Fotonaponske ćelije

1. Uvod
Postoje dva načina na koji se energija sunca (solarna energija) može pretvoriti u električnu. Prvi je direktnom konverzijom korištenjem solarnih ćelija u fotonaponskim (PV) elektranama. Drugi način je pomoću koncentrisanih solarnih elektrana (KSE), odnosno solarnim termoelektranama (STE). Kod KSE, solarna energija se prvo konvertuje u toplotnu, zatim u mehaničku i na kraju u električnu energiju.
Tema ovog seminarskog rada je kratak prikaz primjene fotonaponske tehnologije. U narednim poglavljima biće opisan princip rada, tehnologija i primjena fotonaponskih solarnih ćelija i fotonaponskih sistema za proizvodnju električne energije. Obzirom da je riječ tehnologiji koja koristi obnovljivi izvor energije, biće riječi o značaju i utjecaju koji korištenje fotonaponskih ćelija može imati na proizvodnju električne energije, , utjecaju na okoliš i trenutno korištenim načinima recikliranja.
U posljednjem poglavlju dat je kratak pregled stanja korištenja solarnih fotonaponskih sistema za proizvodnju električne energije u BiH.

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.