Introducció
Fins avui dia ha sorgit una certa inquietud per que fa a problemes mediambientals. Una exemple d’aquests problemes podria ser, clarament, el l’escalfament global. S’han incrementat les teories de possibles solucions per a resoldre-ho. Unes de les idees amb més base, plantejades fins el moment és la de les energies verdes o energies renovables. Així doncs, la qüestió que es planteja és la eliminació de les emissions de diòxid de carboni a l’atmosfera, per tant, la eliminació de la combustió externa o la interna en la producció de energia. Tant en el sector automobilístic com en el sector industrial o domèstic.
1 Que és la energia solar fotovoltaica?
És un tipus de energia renovable obtinguda directament dels rajos del Sol. Això succeeix gràcies a l’efecte fotoelèctric d’un determinat dispositiu semiconductor; normalment una lamina metàl·lica anomenada cèl·lula fotovoltaica. Aquests materials semiconductors s’exciten al rebre la radiació solar i es provoquen salts electrònics i una petita diferencia de potencial. Al acoblar en sèrie diverses porcions d’aquest material , s’obté voltatges majors útils per a poder-ne aprofitar l’energia.
Les diferents cèl·lules fotovoltaiques s’agrupen formant mòduls o panells fotovoltaics. Aquests estan formats per un cristall o làmina transparent superior i un tancament inferior entre els quals queda encapsulat el substrat convertidor i les seves connexions elèctriques. La làmina inferior pot ser transparent, però les més freqüents acostumen a ser de plàstic. Per a encapsular es solen afegir unes lamines fines y transparents d’un polímer, semblant a la goma, que es fon per a crear un segellat amb antihumitat, aïllant, transparent i robust.
El corrent elèctric continu que proporcionen els mòduls fotovoltaics es poden transformar en corrent altern mitjançant un aparell electrònic anomenat inversor. Aquest corrent altern pot ser emmagatzemat en bateries o bé pot ser connectat a la xarxa elèctrica. El procés en la planta d’una central fotovoltaica seria el següent: Es genera la energia a tensions de 380-800V i en corrent continu. Es transforma, mitjançant un inversor, a corrent alterna. En un centre de transformació s’eleva a mitjana tensió (15 o 25kV) i s’injecta a les xarxes de transport de la companyia. Aquesta operació és poc rendible econòmicament i precisa encara de subvencions per a la seva viabilitat.
En el cas de entorns aïllats, on es requereix poca potencia elèctrica i on l’accés a la xarxa elèctrica és difícil, la opció de la instal·lació de plaques fotovoltaiques és una alternativa econòmicament viable.
Cal tenir en compte aquesta darrere possibilitat, ja que la major part de la població mundial no te accés a una xarxa elèctrica ni a cap tipus de font d’energia.
2 Història sobre la energia solar fotovoltaica
L’energia solar fotovoltaica es basa en l’efecte fotoelèctric o fotovoltaic. Aquest fenomen es va reconèixer per primera vegada pel físic francès Becquerel, l’any 1839. Tanmateix, fins l’any 1883 no va ser construïda la primera cèl·lula solar, per Charles Fritts, amb una eficiència de 1%. Durant la meitat del segle XX es van implantar diverses millores per a millorar la seva eficiència. En el 1946, Russel Ohl va patentar la moderna unió entre els materials semiconductors que actualment s’utilitzen.
L’avanç tecnològic més important va arribar l’any 1954 quan els Laboratoris Bell, experimentant amb els semiconductors, van desenvolupar la primera cèl·lula fotovoltaica de silici, amb un rendiment del 4,5%, més tard millorada fins al 6%.
Anys següents hi ha haver les primeres aplicacions d’aquesta font d’energia procedent del silici a diversos vehicles experimentals; com avions i cotxes.
