Solarna ćelija

Solarna ćelija je elektronski uređaj koji pretvara sunčevu energiju u električnu energiju. Ovde ćemo dati elementarno objašnjenje rada solarne ćelije.

Faze procesa konverzije su sledeće. a) Elektron u ćeliji apsorbuje upadni foton; time se povećava električna potencijalna energija elektrona. b) Taj elektron se mora na vreme odvojiti od šupljine (početno energetsko stanje elektrona), pre nego se dobijena potencijalna energija u celosti ne pretvori u toplotu. Na kraju, c) elektron s povećanom energijom mora doprineti električnoj struji kroz spoljašnje kolo

Solarne ćelije se prave od poluprovodničkih materijala. Na Sl. 1 prikazani su energetski nivoi tipičnog poluprovodnika i šematski naznačeni procesi a) i b).

Sl. 1 Elektron iz valentne zone apsorbovao je crveni foton i zauzeo slo-

bodni nivo u provodnoj zoni. Nastala šupljina se kreće ka vrhu valentne

zone, nastali elektron se kreće ka dnu provodne zone, i termalizuju se

Valentna zona sačinjena je od nižih energetskih nivoa i potpuno je popunjena elektronima. Provodna zona sačinjena je od viših energetskih nivoa koji nisu zaposednuti elektronima. Između dna provodne zone i vrha valentne zone je zona zabranjenih energije; eventualno, tu su locirani malobrojni energetski nivoi koji potiču od primesa i defekata kristala.

Silicijum se najčešće koristi za fabrikaciju solarnih ćelija. Širina zone zabranjenih energetskih nivoa kod silicijuma je 1,1 eV.

Na ćeliju upadaju fotoni vidljive svetlosti; raspon njihovih energija je od 1,9 eV (crveni foton) do 2,6 eV (plavi foton). Jedan elektron apsorbuje u datom aktu jedan foton. Na Sl. 1 dat je slučaj crvenog fotona kojeg je apsorbovao valentni elektron u silicijumu 0,3 eV ispod vrha valentne zone. Posle apsorpcije elektron se javio u provodnoj zoni, pola elektronvolta iznad dna provodne zone. Ostala je jedna šupljina u valentnoj zoni, a pojavio se jedan provodni elektron. Proces je tekao u skaldu sa zakonom održanja energije: 1,1eV+0.5eV+0.3eV=1,9eV. Upadni foton mora da ima energiju bar 1,1 eV — inače neće doći do njegove apsorpcije.

Apsorpcijom fotona proizveden je, dakle, par elektron-šupljina. Potom, vrlo brzo nastali elektron pada na dno provodne zone, i vrlo brzo nastala šupljina se penja na vrh valentne zone. Posredstvom niskoenergetskih akustičkih talasa koji prate ove procese oslobađa se toplota u kristalu silicijuma. Kad stignu na odredišta (dno provodne zone za elektron i vrh valentne zone za šupljinu), elektron i šupljina ostaju tako relativno dugo vreme. Na kraju će se verovatno i rekombinovati, preko lokalnih nivoa nećistoća i defekata.

Ali ako postoji električno polje, provodni elektron je moguće izdvojiti, pre nego dođe do procesa termalizacije kroz njegovo zahvatanje na nivoe nečistoća i defekata. Električno polje se „ugrađuje” formiranjem p-n spoja, procesom dopovanja čistog silicijuma.

Spoj p-n formira se dopovanjem jedne oblasti fosforom (koji je donor), gde nastaje n-oblast sa viškom provodnih elektrona. Susedna oblast se dopuje sa borom (koji je akceptor), gde nastaje p-oblast sa viškom šupljina. Atom donorskog dopanta lako daje slobodni elektron koji pada na dno provodne zone i lako se kreće kroz rešetku u električnom polju; atom akceptorskog dopanta lako daje šupljinu koja se penje na vrh valentne zone i lako se kreće kroz rešetku u električnom polju.

Sl. 2 Šema p-n spoja solarne ćelije. Upadni foton je apsorbovan u p-oblasti,

Nastao je par elektron-šupljina. Elektron se ubrzava električnim poljem spoja

i kolektuje u n-oblasti. Slobodni elektroni teku kroz solarnu ćeliju i potrošač R

Slobodni elektroni n-oblasti blizu spoja difunduju u susednu p-oblast i tamo se rekombinuju sa šupljinama. Tako nestaju skoro svi slobodni elektroni blizu spoja u n-oblasti, i skoro sve šupljine blizu spoja u p-oblasti. Uz spoj s leve strane, Sl. 2, nastaje pozitivni sloj (jonizovani atomi fosfora) a uz spoj s desne strane negativni sloj (negativno naelektrisani atomi bora). Oba sloja su skoro potpuno lišena pokretnih naelektrisanja (osiromašene oblasti). Nastali dvojni električni sloj daje unutrašnje električno polje spoja. Ovo električno polje odvlači elektrone nastale apsorpcijom fotona od mesta nastale šupljine. Tačnije, provodni elektron u p-oblasti blizu spoja ubrzava se električnim poljem spoja i brzo prebacuje u n-oblast. Taj je elektron separiran od njegove šupljine, i dalje se taj elektron kreće dajući struju u spoljađnjem kolu. Niskoenergentski elektron s drugog kraja spoljašnjeg kola ulazi u p-oblast i rekombinuje se sa šupljinom.

Zona zabranjenih energija ne sme biti vrlo uska. Istina, tada će se mnogi upadni fotoni apsorbovati, što je poželjo, ali će se nastali provodni elektroni brzo termalizovati, pre nego ih separiramo. Zona zabranjenih energija ne sme biti ni vrlo široka, jer će tek mali broj upadnih fotona biti apsorbovan. Postoji optimalna širina zone zabranjenih energija, koja iznosi 1,4 eV. Tada se pretvara oko trećine solarne energije u električnu energiju. U praksi, vodi se računa o korisnoj snazi po dolaru, unači važan je ekonomski faktor, ne samo koeficijent korisnog dejstva. Zato je danas u većini primena solarnih ćelija upotrebljen prosto monokristal silicijuma, bez dodatnih mera povećanja efikasnosti konverzije. Vodi se računa da se smanje nečistoće i izbegnu defekti.

Elektroni se kreću brže od šupljina. Njih je lakše kolektovati i spasiti od termalizacije. Zato se prave uske, jako dopovane n-oblasti i debele, slabo dopovane p-oblasti. Tada, skoro svi upadni fotoni će biti apsorbovani u p-oblasti. Pri formiranju ćelije, na početku se silicijum slabo dopuje atomima bora. A onda se s vrha ubacuju atomi fosfora, oni difunduju u podlogu na povišenoj temperaturi. Konačno, naparava se na ulaz ćelije anti-refleksioni sloj, da se minimizira površinsko odbijanje, i postavljaju se kontakti za spoljašnje strujno kolo.

Danas se masovno proizvode solarne ćelije od monokristala silicijuma koje imaju koeficijent korisnog dejstva oko 15%.