Fizicianul francez Alexandre Edmond Becquerel a făcut descoperirea senzațională încă din 1839: Când lumina (foto) cade pe anumite substanțe, se creează tensiune (voltaică). Dar cum funcționează cu fotovoltaica? Vă explicăm cum funcționează.
După descoperirea sa, a fost nevoie de 120 de ani pentru ca fotovoltaica să servească drept sursă de energie pentru primii sateliți și nave spațiale. Între timp, celula solară a devenit un furnizor popular de energie electrică pentru economisitorii de energie
Din aceasta constă celula solară
Numai anumite materiale pot transforma lumina în electricitate, unul este siliciu. Peste 90% din toate celulele solare sunt fabricate din siliciu. Avantajul său: nisipul de cuarț materie primă este disponibil în cantități suficiente pe pământ, iar siliciu este ecologic.
Lumina slăbește electronii din stratul limită (verde), care curg înapoi în exterior prin bec.
O celulă solară cristalină este formată de obicei din două straturi de siliciu - împreună cu două până la trei zecimi de milimetru grosime.
Pe partea însorită, siliciul este intercalat în mod deliberat cu atomi de fosfor. Mai simplu spus, atomii de fosfor au un electron negativ prea mulți (adică negativi). Atomii de bor stau de cealaltă parte a celulei - au un electron prea puțin (adică pozitiv). Straturile negative și pozitive se ating.
Curentul electric curge din celula solară prin intermediul controlerelor de încărcare și al invertoarelor în baterie sau rețeaua electrică.
Cu lumină pentru fluxul de electricitate
Când lumina lovește celula, electronii sunt puse în mișcare. Odată ce au început, ei sar peste graniță de la stratul negativ la stratul pozitiv, unde există o lipsă de electroni - alții se mișcă în sus. Electronii migrează înapoi la vechiul strat de pe partea inferioară a celulei printr-o rețea metalică (deget de contact), cablu și placă purtătoare (contact). Când circuitul este închis, curge electric. Cu cât razele de lumină lovesc electronii, cu atât se produce mai multă energie electrică. Cu iradiere constantă, câștigul de putere depinde numai de suprafață. Cu cât suprafața este mai mare, cu atât amperajul este mai mare. Dacă soarele strălucește mai puternic, celula solară produce mai multă energie electrică. Acesta este curent continuu, deoarece este stocat și în baterii. Cu toate acestea, celulele solare nu pot stoca electricitateaei o livrează.
Modulul solar
Celulele solare nu pot funcționa în aer liber fără protecție. Trebuie să fie sub un capac: modulul.
Mai multe celule solare sunt conectate împreună pentru a forma o unitate în modul. Celulele cristaline sunt strânse împreună și conectate între ele. Suvitele sunt ambalate în foi de plastic și așezate între două plăci de sticlă. Când placa de sticlă este vaporizată, tehnologia filmului subțire produce practic o celulă mare. Un laser le taie în benzi interconectate.
O unitate de alimentare, numită și invertor, convertește curentul continuu generat de module în curent alternativ (tensiune alternativă de 230 volți). Toată energia electrică generată este alimentată în rețeaua publică. Aceasta este remunerată în conformitate cu „Legea surselor de energie regenerabilă” (EEG).
Două tipuri: celule solare cristaline și amorfe
Există două tipuri de celule solare: cristalină și amorfă. Celulele cristaline reprezintă aproximativ 80% din producția globală.
Celule solare monocristaline: materia primă este siliciu ultra-pur scump, care este extras dintr-un topitură de siliciu într-un proces costisitor și durabil, presat în bare și tăiat în felii cu diametrul de până la 12 centimetri. În monocristal, toți atomii sunt aliniați în același mod. De la albastru la negru, la cerere și celule de diferite culori, exploatează razele soarelui în laborator cu până la 24 la sută; în practică, însă, doar până la 16 la sută.
Celule solare multicristaline: polisiliciul produs industrial este mai ieftin decât producția de monocristale. În practică, eficiența celulelor albăstrui este de 11-14%.
Celulele cristaline își pierd cu greu eficiența chiar și de-a lungul deceniilor.
Celule solare amorfe
Celulele amorfe mai puțin costisitoare sunt potrivite pentru caracteristicile de apă din grădină sau cântare de uz casnic din casă, precum și pe fațade mari. Dacă spațiul pentru un sistem fotovoltaic mare este limitat, celulele cristaline funcționează mai eficient.
Astfel se construiesc celulele amorfe: Stratul generator de electricitate este vaporizat pe o placă de sticlă. Atomii nu mai sunt depozitați într-o structură cristalină, ci într-o manieră dezordonată (amorfă). Acest proces necesită relativ puțin siliciu, ceea ce scade prețul. Comparativ cu celulele cristaline groase de 0,2 până la 0,3 milimetri, celulele cu film subțire măsoară doar 0,01 până la 0,05 milimetri. Celulele sunt maronii sau antracite și au o eficiență de șase până la șapte procente. În zilele mohorâte, celulele amorfe furnizează mai multă energie electrică decât altele.
Eficiența celulelor amorfe scade de-a lungul anilor: după 20 de ani este în jur de 70% din producția inițială.
Modulele solare moderne pot fi, de asemenea, instalate discret pe acoperișul terasei sau pe carport.
noi tehnologii
Două celule mai noi cu film subțire funcționează fără siliciu: material fabricat din diselenidă de cupru indiu (CID) și din telurură de cadmiu (CdTe). Noile celule sunt utilizate în prezent în fabricile pilot. Tehnologia viitorului este un nou proces de film subțire în care un strat de siliciu cristalin este aplicat unui material purtător. Aceasta combină eficiența ridicată a celulelor cristaline cu consumul redus de material al celulelor cu film subțire.
Există limite în ceea ce privește performanța?
Așa cum s-a explicat mai sus, modulele monocristaline ating cel mai înalt nivel de eficiență, urmate de modulele solare policristaline. Cu toate acestea, avantajele modulelor monocristaline sunt compensate de cheltuielile mari de energie și costurile pentru creșterea cristalelor de siliciu. O dezvoltare mai recentă ar putea avea un mare potențial aici: modulele cvasi-monocristaline. Acestea sunt module policristaline care, datorită unui sistem special de control, au proprietăți similare cu modulele monocristaline în timpul creșterii cristalelor.
Eficiența unei substanțe nu poate fi dezvoltată în continuare după bunul plac și are limite naturale - deoarece materialul poate procesa doar anumite lungimi de undă ale luminii. Cu modulele de siliciu monocristalin, cel mai înalt grad de eficiență posibil este de aproximativ 29-33% - în teorie.
A ajuns acest lucru la sfârșitul stâlpului? Nu, pentru că noile tehnologii creează și noi oportunități. Așa-numitele celule solare tandem, de exemplu, pot crește eficiența folosind un principiu simplu: dacă stivuieți materiale diferite pentru diferite părți ale spectrului luminos unul peste altul, eficiența este, de asemenea, crescută. Peste 40% au fost deja realizate și mai mult de 80% sunt concepute pentru viitor.
Eficiența naturală este, de asemenea, rafinată în continuare. Oamenii de știință japonezi au anunțat un nou record de eficiență pentru celulele solare din siliciu de 26,3% la începutul anului 2017. Aceasta nu este departe de limita specifică materialului. Cu toate acestea, aici se aplică următoarele: Un grad mai ridicat de eficiență reduce energia solară numai dacă costurile de producție nu cresc în aceeași măsură.