Pel que fa a la història dels panells fotovoltaics, el 1970 va sorgir la primera cèl·lula solar amb heteroestructura de arseniür de Gali (GaAs),amb una eficiència del 17%, a partir de unions simples de GaAs. El 1989 es va produir de manera accidental la connexió dual de la cèl·lules d’GaAs com a conseqüència d’un canvi del GaAs sobre els substrats de germani.
Aquest dopatge accidental del germani (Ge) juntament amb el GaAs, com a capa amortidora, va crear circuits de voltatge oberts, demostrant el potencial de l’ús dels substrats de germani com a altres cèl·lules. En el 1993 una cèl·lules d’GaAs va arribar al 19% d’eficiència. ASEC va desenvolupar la primera cèl·lula de doble unió per a les naus espacials usades en els Estats Units, amb una eficiència del 20% aproximadament.
Aquestes cèl·lules no utilitzen germini com a segona cèl·lula, però utilitzen una cèl·lula basada en GaAs amb diferents tipus de dopatge. De manera excepcional, les cèl·lules de doble unió d’GaAs poden arribar a eficiències de fins a 22%. Les unions triples comencen amb eficiències de l’orde del 24% en el 2000, 26% en el 2002, 28% en el 2005, i han arribat, de manera corrent al 30% en el 2007.
3 Tipus
Les plaques solars es divideixen en dos grans tipus les cristal·lines: amb silici cristal·litzat , i les amorfes, amb silici no cristal·litzat. A la vegada les cristal·lines es divideixen entre les monocristal·lines, amb un sol cristall de silici i les policristal·lines, amb més d’un cristall de silici monocristal·lí. L’evolució tecnològica de les plaques solars es podria classificar en quatre generacions.
Primera generació
Consisteix en una gran superfície de cristall simple. Una capa amb unió diode pn, capaç de generar energia elèctrica a partir de fonts de llum amb longituds d’ona similars a les que arriben a la superfície de la Terra provinents del Sol. Aquestes cèl·lules estan fabricades, normalment, en un procés de difusió amb silici. Aquesta generació és, actualment, la tecnologia dominant en la producció comercial i constitueix, aproximadament, el 86% del mercat de cèl·lules solars terrestres.
Citació: díodes pn són unions de dos materials semiconductors extrínsecs de tipus p i n.
Segona generació
En la segona generació de materials fotovoltaics es basen en l’ús de dipòsits epitaxials dp molt prims de semiconductors amb concentradors. Hi ha dos tipus de cèl·lules fotovoltaiques epitaxials: les espacials i les terrestres. Les cèl·lules espacials, normalment, tenen eficiències més altes (28-30%), però tenen un cost per vat més alt. En les terrestres la pel·lícula prima s’ha desenvolupat usant processos de baix cost, però tenen una eficiència més baixa (7-9%), i per tant, es qüestionen per a aplicacions espacials.
Les prediccions abans de la arribada de la tecnologia de pel·lícula prima apuntaven a una considerable reducció de costos per a cèl·lules solars de pel·lícula prima. Reducció que ja s’ha produït. Actualment hi ha un gran nombre de tecnologies de materials semiconductors sota investigació per a la producció en massa. En són exemple materials com: el silici amorf, silici policristal·lí, silici monocristal·lí, teleniur de cadmi, sulfurs i seleniürs d’indi. Teòricament, un avantatge de la tecnologia de pel·lícula prima és la seva massa reduïda, molt apropiada per a panells sobre materials molt lleugers o flexibles. Inclús materials d’origen tèxtil.
L’arribada de pel·lícules primes de Ga i As per a aplicacions espacials, amb potents eficiències, superiors al 37%, estan, actualment, en estat de desenvolupament per a aplicacions d’elevada potencia específica.
La segona generació de cèl·lules solars constitueixen un petit segment del mercat fotovoltaic terrestre, i el 90% del mercat espacial, actualment.
Tercera generació
La tercera generació de cèl·lules fotovoltaiques, que s’estan proposant en l’actualitat, són molt diferents dels dispositius semiconductors de les generacions anteriors, ja que realment no presenten la tradicional unió per separar els portadors de carrega fotogeneradors.
