Producció de cèl·lules fotovoltaiques per a plaques solars

La base de qualsevol instal·lació fotovoltaica és sempre un mòdul fotovoltaic. Un mòdul fotovoltaic és una combinació de cèl·lules fotovoltaiques connectades elèctricament entre si. El terme fotovoltaic consta de dues paraules «foto» (del grec. Llum) i «volt» (Alessandro Volta - 1745-1827, físic italià) - una unitat de mesura de tensió en enginyeria elèctrica. Analitzant el terme fotovoltaic, podem dir que ho és convertir la llum en electricitat.

Una cèl·lula fotovoltaica (cèl·lula solar) s'utilitza per generar electricitat mitjançant la conversió de la radiació solar. Una fotocèl·lula es pot pensar com un díode format per semiconductors de tipus n i p amb una regió esgotada de portador formada, de manera que una fotocèl·lula no il·luminada és com un díode i es pot descriure com un díode.

Per als semiconductors amb una amplada entre 1 i 3 eV, l'eficiència teòrica màxima es pot arribar al 30%. La bretxa de banda és l'energia fotònica mínima que pot elevar un electró de la banda de valència a la banda de conducció. Les cèl·lules solars comercials més comunes són elements de sílex.

Monocristalls i policristalls de silici. El silici és avui un dels elements més comuns per a la producció de mòduls fotovoltaics. Tanmateix, a causa de la baixa absorció de la radiació solar, les cèl·lules solars de cristall de silici solen tenir una amplada de 300 µm. L'eficiència de la fotocèl·lula monocristal·lina de silici arriba al 17%.

Si prenem una fotocèl·lula de silici policristalí, l'eficiència és un 5% inferior a la del silici monocristal·lí. El límit de gra d'un policristall és el centre de recombinació dels portadors de càrrega. La mida dels cristalls de silici policristalí pot variar d'uns quants mm a un cm.

Arsenur de gal·li (GaAs). Les cèl·lules solars d'arsenur de gal·li ja han demostrat una eficiència del 25% en condicions de laboratori. L'arsenur de gal·li, desenvolupat per a optoelectrònica, és difícil de produir en grans quantitats i bastant car per a les cèl·lules solars. S'apliquen cèl·lules solars d'arsenur de gal·li juntament amb concentradors solars, així com per a la cosmonàutica.

Tecnologia de fotocèl·lules de pel·lícula fina. El principal desavantatge de les cèl·lules de silici és el seu alt cost. Hi ha cèl·lules de pel·lícula prima fetes de silici amorf (a-Si), tel·lurur de cadmi (CdTe) o diselinur de coure-indi (CuInSe2). L'avantatge de les cèl·lules solars de pel·lícula fina és l'estalvi de matèries primeres i una producció més barata en comparació amb les cèl·lules solars de silici. Per tant, podem dir que els productes de pel·lícula fina tenen perspectives d'ús en fotocèl·lules.

L'inconvenient és que alguns materials són força tòxics, de manera que la seguretat i el reciclatge dels productes tenen un paper important. A més, el telurur és un recurs esgotador en comparació amb el silici.L'eficiència de les fotocèl·lules de pel·lícula fina arriba a l'11% (CuInSe2).

A principis de la dècada de 1960, les cèl·lules solars costaven aproximadament 1.000 dòlars/W de potència màxima i es van fabricar majoritàriament a l'espai. A la dècada de 1970 es va iniciar la producció massiva de fotocèl·lules i el seu preu va baixar fins als 100 $/W. Els avenços posteriors i la reducció del preu de les fotocèl·lules van permetre utilitzar les fotocèl·lules per a les necessitats domèstiques, especialment per a part de la població que vivia lluny de les línies elèctriques i fonts d'alimentació estàndard, els mòduls fotovoltaics s'han convertit en una bona alternativa.

La foto mostra la primera cèl·lula solar basada en silici. Va ser creat per científics i enginyers de l'empresa nord-americana Bell Laboratories l'any 1956. Una cèl·lula solar és una combinació de mòduls fotovoltaics connectats elèctricament entre si. La combinació es selecciona en funció dels paràmetres elèctrics requerits, com ara el corrent i la tensió. Una cèl·lula d'aquesta bateria solar, que produeix menys d'1 watt d'electricitat, costa 250 dòlars. L'electricitat produïda era 100 vegades més cara que la de la xarxa convencional.

