleigh a luminii (datorită căruia se vede cerul albastru)

• absorbţia în benzi electronice: în O2, N2 şi ozon (aproape toate radiaţiile cu λ < 0,29 µm

sunt absorbite de ozon)

• absorbţia în benzi moleculare de rotaţie şi vibraţie în H2O şi CO2

• împrăştierea pe particule de aerosoli şi pe particule materiale (mai puternică pentru

lungimile de undă mai mici ale radiaţiei)

• reflexia şi turbulenţa datorită variaţiei indicelui de refracţie cu temperatura şi cu

presiunea.

In concluzie, se poate spune că radiaţia incidentă este modificată prin adăugarea unei

componente difuze a radiaţiei (provenită din împrăştieri pe particule de aerosoli), fiind puternic

dependentă de concentraţia aerosolilor, nebulozitate, precum şi de reflexia locală la suprafaţa

Pământului. Radiaţia difuză prezintă un maxim puternic în porţiunea albastră a spectrului şi contribuie,

astfel cu 8-10% la radiaţia totală pentru o zi senină, la amiază şi, în special, pentru unghiuri zenit mai

mari. Suma dintre radiaţia directă şi radiaţia difuză reprezintă radiaţia globală.

In timpul unei variaţii diurne, unghiul zenit şi deci masa aerului sunt în continuă schimbare. Se

obţine astfel o continuă variaţie a intensităţii şi a distribuţiei spectrale a radiaţiei la suprafaţa

5

Pământului. Prin medierea pe 24 de ore se obţine valoarea intensităţii radiaţiei ca fiind aproximativ

egală cu 0,2 din valoarea maximă a intensităţii (dar această valoare este variabilă, depinzând de

latitudine şi de alţi factori).

Calculul în detaliu al radiaţiei solare fiind complex, se recurge la o serie de aproximări. De

exemplu, prin modelarea numerică a proceselor de absorbţie care au loc în ozon, în vaporii de apă, etc.

se obţine un "spectru standard" idealizat al radiaţiei solare. Un asemenea spectru folosit la calculul

eficienţei de conversie a celulelor solare este "spectrul standard AM1,5", ilustrat în Figura I.1.3.

In condiţiile ţării noastre, intensitatea totală a radiaţiei solare (directă + difuză) pentru o zi de

vară fără nori, la nivelul mării şi Soarele la zenit poate atinge 1000 W/m2. Pe vreme noroasă valoarea

radiaţiei poate să scadă cu un ordin de mărime.

Fizica celulei solare

Benzi de energie în semiconductori

Structura de bandă a unui solid cristalin, respectiv relaţia energie-impuls, se obţine din soluţia

ecuaţiei Scrödinger în aproximaţia unielectronică.

Benzile de energie în solide au fost studiate teoretic utilizând diferite metode de calcul. Pentru

semiconductori sunt mai cunoscute două asemenea metode: metoda undelor plane ortogonale şi

metoda pseudopotenţialului.

Pentru orice semiconductor există o regiune (bandă) de energie interzisă, în care nu sunt

permise stări energetice. Deasupra şi dedesubtul acestei benzi interzise se află regiuni permise sau

benzi de energie permise. Benzile superioare (de deasupra benzii interzise) se numesc benzi de

conducţie, iar cele de sub banda interzisă se numesc benzi de valenţă. Separarea dintre energia celei

mai joase benzi de conducţie şi a celei mai înalte benzi de valenţă se numeşte banda interzisă a

semiconductorului, Eg şi este unul dintre cei mai importanţi parametri în fizica semiconductorilor.

La temperatura camerei şi în condiţii normale de presiune, banda interzisă a siliciului este de

1,12 eV în cazul materialului de înaltă puritate. Rezultatele experimentale arată că lărgimea benzii

interzise pentru majoritatea semiconductorilor descreşte cu creşterea temperaturii (la 0K banda

interzisă a siliciului este de 1,16 eV).

