Energia solară: celule solare din siliciu Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. În timp ce rezervele de pertrol se epuizează, celulelel solare din siliciu devin o sursă alternativă de energie. Cum funcţionează ele şi cum le putem exploata potenţialul total?

Întinzându-se pe 57 hectare
de teren nefolosit, în Baza
militară aeriană Nellis,
Nevada, SUA, această
matrice de celule solare
fotovoltaice va genera 15
MW de energie pentru bază

Pentru imagine, multumim
US Air Force photo / Airman
1st Class Nadine Y Barclay;
sursa imaginii: Wikimedia
Commons

Soare este, în mod indirect, sursa celor mai multe dintre energiile pe care le folosim pe Pământ: nu doar combustibilii fosili şi biomasa, dar şi energia vânturilor şi a mareelor, pentru a menţiona doar câteva. Există un interes crescând privind capturarea energiei de la Soare mai direct, prin celulele fotovoltaice.

Stea de mărime medie, relativ bătrână, compusă din plasmă fierbine, Soarele emite energie sub formă de radiaţie electromagnatică într-un spectru larg. La o distanţă de 150 milioane de kilometrii, planeta noastră recepţionează de la soare o iradianţă de aproximativ 1366 W/m2 (1 W= 1 J·s), dar nu toată această energie ajunge la noi, deoarece atmosfera reflectă şi absoarbe aproximativ 30%. Totuşi, fiecare metru pătrat al suprafeţei Pământului primeşte în medie aproape 1000 Jouli pe secundă de energie solară.

Pentru o perspectivă comparativă, energia totală consumată global în anul 2010 a fost de 5 x 1020 J. Dacă am presupune că planeta noastră este o sferă perfectă cu raza de 6370 km, Pământul ar recepţiona 1.8 x 1017 J/s, din care aproximativ 1.3 x 1017 J/s ar atinge suprafaţa planetei. Deci, într-o oră Soarele furnizează Pământului toată energia de care am avea nevoie pentru un an întreg.

Totuşi, lucrurile nu sunt chiar aşa de simple. Datorită factorilor meteorologici, formei Pământului, înclinaţiei orbitei şi rotaţiei planetei, iradianţa reală se apropie de 230 W/m2. Dacă refacem calculele anterioare, vom găsi că timpul necesar pentru ca Soarele să furnizeze energie Pământului pentru un an este de aproape cinci ore şi ceva – ceea ce rămâne un timp impresionant de scurt.

Radiaţia solară constituie deci un rezervor de energie promiţător. Dar cum o putem colecta şi folosi?

Ce se întâmplă într-o celulă fotovoltaică?

Fundamentele pentru colectarea modernă a energiei solare au fost puse în 1839, când fizicianul francez Edmond Becquerel a observa o creştere a conductivităţii electrice a anumitor materiale când erau expuse la lumină; acest comportament a devenit cunoscut ca efectul fotovoltaic. Fenomenul a fost explicat odată cu dezvoltarea mecanicii cuantice. Radiaţia electromagnetică poate fi descrisă ca un flux de obiecte cuantice numite fotoni. Când aceşti fotoni sunt absorbiţi de anumite materiale, acestea eliberează în interiorul lor electroni cu stare energetică mai înaltă (în banda de conducţie), îmbunătăţind potenţial conductivitatea materialului.

Semiconductorii, precum siliciul, sunt fotovoltaici deoarece energia unui foton se potriveşte celei necesare pentru a muta unul din electronii semiconductorului sus, în banda de conducţie. Totuşi, semiconductorii puri au puţini electroni liberi şi, deci, au conductivitate redusă. Pentru a le creşte conductivitatea electrică se adaugă în semiconductor mici cantităţi de alte materiale (impurităţi), într-un proces numit dopare.

