SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

SEMINAR IZ KOLEGIJA IZVORI NAPAJANJA ELEKTRONIČKIH UREĐAJA

Paneli solarnih ćelija

Ivana Zrinušić0036453321

Zagreb, siječanj, 2014.

Sadržaj1. Uvod.................................................................................................................................. 3

2. Solarne ćelije......................................................................................................................4

2.1. Poluvodiči...................................................................................................................4

2.2. Princip rada.................................................................................................................4

2.2.1. Izgled solarne ćelije.............................................................................................5

2.2.2. Izravna pretvorba sunčeva zračenja u električnu energiju..................................5

2.3. Parametri solarne ćelije..............................................................................................7

2.3.1. Napon otvorenog kruga......................................................................................7

2.3.2. Struja kratkog spoja.............................................................................................7

2.3.3. Karakteristični otpor............................................................................................8

2.3.4. Točka maksimalne snage.....................................................................................8

2.4. Serijski i paralelni otpor..............................................................................................8

2.5. Snaga i djelotvornost solarne ćelije............................................................................9

2.6. Utjecaj temperature i ozračenja na karakteristike solarne ćelije.................................10

3. Solarni paneli...................................................................................................................11

3.1. Dijelovi solarnih sustava...........................................................................................12

3.2. Samostalni fotonaponski sustavi..............................................................................13

3.3. Mrežni solarni sustavi...............................................................................................14

3.3.1. Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije..............................................................................................................14

3.3.2. Fotonaponski sustavi izravno priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu. . .15

4. Proizvodnja solarnih ćelija...............................................................................................16

4.1. Materijali..................................................................................................................16

4.1.1. Kristalni silicij.....................................................................................................17

4.1.2. Kadmij telurid....................................................................................................17

4.1.3. Bakar-indiij-galij-selen.......................................................................................17

4.1.4. Višespojni galij arsenid......................................................................................18

4.1.5. Fotoosjetljivi pigmenti (DSSC)...........................................................................18

4.1.6. Organske/polimerne solarne ćelije....................................................................18

4.1.7. Amorfni silicij.....................................................................................................18

5. Zaključak..........................................................................................................................19

6. Literatura......................................................................................................................... 20

1. Uvod

U današnje vrijeme potrebe za energijom u svijetu sve su veće, a za njeno dobivanje još uvijek se najviše koriste fosilna goriva. Njihove zalihe sve se brže troše i jako zagađuju okoliš, osobito emisijom plinova, što doprinosi globalnom zatopljenju i klimatskim promjenama na Zemlji. Stoga su ljudi počeli tražiti nove obnovljive izvore energije koji ne bi štetno utjecali na okoliš. Među njima posebnu pažnju dobiva energija Sunca.

Sunce je glavni izvor elektromagnetskog zračenja koje dolazi do Zemlje. Ono nastaje termonuklearnim reakcijama u unutrašnjosti kojima se stvaraju ogromne količine energije. Energija koja se oslobodi u samo jednoj sekundi veća je od ukupne energije koju su ljudi potrošili od nastanka civilizacije. Iako do Zemlje dolazi samo mali dio toga zračenja, ono je ipak dovoljno da pokrije cjelokupne ljudske potrebe za energijom.

Na slici 1 vidimo usporedbu godišnjeg sunčevog zračenja na površini Zemlje sa ukupnom godišnjom potrošnjom energije u svijetu. Lako je zaključiti kako je potencijal energije sunčevog zračenja više puta veći od svjetske potrošnje, kao i od zaliha fosilnih i nuklearnih goriva. A s obzirom kako je Sunce obnovljivi izvor energije i neće nestati još bar 5 milijardi godina, intenzivno se istražuju postupci pretvorbe njegove energije u iskoristivu.

Iako se većina obnovljivih izvora energije na neki način dobiva od sunca, u ovom seminaru promotrit ćemo direktnu pretvorbu korištenjem fotoelektričnog učinka. Pretvorba se odvija pomoću elektroničkog uređaja koji se naziva solarna ćelija. Kada je izložena sunčevom svjetlu, solarna ćelija na svojim krajevima stvara elektromotornu silu i na taj način se može upotrijebiti kao izvor električne energije. Više ćelija povezujemo u solarni panel ako nam je potrebno više energije.