Durant gairebé 20 anys, les plaques solars només s'han utilitzat per a l'espai. El 1977, el cost de l'electricitat es va reduir a 76 dòlars per cel·la watt. L'eficiència va augmentar gradualment: un 15% a mitjans de la dècada de 1990 i un 20% l'any 2000. Les dades actuals més rellevants sobre aquest tema:Eficiència de cèl·lules i mòduls solars

La producció de cèl·lules solars de silici es pot dividir aproximadament en tres etapes principals:

• producció de silici d'alta puresa;

• fabricació de volanderes fines de silicona;

• instal·lació de la fotocèl·lula.

La matèria primera principal per a la producció de silici d'alta puresa és la sorra de quars (SiO2)2). La massa fosa s'obté per electròlisi silici metal·lúrgicque té una puresa de fins al 98%. El procés de recuperació de silici té lloc quan la sorra interacciona amb el carboni a una temperatura elevada de 1800 °C:

Aquest grau de puresa no és suficient per a la producció d'una fotocèl·lula, per la qual cosa s'ha de processar posteriorment. La purificació posterior del silici per a la indústria dels semiconductors es porta a terme pràcticament a tot el món mitjançant la tecnologia desenvolupada per Siemens.

"Procés de Siemens" és la purificació del silici mitjançant la reacció del silici metal·lúrgic amb àcid clorhídric, donant lloc a triclorosilà (SiHCl3):

El triclorosilà (SiHCl3) es troba en fase líquida, de manera que es separa fàcilment de l'hidrogen. A més, la destil·lació repetida del triclorosilà augmenta la seva puresa fins al 10-10%.

El procés posterior, la piròlisi del triclorosilà purificat, s'utilitza per produir silici policristalí d'alta puresa. El silici policristalí resultant no compleix completament les condicions d'ús a la indústria dels semiconductors, però per a la indústria solar fotovoltaica, la qualitat del material és suficient.

El silici policristalí és una matèria primera per a la producció de silici monocristal·lí. S'utilitzen dos mètodes per a la producció de silici monocristal·lí: el mètode Czochralski i el mètode de fusió de zones.

El mètode de Czochralski és intensiva en energia i en materials. Una quantitat relativament petita de silici policristalí es carrega al gresol i es fon al buit.Una petita llavor de monosilici cau a la superfície de la fosa i després, girant-se, s'eleva, estirant el lingot cilíndric darrere seu, a causa de la força de la tensió superficial.

Actualment, els diàmetres dels lingots estirats són de fins a 300 mm. La longitud dels lingots amb un diàmetre de 100-150 mm arriba als 75-100 cm L'estructura cristal·lina del lingot allargat repeteix l'estructura monocristal·lina de la llavor. Augmentar el diàmetre i la longitud d'un lingot, així com millorar la tecnologia del seu tall, reduirà la quantitat de residus, reduint així el cost de les fotocèl·lules resultants.

Tecnologia del cinturó. El procés tecnològic desenvolupat per Mobil Solar Energy Corporation es basa en treure tires de silici de la fosa i formar-hi cèl·lules solars. La matriu està parcialment immersa a la fosa de silici i, a causa de l'efecte capil·lar, el silici policristalí s'eleva, formant una cinta, la massa fosa cristal·litza i s'elimina de la matriu. Per tal d'augmentar la productivitat, es dissenya l'equip, sobre el qual és possible rebre fins a nou cinturons alhora. El resultat és un prisma de nou cares.

L'avantatge de les corretges és que són de baix cost pel fet que s'exclou el procés de tall del lingot. A més, les cèl·lules fotovoltaiques rectangulars es poden obtenir fàcilment, mentre que la forma rodona de les plaques monocristal·lines no contribueix a la bona col·locació de la cèl·lula fotovoltaica en el mòdul fotovoltaic.

A continuació, les barres de silici policristalí o monocristal·lí resultants s'han de tallar en hòsties fines de 0,2-0,4 mm de gruix. Quan es talla una vareta de silici monocristal·lí, aproximadament el 50% del material es perd per pèrdues.A més, les volanderes rodones no sempre, però sovint, es tallen per fer una forma quadrada.