Sursa: www.energy.gov
Când lumina strălucește pe o celulă fotovoltaică (PV) - numită și celulă solară - acea lumină poate fi reflectată, absorbită sau poate trece chiar prin celulă. Celula PV este compusă din material semiconductor; „semi” înseamnă că poate conduce electricitatea mai bine decât un izolator, dar nu la fel de bine ca un conductor bun ca un metal. Există mai multe materiale semiconductoare diferite utilizate în celulele fotovoltaice.
Când semiconductorul este expus la lumină, absoarbe energia luminii și o transferă în particule încărcate negativ din materialul numit electroni. Această energie suplimentară permite electronilor să curgă prin material ca un curent electric. Acest curent este extras prin contacte metalice conductive - liniile asemănătoare rețelei pe celulele solare - și poate fi apoi utilizat pentru alimentarea locuinței dvs. și a restului rețelei electrice.
Eficiența unei celule fotovoltaice este pur și simplu cantitatea de energie electrică care iese din celulă în comparație cu energia din lumina care strălucește pe ea, ceea ce indică cât de eficientă este celula la conversia energiei de la o formă la alta. Cantitatea de electricitate produsă din celulele fotovoltaice depinde de caracteristicile (cum ar fi intensitatea și lungimile de undă) ale luminii disponibile și de atributele multiple de performanță ale celulei.
O proprietate importantă a semiconductoarelor fotovoltaice este spațiul de bandă, care indică ce lungimi de undă ale luminii materialul poate absorbi și transforma în energie electrică. Dacă spațiul de bandă al semiconductorului se potrivește cu lungimile de undă ale luminii care strălucește pe celula PV, atunci acea celulă poate folosi în mod eficient toată energia disponibilă.
Aflați mai multe mai jos despre cele mai frecvent utilizate materiale semiconductoare pentru celulele fotovoltaice.
SILICIU
Siliconis, de departe, cel mai comun material semiconductor utilizat în celulele solare, reprezentând aproximativ 95% din modulele vândute astăzi. Este, de asemenea, al doilea material cel mai abundent de pe Pământ (după oxigen) și cel mai comun semiconductor utilizat în cipurile de computer. Celulele de siliciu cristaline sunt formate din atomi de siliciu conectați între ei pentru a forma o rețea de cristal. Această rețea oferă o structură organizată care face conversia luminii în electricitate mai eficientă.
Celulele solare fabricate din siliciu oferă în prezent o combinație de eficiență ridicată, cost redus și durată lungă de viață. Se așteaptă ca modulele să dureze 25 de ani sau mai mult, producând în continuare mai mult de 80% din puterea lor originală după această perioadă.
FOTOVOLTAICI DE FILM SUBȚIR
O celulă solară cu film subțire este realizată prin depunerea unuia sau mai multor straturi subțiri de material PV pe un material de susținere, cum ar fi sticlă, plastic sau metal. Pe piață există astăzi două tipuri principale de semiconductori PV cu film subțire: telurură de cadmiu (CdTe) și diselenură de indiu-galiu de cupru (CIGS). Ambele materiale pot fi depuse direct pe partea din față sau din spate a suprafeței modulului.
CdTe este al doilea cel mai frecvent material PV după siliciu, iar celulele CdTe pot fi fabricate folosind procese de fabricație cu costuri reduse. Deși acest lucru le face o alternativă rentabilă, eficiența lor nu este încă' atât de mare ca siliciu. Celulele CIGS au proprietăți optime pentru un material fotovoltaic și eficiență ridicată în laborator, dar complexitatea implicată în combinarea a patru elemente face trecerea de la laborator la producție mai dificilă. Atât CdTe cât și CIGS necesită mai multă protecție decât siliciu pentru a permite o operare de lungă durată în exterior.
FOTOVOLTAICI PEROVSKITE
Celulele perovskitesolare sunt un tip de celule cu peliculă subțire și sunt numite după structura lor cristalină caracteristică. Celulele perovskite sunt construite cu straturi de materiale care sunt tipărite, acoperite sau depuse în vid pe un strat de suport subiacent, cunoscut sub numele desubstrat.Sunt de obicei ușor de asamblat și pot atinge eficiențe similare cu siliciu cristalin. În laborator, eficiența celulelor solare perovskite s-a îmbunătățit mai repede decât orice alt material PV, de la 3% în 2009 la peste 25% în 2020. Pentru a fi viabile din punct de vedere comercial, celulele PV perovskite trebuie să devină suficient de stabile pentru a supraviețui 20 de ani în aer liber, astfel încât cercetătorii lucrează pentru a le face mai durabile și pentru a dezvolta tehnici de fabricație la scară largă și cu costuri reduse.