Slika 1:Usporedba različitih izvora energije i njene potrošnje

2. Solarne ćelije

Solarna ćelija je poluvodički uređaj koji sunčevu energiju izravno pretvara u električnu pomoću fotoelektričnog efekta. Naziva se još i fotonaponska ćelija ukoliko izvor svjetlosti nije nužno Sunce i mogu se koristiti za detekciju svjetlosti kod drugih oblika elektromagnetskog zračenja čije su valne duljine blizu onima u vidljivom spektru.

S obzirom da je solarna ćelija ubiti poluvodička dioda (PN spoj) nastaje od kristala poluvodiča.

2.1. Poluvodiči

Čisti poluvodiči sastoje se od atoma samo jednog elementa. U njegovom energijskom dijagramu na temperaturi termodinamičke nule vodljivi pojas mu je prazan dok je valentni popunjen elektronima. Povećanjem temperature nastaju parovi elektron-šupljina. Broj elektrona i šupljina u čistom vodiču je uvijek jednak. Toplinskom pobudom, ozračivanjem elektromagnetskim valovima ili radioaktivnim zračenjem elektroni mogu prelaziti u vodljivi pojas. Tako uzrokovana vodljivost naziva se fotovodljivost.

Dodavanjem primjesa čistom poluvodiču može se dobiti n ili p tip poluvodiča. Ako atom poluvodiča u kristalnoj rešetci zamijenimo primjesom koja ima veću valenciju, odnosno jedan elektron više u kovalentnom pojasu, taj elektron će biti slabo vezan za atom i može otići u vodljivi pojas. Takva primjesa naziva se donor i poluvodič je tada n-tipa. Ukoliko primjesa ima valenciju manju za jedan od poluvodiča nastaje dodatna šupljina. Takva primjesa naziva se akceptor i poluvodič je tada p-tipa.

Poluvodička dioda nastaje kada se jednom dijelu čistog vodiča dodaju donorske, a drugom akceptorske primjese. Na granici između područja p i n područja nastaje difuzija elektrona iz n u p i difuzija šupljina iz p u n područje. Svojstvo takvog spoja je njegovo ispravljačko djelovanje jer lakše vodi struju kada je p područje pozitivno, a n negativno, odnosno radi kao dioda.

2.2. Princip rada

Pomoću fotoelektričnog efekta u solarnim ćelijama sunčeva se energija pretvara u električnu. Kada ćelija apsorbira fotone iz sunčeve svjetlosti na njenim se krajevima stvara elektromotorna sila i ona postaje izvorom električne energije.

2.2.1. Izgled solarne ćelije

Slika 2:Solarna ćelija

Na slici 2 vidimo izgled solarne ćelije. Na površini pločice p tipa poluvodiča difundirane su primjese donora tako da na tankom površinskom sloju nastane područje n-tipa. Na prednjoj strani pločice nalazi se metalna rešetka kako bi se mogli skupljati naboji nastali apsorpcijom fotona iz sunčeva zračenja, dok je zadnja strana prekrivena metalnim kontaktom. Metalna rešetka na prednjoj strani treba pokrivati što manju površinu ćelije kako ne bi sprječavala apsorpciju fotona. Djelotvornost ćelije može se povećati stavljanjem prozirnog antirefleksijskog sloja kako bi se smanjilo reflektiranje zračenja.

2.2.2. Izravna pretvorba sunčeva zračenja u električnu energijuKada je solarna ćelija osvijetljena, unutar nje apsorpcijom fotona nastaju parovi elektron-šupljina. Ukoliko taj par nastane unutar ili u blizini PN spoja, elektron i šupljina se odvajaju zbog unutrašnjeg električnog polja koje postoji u osiromašenom području. Elektron odlazi prema n, a šupljina prema p području zbog čega dolazi do pojave elektromotorne sile na krajevima ćelije. Zbog toga kontakt na p dijelu postaje pozitivan, a na n dijelu negativan, odnosno stvara se razlika napona među njima. Ako su kontakti spojeni s vanjskim trošilom kroz njega će poteći električna struja (Slika 3).