Concentraţia purtătorilor la echilibru termic

Există trei posibilităţi de obţinere a unui material semiconductor, ca de exemplu siliciu:

1. Si-intrinsec, material extrem de pur, cu o cantitate neglijabilă de impurităţi; fiecare atom de siliciu

este legat prin cei patru electroni de valenţă de patru atomi învecinaţi, formând legături covalente;

6

2. Si dopat de tip n - în care atomi de impurităţi ai elementelor pentavalente, de exemplu fosfor, sunt

introduşi în reţeaua cristalină a siliciului, unde al cincilea electron de valenţă al fosforului (impuritate

donoare) rămas liber este donat benzii de conducţie;

3. Si dopat de tip p - în care, în mod similar, prin doparea cu atomi trivalenţi (cum ar fi bor -

impuritate acceptoare), un electron adiţional este acceptat pentru a forma cele patru legături covalente,

ducând la crearea unei sarcini pozitive libere - "golul" în banda de valenţă.

Conducţia în semiconductori

Densitatea de curent în semiconductori se defineşte separat pentru cele două tipuri de

purtători de sarcină (curentul de drift):

EI nn ⋅= σ (1.1)

unde: σ este conductivitatea semiconductorului

E - intensitatea câmpului electric

iar: ( )pnpn pnq µµσσσ ⋅+⋅⋅=+=

cu: q - sarcina electronică

n, p - concentraţia de electroni, respectiv de goluri

µn, µp – mobilităţile electronului, respectiv a golului

şi: *2 n

nm

q τµ

⋅=

cu τ - timpul de relaxare a conducţiei.

Un alt mecanism de transport al electronilor (golurilor) este difuzia purtătorilor, datorată

diferenţei de concentraţie a purtătorilor în volumul semiconductorului. Acesteia îi corespunde o

componentă a curentului electric în semiconductor care, în cazul unidimensional, se defineşte prin:

x

nDqI nn

∂

∂⋅⋅−= (1.2)

Astfel, curentul total de drift şi difuzie devine:

∂

∂⋅+⋅⋅⋅=

t

nDEnqI nnn µ (1.3)

Similar se obţine o relaţie pentru curentul de goluri.

Curentul de drift şi cel de difuzie nu sunt independenţi unul de celălalt, având o cauză

comună: mişcarea termică şi ciocnirile purtătorilor, parametri care îi definesc sunt legaţi prin relaţia

Einstein:

µ⋅=q

kTD (1.4)

7

Fotogenerarea purtătorilor de sarcină

Semiconductorii, datorită structurii de benzi specifice, prezintă un prag în absorbţia fotonică.

Astfel, pentru energii ale fotonilor mai mari sau egale cu lărgimea benzii interzise a

semiconductorului, gEch

≥⋅

λ, fotonii sunt absorbiţi în totalitate, iar pentru gE

ch≤

⋅

λ,

semiconductorul este, practic transparent pentru radiaţia respectivă (h, c, λ sunt, respectiv: constanta

lui Planck, viteza luminii în vid şi lungimea de undă a radiaţiei incidente). Pentru fotonii absorbiţi

intensitatea radiaţiei incidente scade în interiorul semiconductorului după o lege exponenţială:

][exp)0()( xFxF ⋅−⋅= α (1.5)

unde: α este coeficientul de absorbţie

xL=1/α - lungimea de absorbţie a fotonului.

În semiconductorii cu benzi de energie indirecte, cum este siliciul, absorbţia fotonilor este

mai slabă, deoarece, din motive de conservare a momentului, la procesul de absorbţie participă şi

fononii (vibraţiile termice ale reţelei cristaline).

Procese de generare şi recombinare a purtătorilor de sarcină de neechilibru în semiconductori

La iluminarea unui semiconductor cu fotoni de energie suficient de mare (hν≥Eg), se creează

purtători de sarcină în perechi, electroni şi goluri (proces de foto-generare). Concentraţia purtătorilor

este astfel mai mare la iluminare (stare de neechilibru), decât la întuneric (stare de echilibru). La

întreruperea iluminării (a sursei perturbatoare), apar procese inverse prin care sistemul tinde să atingă

starea de echilibru. Aceste procese se numesc procese de recombinare.

Există mai multe tipuri de procese de recombinare în semiconductori:

• recombinare bandă-bandă, în care are loc tranziţia unui electron din banda de conducţie în banda

de valenţă însoţită de emisia unui foton (proces radiativ), sau de transferul energiei rezultate unui

alt electron liber (proces Auger);

• recombinare pe trape (centrii de captură), în care sunt prezente în interiorul benzii interzise a

semiconductorului, nivele de energie (trape) simple sau multiple.