Citació: cèl·lules fotovoltaiques epitaxials: són aquelles cèl·lules produïdes per un fenomen de cristal·lització donat entre cristalls de 2 especies diferents.
Per a aplicacions espacials, s’estan estudiant dispositius quàntics i dispositius que incorporen nanotubs de carboni, amb potencial de més de 45% d’eficiència.
Per a aplicacions terrestres, actualment, es troben en fase d’investigació dispositius que inclouen cèl·lules fotoelectroquímiques, cèl·lules solars de polímers, cèl·lules solars de nanocristalls i cèl·lules solars de tintes sensibilitzades.
Quarta generació
Una hipotètica quarta generació de cèl·lules solars consistiria en una tecnologia fotovoltaica composta, en la qual es mesclen, conjuntament, nanoparticules amb polímers per a fabricar una capa simple multiespectral. Posteriorment, varies capes primes multiespectrals es podrien apilar per a fabricar les cèl·lules solars multiespectrals definitives. Cèl·lules que són més eficients i barates. Basades en aquesta idea, s’han dut a terme missions a Mart, per part de la NASA, utilitzant aquesta tecnologia de multiunió.
Aquestes cèl·lules fotovoltaiques actuen de manera que la primera capa és la que transforma els diferents tipus de llum i la segona converteix l’energia i l’última és una capa per a l’espectre infraroig. D’aquesta manera es converteix part de calor en energia aprofitable.
El resultat és una excel·lent cèl·lula solar composta. La investigació de d’aquesta tecnologia està supervisada i dirigida per part de la DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), per a determinar si és una tecnologia viable o no.
4 Principis físics
4.1 Efecte Fotoelèctric
El fenomen que fa que un panell solar produeixi energia elèctrica a partir de la llum solar, es podria explicar amb l’efecte fotoelèctric.
El 1887, el físic alemany H. Hertz va descobrir que, en fer incidir una radiació electromagnètica sobre una superfície metàl·lica, se’n desprenien electrons. Aquest fenomen es va anomenar efecte fotoelèctric.
Uns anys més tard, el 1905, el físic Albert Einstein va explicar aquest fet a partir de la teoria dels quanta. Va suposar que la radiació electromagnètica esta formada per quantums d’energia, que va anomenar fotons.
A partir d’aquí, va explicar que quan un fotó, de freqüència v i energia h·v, incideix sobre una superfície metàl·lica, cedeix la seva energia a un electró. L’electró utilitza una part d’aquesta energia, Wextracció = h·v0, per escapar del metall, i la resta la fa servir per a adquirir-ne una energia cinètica. La formula que englobaria aquest balanç energètic seria la següent:
Efotó incident = Wextracció + Ec (de l’electró)
h·v = h·v0 + 1/2 m(e-) · v(e-)
4.2 Efecte fotovoltaic
Quan un fotó col·lisions amb un tros de silici es poden donar tres casos:
El primer en que el fotó travessa el silici i segueix el seu camí sense més repercussió. Això succeeix quan l’energia del fotó és menor que l’energia que lliga als electrons de l’última capa amb el seu nucli, en aquest cas del silici.
Com a segon cas, el fotó és reflectit per la superfície del silici. En aquest cas, l’energia del fotó és major que la dels electrons de l’última capa.
En tercer cas, el fotó és absorbit pel silici. Això succeeix quan l’energia del fotó és similar a l’energia que manté els electrons de valència amb el nucli de l’element semiconductor.
En aquest últim cas, el fotó cedeix la seva energia a l’electró i es pot trencar l’enllaç que el vincula amb el nucli, quedant lliure per a circular pel semiconductor. Aquest lloc deixat per l’electró, quan queda alliberat, s’anomena forat. Aquests forats se’ls hi atribueix una carga positiva. També es desplacen, ja que l’electró alliberat es susceptible a caure en el pròxim forat. Aquest fenomen s’anomena recombinació.
