INTERNACIONALNI UNIVERZITET U TRAVNIKU
POLITEHNIČKI FAKULTET
Mašinstvo, Energetika
Predmet: Obnovljivi izvori energije
Seminarski rad
Fotonaponske ćelije
Student:
Ramiz Hadzic
Br. indeksa: xxxxxxxx
Profesor:
Prof. dr. sc. Radomir Biočanin
Asistent:
Doc. dr. sc. Nedžad Haračić
Travnik, mart 2015.
2. Princip rada solarnih fotonaponskih ćelija
Ako se čistom poluprovodniku, na primjer silicijumu, dodaju odgovarajuće primjese, onda
će on postati takozvani P-tip ili N-tip poluprovodnika. Ako se četverovalentni atom silicija
u kristalnoj rešetki zamijeni peterovalentnim atomom fosfora, njegova četiri valentna
elektrona popuniće kovalentne veze s ostalim atomima silicija. Peti, suvišni, elektron neće
biti zadržan u kemijskoj vezi, jer za njega na raspolaganju nema praznih stanja, pa ga
jedino atom fosfora još privlači slabom kulonskom vezom koja se lako prekida
dovođenjem energije. Taj elektron udaljen od atoma fosfora ima na raspolaganju samo
slobodna stanja u pojasu vodljivosti, a ostavlja primjesu fosfora jednostruko pozitivno
nabijenom. Potrebna energija za odvajanje elektrona zove se energija za jonizaciju prim-
jese, a atom fosfora je
donor
, jer donira vodljivi elektron rešetki, a silicij je tada
N-tipa
.
Kod kristalne rešetke silicijuma sa trovalentnim primjesama, kao što je atomo bora, dolazi
do manjka u valentnim elektronima. Tri elektrona popunjavaju kovalentne veze s trima od
četiriju susjednih atoma silicija, no četvrti atom ima samo jednoelektronsku vezu, tj.
nastala je
šupljina
, višak jednog pozitivnog naelektrisanja. Na sličan način kao kod
primjese fosfora, šupljina je vezana slabom kulonskom silom na atom bora. Ako se od
njega udalji, četvrta se kovalentna veza oko bora popuni, i on ostaje s jednostrukim
negativnim nabojem. Tako su atomi bora kao primjese u siliciju
akceptori
jer mogu primiti
elektrone i tako uvesti šupljine u valentni pojas, odnosno silicij je tada
P-tipa
.
Fotonaponska ćelija je u osnovi PN-spoj, odnosno poluprovodnička dioda, koji nastaje
kada se jednom dijelu kristala čistog, četverovalentnog, silicijuma, dodaju trovalentne
(akceptorske) primjese, tako da nastane P-tip poluprovodnika, a drugom dijelu
peterovalentne (donorske) primjese, te u tom dijelu kristala nastaje N-tip poluprovodnika.
Bitno je svojstvo PN-spoja njegovo ispravljačko djelovanje, što znači da lakše provodi
struju kad je P-područje pozitivno, a N-negativno. Dakle, PN-spoj radi kao dioda, i
propušta struju samo u jednom smjeru. Ako se na PN-spoj priključi izvor vanjskog napona
u propusnom smjeru, tako da je pozitivan pol na P-strani a negativan na N-strani, na
granici između ta dva područja, kao posljedica gradijenta koncentracije, nastaje difuzija
elektrona iz N-područja prema P-području, i šupljina iz P-područja prema N-području
struja
U silicijumskoj solarnoj ćeliji, prikazanoj na slici 1., na površini pločice P-tipa silicijuma
su difundirane primjese, npr. fosfor, tako da na tankom površinskom sloju nastane
područje N-tipa poluprovodnika.
Slika 1. Solarna fotonaponska ćelija.
Fotonaponske ćelije / Predmet Osnove energetike, xxxxxx xxxxx, student VIII semestar IU Travnik, Fakultet politehničkih nauka,
Mašinstvo, Energetika, Br. indeksa: PT-98/14-I
4
Da bi se skupili naboji nastali apsorpcijom fotona iz sunčava zračenja, na prednjoj površini
ćelije nalazi se metalna rešetka koja najčešće ne pokriva više od 5 % površine, tako da
utiče na apsorpciju sunčevog zračenja. Stražnja strana ćelije prekrivena je metalnim
kontaktom. Da bi se povećala djelotvornost ćelije, prednja površina ćelije može biti
prekrivena slojem koji smanjuje refleksiju sunčeve svjetlosti.
Kada se solarna ćelija osvijetli, na njenim krajevima se pojavljuje elektromotorna sila, tj.
napon. Tako solarna ćelija postaje poluprovodnička dioda, odnosno PN-spoj, i ponaša se
kao ispravljački uređaj koji propušta struju samo u jednom smjeru.
Apsorbirani fotoni pobuđuju slobodne elektrone iz N-spoja i proizvode parove elektron-
šupljina. Ako apsorpcija nastane daleko od PN-spoja, nastali par ubrzo se rekombinira.
