Η παραγωγή ηλιακής ενέργειας, ως κορυφαία λύση καθαρής ενέργειας, έχει προσελκύσει σημαντική προσοχή από τον κλάδο. Αν ενδιαφέρεστε, ας εμβαθύνουμε στη δομή των ηλιακών κυψελών και στα σχετικά φωτοβολταϊκά υλικά.
Η παραγωγή ηλιακής ενέργειας, που συχνά αναφέρεται ως ηλιακά κύτταρα, μετατρέπει απευθείας το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια. Στα ηλιακά πάνελ, τα φωτόνια από τον ήλιο αποσπούν ηλεκτρόνια από τους ατομικούς δεσμούς των ημιαγωγικών υλικών. Όταν αυτά τα ηλεκτρόνια αναγκάζονται να κινηθούν προς την ίδια κατεύθυνση, παράγουν ένα ηλεκτρικό ρεύμα που μπορεί είτε να τροφοδοτήσει ηλεκτρονικές συσκευές είτε να τροφοδοτήσει το ηλεκτρικό δίκτυο.
Από τότε που ο Γάλλος φυσικός Alexandre-Edmond Becquerel διατύπωσε για πρώτη φορά τη θεωρία της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας το 1839, η παραγωγή ηλιακής ενέργειας αποτελεί βασικό θέμα έρευνας. Σήμερα, με μεγάλες ερευνητικές ομάδες από τις ΗΠΑ, την Ιαπωνία και την Ευρώπη να επιταχύνουν την εμπορευματοποίηση των ηλιακών συστημάτων τους, η διεθνής αγορά για τη φωτοβολταϊκή βιομηχανία συνεχίζει να επεκτείνεται.
Φωτοβολταϊκά Μονάδες
Αν και τα υλικά στα φωτοβολταϊκά συστήματα ποικίλλουν, όλες οι μονάδες αποτελούνται από πολλά στρώματα από την μπροστινή πλευρά προς τα πίσω. Το ηλιακό φως διέρχεται πρώτα από ένα προστατευτικό στρώμα (συνήθως γυαλί) και στη συνέχεια από ένα διαφανές στρώμα επαφής μέσα στο ίδιο το κελί. Στο κέντρο της μονάδας βρίσκεται το υλικό απορρόφησης, το οποίο συλλαμβάνει φωτόνια για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Ο τύπος του ημιαγωγού υλικού που χρησιμοποιείται εξαρτάται από τις συγκεκριμένες ανάγκες του φωτοβολταϊκού συστήματος.
Κάτω από το υλικό απορρόφησης βρίσκεται το πίσω μεταλλικό στρώμα, το οποίο ολοκληρώνει το ηλεκτρικό κύκλωμα. Κάτω από το μεταλλικό στρώμα βρίσκεται ένα στρώμα σύνθετης μεμβράνης, το οποίο στεγανοποιεί και μονώνει τη μονάδα. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια είναι συχνά εξοπλισμένα με ένα πρόσθετο προστατευτικό στρώμα υποστήριξης κατασκευασμένο από γυαλί, κράμα αλουμινίου ή πλαστικό.
Ημιαγωγικά Υλικά
Τα ημιαγωγικά υλικά στα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορεί να είναι πυρίτιο, πολυκρυσταλλικές λεπτές μεμβράνες ή μονοκρυσταλλικές λεπτές μεμβράνες. Τα υλικά πυριτίου περιλαμβάνουν το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο και το άμορφο πυρίτιο. Το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, με την κανονική του δομή, έχει υψηλότερη απόδοση φωτοβολταϊκής μετατροπής από το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο.
Στο άμορφο πυρίτιο, τα άτομα πυριτίου κατανέμονται τυχαία, με αποτέλεσμα χαμηλότερη απόδοση μετατροπής σε σύγκριση με το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο. Ωστόσο, το άμορφο πυρίτιο μπορεί να συλλάβει περισσότερα φωτόνια και η ανάμειξή του με στοιχεία όπως το γερμάνιο ή ο άνθρακας μπορεί να ενισχύσει αυτήν την ιδιότητα.
Το δισεληνίδιο του χαλκού-ινδίου (CIS), το τελλουρίδιο του καδμίου (CdTe) και το λεπτό πυρίτιο είναι συνήθως χρησιμοποιούμενα πολυκρυσταλλικά υλικά λεπτών υμενίων. Τα υλικά υψηλής απόδοσης, όπως το αρσενικούχο γάλλιο (GaAs), συχνά ενσωματώνουν λεπτές μεμβράνες μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Αυτά τα υλικά επιλέγονται για συγκεκριμένες φωτοβολταϊκές εφαρμογές με βάση μοναδικές ιδιότητες όπως η κρυσταλλικότητα, το μέγεθος του ενεργειακού χάσματος, οι δυνατότητες απορρόφησης και η ευκολία επεξεργασίας.
Εξωτερικοί παράγοντες που επηρεάζουν τους ημιαγωγούς
Η ατομική διάταξη σε μια κρυσταλλική δομή καθορίζει την κρυσταλλικότητα των ημιαγωγικών υλικών, η οποία επηρεάζει άμεσα τη μεταφορά φορτίου, την πυκνότητα ρεύματος και την απόδοση μετατροπής ενέργειας των ηλιακών κυψελών. Το ενεργειακό χάσμα των ημιαγωγικών υλικών αναφέρεται στην ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για τη μετακίνηση ηλεκτρονίων από μια δεσμευμένη κατάσταση σε μια ελεύθερη κατάσταση (επιτρέποντας την αγωγιμότητα). Το ενεργειακό χάσμα, που συνήθως συμβολίζεται ως Eg, περιγράφει τη διαφορά ενέργειας μεταξύ της ζώνης σθένους (χαμηλή ενέργεια) και της ζώνης αγωγιμότητας (υψηλή ενέργεια).
Ο συντελεστής απορρόφησης ποσοτικοποιεί την απόσταση που ένα φωτόνιο συγκεκριμένου μήκους κύματος μπορεί να διαπεράσει ένα μέσο πριν απορροφηθεί. Καθορίζεται από το υλικό του κυττάρου και το μήκος κύματος του απορροφημένου φωτονίου.
Το κόστος και η ευκολία επεξεργασίας διαφόρων ημιαγωγικών υλικών και συσκευών εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες, όπως ο τύπος και η κλίμακα των χρησιμοποιούμενων υλικών, οι κύκλοι παραγωγής και τα χαρακτηριστικά μετανάστευσης του κελιού στον θάλαμο εναπόθεσης. Κάθε παράγοντας παίζει κρίσιμο ρόλο στην κάλυψη συγκεκριμένων αναγκών παραγωγής φωτοβολταϊκών.
