Proizvodnja fotovoltaičnih celic za solarne panele

Osnova vsake fotovoltaične instalacije je vedno fotovoltaični modul. Fotovoltaični modul je kombinacija fotonapetostnih celic, ki so med seboj električno povezane. Izraz fotovoltaika je sestavljen iz dveh besed "foto" (iz grščine. Svetloba) in "volt" (Alessandro Volta - 1745-1827, italijanski fizik) - merska enota za napetost v elektrotehniki. Če analiziramo izraz fotovoltaika, lahko rečemo — je pretvarjanje svetlobe v elektriko.

Fotovoltaična celica (sončna celica) se uporablja za pridobivanje električne energije s pretvorbo sončnega sevanja. Fotocelico si lahko predstavljamo kot diodo, sestavljeno iz polprevodnikov n-tipa in p-tipa z oblikovano regijo, osiromašeno z nosilci, zato je neosvetljena fotocelica podobna diodi in jo lahko opišemo kot diodo.

Pri polprevodnikih s širino med 1 in 3 eV lahko največjo teoretično učinkovitost dosežemo do 30 %. Pasovna vrzel je najmanjša energija fotona, ki lahko dvigne elektron iz valenčnega pasu v prevodni pas. Najpogostejše komercialne sončne celice so elementi iz kremena.

Monokristali in polikristali silicija. Silicij je danes eden najpogostejših elementov za izdelavo fotovoltaičnih modulov. Zaradi nizke absorpcije sončnega sevanja pa so sončne celice iz silicijevega kristala običajno izdelane s širino 300 µm. Učinkovitost silicijeve monokristalne fotocelice doseže 17%.

Če vzamemo fotocelico iz polikristalnega silicija, je njen izkoristek za 5% nižji kot pri monokristalnem siliciju. Meja zrn polikristala je rekombinacijski center nosilcev naboja. Velikost kristalov polikristalnega silicija se lahko spreminja od nekaj mm do enega cm.

Galijev arzenid (GaAs). Sončne celice iz galijevega arzenida so v laboratorijskih pogojih že dokazale 25-odstotno učinkovitost. Galijev arzenid, razvit za optoelektroniko, je težko proizvesti v velikih količinah in je precej drag za sončne celice. Uporabljajo se sončne celice iz galijevega arzenida skupaj s sončnimi koncentratorji, kot tudi za kozmonavtiko.

Tehnologija tankoslojnih fotocelic. Glavna pomanjkljivost silicijevih celic je njihova visoka cena. Na voljo so tankoplastne celice iz amorfnega silicija (a-Si), kadmijevega telurida (CdTe) ali bakrovo-indijevega diselinida (CuInSe2). Prednost tankoplastnih sončnih celic je prihranek surovin in cenejša proizvodnja v primerjavi s silicijevimi sončnimi celicami. Zato lahko rečemo, da imajo tankoplastni izdelki možnosti za uporabo v fotocelicah.

Slaba stran je, da so nekateri materiali precej strupeni, zato imata varnost izdelka in recikliranje pomembno vlogo. Poleg tega je telurid vir, ki ga v primerjavi s silicijem izčrpava.Učinkovitost tankoslojnih fotocelic doseže 11% (CuInSe2).

V zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja so sončne celice stale približno 1000 USD/W največje moči in so bile večinoma izdelane v vesolju. V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja se je začela množična proizvodnja fotocelic in njihova cena je padla na 100$/W.Nadaljnji napredek in nižanje cene fotocelic je omogočilo uporabo fotocelic za gospodinjske potrebe.Predvsem za del prebivalstva,ki živi daleč od daljnovodov in standardnih napajalnikov so fotovoltaični moduli postali dobra alternativa.

Na fotografiji je prva sončna celica na osnovi silicija. Ustvarili so jo znanstveniki in inženirji ameriškega podjetja Bell Laboratories leta 1956. Sončna celica je kombinacija med seboj električno povezanih fotovoltaičnih modulov. Kombinacija je izbrana glede na zahtevane električne parametre, kot sta tok in napetost. Ena celica takšne sončne baterije, ki proizvede manj kot 1 vat električne energije, stane 250 dolarjev. Proizvedena elektrika je bila 100-krat dražja kot iz klasičnega omrežja.