Siliciul dopat este cel mai frecvent folosit material în circuitele electronice. Siliciul pur are patru electroni de valenţă pe care îi pune la dispoziţia a patru atomi adiacenţi. Adăugând impurităţi cu mai mulţi sau mai puţini electroni de valenţă (precum fosfor sau bor) se modifică proprietăţile de conductivitate ale materialului. Fosforul are cinci electroni de valenţă şi astfel, când atomul de fosfor este înconjurat de atomi de siliciu, al cincilea electron are o legătură slabă. Aceasta înseamnă că el poate ajunge uşor în banda de conducţie, ajutând la creşterea conductivităţii materialului. Siliciul dopat cu fosfor se numeşte de tip „n” (negativ) deoarece dopajul creşte numărul de sarcini libere negative (electroni). În contrast, borul are doar trei electroni de valenţă, iar lipsa unui electron în structura de siliciu creează un ‘gol’. Cum cei trei electroni liberi se mişcă prin latice de la un gol la altul, se poate spune că de fapt golurile de sarcină pozitivă se mişcă prin material. Siliciul dopat cu bor este cunoscut ca fiind siliciu de tip „p” (pozitiv).

Aceste fenomene pot fi exploatate prin celulele solare pentru a colecta energie de la Soare şi pentru a o transforma în energie electrică. Cea mai simplă celulă fotovoltaică este formată din joncţiunea a doi semiconductori, unul dopat-p şi celălalt dopat-n, numită joncţiune p-n. Electronii din siliciul de tip n ‘văd’ golurile din siliciul de tip p şi călătoresc prin această joncţiune pentru a le umple – creând perechi electroni-gol. Când un foton loveşte una dintre perechi, aceasta se rupe şi circulaţia prin material a purtătoarelor de sarcină noi-eliberate, atât pozitive cât şi negative, generează un curent electric.

Un curent electric este generat la interfaţa joncţiunii n-p
Pentru imagine, multumim Enrique García-García

Totuşi, nu toţi purtătorii de sarcini generaţi prin acest proces vor contribui la formarea curentului. O parte semnificativă a electronilor şi golurilor se vor împerechea din nou, generând căldură. Acest fapt reduce eficienţa conversiei de enegie a materialului fotovoltaic: procentajul de energie solară receptată care este convertită în energie electrică. Acesta este unul dintre cei mai importanţi parametrii referitori la calitatea celulelor solare. Astăzi, celulele solare cu siliciu disponibile comercial au o eficienţă de aproximativ 20%, dar se fac eforturi susţinute pentru a îmbunătăţi această valoare.

Fotovoltaicele în practică

Antenă-releu de telefonie
mobilă alimentată cu celule
fotovoltaice

Pentru imagine, multumim
Aomorikuma; sursa imaginii:
Wikimedia Common

Ştim acum ce se petrece într-o celulă solară, dar care sunt practicile de folosire a celulelor fotovoltaice pentru a capta energie de la Soare? Un modul solar standard are aproximativ 1.3 m2şi constă dintr-o matrice de aproximativ 50 celule fotovoltaice. În funcţie de tehnologia de fabricaţie, un astfel de modul va furniza aproximativ 200 W, astfel că un ansamblu de cinci module poate furniza energia electrică necesară unei gospodării medii – aproximativ 1kW. În teorie, cererea de energie totală din Europa poate fi satisfăcută acoperind cu celule solare doar 1% din suprafaţa continentului. Însă în realitate, energia solară poate constitui doar o parte a soluţiei pentru necesităţile noastre de energie.

În Europa, în anul 2010, aproape 7% din energie a fost obţinută folosind tehnologie fotovoltaică, dar estimări optimiste asupra procentului de cerinţe energetice ce pot fi acoperite de energia solară se întind de la 30% la 50%. Nu sunt deocamdată posibile evaluări mai precise deoarece inovaţiile tehnologice necesare sunt încă în curs de dezvoltare.