Slika 3: Solarna ćelija kao izvor električne energije

Solarne ćelije proizvode napon od 0.5-0.6 V uz gustoću struje oko 30 mA/cm2. Kada nam je potreban veći napon ili snaga više ćelija mogu se povezivati serijski ili paralelno i na taj način nastaju solarni paneli.

Slika 4: Nadomjesna shema solarne ćelije

Kada solarna ćelija nije osvijetljena kroz nju protječe struja I d definirana Shockleyevom jednadžbom:

I d=I 0(eqUmkT−1)

U = napon na solarnoj ćelijim = faktor idealnosti diodeq = naboj elektronak = boltzmannova konstantaT = temperaturaI 0= struja zasićenja diode

Osvjetljavanjem solarne ćelije stvaraju se parovi nosilaca koji se razdvajaju i posljedica toga je nastajanje fotostruje I s te se ćelija ponaša kao strujni izvor. Ukoliko na njene kontakte priključimo trošilo kroz njega će teći struja I jednaka razlici struja I d i I s:

I=I d−I s=I 0(eqUmkT−1)−I s

Solarna ćelija se sad ponaša kao izvor stalne struje paralelno spojen s diodom. Serijski otpor R s ovisi o materijalu i izradi, a paralelni Rp o osobinama ćelije.

Slika 5: I-U karakteristika solarne ćelije

Na slici 5 prikazana je I-U karakteristika solarne ćelije. Iscrtani pravokutnik odgovara maksimalnoj snazi koju možemo dobiti. Stoga je najvažniji dio karakteristike u IV. kvadrantu s obzirom da se unutar njega nalazi radno područje diode kada ona može davati električnu energiju. Dogovorno se vrijednost struje uzima pozitivno pa se karakteristika uobičajeno prikazuje u I. kvadrantu. Strujno-naponska karakteristika najpotpunije opisuje solarnu ćeliju i na njoj se definiraju njeni osnovni parametri.

Pri mjerenju karakteristike ćelija je spojena na radni otpor i promjenjivi izvor napona. Zatim se ozrači ili sunčevim zračenjem ili svjetiljkom čiji je spektar sličan sunčevom, mijenja se napon izvora i mjere se napon i struja na ćeliji .

2.3. Parametri solarne ćelije

2.3.1.Napon otvorenog krugaNapon otvorenog kruga U ok je napon koji postoji na stezaljkama solarne ćelije u režimu otvorenog kruga, tj kada je I = 0. Uvrštavanjem te vrijednosti u jednadžbu dobiva se vrijednost tog napona:

Uok=kTeln( I sI 0 +1)−Rs I

R s je potrebno uključiti samo ukoliko nije zanemariv ili ako su nam potrebni precizniji izračuni. Vidimo da napon ovisi o temperaturi, struji I s koja raste s porastom zračenja i struji zasićenja I 0 koja treba biti što manja.

Napon otvorenog kruga mijenja se logaritamski sa ozračenjem(Slika 6).

2.3.2.Struja kratkog spojaStruja kratkog spoja I ks je struja koja teče kada je napona na stezaljkama solarne ćelije jednak 0 i ona je jednaka fotostruji I s.

Struja kratkog spoja praktički je linearno proporcionalna ozračenju(Slika 6).

Slika 6: Utjecaj sunčevog zračenja na napon otvorenog kruga i struju kratkog spoja

2.3.3.Karakteristični otporKarakteristični otpor Rk definira se omjerom napona otvorenog kruga i struje kratkog spoja:

Rk=U ok

I ks

2.3.4.Točka maksimalne snageTočka maksimalne snage Pm je točka u kojoj solarna ćelija daje najveću moguću snagu. Maksimalna snaga odgovara najvećoj površini pravokutnika koji se može upisati u I-U karakteristiku.

Slika 7:Osnovni parametri solarne ćelije

2.4. Serijski i paralelni otpor

U preciznim proračunima struje i napona ćelije potrebno je uključiti serijski i paralelni otpor.

