Sončne celice

Monday
8th Sep, 2008
09:01

Stran je bila zadnjič posodobljena
10th Apr, 2007

OSNOVNI POJMI

Tehnologije
Sončne celice
Zgodovina
Slovarček

IZJAVA

VEČ

IŠČI

Vesel bom vsakršnih pripomb ali kritik, tako glede terminologije, kot tudi glede vsebine strani. Pripombe, kritike ali pohvale naslovite na elektronski naslov:

Kaj so sončne celice in kako delujejo

"Sonce, z vsemi od njega odvisnimi in okrog njega vrtečimi se planeti, lahko dozori grozdje čeprav zgleda da nima v vesolju kaj početi."
(Galileo Galilei)

Thin film solar cell Solar cell surface CIS solar cell

Sončne celice
(vir/copyright: Hahn-Meitner-Institut Berlin).

Sončne celice so v osnovi polprevodniške diode z veliko površino. Do pretvorbe energije svetlobe v električno energijo (tok) prihaja zaradi fotovoltaičnega pojava. Pri vpadu fotonov na kristalno mrežo polprevodnika fotoni oddajo svojo energijo kristalni mreži in če je energija dovolj velika ta pojav povzroča nastajanje prostih valenčnih elektronov. Svetlobna energija ne doteka kontinuirano, ampak v kvantih svetlobnega valovanja. Energija kvantov je odvisna od valovne dolžine svetlobe oziroma elektromagnetnega valovanja in od tega je tudi odvisno število sproščenih elektronov. Prosti elektroni bodo nastali le v primeru, če bo energija vpadnih fotonov enaka ali večja kot W_L - W_V (meja valenčnega in prevodnega pasu). Zveza med frekvenco in energijo vpadnega fotona je sledeča:

Kjer je: h - Planckova konstanta (6.626·10^-34Ws²), v - frekvenca (Hz)

Lastnosti sončnih celic

Kristalne sončne celice

V tem delu se bomo omejili na silicijeve sončne celice, kot najpogosteje uporabljane sončne celice v fotonapetostnih sistemih. Učinkovitost sončnih celic je omejena s številnimi dejavniki. Energija fotonov z večanjem valovne dolžine svetlobe pada, največja valovna dolžina, pri kateri imajo fotoni še dovolj veliko energijo za silicij znaša 1.15 μm. Sevanje z večjo valovno dolžino povzroča le segrevanje sončnih celic. Foton lahko povzroči nastanek le enega para elektro-vrzel, zato se tudi pri manjših valovnih dolžinah od mejne pojavlja višek fotonov, ki prav tako le segrevajo celico. Zgornja meja pretvorbe vpadne svetlobne energije na sončno celico znaša približno 23 % (velja za silicijeve eksperimentalne sončne celice). Pri uporabi drugih materialov je izkoristek lahko večji (eksperimentalno do 30%), zaradi širšega spektra svetlobe, katere vpadno sevanje celica še lahko pretvori v elektriko. Lastne izgube sončne celice nastopajo zaradi kontaktne mreže (lastna zastrtost), notranje upornosti celice in zaradi refleksije sončnega sevanja na površini celice. Kristalne sončne celice so največkrat v obliki rezin, debeline 0.3 mm, rezanih iz Si ingota premera 10 do 1 5 cm, in generirajo okrog 35mA toka na cm² (skupaj do 2 A/celico) površine pri napetosti približno 550 mV pri polni osvetlitvi. Laboratorijske izvedbe tovrstnih celic imajo učinkovitost do 18 %, klasične do 15 %.

Monocrystalline solar cells Polycrystalline solar cells

Monokristalne sončne celice - levo (foto: Denis Lenardič), Polikristalne sončne celice - desno (vir/copyright Solar-fabrik)

Amorfne sončne celice

Amorfne celice imajo precej slabši izkoristek, ki se giblje med 6 in 8 %. Amorfne celice se tudi hitreje starajo. Gostota toka znaša do 15 mA/cm², napetosti neobremenjenih celic pa so do 0.8 V, kar je več, kot pri kristalnih celicah. Spektralna občutljivost pri amorfnih celicah je pomaknjena bolj proti modri svetlobi, tako da je idealen izvor svetlobe za amorfne celice fluorescenčna žarnica.

Solar cell I-U characteristics

Solar cell power

Karakteristike sončnih celic

Fotonapetostni moduli

Fotonapetostni modul je osnovni še zamenljiv element fotonapetostnega sistema. Sestavljen je iz večjega števila med seboj povezanih sončnih celic. Glede na tehnologijo sončnih celic ločimo monokristalne, polikristalne in amorfne module. Več o modulih si lahko preberete na angleških straneh

Modeli sončnih celic

Najnostavnejše nadomestno vezje (idealne) sončne celice je prikazano na spodnji sliki. Sestavljata ga dioda in tokovni izvor vezana paralelno. Tok tokovnega izvora je direktno sorazmeren vrednosti sončnega sevanja. Dioda predstavlja PN spoj sončne celice. Enačba idealne sončne celice, ki jo predstavlja zgornje nadomestno vezje je sledeča:

Ideal solar cell equation

Kjer je: I_Ph - fototok (A), I_S - reverzni tok nasičenja diode (A) (velikostnega reda 10^-8/m²), U - napetost diode (V), U_T - termična napetost (glej enačbo spodaj), (V)=25.7 mV pri 25°C, m - faktor diode = 1.5 x U_T(-)

Ideal solar cell model

Model idealne sončne celice

Termična napetost / U_T / ( V ) je določena s sledečim izrazom:

Kjer je: k - Boltzmanova konstanta = 1.38 x 10^-23 J/K, T - Temperatura (K), e - Naboj elektrona (V) = 1.6 x 10^-19As

Real solar cell model

Realni model sončne celice z upoštevanjem serijske upornosti R_s in paralelne upornosti R_p, katerih posledica sta padec napetosti realne sončne celice in parazitni tokovi.