Una dintre limitările energiei solare este aceea că totalul energiei generate de celulele fotovoltaice depinde puternic de factori de mediu precum vremea noroască, unghiul la care lumina solară cade pe panou; zăpada, ploaia, frunzele şi alte depuneri pe suprafaţă; şi – desigur – întunericul de pe timpul nopţii. O metodă de a compensa aceste probleme constă în includerea energiei solare într-un reţea inteligentă (smart grid), un concept nou de reţea electrică care coordonează producerea de energie din mai multe surse – inclusiv celule solare, generatoare termale şi uzine nuclearo-electrice – pentru a satisface cerinţele consumatorilor racordaţi la acea reţea. Într-o astfel de distribuire a energiilor, celulele solare pot juca un rol tot mai important.

Inspectarea panoului solar pe durata testelor finale ale satelitului GOCE al ESA, destinat să cartografieze gravitaţia Pământului. Obiectul spaţial este echipat cu patru panouri solare montate pe corp şi cu două panouri montate pe aripi. Pe orbită, satelitul se menţine cu aceeaşi faţă orientată spre Soare. Datorită acestei configuraţii, panourile solare se vor confrunta cu variaţii extreme de temperatură, astfel că s-au folosit materiale capabile să suporte temperaturi de maxim 160 ºC şi de minim -170 ºC
Pentru imagine, multumim ESA
Interpretare artistică a
Staţiei Spaţiale Internaţionale,
ale cărei panouri solare
extinse au mărimea cât un
teren de fotbal şi generează
impresionanta energie de
92 kW

Pentru imagine, multumim
ESA / D Ducros

Celulele solare devin tot mai populare, la o scară mai redusă, acolo unde electricitatea produsă poate fi consumată pe loc – în case de locuit, pentru telefoane stradale, la uzine industriale, pe nave maritime, maşini şi chiar pe Staţia Spaţială Internaţionalăw1.

Astfel încât, chiar dacă suntem departe de a acoperi necesarul anual de energie globală din cele cinci ore de soare puternic, tehnologia fotovoltaică devine o sursă de energie tot mai fezabilă. Data viitoare când porniţi boilerul sau televizorul, gândiţivă la lumina solară care a furnizat energia pentru el.

 

Fotovoltaicele organice

Panourile fotovoltaice bazate pe semiconductori cristalini – precum cei descrişi în acest articol – sunt relativ scump de obţinut şi de prelucrat. O alternativă ne este oferită de materialele fotovolatice organice, care permit producerea de panouri solare mari pe substraturi flexibile prin procese având costuri reduse, similare cu tipărirea cu jet de cerneală. Totuşi, pentru îmbunătăţirea eficienţei lor mai sunt necesare eforturi de cercetare.

Cele mai multe dispozitive fotovoltaice organice sunt bazate pe filme subţiri constituite dintr-o componentă acceptoare de electroni (de genul derivatei de fulerenă – o moleculă de carbon sferică, goală la interior, C60) şi una care donează electroni (un polimer conjugat), cele două componente fiind plasate între doi electrozi de captare a curentului. O cerinţă importantă este de a mixa aceste două componente astfel încât să se obţină o reţea continuă de căi donoare şi căi acceptoare pentru purtătorii de sarcină electrică (electroni şi goluri) pentru a ajunge la electrodul potrivit (vedeţi imaginea). Analiza cu sincrotronul de raze X la ESRF (Instalaţia Europeană de Radiaţie prin Sincrotron) este o metodă bună de a examina îndeaproape aceste materiale, permiţând astfel îmbunătăţirea caracteristicilor.

Acest film de plastic este confecţionat dintr-un amestec constituind o reţea continuă de donori (maro deschis) şi acceptori (maro încis), care permit transferul de sarcină electrică între cei doi electroni (benzile gri şi violet, de sus şi respectiv de jos)
Pentru imagine, multumim ESRF

Pentru a afla mai multe, consultaţi web-site-ul ESRFw2.

ESRF este membru al EIROforumw3, editorul magazinului Science in School.

