Cèl·lula fotoelèctrica

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
Cèl·lula fotovoltaica solar policristal·lina de quatre polzades
Símbol de la cèl·lula fotovoltaica

Una cèl·lula fotoelèctrica, també anomenada fotocèl·lula o cèl·lula fotovoltaica, és un dispositiu electrònic que permet transformar l'energia de la llum (fotons) en electricitat (electrons) mitjançant l'efecte fotovoltaic.[1]

Els compostos d'un material que presenta efecte fotoelèctric absorbeixen fotons de la llum i emeten electrons. Quan aquests electrons lliures són capturats, el resultat és un corrent elèctric que pot ser utilitzat com electricitat. Un grup de cèl·lules fotoelèctriques per a energia solar és conegut com a panell fotovoltaic, consisteix en una xarxa de cèl·lules solars connectades en circuit en sèrie per augmentar la tensió de sortida a la vegada que es connecten diverses xarxes en circuit en paral·lel per augmentar el corrent elèctric que és capaç de proporcionar el dispositiu. El tipus de corrent elèctric que proporciona és corrent continu.

L'eficiència de conversió mitjana obtinguda per les cèl·lules disponibles comercialment produïdes a partir de silici monocristal·lí és inferior a la de les cèl·lules multicapa, normalment d'arsenur de Gali. Actualment hi ha també noves tecnologies en la producció dels panells solars que no utilitzen el silici, per exemple amb els semiconductors tel·lurur de cadmi, arsenur de gal·li i diseleniur de coure en indi.[2]

Principi de funcionament[modifica | modifica el codi]

En un semiconductor exposat a la llum, un fotó d'energia arrenca un electró, creant en passar un forat. Normalment, l'electró troba ràpidament un forat per tornar a omplir-lo, i l'energia proporcionada pel fotó es dissipa. El principi d'una cèl·lula fotovoltaica és obligar els electrons i als forats a avançar cap al costat oposat del material en comptes de recombinar-se: així, es produirà una diferència de potencial i per tant una tensió entre les dues parts del material, com passa en una bateria elèctrica.

Per a això, es crea un camp elèctric permanent, a través d'una junció PN, entre dues capes dopades P i N respectivament:

Estructura d'una cèl·lula fotovoltaica
  • La capa superior de la cèl·lula es compon de silici dopat tipus N.[note 1] En aquesta capa, hi ha un nombre d'electrons lliures més gran que a una capa de silici pur, d'aquí el nom del dopatge N, com a càrrega negativa (electrons). El material és elèctricament neutre: és la xarxa cristal·lina la que té globalment una càrrega positiva.
  • La capa inferior de la cèl·lula es compon de silici dopat tipus P.[note 2] Aquesta capa té per tant una quantitat mitjana d'electrons lliures menor que una capa de silici pur, els electrons estan lligats a la xarxa cristal·lina que, en conseqüència, està carregada positivament. La conducció elèctrica està assegurada pels forats, positius (P).

En el moment de la creació de la unió PN, els electrons lliures de la capa N entren a la capa P i es recombinen amb els forats en la regió P. Hi haurà així durant tota la vida de la junció, una càrrega positiva en la regió N al llarg de la junció (perquè falten electrons) i una càrrega negativa a la regió a P al llarg de la junció (perquè els forats han desaparegut), el conjunt forma la zona de càrrega d'espai i hi ha un camp elèctric entre les dues, de N a P. Aquest camp elèctric fa de la zona de càrrega d'espai un díode, que només permet el flux de corrent en una direcció: els electrons poden moure's de la regió P a la N, però no en la direcció oposada i per contra els forats no passen més que de N a P.

En funcionament, quan un fotó arrenca un electró a la matriu, creant un electró lliure i un buit, sota l'efecte d'aquest camp elèctric cada un va en direcció oposada: els electrons s'acumulen en la regió N (per a convertir-se en pol negatiu), mentre que els forats s'acumulen en la regió dopada P (que es converteix en el pol positiu). Aquest fenomen és més eficaç en la zona de càrrega d'espai, on gairebé no hi ha portadors de càrrega (electrons o forats), ja que són anul·lats, o en la proximitat immediata a la zona de càrrega d'espai: quan un fotó crea un parell electró - buit, es van separar i és improbable que trobin al seu oposat, però si la creació té lloc en un lloc més allunyat de la junció, l'electró (convertit en buit) manté una gran oportunitat per recombinar abans d'arribar a la zona N (resp. la zona P). Però la zona de càrrega d'espai és necessàriament molt prima, així que no és útil donar un gran gruix a la cèl·lula.[note 3]

En resum, una cèl·lula fotovoltaica és l'equivalent d'un Generador d'Energia a la que hem afegit un díode.