Se pot stabili, în principiu, metodele de reducere a vitezei de recombinare la suprafaţa

semiconductorului, şi anume:

8

- reducerea concentraţiei trapelor, Nts, care se poate realiza prin doparea cu materiale "pasivante";

pentru Siliciu cei mai buni candidaţi pentru pasivarea suprafeţei sunt SiO2 şi Si3N4; tot aşa de

eficientă este şi tratarea siliciului în lichide polare (ca de exemplu HF sau H2SO4), ceea ce duce la

reducerea valorii vitezei de recombinare de suprafaţă (< 1 cm/s);

- micşorarea concentraţiei de electroni sau goluri la suprafaţă.

Întrucât procesele de tip SHR implică prezenţa a doi parteneri, vitezele de recombinare

maxime se obţin când concentraţiile electronilor şi golurilor la suprafaţă sunt aproximativ egale.

Dacă se reduce concentraţia unuia dintre aceste tipuri de purtători, se poate obţine, corespunzător, o

micşorare a vitezei de recombinare de suprafaţă. Din punct de vedere tehnologic aceasta se poate

realiza prin diferite metode, şi anume:

- prin introducerea unui profil de dopare în apropierea suprafeţei: prin dopare puternică se reduce

concentraţia purtătorilor minoritari. Purtătorii minoritari fotogeneraţi vor fi "reflectaţi" de câmpul

electric ("high-low junction") existent la suprafaţă. Acesta este principiul de realizare a stratului BSF

(Back-Surface-Field), având aceeaşi polaritate ca şi semiconductorul de bază, dar nivele de dopare

mult mai mari. Acest câmp de suprafaţă se poate obţine cu aceleaşi efecte de pasivare şi pe suprafaţa

frontală a semiconductorului ("Front-Surface-Field");

- pasivarea prin efect de câmp: un câmp electric extern sau generat de sarcini electrice într-un izolator

poate să genereze o zonă de sarcină spaţială de suprafaţă în care concentraţia purtătorilor să varieze

într-un domeniu foarte larg (de la acumulare la sărăcire, până la inversie). Pe aceasta se bazează, în

microeletronică, construcţia dispozitivelor cu efect de câmp (MOSFET).

Structura celulei solare

Figura I.1.4 prezintă structura a patru tipuri convenţionale de celule solare pe bază de siliciu. Corelaţia

între eficienţa de conversie a celulei şi complexitatea procesului tehnologic de fabricaţie a acesteia este

esenţială.

In principiu, celula solară este alcătuită din: bază - de grosime cuprinsă între 200-500µm,

emiter - foarte subţire, pe faţa iluminată a celulei, un contact metalic frontal sub formă de grilă şi

unul sau mai multe straturi antireflectante depuse pe suprafaţa frontală, cu rol de a reduce pierderile

prin reflexie pe suprafaţa celulei. Curentul electric generat de celula solară este colectat prin contactul

metalic pe spatele celulei (contact ohmic). Dintre caracteristicile esenţiale ale acestui contact ohmic

amintim:

− o rezistenţă de contact foarte scăzută între metal şi semiconductor

− o caracteristica curent-tensiune cît se poate de liniară.

Prezentăm în cele de mai jos tipurile de celule din Figura I.1.4:

9

− Celula solară standard prezintă pe faţa posterioară un contact metalic ohmic sub formă de

strat subţire, obţinut de regulă prin sinterizarea unei depuneri metalice la 300 - 500°C în atmosferă de

gaz inert (de regulă azot);

− Celula solară cu "Back-Surface-Field" (BSF) conţine pe spate un strat suplimentar având

aceeaşi polaritate ca şi baza şi formând cu aceasta o joncţiune "high-low" care acţionează ca un

"reflector" (oglindă) electric pentru purtătorii de sarcină minoritari fotogeneraţi şi, prin aceasta,

reducând probabilitatea de recombinare pe spatele celulei;

− A treia structură prezentată conţine, pe lângă stratul BSF, un strat pasivant (SiO2) pe faţa

celulei, cu rol de reducere a pierderilor prin recombinare pe suprafaţa emiterului;

− A patra structură conţine, în plus, pe spatele celulei un strat pasivant de SiO2 care, pe lângă

stratul BSF, reduce suplimentar viteza de recombinare a purtătorilor fotogeneraţi.