FOTOVOLTAICE ORGANICE
Celulele PV organice sau OPV sunt compuse din compuși (organici) bogați în carbon și pot fi adaptate pentru a îmbunătăți o funcție specifică a celulei PV, cum ar fi bandgap, transparență sau culoare. Celulele OPV sunt în prezent doar la jumătate la fel de eficiente ca celulele de siliciu cristaline și au o durată de viață mai scurtă, dar ar putea fi mai puțin costisitoare de fabricat în volume mari. Ele pot fi, de asemenea, aplicate pe o varietate de materiale de susținere, cum ar fi plasticul flexibil, făcând OPV capabil să servească o gamă largă de utilizări.
PUNCTE CUANTICE
Celulele solare cu puncte cuantice conduc electricitatea prin mici particule din diferite materiale semiconductoare la doar câțiva nanometri lățime, numite puncte cuantice. Punctele cuantice oferă o nouă modalitate de procesare a materialelor semiconductoare, dar este dificil să creăm o conexiune electrică între ele, deci în prezent nu sunt foarte eficiente. Cu toate acestea, sunt ușor de transformat în celule solare. Acestea pot fi depuse pe un substrat folosind o metodă de stropire, un spray sau imprimante tip roll-to-roll, precum cele utilizate pentru tipărirea ziarelor.
Punctele cuantice vin în diferite dimensiuni, iar spațiul lor de bandă este personalizabil, permițându-le să colecteze lumină dificil de captat și să fie asociată cu alți semiconductori, cum ar fi perovskite, pentru a optimiza performanța unei celule solare cu mai multe funcții (mai multe despre cele de mai jos).
FOTOVOLTAICE MULTIJUNCȚIONALE
O altă strategie pentru îmbunătățirea eficienței celulelor fotovoltaice este stratificarea mai multor semiconductori pentru a produce celule solare cu funcții multiple. Aceste celule sunt în esență stive de diferite materiale semiconductoare, spre deosebire de celulele cu joncțiune simplă, care au un singur semiconductor. Fiecare strat are o bandă diferită, astfel încât fiecare absorb o parte diferită a spectrului solar, făcând o utilizare mai mare a razelor solare decât celulele cu o singură joncțiune. Celulele solare cu mai multe funcții pot atinge niveluri de eficiență record, deoarece lumina care nu este absorbită de primul strat de semiconductor este captată de un strat de sub acesta.
În timp ce toate celulele solare cu mai mult de un bandgap sunt celule solare cu mai multe funcții, o celulă solară cu exact două bandgap este numită celulă solară tandem. Celule solare cu mai multe funcții care combină semiconductori din coloanele III și V în tabloul periodic sunt numite celule solare cu mai multe funcții III-V.
Celulele solare cu mai multe funcții au demonstrat o eficiență mai mare de 45%, dar sunt costisitoare și dificil de fabricat, deci sunt rezervate pentru explorarea spațiului. Armata folosește celule solare III-V în drone, iar cercetătorii explorează alte utilizări în care eficiența ridicată este esențială.
FOTOVOLTAICI DE CONCENTRARE
Concentrația PV, cunoscută și sub numele de CPV, concentrează lumina soarelui pe o celulă solară utilizând o oglindă sau un obiectiv. Focalizând lumina soarelui pe o zonă mică, este necesar mai puțin material fotovoltaic. Materialele fotovoltaice devin mai eficiente pe măsură ce lumina devine mai concentrată, astfel încât cele mai mari eficiențe globale se obțin cu celulele și modulele CPV. Cu toate acestea, sunt necesare materiale mai scumpe, tehnici de fabricație și abilitatea de a urmări mișcarea soarelui, astfel încât demonstrarea avantajului costului necesar față de modulele de siliciu de mare volum&# 39 a devenit o provocare.