Cal afegir contactes elèctrics (que permetin passar la llum: en la pràctica, mitjançant un contacte de reixeta, una capa antireflectant per garantir la correcta absorció de fotons, etc.

Perquè la cèl·lula funcioni, i produeixi la potència màxima de corrent s'hi afegeix la banda prohibida dels semiconductors a nivell d'energia dels fotons. És possible augmentar les unions per tal d'explotar al màxim l'espectre d'energia dels fotons, el que produeix les cèl·lules multijuntes.

Tècnica de fabricació[modifica | modifica el codi]

El silici és actualment el material més habitual per a la fabricació de cèl·lules fotovoltaiques, anomenades cèl·lules fotovoltaiques de silici. S'obté per reducció de la sílice, compost més abundant en l'escorça de la Terra, en particular en la sorra o el quars. El primer pas és la producció de silici metal·lúrgic, pur al 98%, obtingut de trossos de pedres de quars provinents d'un filó mineral (la tècnica de producció industrial no parteix de la sorra). El silici de qualitat fotovoltaica ha de ser purificat fins a arribar a més de 99,999%, que s'obté mitjançant la conversió del silici en un compost químic que es destil·la i després torna a transformar-se en silici.[3] El procés genera gasos tòxics.[4]

El silici es produeix en barres anomenades «lingots» de secció rodona o quadrada. Aquests lingots són després tallats a làmines primes quadrades (si cal) de 200 micròmetres de gruix, que es diuen «oblies». Després del tractament per a la injecció de l'enriquit amb dopant (fòsfor, arsènic, antimoni o bor) i obtenir així els semiconductors de silici tipus P o N, les oblies són «metal·litzades»: unes cintes de metall s'incrusten a la superfície i es connecten a contactes elèctrics. Una vegada metal·litzades, les oblies s'han convertit en cèl·lules solars.

La producció de cèl·lules fotovoltaiques requereix energia, i s'estima que un mòdul fotovoltaic ha de treballar al voltant de 2 a 3 anys[5] segons la tecnologia per produir l'energia que va ser necessària per a la seva producció (mòdul de retorn d'energia).

Cèl·lules de silici amorf[modifica | modifica el codi]

El silici durant la seva transformació, produeix un gas que es projecta sobre una làmina de vidre. La cel és gris molt fosc. És la cèl·lula de les calculadores i rellotges anomenats de «solars». Ets cèl·lules van ser les primeres a ser manufacturades, ja que es podien emprar els mateixos mètodes de fabricació de díodes.

  • Avantatges:
    • Funciona amb una llum difusa baixa (fins i tot en dies ennuvolats),
    • Una mica menys costosa que altres tecnologies,
    • Integració sobre suport flexible o rígid.
  • Inconvenients:
    • Rendiment a ple sol baix, del 5% al 7%,[6]
    • Rendiment decreixent amb el temps (7%).

Pila de silici monocristal[modifica | modifica el codi]

Cèl·lula solar

Al refredar-se, el silici fos se solidifica formant només un únic vidre de grans dimensions. Després es talla el vidre en primes capes que donen lloc a les cèl·lules. Aquestes cèl·lules generalment són un blau uniforme.

  • Avantatges:
    • Bon rendiment de 14% al 16%,[6]
    • Bona relació Wp m² (150 WC/m², el que estalvia espai en cas necessari
    • Nombre de fabricants elevat.
  • Inconvenients:
    • Cost elevat

Cèl·lules de silici multicristal·lí[modifica | modifica el codi]

Una cèl·lula fotovoltaica obtinguda a partir de silici muticristal·lí

Durant el refredament de silici en un motlle es formen diversos vidres. La fotocèl·lula és d'aspecte blavós, però no és uniforme, es distingeixen diferents colors creats pels diferents vidres.

  • Avantatges:
    • Cèl·lules quadrades (amb vores arrodonides en el cas de Si monocristal·lí) que permet un millor funcionament en un mòdul,
    • Eficiència de conversió òptima, al voltant de 100 Wp/m², però una mica menor que en el monocristall
    • Lingot més barat de produir que el monocristal·lí.
  • Inconvenient
    • Baix rendiment en condicions d'il·luminació baixa.

El terme policristal s'utilitza per a les capes dipositades sobre un substrat (grans petits).