Serijski otpor ćelije je onaj na koji nailazi struja kada teče kroz površinu ćelije prema kontaktima. Pridonose mu otpor materijala i otpor kontakata. Najvažnija posljedica postojanja serijskog otpora jest smanjenje faktora punjenja, a ukoliko ima veće vrijednosti može doći i do smanjenja struje kratkog spoja. Iznos ovog otpora se mijenja s promjenom temperature i razine zračenja. Poželjno je da ovaj otpor bude što manji.

Paralelni otpor uzrokovan je lokalnim defektima u PN-spoju. Idealno bi bio beskonačan, ali u realnim slučajevima dolazi do gubitaka zbog postojanja otjecajnih struja koje su proporcionalne naponu na ćeliji. Ukoliko je rijednost ovog otpora mala, dio fotostruje otječe što je posebno značajno kod malih vrijednosti ozračenja. Ovi gubitci su nestalni i nelinearni te se razlikuju za svaku ćeliju.

Utjecaj serijskog i paralelnog otpora na I-U karakteristiku vidimo na slici 8. On se može zanemariti samo u slučaju kada je serijski otpor puno manji, a paralelni otpor puno veći od karakterističnog otpora.

Slika 8: Utjecaj serijskog i paralelnog otpora na I-U karakteristiku

2.5. Snaga i djelotvornost solarne ćelije

Snaga koju daje solarna ćelija jednaka je umnošku struje I i napona U, a njen maksimum može se naći traženjem ekstrema funkcije. Maksimalna snaga:

Pm=Um Im=Uok I ksF

Za napone manje od Um struja je veća od Im , ali je umnožak UI , zbog manjeg pada napona, manji od maksimalne snage. Za napone veće od Umstruja opada prema nuli pa se smanjuje i snaga UI.

Maksimalna snaga može se prikazati i preko napona otvorenog kruga i struje kratkog spoja. F u jednadžbi je faktor punjenja. Faktor punjenja je omjer površine pravokutnika čije su stranice Umi Im (najveći pravokutnik koji se može upisati u I-U karakteristiku) i pravokutnika sa stranicama U ok i I ks. Vrijednost faktora punjenja govori o tome koliko se stvarna ćelija približava idealnoj, odnosno koliki je utjecaj serijskog otpora ćelije. U praksi je vrijednost faktora punjenja obično između 0,7 i 0,9 i opada linearno s omjerom R s/Rk i Rk /Rp.

Djelotvornost solarne ćelije η definira se kao omjer između maksimalne snage koju ćelija može dati i snage Sunčeva zračenja koje upada na ćeliju:

η=PmPu

=PmEA

=Um ImEA

=FU ok I ksEA

E = ozračenje površineA = površina solarne ćelije

Djelotvornost solarne ćelije je to veća što je faktor punjenja bliži jedinici i što je veći iznos struje kratkog spoja. Najveća djelotvornost solarne ćelije pri određenom ozračenju i temperaturi postiže se ukoliko je na solarnu ćeliju spojen optimalni iznos potrošača.

2.6. Utjecaj temperature i ozračenja na karakteristike solarne ćelije

Promjenom temperature mijenjaju se i karakteristike solarne ćelije. Promjena fotostruje, odnosno struje kratkog spoja s temperaturom je mala i često se može zanemariti. napon otvorenog kruga opada s porastom temperature.

Opadanje vrijednosti napona otvorenog kruga više je izraženo od porasta struje kratkog spoja, što rezultira i ukupnim opadanjem snage te djelotvornosti solarne ćelije. U praksi je porast temperature solarne ćelije uvijek povezan s povećanjem intenziteta upadnog Sunčeva zračenja. Intenzitet upadnog zračenja ovisi o čitavom nizu parametara kao što su kut upada θ, doba dana i godine, utjecaj atmosferskih prilika, zasjenjivanje ćelije od strane okolnih objekata i sl. Iznos upadnog zračenja određuje iznos struje kratkog spoja jer je veće zračenje stvara više parova nosilaca. Ovisnost napona otvorenog kruga o zračenju je logaritamska pa će njegova promjena biti puno manje izražena.