Quan la llum solar bombardeja amb fotons la superfície d’un semiconductor, els parells d’electrons-forats creats es desplacen cap a zones no il·luminades on es recombinen i s’estabilitzen al perdre activitat. No obstant això, al moure’s ambdós en la mateixa direcció, no es produeix corrent elèctric. Per a que es produeixi un corrent elèctric és necessari que els electrons-forats es moguin en direccions oposades. Això es pot aconseguir creant un camp elèctric en l’interior del semiconductor.
4.2 Electrons i forats
Un forat és la absència d’un electró en la banda de valència. Tal banda de valència estaria normalment completa sense el “forat”. Una banda de valència completa (o quasi completa) és característica dels aïllants y dels semiconductors.
El fora d’electró té valors absoluts de la mateixa carga que l’electró, però, contràriament a l’electró, la seva carga és positiva.
Cal recalcar que els forats no són partícules, com per exemple l’electró, sinó que és la falta o absència d’un electró en un semiconductor. A cada falta d’un electró s’associa una complementaria carga de signe positiu (+).
Exemple:
Quan un cristall tetravalent (és a dir, de quatre electrons de valència), com el silici, és dopat amb àtoms específics que, com el bor, posseeixen només tres electrons de valència, un dels quatre enllaços del silici queda lliure.
És llavors que els electrons adjacents poden, amb certa facilitat, desplaçar-se i ocupar el lloc que ha quedat lliure en l’enllaç. Aquest fenomen és anomenat forat.
Una altre característica peculiar dels forat d’electró és que la seva mobilitat resulta menor que la dels electrons pròpiament dits, per exemple la relació entre mobilitat dels electrons i la dels forats tenen un valor aproximat entre 2 i 5.
4.3 Circuit equivalent de la cèl·lula solar
Per a entendre el comportament d’una cèl·lula solar, és útil començar partint d’un model elèctric equivalent. Una cèl·lula ideal pot ser modelada com una font elèctrica connectada amb un diode en paral·lel.
En la pràctica, no existeixen cèl·lules ideals, per la qual cosa que es col·loca una resistència en paral·lel i una resistència en sèrie.
| Circuit equivalent d’una cèl·lula fotovoltaica |
| Símbol esquemàtic d’una cèl·lula fotovoltaica |
5 Materials absorbents de llum
Totes les cèl·lules solars requereixen un material absorbent de llum capaç de captar els fotos i desplaçar els electrons, per a crear un diferencia de potencial, mitjançant l’efecte fotovoltaic. Els materials utilitzats en les cèl·lules solars solen estar dissenyats per a absorbir la llum solar que arriba a la superfície de la Terra; tot i així, hi ha cèl·lules solars optimitzades per a absorbir longituds d’ona que no arriben a travessar l’atmosfera. Aquests materials poden ser utilitzats en múltiples configuracions físiques per a absorbir diferents longituds d’ona produït la separació de cargues (electrons i forats).
La major part de les cèl·lules solars entren dins la categoria de materials gruixuts (bulk, en angles), solen ser fabricades a partir de barres (generalment de silici) tallades en rodanxes i tractades químicament de forma diferent per a cada cara. Altres materials es configuren com a pel·lícules primes (thin-films) dipositades sobre un substrat adequat i, per últim, el tercer grup són els punts quàntics (quantum-dots).
5.2 Gruixuts (Bulk)
Aquest tipus de tecnologia fa referència al procés de fabricació, que consisteix en la producció d’un lingot cilíndric de silici dopat amb bor i es va requadrant dins a obtenir un prisma quadrangular.
Aquest és tallat en seccions fines de 0.3 mm de gruix, més o menys, que es coneix en el món fotovoltaic amb el nom de oblees. És el punt de partida per a la fabricació de la majoria de panells fotovoltaics actuals.
