Izvor: www.energy.gov
Kada svjetlost sija na fotonaponsku (PV) ćeliju - koja se naziva i solarna ćelija - ta se svjetlost može reflektirati, apsorbirati ili proći pravo kroz ćeliju. PV ćelija se sastoji od poluvodičkog materijala; "polu" znači da može provoditi električnu struju bolje od izolatora, ali ne tako dobro kao metal. Postoji nekoliko različitih poluvodičkih materijala koji se koriste u PV ćelijama.
Kada je poluvodič izložen svjetlosti, on apsorbira svjetlosnu energiju i prenosi je na negativno nabijene čestice u materijalu koji se naziva elektroni. Ova dodatna energija omogućava elektronima da teku kroz materijal kao električna struja. Ova se struja izvlači kroz provodljive metalne kontakte-mreže slične mreži na solarnim ćelijama-i tada se može koristiti za napajanje vašeg doma i ostatka električne mreže.
Učinkovitost fotonaponske ćelije je jednostavno količina električne energije koja izlazi iz ćelije u usporedbi s energijom svjetlosti koja na nju sijeva, što pokazuje koliko je ćelija učinkovita u pretvaranju energije iz jednog oblika u drugi. Količina proizvedene električne energije iz fotonaponskih ćelija ovisi o karakteristikama (poput intenziteta i valnih duljina) dostupne svjetlosti i više atributa performansi ćelije.
Važno svojstvo fotonaponskih poluvodiča je pojasni raspon, koji pokazuje koje talasne dužine svjetlosti materijal može apsorbirati i pretvoriti u električnu energiju. Ako se raspon poluvodiča podudara s valnim duljinama svjetlosti koja sijeva na PV ćeliji, tada ta ćelija može učinkovito iskoristiti svu raspoloživu energiju.
U nastavku saznajte više o najčešće korištenim poluvodičkim materijalima za PV ćelije.
SILICON
Silicij je daleko najčešći poluvodički materijal koji se koristi u solarnim ćelijama i predstavlja približno 95% danas prodanih modula. To je također drugi po zastupljenosti materijal na Zemlji (nakon kisika) i najčešći poluvodič koji se koristi u računarskim čipovima. Kristalne silicijske ćelije izrađene su od atoma silicija međusobno povezanih u kristalnu rešetku. Ova rešetka pruža organiziranu strukturu koja čini pretvorbu svjetlosti u električnu energiju učinkovitijom.
Solarne ćelije napravljene od silicija trenutno pružaju kombinaciju visoke efikasnosti, niske cijene i dugog vijeka trajanja. Očekuje se da će moduli trajati 25 ili više godina, a da će i nakon toga proizvesti više od 80% svoje izvorne snage.
TONFILMSKE FOTOVOLTAIKE
Tankoslojna solarna ćelija izrađena je nanošenjem jednog ili više tankih slojeva PV materijala na nosivi materijal poput stakla, plastike ili metala. Danas su na tržištu dvije glavne vrste tankoslojnih PV poluvodiča: kadmij telurid (CdTe) i bakreni indij galijev diselenid (CIGS). Oba materijala mogu se odložiti direktno na prednju ili stražnju stranu modula.
CdTe je drugi najčešći PV materijal nakon silicija, a CdTe ćelije se mogu napraviti pomoću jeftinih proizvodnih procesa. Iako ih ovo čini isplativom alternativom, njihova efikasnost još uvijek nije toliko visoka kao silicij. CIGS ćelije imaju optimalna svojstva za PV materijal i visoku efikasnost u laboratoriji, ali složenost kombinovanja četiri elementa čini prijelaz iz laboratorije u proizvodnju još izazovnijim. I CdTe i CIGS zahtijevaju više zaštite od silicija kako bi se omogućio dugotrajan rad na otvorenom.