Slika 9: Utjecaj temperature na I-U karakteristiku Slika 10: Ovisnost napona otvorenog kruga, struje kratkog spoja i djelotvornosti o temperaturi

3. Solarni paneli

Da bismo dobili veću snagu solarne ćelije moguće je povezivati u veće cjeline koje onda nazivamo solarni paneli. Povezivanje može biti izvedeno na dva načina, serijski i paralelno. Paralelno povezivanje izvodi se tako da se svi + polovi spoje na jedan vodič, a svi – polovi na drugi. Tako povećanjem površine dolazi do povećanja struje. Kod serijskog spajanja naizmjenično se spajaju + i – polovi ćelija u nizu i povećanjem površine panela raste njegov napon.

Pri proizvodnji solarnog panela ćelije se najprije spajaju serijski kako bi se povećao nominalni napon, i nakon toga u paralelu da bi se povećala maksimalna struja koju panel može proizvesti.

Postoji mogućnost da u serijskom nizu solarnih ćelija neke od njih budu zasjenjene ili oštećene i one u tom slučaju predstavljaju trošilo. Da bi se to izbjeglo, paralelno sa solarnom ćelijom spaja se dioda koja u slučaju da ćelija predstavlja trošilo omogućuje prolaz struje po putu niskog otpora. Takve diode nazivaju se by-pass diode.

U paralelno spojenim serijskim lancima može se dogoditi da jedan lanac proizvodi veći napon od drugih i u tom slučaju bi struja tekla iz jednog lanca u drugi i stoga bi se smanjila struja koju dobiva trošilo. Stoga se u seriju sa svakim od lanaca stavlja dioda kako struja ne bi mogla teći natrag u lanac. One se nazivaju blocking diode i također služe za sprječavanja pražnjenja akumulatora (ako panel u njega pohranjuje energiju) u vrijeme kada panel ne proizvodi energiju.

Slika 9: Struktura solarnog panela

Fotonaponske sustave koji su sačinjeni od više solarnih panela moguće je podijeliti u dvije osnovne skupine, sustave koji jesu priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu te one koji nisu. Elemente takovog sustava najvećim dijelom određuju karakteristike građevine na koji se ugrađuju. Ukoliko u blizine ne postoji elektroenergetski sustav ili je priključna točka daleko s ekonomskog aspekta više se isplati sagraditi vlastiti mrežni sustav.

Slika 10:Osnovna podjela fotonaponskih sustava

3.1. Dijelovi solarnih sustava

Elementi fotonaponskih (solarnih) sustava su fotonaponski (solarni) paneli, akumulatori, pretvarač (inverter), regulator punjenja, ugradbeni dijelovi i provodnici.

Osnovni dio sustava je solarni panel koji je sastavljen od više solarnih ćelija i koji sunčevu energiju pretvara u električnu.

Akumulatori su spremišta neiskorištene energije koju solarni paneli proizvedu dok su izloženi sunčevom zračenju (vrijeme punjenja), a izvori energije kada solarni paneli nisu osvijetljeni i ne mogu je sami proizvesti (vrijeme pražnjenja). Njihov način rada je ciklički jer se razdoblja punjenja i pražnjenja izmjenjuju. Takav način rada skraćuje život baterije pa je vrlo važna povećana izdržljivost. Drugi važan zahtjev je stupanj iskorištenja što znači da je između dobivene i utrošene energije baterije što manja razlika. Baterije koje ispunjavaju ta dva uvjeta nazivaju se solarne.

Regulator napona ili kontroler punjenja se postavlja između solarnih panela i akumulatora kako bi promjenjivi napon iz panela pretvarao u kontrolirani napon kojim se pune baterije i istodobno štiti akumulator od prenapunjenosti ili predubokog pražnjenja.

Inverter vrši pretvorbu istosmjernog napona od 12 ili 24 V u izmjenični napon 230 V. nesmetani rad svih standardnih električnih uređaja omogućuju sinusni inverteri pa se stoga preporučuju.

3.2. Samostalni fotonaponski sustavi

Samostalni ili off-grid fotonaponski sustavi nisu priključeni na mrežu, a mogu biti sa ili bez pohrane energije te hibridni ako imaju još neki izvor električne energije. Koriste se na mjestima gdje nije moguće ili je preskupo izgraditi električnu mrežu.