Parametri fundamentali ai unei celule solare sunt:

− eficienţa de conversie, ηηηη

− curentul de scurt-circuit, ISC

− tensiunea de circuit deschis, VOC

− factorul de umplere, FF.

Pentru o bună eficienţă de conversie este necesară reducerea pierderilor prin recombinarea

purtătorilor minoritari fotogeneraţi atât în celulă, cît şi pe feţele sale.

Pentru a avea un factor de umplere mare este necesar să se mărească dimensiunea contactelor

metalice pe emiter şi pe spatele celulei. Aceasta însă este în contradicţie cu necesitatea de a obţine

valori mari ale ISC şi VOC, întrucât contactele metalice favorizează viteze mari de recombinare a

purtătorilor. Astfel, pentru obţinerea unei eficienţe optime de conversie este necesar să se realizeze un

compromis între diverşii factori.

Parametri critici care influenţează eficienţa celulei solare cu siliciu, pentru fiecare din

componentele celulei (emiter, bază, contacte metalice) sunt prezentaţi mai jos:

Emiter:

- profil de dopare

- concentraţia de dopare

- grosimea emiterului

- viteza de recombinare de suprafaţă pe faţa celulei

- rezistenţa stratului

- pasivarea suprafeţei (de ex. SiO2, Si3N4)

- stratul antireflex (numărul de straturi, indicele de refracţie, grosimea stratului)

10

- texturarea suprafeţei

Bază:

- doparea iniţială

- lungimea de difuzie a purtătorilor minoritari

- viteza de recombinare pe spatele celulei

- grosimea bazei

- rezistenţa de suprafaţă

- existenţa stratului BSF

Contacte metalice:

- materialul de contact (Ti - Pd - Ag sau Cr - Ni - Ag)

- rezistenţa de contact metal-siliciu

- dimensiunile contactului

- distanţa dintre contactele colectoare ale grilei şi grosimea acestora

- aderenţa la siliciu.

Descrierea electrică a celulei solare Punctul de plecare pentru calculul caracteristicii curent-tensiune a unei celule solare este dat de

ecuaţiile Shockley, care descriu complet comportarea purtătorilor de sarcină în semiconductor .

Ecuaţiile Shockley dau, astfel, un sistem de ecuaţii diferenţiale neliniare pentru care găsirea

unei soluţii analitice în cazul general (existenţa unui profil de dopare oarecare, a stărilor de neechilibru,

etc.) nu este posibilă. Cu metode numerice (exemplu - elemente finite) se pot găsi, în cazul

unidimensional, soluţii aproximative. O altă cale de rezolvare a ecuaţiilor Shockley constă în găsirea

unei soluţii analitice aproximative pe baza unor ipoteze simplificatoare. Cea mai cunoscută dintre

acestea este soluţia găsită de Shockley - "ecuaţia diodei ideale":

( )

−⋅ 1exp

V

V I = VI

T01 (1.6)

Aceasta este caracteristica curent-tensiune a unei diode "ideale" la întuneric. „Ideal" se referă

la faptul că se neglijează rezistenţele serie şi paralel.

I01 este curentul de întuneric al diodei (numit şi "curent de saturaţie");

VT = kT/q este aşa-numita "tensiunea termică"

I01 este dat de concentraţia de dopare, de lungimile de difuzie ale purtătorilor minoritari în

emiter şi bază, de viteza de recombinare de suprafaţă (pe faţa şi pe spatele celulei) şi de dimensiunile

geometrice ale celulei.