Delovno točko idealne sončne celice določata obremenitev celice in sončno obsevanje. S spreminjanjem vrednosti bremena v mejah med 0 in neskončno, lahko nastavljamo poljubno delovno točko sončne celice (nastavitev U_c in I_c). Na sliki je prikazana U-I karakteristika sončne celice in izhodna moč celice med delovanjem celice v praznem teku in kratkem stiku. Zelo pomembna točka v U-I karakteristiki sončne celice je točka maksimalne moči - MPP. V praksi to točko le redko dosegamo, saj pri ustreznih vrednostih sončnega obsevanja, ki bi zagotavljale maksimalno izhodno moč, naraste tudi temperatura celice, kar posledično vpliva na zmanjševanje izhodne moči. Kot merilo kvalitete sončnih celic vpeljemo faktor polnenja (fill factor - FF). Določimo ga s sledečo enačbo:

Fill Factor

Kjer je: I_mpp - tok v točki MPP ( A ), U_mpp - napetost v točki MPP ( V ), I_sc - tok kratkega stika ( A ), U_o - napetost odprtih sponk ( V )

Kjer je: v_oc - napetost izračunana s spodnjo enačbo ( V )

Kjer je: k - Boltzmanova konstanta = 1.38 x 10^-23 J/K, T - temperatura ( K ), q - naboj elektrona = 1.6 x 10^-19 As, m - faktor idealnosti diode ( - ), V_oc - napetost odprtih sponk ( V )

Dodatne informacije najdete v spodaj navedeni literaturi (Quaschning, Stone, Wagner...).

Spletna mesta z informacijami o sončnih celicah
	Q Cells - "How is a solar cell produced?" Languages: Webmaster's choice - interesting video about solar cell production.
	Key Centre for Photovoltaic Engineering UNSW - Information sheets; solar cell principles and applications. Languages: Webmaster's choice - interesting Information Sheets with basic information about solar cells.
	Laboratory for Photonics and Interfaces, Swiss Federal Institute of Technology - Dye Sensitized Solar Cells (DYSC) based on Nanocrystalline Oxide Semiconductor Films. Languages:
	Christian Doppler Laboratory for plastic solar cells - Physical Chemistry Johannes Kepler University Linz, Austria. Languages:

Nove tehnologije - sferične sončne celice

Spheral Solar Power - Spheral Solar Power cells produce electricity at considerably lower cost than conventional solar technology, and on a cost-par with fossil-fuel based electricity in many regions of the world.

Languages:
Webmaster's choice - spherical solar cells, principles and applications.

Kyosemi Corporation - provides high reliability products of opto-electronics to be used for optical communications, ATM, auto-vending machines, OA/FA equipments, precision optical instruments and hazard prevention equipments.

Languages:

Nove tehnologije - organske sončne celice in fotoelektroliza

Global Photonic Energy Corporation - Incorporated in 1994 Global Photonic Energy Corporation, Inc. is a renewable energy technology development company. GPEC is harnessing photonic energy (Sunlight) using small-molecule organic materials to produce electricity and hydrogen - or - "Photo Fuel™".

Languages:

Literatura in dodatne informacije

Wagner, A.: Photovoltaik Engineering; Die Methode der Effektiven Solarzellen-Kennlinie; Springer, 1999.
Quaschning, V.: Simulation der Abschattungsverluste bei solarelektrischen Systemen; Verlag Dr. Köster Berlin, 1. Auflage September 1996.
Photovoltaische Anlagen; Leitfaden für Elektriker, Dachdecker, Fachplaner, Architekten und Bauherren.
Stone, J.L.: Photovoltaics: Unlimited Electrical Energy From the Sun.
Solarserver: Photovoltaics, solar electricity and solar cells in theory and practice.
Grunow, P., Lust, S., Sauter, D., Hoffmann, V., Beneking, C., Litzenburger, B., Podlowski, L.: Weak light performance and annual yields of PV modules and systems as a result of the basic parameter set of industrial solar cells; Proc. of the 19th PVSEC, Paris, 2004, p. 2190.
Grunow, P., Clemens, P., Hoffmann, V., Litzenburger, B., Podlowski, L.: Influence of micro cracks in multi-crystalline silicon solar cells on the reliability of PV modules; Proc. of the 20th PVSEC, Barcelona, 2005, 5BV.4.26.
Grunow, P., Sauter, D., Hoffmann, V., Huljic, D., Litzenburger, B., Podlowski, L.: The influence of textured surfaces of solar cells and modules on the energy rating of PV systems; Proc. of the 20th PVSEC, Barcelona, 2005, 5BV.4.27.
Wijesinghe, P.: Tandem Solar Cells; Physics of Thin Films, Georgia State University, 2003. (2182 kB)
Measuring Photovoltaic Cell I-V Characteristics with the Model 2420 3A SourceMeter® Instrument. (27 kB)
National Centre for Photovoltaics - NCPV - The Basic Physics and Design of III-V Multijunction Solar Cells - Part 1. (630 kB)
Brabec, C.J., Sariciftci, N.S., Hummelen, J.: Plastic Solar Cells, Adv. Funct. Mater. 2001, 11, No. 1, February. (637 kB)
Petritsch, K.: Organic Solar Cell Architectures.