Pri projektiranju takvih sustava potrebno je napraviti temeljitu procjenu potrošnje i dimenzionirati ga za najnepovoljniji period. Stoga stalno treba imati na umu da sustav u svakom trenutku treba osiguravati dovoljno energije. Tako se korisniku osigurava potpuna energetska neovisnost i ne mora plaćati račune za električnu energiju.

Nedostatak ovih sustava je u tome što broj sunčanih sati nije jednak tokom cijele godine, tako da je u zimskim mjesecima proizvodnja energije manja. To se može nadoknaditi povećanjem kapaciteta skladištenja energije ukoliko se ono koristi te korištenjem uređaja veće potrošnje preko dana kada je sunčano.

Kod samostalnih sustava proizvedena energija mora se skladištiti na licu mjesta što se može postići akumulatorima. Kod izuzetno velikih sustava moguće je energiju uskladištiti kao potencijalnu sa sustavom dvije vodene akumulacije na različitim nadmorskim visinama povezane pumpom.

Ovakvi sustavi mogu biti izvedeni i kao hibridni. U njima se trošila napajaju solarnim panelima ili vjetroagregatom dok se višak energije pohranjuje u akumulatore. Kada se njima ne može proizvesti energija njen izvor će biti akumulator. U slučaju da je i akumulator prazan uključuje se generator na dizel ili biodizel gorivo.

Slika 11:Shema hibridnog sustava

3.3. Mrežni solarni sustavi

Mrežni ili on-grid fotonaponski sustavi ne trebaju akumulatore jer su spojeni na električnu mrežu. Danju tijekom sunčanog vremena višak predaju mreži, a noću se manjak pokriva iz nje. Postoje i pasivni sustavi koji imaju akumulatore, a električnu mrežu koriste samo kao pričuvni izvor kada nemaju dovoljno energije.

U mrežnim sustavima inverteri osiguravaju sinkronizaciju između fotonaponskih kolektora i mreže te preuzimaju ulogu regulatora punjenja.

Prednost ovakvih sustava je što ne treba akumulirati proizvedenu energiju već se ona predaje direktno u javnu mrežu.

3.3.1.Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije

Ovako priključeni sustavi pripadaju distribuiranoj proizvodnji električne energije. Omogućuju povezivanje na sustave priključene na niskonaponsku razinu elektroenergetskog sustava. Instalirana snaga im je većinom do stotinjak kW. Ugrađuju se na krovove ili fasade građevina.

Temeljne komponente fotonaponskog sustava, priključenog na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije prikazane su na slici. To su: 1. fotonaponski moduli 2. spojna kutija sa zaštitnom opremom 3. kablovi istosmjernog razvoda 4. glavna sklopka za odvajanje 5. izmjenjivač dc/ac 6. kablovi izmjeničnog razvoda 7. brojila predane i preuzete električne energije

Slika 12: Fotonaponski sustav priključen na mrežu preko kućne instalacije

Prednosti fotonaponskih sustava, kao distribuirane proizvodnje električne energije, spojenih na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije su sljedeće: 1. proizvodi se ekološki čista električna energija bez onečišćenja okoliša 2. sva se pretvorba energije obavljala u blizini mjesta potrošnje 3. nema gubitaka energije u prijenosu i distribuciji 4. pouzdanost i sigurnost opskrbe

5. troškovi održavanja postrojenja znatno su niži od održavanja centraliziranih proizvodnih objekata 6. lokacije za instalaciju fotonaponskih sustava u odnosu na velike centralizirane proizvodne sustave, jednostavnije je, lakše i brže pronaći 7. jednostavna i brza instalacija te puštanje u pogon

3.3.2.Fotonaponski sustavi izravno priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu

Ovi sustavi izravno su spojeni na javnu energetsku mrežu i svu energiju koju proizvedu predaju u elektroenergetski sustav. Uglavnom se rade na većim površinama u blizini mreže i velikih su snaga. Predstavljaju prve sunčeve fotonaponske elektrane.

Slika 13: Fotonaponski sustav izravno priključen na elektroenergetsku mrežu

4. Proizvodnja solarnih ćelija

Solarne ćelije imaju znatno ubrzan tehnološki napredak u istraživanju materijala za njihovu izradu i pronalasku novih koncepata i procesa njihove izrade. Kao osnovni materijal u njihovoj proizvodnji dominira silicij.