11

La iluminare, caracteristica I-V a unei celule solare ideale este translatată cu valoarea

curentului fotogenerat, IL, în cadranul IV:

( ) I - - V

V I = VI L

T01

1exp (1.7)

Cu notaţiile din Figura I.1.5 se definesc:

Pmp = Vmp ⋅Imp - punctul de pe caracteristică pentru care puterea electrică dată de celulă este

maximă. Acesta se numeşte punctul de putere maximă;

FF - factorul de umplere sau factorul de formă, definit ca:

V I

V I = FF

ocsc

mpmp

⋅

⋅ (1.8)

Factorul de umplere este o măsură a ariei maxime a dreptunghiului care se poate înscrie în

caracteristica din cadranul IV. Pentru celulele solare cu Si de mare eficienţă, FF are valori cuprinse

între 0,79 şi 0,83 la temperatura camerei.

Cel mai important parametru al unei celule solare este eficienţa de conversie, ηηηη, definită ca

raportul dintre puterea electrică maximă dată de celulă şi puterea radiaţiei incidente:

P

FF V I =

P

V I =

in

ocsc

in

mpmp ⋅⋅⋅η (1.9)

Pentru a obţine o bună eficienţă de conversie a unei celule solare sunt necesare valori mari ale

curentului de scurt-circuit, ISC, ale tensiunii de circuit deschis, VOC şi ale factorului de umplere, FF.

In cazul rezistenţei serii neglijabile a celulei solare (RS < 1 Ωcm2), şi pentru radiaţie incidentă

neconcentrată se obţine, cu o bună aproximaţie, IL = ISC.

Pentru o comportare a celulei solare după modelul celulei ideale (în absenţa recombinării în

stratul de sarcină spaţială, la nivel mic de injecţie şi în absenţa rezistenţelor parazite) avem, :

⋅ +

I

I V = V

01

scToc 1ln (1.10)

Ecuaţia Shockley a diodei ideale se poate dezvolta considerând şi efectele recombinării în

regiunea de sarcină spaţială, precum şi efectele injecţiei puternice a purtătorilor. Se ajunge astfel la

modelul cu mai multe diode şi la factorul de idealitate, care pun în evidenţă contribuţia diferitelor

mecanisme de recombinare. Fiecare din aceste mecanisme introduc o altă dependenţă exponenţială a

curentului de tensiune. Pe baza acestui model, caracteristica I-V a unei celule la întuneric arată astfel:

12

( )

−∑

VB

V I = V I

T0k0k

k

1exp (1.11)

unde B0k şi I0k sunt factorul de idealitate, respectiv curentul de întuneric corespunzători

diferitelor mecanisme de recombinare.

In tabelul de mai jos sunt daţi factorii de idealitate pentru trei tipuri de mecanisme de

recombinare importante pentru celula solară (Shockley-Read-Hall, bandă-bandă, Auger), atât pentru

nivele de injecţie mici, cât şi pentru nivele mari:

Tipul de

recombinare

U(n)

nivel mic de

injecţie

U(n)

nivel mare de

injecţie

B0k

nivel mic de

injecţie

B0k

nivel mare de

injecţie

S – H - R n n 1 2

Bandă-bandă n n2 1 1

Auger n n3 1 2/3

Celula solară prezintă, în realitate o rezistenţă serie, RS şi una paralel (shunt), RP, care au

influenţe negative asupra parametrilor celulei, deci şi asupra eficienţei de conversie. Descrierea

teoretică a unei celule solare pe baza modelului cu două diode este dată de relaţia:

( ) Lp

s

T02

s02

T01

s01 I

R

RI - V +

VB

RI - V I +

VB

RI - V I = VI −

⋅

−

⋅

⋅

−

⋅

⋅1exp1exp (2.12)

Schema echivalentă a unei asemenea celule solare este dată în Figura I.1.3.

Calculul fotocurentului unei diode

O soluţie analitică pentru calculul curentului fotogenerat nu este posibilă în teoria SHR, ci

numai în anumite ipoteze simplificatoare. Aceste ipoteze se au în vedere pentru calculul fotocurenţilor

în fiecare din cele trei regiuni ale diodei: emiter, regiunea de sarcină spaţială şi bază. Calculul se face

pentru radiaţia monocromatică de lungime de undă, λ. La fotocurentul rezultat contribuie fiecare din

cele trei regiuni:

( ) ( ) ( ) ( ) I + I + I = Ispemiter bazaL λλλλ (1.13)

Pentru cazul unui spectru continuu de lungimi de undă, fotocurentul se obţine prin integrarea

lui IL(λ) pe întregul spectru de interes (principiul superpoziţiei):

( ) λλλλ

d I = I LL ∫ maxmin

(1.14)

13

unde: λmax este stabilit de lărgimea benzii interzise a semiconductorului. De exemplu, pentru Si

(Eg = 1,12 eV) se obţine λmax = 1110 nm , iar λmin = 300 nm pentru radiaţia solară.