Međutim, nastane li apsorpcija unutar, ili blizu PN-spoja, unutrašnje električno polje, koje
postoji u osiromašenom području, odvaja nastali elektron i šupljinu.
Slika 2. Apsorpcija u blizini PN-spoja.
Elektron se kreće prema N-strani, a šupljina prema P-strani. Zbog skupljanja elektrona i
šupljina na odgovarajućim suprotnim stranama PN-spoja dolazi do pojave elektromotorne
sile na krajevima solarne ćelije. Kontakt na P-dijelu postaje pozitivan, a na N-dijelu
negativan. Ako su kontakti ćelije spojeni s vanjskim potrošačem, kao što je prikazano na
slici 1., proteći će električna struja, a solarna fotonaponska ćelija postaje izvor električne
energije.
2.1. Stepen iskorištenja solarnih ćelija
Najvažnija karakteristika solarnih ćelija mjeri se stepenom korisnog djelovanja, odnosno
količinom sunčeve svjetlosti (energije fotona) koju direktnom konverzijom mogu pretvoriti
u elektručnu energiju. Tipična solarna fotonaponska ćelija ima efikasnost od 16,50%.
Drugim riječima, solarna ćelija će u električnu energiju pretvoriti tek jednu šestinu sunčeve
svjetlosti koja pada na njenu površinu.
1
Efikasnost konverzije najviše zavisi od tehnologije koja se koristi za izradu modula, zatim
od spektra sunčevog zračenja kojeg solarna želija može apsorbovati , temperature okoline -
odnosno od temperature solarne ćelije, dizajna modula, i materijala od koje je napravljena
solarna ćelija. Ostatak energije koji predstavlja gubitak pri transformaciji, raspodeljuje se
na druge načine. (Slika 3)
1
U laboratorijskim uslovima postizana je efikasnost od i do 43%.
Fotonaponske ćelije / Predmet Osnove energetike, xxxxxx xxxxx, student VIII semestar IU Travnik, Fakultet politehničkih nauka,
Mašinstvo, Energetika, Br. indeksa: PT-98/14-I
5
efikasnosti. Za izradu fotonaponskih ćelija koriste se sljedeći poluprovodnički materijali i
tehnologije:
– Silicij (Si) – uključujući monokristalni silicij (c-Si), polikristalni silicij (p-Si), i amorfni
silicij (a-Si).
– Polikristalni tankoslojni materijali (polikristalni tanki film) – kao što su , CdTe kadmij-
telurid, bakar-indij-diselenid) te tankoslojni silicij (amorfni silicij spada i u ovaj tip).
– Monokristalni tankoslojni materijali (monokristalni tanki film) – većinom izvedeni od
galij-arsenida (Ga-As).
– Fotonponske ćelije sa kaskadnom strukturom materijala – što su kombinacije raznih
poluprovodničkih materijala u slojevima.
Fotonaponske ćelije izrađene od monokristalnog silicija
Fotonaponske ćelije izrađene od monokristalnog silicija imaju takozvanu
homojunction
strukturu. Sastoje od istog materijala koji je modificiran tako da je na jednoj strani ćelije P-
sloj, a na drugoj N-sloj silicijumskog kristala. Unutar ćelije, P-N spoj lociran je tako da se
maksimum sunčevog zračenja apsorbira u njegovoj blizini. Površina ovih ćelija zavisi od
presjeka monokristala od kojeg se proizvode, i iznosi od 5 do 10 cm, debljina im je od 200
do 300 μm, a napon od 0,55 do 0,70 V. Teorijska efikasnost im je oko 22 %, dok je stvarna
oko 18 %. Nedostatak ovog tipa ćelija je visoka proizvodna cijena, zbog tehnološki
zahtijevnog procesa proizvodnje.
Slika 4. Principijelna šema monokristalne (c-Si) i polikristalne (p-Si) ćelije
Fotonaponske ćelije izrađene od polikristalnog silicija (p-Si)
Polikristalne (p-Si), kao i monokristalne imaju
homojunction
strukturu s tom razlikom što
strukturu polikristalnog silicij čini više manjih kristala. Zbog toga dolazi do pojave granica
u strukturi koje koče tok elektrona i potiču ih na rekombiniranje sa šupljinama u većem
broju što rezultira smanjenjem izlazne snage ovih ćelija. Najraširenija metoda izrade je
livenje tečnog silicija u kalup, izrezivanje u oblik četverostranih prizmi iz kojih se izrezuju
pločice za fotonaponske ćelije. Proces proizvodnje ćelija od polikristalnog silicija je znatno
jeftiniji od procesa proizvodnje monokristalnih ćelija, ali imaju nižu efikasnost. Teorijska
efikasnost im je oko 14-18 %, a stvarna između 12 i 16 %.
Fotonaponske ćelije / Predmet Osnove energetike, xxxxxx xxxxx, student VIII semestar IU Travnik, Fakultet politehničkih nauka,
Mašinstvo, Energetika, Br. indeksa: PT-98/14-I
7