Slika 14: Primjer postupka proizvodnje solarnih modula

4.1. Materijali

U proizvodnji solarnih ćelija mogu se koristiti materijali različite učinkovitosti i cijene. Efikasne solarne ćelije načinjene su od materijala čije se karakteristike slažu sa spektrom dostupnog svjetla. Ovisno o potrebama ćelije mogu biti optimirane za pretvaranje sunčevom svjetla koje dopire do zemljine površine, ali i za apsorpciju svjetla izvan atmosfere.

Trenutno korišteni materijali za izradu solarnih ćelija su monokristalni, polikristalni i amorfni silicij, kadmij-telurid i indij-selen.

4.1.1.Kristalni silicijKristalni silicij je materijal koji se najčešće koristi u proizvodnji solarnih ćelija. Tehnologija proizvodnje temeljena na pločicama kristalnog silicija je dominantna iz nekoliko razloga, dosta je raširena i poznata, dokazana je njena pouzdanost, a znanje i tehnologija potječu iz elektroničke industrije.

Prema kristalnosti i veličini kristala silicij se može podijeliti u monokristalni, polikristalni i trakasti.

Polikristalni silicij proizvodi se postupkom Czochralskog. U rastaljeni silicij visoke čistoće ubacuje se kristalna jezgra te se njenim rotiranjem i polaganim izvlačenjem na njoj kristalizira silicij. Tako proizvedene šipke se kasnije režu u tanke pločice od koji se mogu izrađivati solarne ćelije. Nedostatak kristalnog silicija je cijena koja je prilično visoka jer su tehnološki postupci kojima se dobiva jako skupi. Druga loša strana je što se tijekom izrade gubi više od polovice materijala jer se iz cilindričnih poluga rade pravokutni moduli. Stoga često takvi paneli imaju praznine u kutovima ćelija.

Polikristalni silicij napravljen je od lijevanih pravokutnih poluga. One se dobivaju taljenjem silicija te njegovim pažljivim hlađenjem. Proizvodnja solarnih ćelija polikristalnim silicijem je jeftinija, ali su one manje efikasne.

Vrsta polikristalnog silicija je i trakasti koji se formira izvlačenjem tankih filmova iz rastaljenog silicija. Imaju još nižu efikasnost, ali su im i troškovi izrade najniži i nije potrebno rezati silicij iz poluga.

Od silicija je moguće raditi i tanke filmove. Ova tehnologija smanjuje količinu materijala potrebnog za izradu solarne ćelije, ali i smanjuje učinkovitost pretvorbe energije. Podloga, koja je najčešće staklo ili nehrđajući čelik, se prekriva tankim slojevima silicija. Takve ćelije su manje težine, fleksibilnije, lakše za integraciju i jeftinije u odnosu na pločaste ćelije.

4.1.2.Kadmij teluridU tehnologiji tankog filma kao materijal se može koristiti kadmij telurid kao poluvodički sloj. Pogodan je za upotrebu u tankim PV modulima zbog fizikalnih svojstava i jeftinih tehnologija izrade. Jeftiniji je od silicija, međutim toksičan je ukoliko se slučajno ispusti iz ćelije. Ispuštanje je nemoguće tijekom normalnog rada ćelije, a do opasnosti dolazi ukoliko dođe do požara kod njih.

4.1.3.Bakar-indiij-galij-selenOvaj materijal ima najveću učinkovitost u tehnologiji tankog filma. Ćelije se proizvode koristeći procese u vakuumu poput umjetnog isparavanja i raspršivanja. Trenutno se radi na istraživanjima koja imaju za cilj proizvodnju ovakvih ćelija bez korištenja vakuuma.

4.1.4.Višespojni galij arsenidOve ćelije izvorno su bile namijenjene za korištenje u satelitima i istraživanjima svemira. Sastoje se od višestrukih tankih filmova. Svaki tip poluvodiča najučinkovitije apsorbira svjetlost određene boje, pa se tanki filmovi biraju tako da ćelija upija gotovo cijeli sunčev spektar.