Variante actuale de realizare a celulelor solare pe bază de straturi subţiri

Cele mai promiţătoare variante de dezvoltare a celulelor solare pe scară largă sunt cele pe

bază de straturi subţiri şi dintre acestea trei primesc o atenţie deosebită a unor colective de cercetare

reprezentative din Europa, SUA, Japonia: α-Si (siliciu amorf), CdTe, CuIn(Ga)Se2 (CIGS)

Prima celulă în strat subţire pe bază de: α-Si, s-a realizat în anul 1976, randamentele

actuale pentru monojoncţiune fiind de (6-8)% pentru celulă şi de (3-5)% pentru module comerciale.

Prima celulă pe bază de CdTe a fost realizată în anul 1963, Cd Te fiind teoretic cel mai

potrivit semiconductor din punct de vedere al absorbţiei optice pentru conversia energiei solare, în

timp ce primele rezultate privind celule pe bază de CIS sunt publicate în 1976.

Câteva din eficienţele record pentru celule şi module pe bază de straturi subţiri sunt

prezentate în Tabelul I.1.1 Şi Tabelul I.1.2.

In ceea ce priveşte celula pe bază de CIGS, estimările de preţ arată că, la o producţie de

100 MW pe an, preţul de fabricaţie ar putea fi de 0,33-0,5$/Wp pentru randamente de conversie de

15%, respectiv, 10%. Materialele directe reprezintă 56% din acest preţ, substratul de sticlă

reprezintă aproximativ 20% din costul materialelor iar Indiu, cel mai scump material din stratul

subţire, 10% din acest preţ. Disponibilitatea materialelor permite realizarea unor producţii de

maxim 200 GWp, (Tabelul I.1.3). Limitarea apare datorită rezervelor reduse de Indiu. In aceste

condiţii reducerea consumului (tehnologic) şi reciclarea acestor materiale la sfârşitul vieţii

modulelor devin nişte operaţii şi cercetări necesare.

Testele privind materialele cu risc efectuate în SUA şi Germania, au arătat că celulele pe

bază de CIS îndeplinesc normele de mediu atât la utilizarea materialelor (Cu,In, Se, Cd) în cadrul

fluxului tehnologic de producţie, cît şi la stocarea acestora. Concluzia acestui studiu este că pentru

moment numai celulele pe bază de CIS satisfac toate normele OSHA (Occupational Safety Health

Administration) şi nu depăşesc limitele noxelor stabilite de EPA (Environmental Protection

Agency) - SUA şi DEV (Deutches Einheitsverfahren) - Germania. Astfel, celulele pe bază de:α-Si

prezintă încă unele riscuri ecologice la producţie în timp ce celulele pe bază de CdTe prezintă

riscuri la stocare în zone neadecvate (poluare cu Cd).

In ceea ce priveşte stabilitatea, modulele pe bază de CIS se dovedesc egale în rata de

îmbătrânire cu celulele bazate pe siliciu cristalin, după cum este prezentat în Tabelul I.1.4.

14

Tip celulă Suprafaţă

(cm2)

VOC

(V)

Eficienţă

ηηηη(%)

Institut

Universitate

CuInGaSe2 0,414 0,678 17,7 NREL

CuInGaSe2 0,38 0,647 17,6 Univ.Uppsala/

IPE Sttutgart

CuInGaSe2 0,48 0,655 17,6 Matsushita

CuInGaSe2/InOHS 0,38 0,594 15,4 Univ.Uppsala/

IPE Sttutgart

CuInGaSe2 (Eg =1 ,34 eV) 0,4 0,729 14,3 IEC Delaware

CuInGaSe2 (Eg = 1,47 eV) 0,4 0,804 11,5 IEC Delaware

CuInS2 0,38 0,735 12 IPE Stuttgart

CuGaSe2 0,38 0,870 9,3 IPE Stuttgart

αααα-Si/ αααα-SiGe/ αααα-SiGe 13 United solar

αααα-Si/µµµµc-Si 10,7 IMT Neuchatel

CdTe 0,850 16 Univ.Florida

Tabelul I. 1.1 Performanţele maxime obţinute pentru celule solare în strat subţire

