Germani
El germani té una menor amplada de banda d’absorció que el silici, resultant apropiat per a l’absorció de longituds d’ona majors, com la llum infraroja. Les oblees d’aquest material poden resultar útils per a la fabricació multicapa de pel·lícules lleugeres.
Silici
Ara, cal centrar l’atenció en el silici, ja que és el material més utilitzat en la fabricació de cèl·lules solars.
El silici és un material semiconductor amb estructura cubica. Cada àtom, de la xarxa que forma, té quatre electrons de valència.
És l’element més abundant després de l’oxigen i es pot trobar en quasi bé totes les roques, no obstant això, fins a arribar a la seva forma cristal·lina sense imperfeccions o, al menys, amb poques, cal sotmetre’l a costosos processos, actualment.
Hi ha dos tipus de silici. De tipus n i de tipus p. Un cristall de silici de tipus p es pot aconseguir dopant el silici amb àtoms de tres elèctrons de valència, per exemple el bor. D’altra banda, un cristall de silici de tipus p podem obtenir-lo dopant-lo amb àtoms amb cinc electrons de valència, com per exemple el fòsfor.
El silici té un gap de 1.16 eV, així que es troba en el rang en la que la eficiència pot ser màxima i està en l’ordre del 21,6%. S’han obtingut eficiències en laboratoris de fins el 19%. Comercialment, s’arriben a eficiències del voltant del 15% encara que el més corrent és trobar rendiments entre el 12-13%.
Pel que fa la relació cost/rendiment, les cèl·lules de silici actuals són bastant cares, variant segons els mètodes amb el quals s’han obtingut. A partir dels mètodes pels quals s’han obtingut donen lloc a diversos tipus de materials.
El silici gruixut (bulk) pot classificar-se en varies categories en funció de la cristal·linitat i de la mida dels cristalls dels quals se’n poden obtenir lingots, tires o oblees.
En podem distingir diferents tipus:
- Silici monocristal·lí: és el que es sol obtenir a través del procés Czochralski. Les cèl·lules d’aquest material solen ser més cares i les oblees resultants de tallar el lingots en fines seccions, no solen cobrir tot el panell fotovoltaic, quedant les cantonades de cada cèl·lula sense material fotovoltaic.
El mètode de creixement Czochralski, en el que es fa girar una llavors de cristall submergit en el cristall de silici fos a la vegada que es treu lentament. En aquest procés es perd fins a un 70% del silici al tallar-lo per a obtenir els substrats finals. Amb ell s’obtenen cèl·lules que operen entre el 15 i el 18% de rendiment.
- Silici policristal·lí: es fabrica tallant oblees a partir de lingots cilíndrics tallats longitudinalment com quadrats. Les cèl·lules obtingudes són més barates que les obtingudes a partir d’un únic cristall, però menys eficients.
Aquest tipus de silici està sent estudiat per a produït substrats de menor cost, però, encara s’ha de tallar i polir les lamines i això no redueix el cost de la seva producció.
S’obtenen eficiències entre el 13 i el 16% per a retalls de 20 cm2 i 10% per a 100 cm2, en les quals no sembla perjudicar la policristal·linitat.
- Tires de silici: s’obtenen tires primes a partir de silici fos, també tenen una estructura policristal·lina. Aquestes cèl·lules encara tenen menor eficiència que les policristal·lines, però s’estalvia més en el procés de fabricació ja que no es desaprofita tant material al no necessitar la solidificació en lingots.
En el silici la major pèrdua d’eficiència correspon a la col·lecció incompleta dels parells electró-forat, això podria ser evitat disminuint el guix de la capa p i augmenten la mobilitat dels electrons, de manera que podria arribar en major número al circuit extern.
Multi-unió de Arseniür de Gali
Les cèl·lules de multiunió de Arseniür de Gali, són cèl·lules altament eficients que han sigut concebudes per a ser utilitzades en aplicacions especials com els satèl·lits, vehicles de exploració espacial i altres aplicacions que requereixen un alt rendiment. Aquestes cèl·lules multiunió consten de múltiples pel·lícules primes, cada una constituïda per un semiconductor diferent.
Una cèl·lula de triple unió, per exemple, podria estar composta per GaAs, Ge i GaInP2.