Cèl·lules Tàndem[modifica | modifica el codi]

Apilament monolític de dues cèl·lules individuals. Mitjançant la combinació de dues cèl·lules (capa prima de silici amorf sobre silici cristall, per exemple) que absorbeixen en l'espectre al mateix temps se solapen, millorant el rendiment en comparació amb les cèl·lules individuals separades, siguin amorfes, cristall o microcristall.

  • Avantatges
    • Alta sensibilitat en un ampli rang de longituds d'ona. Excel·lent rendiment.
  • Desavantatge
    • El cost és alt a causa de la superposició de dues cèl·lules.

Cèl·lules multiunió[modifica | modifica el codi]

Les cèl·lules multiunió tenen una alta eficiència i han estat desenvolupades per a aplicacions espacials, compostes de diverses capes primes utilitzant l'epitàxia per feix molecular. Cada tipus de semiconductors es caracteritza per un màxim de longitud d'ona més enllà del qual no és capaç de convertir els fotons en energia elèctrica (veure banda prohibida). Per sota d'aquesta longitud d'ona, l'excés d'energia transportada per el fotó es perd. D'aquí el valor de la selecció de materials amb longituds d'ona tan a prop l'un a l'altre com sigui possible, de manera que absorbeixin la majoria de l'espectre solar, generant un màxim d'electricitat a partir del flux solar.

Semiconductor fbi[modifica | modifica el codi]

La tècnica consisteix a dipositar un material semiconductor que conté coure, gal·li, indi i seleni sobre un suport. Aquestes noves tècniques utilitzen metalls rars, com indi, tel·luri, gal·li i germani, encara que les quantitats d'aquestes matèries primeres necessàries per a la fabricació de cèl·lules solars són infinitesimals.

Ús[modifica | modifica el codi]

Les cèl·lules fotovoltaiques s'utilitzen a vegades soles (il·luminació de jardí, calculadores, ...) o agrupades en panells solars fotovoltaics.

S'utilitzen per reemplaçar les bateries (l'energia és de bon tros la més cara per a l'usuari), les cèl·lules han envaït les calculadores, rellotges, aparells, etc.

És possible augmentar el seu rang d'utilització emmagatzemant mitjançant un (condensador o bateria elèctrica). Quan s'utilitza amb un dispositiu per emmagatzemar energia, cal col·locar un díode en sèrie per evitar la descàrrega del sistema durant la nit.

S'utilitzen per produir electricitat per a moltes aplicacions (satèl·lits, parquímetres, ...), i per a l'alimentació de les llars o en una xarxa pública en el cas d'una central solar fotovoltaica.

Panells fotovoltaics

Tipus[modifica | modifica el codi]

Les cèl·lules fotoelèctriques es classifiquen en tres generacions que indiquen l'ordre d'importància i rellevància que han tingut històricament. En el present hi ha investigació en les tres generacions de tecnologia.

Primera generació[modifica | modifica el codi]

Les cèl·lules de la primera generació tenen gran superfície, alta qualitat i es poden unir fàcilment. Les tecnologies de la primera generació no permeten ja avenços significatius en la reducció dels costos de producció. Els dispositius formats per la unió de cèl·lules de silici s'estan acostant al·límit d'eficàcia teòrica que és del 31%[7] i tenen un període d'amortització de 5-7 anys.[8]

Segona generació[modifica | modifica el codi]

Els materials de la segona generació han estat desenvolupats per satisfer les necessitats de subministrament d'energia i el manteniment dels costos de producció de les cèl·lules solars. Les tècniques de fabricació alternatives, com la deposició química de vapor, i la galvanoplàstia té més avantatges,[9] ja que redueixen la temperatura del procés de manera significativa.

Un dels materials amb més èxit en la segona generació han estat les pel·lícules fines de tel·luri de cadmi (CdTe), cigs, de silici amorf i de silici microamorf. Aquests materials s'apliquen en una pel·lícula fina en un substrat de suport tal com el vidre o la ceràmica, la reducció de material i per tant dels costos és significativa. Aquestes tecnologies prometen fer més grans les eficiències de conversió, en particular, el cigs-CIS, el DSC i el CdTe que són els que ofereixen els costos de producció significativament més barats. Aquestes tecnologies poden tenir eficiències de conversió més altes combinades amb costos de producció més barats.