Tip Modul Suprafaţă (cm2) Eficienţă ηηηη(%) Compania

CdTe 7200 8,4 Solar Cells

CuInGaSe2 3860 11,2 Siemens Solar

CdTe 3528 7,7 Golden Photon

αααα-Si/αααα-SiGe 3432 7,8 Solarex

αααα-Si/αααα-Si 1200 8,9 Fuji

CdTe 1200 9,7 Matsushita

CuInGaSe2 900 11,5 ZSWStuttgart

CdTe 706 10,1 BP Solar

CuInGaSe2 90,6 13,9 ZSW

CuInGaSe2 50,2 14,1 Shova Shell

Tabelul I.1.2. Performanţele maxime obţinute pentru module în strat subţire

Tip

material

Rezerve

(tone)

Producţie anuală

(tone)

Necesar (tone)

pentru 500 MWp/an

15

Cd 970000 20000 25

Te 39000 404 28

In 5700 180 25

Ga 1000000 35 5

Se 130000 2000 60

Ge 53 5

Tabelul I.1.3. Situaţia rezervelor de materiale critice necesare pentru realizarea celulelor solare în

strat subţire CdTe, CuInGaSe2 şi α-Si/Ge (amorf)

An

fabricaţie

Tip

modul

Perioada

testării

Suprafaţa

modul (m2)

Eficienţă

iniţială

ηηηη (%)

∆∆∆∆ηηηη/ηηηη pe an

(%)

1988 CIS 1990 - 1998 0,09 7,5 -0,7

1990 CIS 1992 - 1998 0,36 8 +0,3

1992 CIGS 1993 - 1998 0,36 8,8-9 +0,5

1994 CIGS 1995 - 1998 0,36 9,7-9,8 -0,5

Tabelul I.1.4. Rezultatele testelor de durată mare privind stabilitatea în timp a performanţelor

modulelor solare pe bază de CIS realizate de Siemens Solar Industries, S.U.A.

16

Fig. I.1.1. Distribuţia spectrală aradiaţiei solare Fig.I. 1.2. Schema pentru AM0, AM1 şi a corpului negru la 5900K. definirea unghiului solar “Air Mass”.

0 1 2 3 4

0

500

1000

1500

2000

Inte

nsitate

a R

ad. S

ola

re

[Wm

-2(µ

m)-

1]

λ (µm)

Figura I.1.3. Distribuţia spectrala standard AM1,5

17

Fig.I.1.4. Structura a 4 tipuri de celule solare cu Si: Fig.I.1.5. Caracteristica I – V a unei celule a. celula solară standard solare la iluminare b. celula solară cu BSF c. celula solară cu BSF şi strat de pasivare pe faţă d. celula solaă cu BSF şi strat de pasivare pe spate.

Fig. I.1.6. Schema echivalentă a unei celule solare (modelul cu două diode)

18

LAMPA FOTOVOLTAICA PENTRU ILUMINAT EXTERIOR

CARACTERISTICI TEHNICE:

Controler-ul de sistem: DAAF - 12IS Tensiunea de lucru: 12 V Curentul maxim de încărcare: 8 A Modul fotovoltaic: 30 – 100 WP

Baterie de acumulatori: 55 – 100 Ah Lampă fluorescentă economică: 7 – 15 W Consumul propriu: 6 mA Randament maxim: 96 % Temperatura de lucru: – 20 – + 50°C

Controler DAAF - 12IS

PREZENTARE GENERALĂ:

• Aprindere/stingere automată în funcţie de lumina naturală

• Lampă pentru iluminat public exterior (iluminat stradal, gospodării, ferme etc.), cu aplicabilitate in zone neracordate la reteaua electrică

• Control total al încărcării/descărcăii bateriei de acumulatori (logica “fuzzy”)

• Simplu de instalat şi de utilizat • LED indicator pentru starea de încărcare a

bateriei

19

BALIZA FOTOVOLTAICĂ

CARACTERISTICI TEHNICE:

Controler-ul de sistem: DAAF - BS/12V Tensiunea de lucru: 12 V Curentul max. de încărcare: 8 A Modul fotovoltaic: 30 – 100 WP

Baterie de acumulatori: 5 – 100 Ah Lămpi cu halogen: 2 x 10 W Consumul propriu: 6 mA Randament maxim: 96 % Temperatura de lucru: 20 – + 50°C

Controler DAAF - 3BS/12V

PREZENTARE GENERALĂ:

• Aprindere/stingere automată în funcţie de lumina naturală

• Baliză luminoasă cu semnal intermitent pentru semnalizări fluviale şi maritime

• Lampă auxiliară pentru asigurarea funcţionării în cazul arderii lămpii principale;

• LED indicator al defectării lămpii principale; • Control total al încărcării/descărcăii bateriei

de acumulatori (logica “fuzzy”) • Simplu de instalat şi de utilizat • LED indicator pentru starea de încărcare a

bateriei • Ideal pentru balize fotovoltaice fluviale şi

maritime în locuri neracordate la reţeaua electrică

20

SISTEME FOTOVOLTAICE (PV)

PENTRU OBIECTIVE SOCIALE ÎN REGIUNI IZOLATE

Sistem realizat şi instalat de ICPE-NESL la Cabana Fântânele, în Munţii Cibinului

CARACTERISTICI PRINCIPALE SISTEM FOTOVOLTAIC (PV):

Generator PV: 12 V sau 24 V, 400 – 1000 WP

Baterie de acumulatori: Pb – acid, 12 V sau 24 V, 500 – 1000 Ah

Controler încărcare baterie: 20 – 40 A, 12 V şi 24 V

Invertor: 150VA /12 V, 250VA / 24 V, 1300 – 2000 VA /24V

21

CARACTERISTICI TEHNICE:

1. Lampă:

putere consumată: 5W - 18W

funcţionare: 2 - 4 ani, în funcţie de operare

2. Modul fotovoltaic:

putere maximă: 25 - 100W

timp de viaţă: 15 - 20 ani

3. Baterie acumulatori:

plumb-acid, 25 - 150Ah/12V

timp de viaţă: 3 - 5ani

4. Controler. funcţii:

praguri de funcţionare sistem la încărcare şi descărcare

start/stop lampă automat

Montare modul fotovoltaic: suport pentru module cu înclinare la unghi solar variabil.

LAMPĂ SOLARĂ DE STRADĂ

22

SEMAFOR FOTOVOLTAIC

CARACTERISTICI TEHNICE:

Controler de baterie: DAAF- 4 SRL Tensiune de lucru: 12 V Curent maxim de încărcare: 8 A Putere modul fotovoltaic: 30 – 100 WP Baterie acumulatori: 12 V / 55 – 100 Ah Arie luminoasă cu LED-uri superluminiscente: 6 W / 12 V Consum propriu : 6 mA Randament maxim: 96 % Domeniu de temperatură: -15° – +45°C

PREZENTARE GENERALĂ: • Sursa de alimentare: modul solar fotovoltaic cu

stocare în baterie de acumulatori • Echipamentul se poate utiliza pentru

semnalizari luminoase intermitente (semafor-galben intermitent) sau continue

• Poate opera în două regimuri de lucru: pemanent sau numai noaptea

• Pentru varianta de semnal luminos intermitent poate comuta automat pe o lampă auxiliară în cazul defectării lămpii principale

• Consum redus de energie în varianta de semnalizare luminoasă intermitentă datorită utilizării unei arii de LED-uri superluminiscente cu o putere totală de 6W (echivalent cu varianta clasică cu bec cu incandescenţă de 150W)

• Sistem electronic cu indicaţii luminoase (LED-uri) despre starea bateriei şi în cazul avarierii lămpii principale (semnalizare intermitentă)

• Monitorizare permanentă a încărcării şi descărcării bateriei

• Uşor de instalat şi utilizat • Echipament recomandat pentru semnalizari

luminoase la reparatii drumuri interurbane, semaforizare în sate şi comune pe drumuri interurbane şi reclame luminoase

Controler DAAF – 4 SRL