Cada tipus de semiconductor es caracteritza per una banda d’energia, que el fa més sensible a la llum d’un determinat color, o dit d’una altre manera més precisa, el fa més sensible a absorbir radiació electromagnètica d’una determinada regió de l’espectre.
Els semiconductors s’escullen cuidadosament per a aconseguir absorbir tot l’espectre solar produint, d’aquesta manera, la màxima electricitat possible.
Les cèl·lules multiunió de GaAs són les cèl·lules solars més eficients fins la data, assolint valors de fins un 39%. També són les més costoses de produir. Poden costar fins a 40$ US per cm2).
Concentradores solars fotovoltaiques
Curiosament, tot i tenir un alt preu, les cèl·lules multiunió formen part d’una de les tecnologies més prometedores per la seva bona relació cost/eficiència. En aquests sistemes, la energia solar es concentra varis centenars de vegades, el que fa que incrementi el rendiment de la cèl·lula. D’aquesta manera permet reduir l’àrea de semiconductor requerit per watt generat.
Fonts reputades asseguren que els preus dels concentradors solars, properament cauran per sota dels 3$ US/watt.
6 Paràmetres de una cèl·lula solar
6.1 Punt de màxima potencia
Una cèl·lula solar pot funcionar en un rang molt ampli de voltatge (V) i corrents (I). Incrementant la resistència de la carga (voltatge) en una cèl·lula des de zero (condició de curtcircuit) a un número infinit de valors (circuit obert), es pot determinat el punt de màxima potencia (la màxima potencia elèctrica obtinguda).
El punt de potencia màxima d’un dispositiu fotovoltaic varia segons la il·luminació incident que rep.
6.2 Factors d’eficiència en la conversió
El factor d’eficiència de conversió d’energia solar d’una cèl·lula (η, “eta”), és el percentatge de potencia convertida (de la llum solar absorbida per la cèl·lula) en energia elèctrica capaç de fer operar un circuit.
Aquest factor d’eficiència es calcula usant la relació establerta amb el punt de potencia màxima, Pm, dividint per la quantitat d’irradiació obtinguda en les condicions esta estàndards de medició. Aquesta quantitat d’irradiació L’energia d’irradiació s’indica en W/m2 i la superfície de la cèl·lula, Ac, en metres quadrats.
Les condicions estàndard a partir dels quals es mesura l’eficiència de conversió, serien els següents: una temperatura de 25°C i una irradiació de 1000W/m2 amb una massa d’aire espectral de 1,5. Això correspon a la irradiació i espectre de la llum solar incident en un dia clar sobre una superfície solar inclinada respecte el sol amb un angle de 41,81º sobre la horitzontal.
Aquestes condicions representen, aproximadament, la posició del sol en el migdia en els equinoccis de primavera i tardo, concretament, en els estats continentals dels Estats Units amb una superfície orientada directament al Sol. D’aquesta manera, sota aquestes condicions, una cèl·lula solar típica de 100cm2, i d’una eficiència de 12% aproximadament, podria arribar a produir una potencia de 1,2 vats.
6.3 Factor de Forma (Fill Factor)
7 Rendiment
El rendiment d’una cèl·lula de silici varia entre el 6%, aportat per cèl·lules silici amorf i el 40% (o més), obtingut a partir de cèl·lules multiunió en laboratoris de investigació. La eficiència de conversió que es sol obtenir en les cèl·lules disponibles comercialment (silici monocristal·lí) està als voltants del 12%. Les cèl·lules altament eficients no són precisament les més econòmiques. Per exemple, el 30% aconseguit per cèl·lules multiunió de materials poc comuns altament eficients (com l’Arseniür de Gali o el Seleniür d’Indi) produïdes en petita escala, poden costar fins a cent vegades més que les menys eficients, com el silici amorf (8%), produïdes en massa, generant només quatre vegades la potencia d’aquestes últimes.
Per a l’ús pràctic de l’energia solar fotovoltaica, la electricitat generada es sol injectar en les xarxes de distribució publica a través d’inversors. En sistemes aïllats de la xarxa o en vivendes particulars, la energia elèctrica generada es pot acumular i ser utilitzada en el moment en que sigui precisa.