4.1.5.Fotoosjetljivi pigmenti (DSSC)Ove ćelije napravljene su od jeftinih materijala i ne zahtijevaju složene postupke izrade. Jeftinije su od ćelija iz tankog filma, ali i neučinkovitije. Međutim mogu se izraditi i kao savitljivi listovi što im je prednost. Proizvode se printanjem na film ili uporabom ultrazvučnih štrcaljki. Pigmenti se vremenom degradiraju pod utjecajem topline i svjetla, a kućište je teško zabrtviti.

4.1.6.Organske/polimerne solarne ćelijeOvo je relativno nova tehnologija, no ima znatno niže cijene izrade ćelija. Ćelije mogu biti obrađene iz otopine pa je moguć jednostavan kotrljajući proces ispisa. Izrađene su od tankih filmova organskih poluvodiča i ugljikovih fulerena. Učinkovitost pretvorbe energije im je niska, ali se znatno poboljšava zadnjih godina. Korisne su u primjenama gdje je bitna mehanička fleksibilnost i mogućnost neškodljivog uklanjanja.

4.1.7.Amorfni silicijProizvodnja se zasniva na nanošenju tankog sloja silicija u amorfnom sloju na podlogu. Time je potrošnja materijala u odnosu na kristalni silicij uvelike smanjena. Posebnosti amorfnog silicija posljedica su njegove strukture. U njemu nema pravilne kristalne strukture i postoji velik broj slobodnih veza. Amorfni silicij ima velik apsorpcijski faktor koji je čak za red veličine veći od kristalnog silicija.

Dodavanjem vodika popravljaju se električne karakteristike amorfnog silicija jer on smanjuje broj slobodnih veza, ali ujedno i apsorpciju. Dodavanje uobičajenih primjesa fosfora i bora ne postiže se velik učinak upravo zbog tih slobodnih veza. Međutim dodavanjem drugih primjesa (C, Ge, O i N) značajno se mijenjaju karakteristike dobivenog materijala.

Karakteristična pojava kod solarnih ćelija od amorfnog silicija je značajno smanjenje djelotvornosti u prvih nekoliko dana izloženosti svjetlu. Ćelija se stabilizira tek nakon nekoliko mjeseci rada, ali do tada joj djelotvornost padne petnaestak posto. Zagrijavanjem u mraku na temperaturi 150 stupnjeva to se poništava i ćelija se vraća u svoje prvobitno stanje.

5. ZaključakSunce je obnovljiv i neograničen izvor energije koji nam je uvijek dostupan i potrebno ga je iskoristiti. Posljednjih godina istraživanja načina njegovog iskorištavanja su uvelike napredovala i sve intenzivnije se radi na poboljšanju učinkovitosti solarnih panela. Sudeći prema sadašnjem stanju i istraživanjima koja idu u tom smjeru, korištenje solarnih panela bi trebalo postati sve češćim izvorom energije.

Mnoge države nude posebne poticaje za postavljanje solarnih panela na kuće te po povlaštenoj cijeni otkupljuju višak proizvedene energije. Nastoji se potaknuti uporaba sunčevog zračenja kao izvora energije.

U odnosu na fosilna goriva zagađenje okoliša je znatno manje, i Sunce kao izvor energije nije ograničeno, za razliku od fosilnih goriva koja se sve brže troše.

Iako učinkovitost solarnih panela nije prevelika, količina sunčevog zračenja koje dolazi na Zemlju čak i uz tolike gubitke omogućuje proizvodnju dovoljno energije za potrebe ljudskog društva. Stoga kao nezagađujući, obnovljiv i neograničen izvor energije, sunčevo zračenje zasigurno ima veliku uporabu u budućnosti.

6. Literatura

http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija

http://hr.wikipedia.org/wiki/Fotonaponski_sustavi

http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_%C4%87elija

http://bib.irb.hr/datoteka/248034.T.Betti_-_Testiranje_FN_modula_u_realnim_uvjetima.pdf

http://www.solarni-paneli.hr/pdf/01_handbook_fotonapon.pdf

http://www.ieee.hr/_download/repository/ZR09IKonta.pdf

https://www.fer.hr/_download/forum/Paneli_sun%C4%8Danih_%C4%87elija-seminar.pdf