Skoraj 20 let se sončni kolektorji uporabljajo samo za vesolje. Leta 1977 so se stroški električne energije znižali na 76 USD na vatno celico. Učinkovitost se je postopoma povečevala: 15 % sredi devetdesetih in 20 % do leta 2000. Trenutni najpomembnejši podatki o tej temi —Učinkovitost sončnih celic in modulov

Proizvodnjo silicijevih sončnih celic lahko v grobem razdelimo na tri glavne faze:

• proizvodnja silicija visoke čistosti;

• izdelava tankih silikonskih podložk;

• namestitev fotocelice.

Glavna surovina za proizvodnjo silicija visoke čistosti je kremenčev pesek (SiO2)2). Talino dobimo z elektrolizo metalurški silicijki ima čistost do 98%. Postopek pridobivanja silicija poteka, ko pesek medsebojno deluje z ogljikom pri visoki temperaturi 1800 °C:

Ta stopnja čistosti ne zadošča za izdelavo fotocelice, zato jo je treba dodatno obdelati. Nadaljnje čiščenje silicija za industrijo polprevodnikov se izvaja tako rekoč po vsem svetu s tehnologijo, ki jo je razvil Siemens.

"Siemensov proces" je čiščenje silicija z reakcijo metalurškega silicija s klorovodikovo kislino, pri čemer nastane triklorosilan (SiHCl3):

Triklorosilan (SiHCl3) je v tekoči fazi, zato se zlahka loči od vodika. Poleg tega ponavljajoča se destilacija triklorosilana poveča njegovo čistost na 10-10 %.

Nadaljnji postopek - piroliza prečiščenega triklorosilana - se uporablja za proizvodnjo polikristalnega silicija visoke čistosti. Nastali polikristalni silicij sicer ne izpolnjuje povsem pogojev za uporabo v industriji polprevodnikov, za solarno fotovoltaično industrijo pa je kakovost materiala zadostna.

Polikristalni silicij je surovina za proizvodnjo monokristalnega silicija. Za proizvodnjo monokristalnega silicija se uporabljata dve metodi — metoda Czochralskega in metoda conskega taljenja.

Metoda Czochralskega je energetsko in materialno intenziven. Relativno majhna količina polikristalnega silicija se napolni v lonček in stopi pod vakuumom.Majhno seme monosilicija pade na površino taline in se nato, zvijajoč, dvigne, zaradi sile površinske napetosti pa za seboj potegne valjasti ingot.

Trenutno so premeri vlečenih ingotov do 300 mm. Dolžina ingotov s premerom 100-150 mm doseže 75-100 cm, kristalna struktura podolgovatega ingota pa ponavlja monokristalno strukturo semena. Povečanje premera in dolžine ingota ter izboljšanje tehnologije njegovega rezanja bo zmanjšalo količino odpadkov in s tem zmanjšalo stroške nastalih fotocelic.

Tehnologija pasov. Tehnološki proces, ki ga je razvila družba Mobil Solar Energy Corporation, temelji na vlečenju silicijevih trakov iz taline in na njih oblikovanju sončnih celic. Matrica je delno potopljena v talino silicija in zaradi kapilarnega učinka se polikristalni silicij dvigne in tvori trak.Talina kristalizira in se odstrani iz matrice. Za povečanje produktivnosti je zasnovana oprema, na kateri je možno sprejeti do devet trakov hkrati. Rezultat je devetstrana prizma.

Prednost pasov je, da so poceni zaradi dejstva, da je izključen postopek rezanja ingota. Poleg tega je pravokotne fotonapetostne celice enostavno dobiti, medtem ko okrogla oblika monokristalnih plošč ne pripomore k dobri umestitvi fotonapetostne celice v fotonapetostni modul.

Nastale polikristalne ali monokristalne silicijeve palice je treba nato razrezati na tanke rezine debeline 0,2-0,4 mm. Pri rezanju palice iz monokristalnega silicija se zaradi izgub izgubi približno 50% materiala.Poleg tega okrogle podložke niso vedno, ampak pogosto izrezane v kvadratno obliko.