PEROVSKITE PHOTOVOLTAICS
Perovskitesolarne ćelije su vrsta tankoslojnih ćelija i nazvane su po karakterističnoj kristalnoj strukturi. Ćelije od perovskita izgrađene su od slojeva materijala koji su odštampani, premazani ili vakuumski taloženi na podložni sloj, poznat kaosupstrat.Obično se lako sastavljaju i mogu postići efikasnost sličnu kristalnom silicijumu. U laboratoriju se efikasnost solarnih ćelija perovskita poboljšala brže od bilo kojeg drugog fotonaponskog materijala, sa 3% u 2009. na preko 25% u 2020. Da bi bile komercijalno održive, PV ćelije iz perovskita moraju postati dovoljno stabilne da prežive 20 godina na otvorenom, pa su istraživači rade na tome da ih učine izdržljivijima i razvijaju velike, jeftine proizvodne tehnike.
ORGANSKA FOTOVOLTAIKA
Organske PV ili OPV ćelije sastavljene su od (organskih) spojeva bogatih ugljikom i mogu biti prilagođene tako da poboljšaju određene funkcije PV ćelija, kao što su pojasni raspon, prozirnost ili boja. OPV ćelije su trenutno samo upola manje učinkovite od ćelija s kristalnim silicijem i imaju kraći radni vijek, ali bi mogle biti jeftinije za proizvodnju u velikim količinama. Mogu se primijeniti i na razne prateće materijale, poput fleksibilne plastike, čineći OPV sposobnim za široku primjenu.
KVANTNE TAČKE
Solarne ćelije s kvantnom točkom provode električnu energiju kroz sitne čestice različitih poluvodičkih materijala široke samo nekoliko nanometara, nazvane kvantne točke. Kvantne točke pružaju novi način obrade poluvodičkih materijala, ali je teško stvoriti električnu vezu između njih, pa trenutno nisu jako učinkovite. Međutim, od njih se lako može napraviti solarne ćelije. Mogu se odložiti na podlogu koristeći metodu centrifugiranja, raspršivanje ili rolo štampače poput onih za štampanje novina.
Kvantne točke dolaze u različitim veličinama, a njihov raspon pojasa je prilagodljiv, omogućavajući im da skupljaju svjetlost koju je teško uhvatiti i da se uparuju s drugim poluvodičima, poput perovskita, radi optimizacije performansi višenamjenske solarne ćelije (više o onima ispod).
VISOKOMJUNKCIJSKE FOTOVOLTAIKE
Još jedna strategija za poboljšanje učinkovitosti fotonaponskih ćelija je slojevitost više poluvodiča za stvaranje višenamjenskih solarnih ćelija. Ove ćelije su u osnovi hrpe različitih poluvodičkih materijala, za razliku od ćelija s jednim spojem, koje imaju samo jedan poluvodič. Svaki sloj ima drugačiji pojas, pa svaki upija različit dio Sunčevog spektra, koristeći sunčevu svjetlost više od ćelija s jednim spojem. Višenamjenske solarne ćelije mogu postići rekordne nivoe efikasnosti jer svjetlost koju ne apsorbira prvi sloj poluvodiča hvata sloj ispod nje.
Dok su sve solarne ćelije s više od jednog raspona pojasa solarne ćelije s više spojeva, solarna ćelija s točno dva pojasa naziva se tandem solarna ćelija. Solarne ćelije s više spojeva koje kombiniraju poluvodiče iz stupova III i V u periodnom sustavu nazivaju se višenamjenske solarne ćelije III-V.
Višenamjenske solarne ćelije pokazale su efikasnost veću od 45%, ali su skupe i teške za proizvodnju, pa su rezervirane za istraživanje svemira. Vojska koristi solarne ćelije III-V u bespilotnim letjelicama, a istraživači istražuju njihovu drugu upotrebu gdje je visoka efikasnost ključna.
FOTOVOLTAIKA KONCENTRACIJE
Koncentracija PV, poznata i kao CPV, fokusira sunčevu svjetlost na solarnu ćeliju pomoću ogledala ili sočiva. Fokusiranjem sunčeve svjetlosti na malu površinu potrebno je manje PV materijala. PV materijali postaju efikasniji kako svjetlost postaje koncentrirana, pa se najveća ukupna efikasnost postiže sa CPV ćelijama i modulima. Međutim, potrebni su skuplji materijali, proizvodne tehnike i sposobnost praćenja kretanja Sunca, pa je pokazivanje potrebne prednosti u odnosu na današnje silicijumske module velike zapremine' postalo izazov.