Entre els fabricants, hi ha una tendència cap a les tecnologies de la segona generació, però la comercialització d'aquestes tecnologies ha estat difícil.[10] El 2007, First Solar va produir 200 MW de cèl·lules fotoelèctriques de CdTe, el cinquè fabricant més gran de cèl·lules en 2007.[10] Wurth Solar comercialitzar la seva tecnologia de cigs el 2007 produint 15 MW. Nanosolar comercialitzar la seva tecnologia de cigs el 2007 i amb una capacitat de producció de 430 MW per a 2008 als EUA i Alemanya.[11] Honda Soltec va començar a comercialitzar la seva base de panells solars cigs el 2008.

El 2007, la producció de CdTe representar 4.7% del mercat, el silici de pel·lícula fina el 5.2%, i el cigs 0.5%.[10]

Tercera generació[modifica | modifica el codi]

Es denominen cèl·lules solars de tercera generació a aquelles que permeten eficiències de conversió elèctrica teòriques molt més grans que les actuals ia un preu de producció molt menor. La investigació actual es dirigeix a l'eficiència de conversió del 30-60%, mantenint els materials i tècniques de fabricació a un baix cost.[7] Es pot sobrepassar el·límit teòric d'eficiència de conversió d'energia solar per a un sol material, que va ser calculat el 1961 per Shockley i Queisser en el 31%[12]

Hi ha diversos mètodes per aconseguir aquesta alta eficiència inclòs l'ús de cèl·lula fotovoltaica amb multiunión, la concentració de l'espectre incident, l'ús de la generació tèrmica per radiació ultraviolada per augmentar la tensió, o l'ús de la radiació infraroja per a l'activitat nocturna.

Full de ruta de l'energia fotovoltaica[modifica | modifica el codi]

Aquests són alguns dels objectius que la indústria japonesa s'ha proposat:

Tema Objectiu per al 2010 Objectiu per al 2020 Objectiu per al 2030
Cost de producció 100 ien/watt 75 ien/watt <50 ien/watt
Durada de vida - +30 anys --
Consum de matèria primera - - 1 g/watt
Cost del convertidor - - 15 000 ien/kW
Ccosto de la bateria - 10 ien/Wh --
Eficiència de la cèl·lula cristal·lina 20% 25% 25%
Eficiència de la cèl·lula de capa prima 15% 18% 20%
Eficiència de la cèl·lula CIS 19% 25% 25%
Eficiència de la cèl·lula III-V 40% 45% 50%
Eficiència de la cèl·lula "Dye sensitizes" 10% 15% 18%

Font NEDO (Japó), 134.62 ien=1 d'agost de 2009

Vegeu també[modifica | modifica el codi]

Notes[modifica | modifica el codi]

  1. Una petita proporció d'àtoms de silici se substitueix per un element de valència superior a la taula periòdica, és a dir, que té més electrons en el vostre capa de valència que el silici. El silici té 4 electrons en la seva capa de valència: es poden utilitzar elements del grup del nitrogen, per exemple, fòsfor.
  2. Per un element de valència menor que el silici. Pot ser bor o un altre element de la columna 13
  3. Se li pot donar una forma ondulada per augmentar la superfície activa

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. «Cèl·lula fotoelèctrica». L'Enciclopèdia.cat. Barcelona: Grup Enciclopèdia Catalana.
  2. Sitiosolar
  3. Ecologistas en acción
  4. neoteo.com
  5. [AIE http://www.eupvplatform.org/fileadmin/Documents/Brochure-indicateurs_26_pays.pdf - En comparació amb l'avaluació de diversos indicadors ambientals de l'electricitat fotovoltaica a les ciutats de l'OCDE] Noia 64 mimetypes pdf.pngPDF
  6. 6,0 6,1 Cours solaire thermique - INES Education. 
  7. 7,0 7,1 Green, Martin A. «Third generation photovoltaics: solar cells for 2.020 and beyond». Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 14, abril 2002, pàg. 65-70. DOI: 10.1016/S1386-9477 (02) 00361-2.
  8. «What is the Energy Payback for PV?» (PDF). [Consulta: 2008.12.30].
  9. "d'IBM el 12 % d'eficiència de la CEI de la cèl·lula solar preparat mitjançant un procés de solució de hidrazina "
  10. 10,0 10,1 10,2 «Market Survey: Cell & Module Production 2007». Photon International, març 2008, pàg. 140-174.
  11. Largest Solar Cell Factory Coming to Bay Area
  12. School of Photovoltaic and Renewable Energy Engineering, UNSW: Third Generation Photovoltaics

Enllaços externs[modifica | modifica el codi]