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Author(s)

Cei patru autori ai articolului lucrează la Universitatea din Salamanca, Spania.

Enrique García-García a absolvit facultatea de fizică şi a obţinut titlul de master în fizică şi în tehnologia laserilor. Interesul său ştiinţific include caracterizarea electrică a celulelor solare şi undele electromagnatice la frecvenţe în domendiul teraherţilor (radiaţie teraherţiană).

Dr. Yahya Moubarak Meziani are titlul de doctor în fizica semiconductorilor de la Universitatea Montpellier 2, Franţa. Din 2008 el conduce un grup de cercetare privind radiaţia teraherţiană.

Profesorul Jesús Enrique Velázquez-Pérez are un doctorat de la Universitea de Sud din Paris, Franţa, în domeniul simulării şi dezvoltării de componente electronice de înaltă frecvenţă. El s-a stabilit la Universitatea din Salamanca din primi ani ai deceniului 1990.

Cercetările Dr. Jaime Calvo-Gallego includ simulărilor pe calculator prin metoda Monte Carlo a dispozitivelor electronice, a transferului de căldură şi a dispozitivelor teraherţiene.


Review

Exploatarea energiei solare este astăzi un subiect răspândit pe tot globul, în special din perspectiva conştientizării asupra riscurilor modificărilor climatice şi al epuizării resurselor de energie tradiţionale. Ţările devin tot mai conştiente de necesitatea de a-şi reduce dependenţa faţă de sursele de energie clasice şi de a adopta politici favorabile surselor de energie regenerabile.

Articolul de faţă oferă un foarte bun exemplu de cum se pot folosi semiconductorii în celulele fotovolatice şi furnizează o idee generală despre energia radiată de soare şi despre cât din aceasta poate fi colectată efectiv de către dispozitivele solare. Conceptele principale ale articlolului pot fi incluse în studiul educaţional ca părţi/referinţe ale unor subiecte mai largi, precum efectul fotoelectric, conductori şi izolatori, semiconductori intrinseci şi extrinseci, teoria benzilor de energie şi curentul electric.

Întrebări/teme pentru discuţii didactice de înţelegere şi extindere a cunoştinţelor la clasă:

  1. Soarele este o sursă de energie regenerabilă foarte puternică. Atunci de ce doar un mic procent din consumul anual poate fi generat din energia solară?
  2. Explicaţi de ce semiconductorii cu siliciu sunt folosiţi în celulele fotovoltaice.
  3. Conductivitatea unui semiconductor poate fi crescută prin doparea materialului. Explicaţi cum se produc astfel semiconductorii de tip p şi de tip n.
  4. Cum sunt folosiţi aceşti semiconductori dopaţi în celulele fotovoltaice pentru a capta energia solară?
  5. Cât sunt de eficiente în practică celulele fotovoltaice? Cât din energia totală a Europei este obţinută folosind tehnologii fotovoltaice?
  6. Care sunt factorii care limitează eficienţa colectării energiei solare?

Acest articol este ideal şi pentru realizarea de conexiuni între subiectul energiei regenerabile (precum cea solară) şi cel a problemelor de mediu. Impactul pozitiv al folosirii celulelor fotovoltaice sau al încălzitoarelor solare pentru a genera energie a fost documentat amplu. Totuşi, am putea cere elevilor să studieze şi să se gândească la impactul pe care astfel de dispozitive îl vor avea asupra planetei în viitor. Ce materiale sunt folosite la construirea încălzitoarelor solare, a panourilor solare şi a celulelor fotovoltaice? Este cumva procesul de fabricare a acestora dăunător mediului? Care este durata de viaţă a unui astfel de echipamnt, şi cum este el tratat după retragerea din activitate? Materialele acestea sunt fabricate din materiale neregenerabile? Din perspectiva eficienţei acestor dispozitive, sunt ele viabile economic pentru a fi produse şi menţinute în exploatare?


Catherine Cutajar, Malta




License

CC-BY-NC-ND