Es sol dir que una cèl·lula solar mai arribarà a produir més energia de la que es va utilitzar en la seva fabricació. Aquest afirmació és totalment falsa. Considerant que el temps mitjà de vida d’una cèl·lula solar és de 40 anys i que el temps de retorn d’aquesta energia no sol superar els cinc anys (depenent del tipus de cèl·lula i de les condicions de treball), significa que la capacitat de producció energètica d’aquesta cèl·lula solar, no només seria suficient per a amortitzar a sí mateix, sinó que serviria per a reproduir-se fins a 30 vegades durant el seu cicle de vida.
8 Top 10 Països productors mundials d’energia solar
1 Alemanya (9,785 MW)
2 Espanya (3,386 MW)
3 Japó (2,633 MW)
4 Estats Units (1,650 MW)
5 Itàlia (1,167 MW)
6 República Txeca (465 MW)
7 Bèlgica (363 MW)
8 China (305 MW)
9 França (272 MW)
10 India (120 MW)
(aquest valors han estat obtinguts a partir de fonts de finals del 2009) http://1bog.org/blog/top-10-countries-using-solar-power/
9 Top 15 Plantes de energia solar més grans del món
Potencia | Localització | Descripció | Construcció | Fotografia |
97 MW | Sarnia (Ontàrio) | Sarnia PV power plant GM | 2009-2010 | |
84.2 MW | Montalto di Castro (Lazio) | Montalto di Castro PV power plant GM | SunPower Corp. SunRay Renewable 2009-2010 | |
80.7 MW | Finsterwalde | Parc Fotovoltaic Finsterwalde I,II,III GM | Q-Cells International 2009-2010 | |
70 MW | Rovigo | Rovigo PV power plant GM | 2010 | |
60 MW | Olmedilla (Castilla-La Mancha) | Parc Fotovoltaic Olmedilla de Alarcón GM | 2008 | |
54 MW | Straßkirchen | Parc Fotovoltaic Straßkirchen GM | Q-Cells International 2009 | |
53 MW | Turnow-Preilack | Parc Fotovoltaic Lieberose GM | Juwi 2009 | |
50 MW | Puertollano (Castila-La Mancha) | Parc Fotovoltaic Puertollano GM | 2008 | |
48 MW | Boulder City, NV | Copper Mountain Solar Facility GM | 2010 | |
46 MW | Moura (Alentejo) | Moura parc Fotovoltaic GM, TRAC | ACCIONA Energia 2008 | |
45 MW | Köthen | Parc Fotovoltaic Köthen GM | RGE Energy 2010 (en construcció) | |
40 MW | Brandis | Parc Fotovoltaic Waldpolenz GM | Juwi 2007 2008 | |
36 MW | Reckahn | Parc Fotovoltaic Reckahn I,II GM | 2010 Reckahn II (en construcció) | |
35 MW | Veprek | FVE Veprek GM | 2010 | |
34.5 MW | Trujillo (Cáceres) | Planta Solar La Magascona & La Magasquila GM, TRAC | 2008 |
10 Inconvenients de l’energia fotovoltaica
L’energia solar fotovoltaica tot i ser, amb diferencia, més neta que qualsevol de les energies no renovables, també produeix impactes mediambientals. Encara que durant la vida útil de les plaques solars no es produeixi cap mena d’impacte ambiental, durant la seva fabricació i durant el tractament del seu rebuig, sí que se’n emeten. Els principals impactes que es poden apreciar, per la seva naturalesa són; químics abocaments de sòlids, líquids i gasos; físics, tèrmics, visuals, biològics, impactes sobre l’ecosistema i la salut humana; i l’ús massiu del terreny i de les matèries primes.
En la fabricació dels variats materials que s’utilitzen per a la fabricació de cèl·lules solars, es produeixen emissions de: TeCd, B2H6, BCl3, H2, HF, SeH2, SH2, CH4, PH3, POCl3, P2O5, FH3, F4Si, P2Zn3, entre d’altres i vapors metàl·lics, alguns tòxics. Per altra banda, tot i que per a accepció tindríem l’GaAs que no és molt tòxic en el seu estat dissociat, si que ho són els seus compostos, que poden produir des de irritacions a la pell fins a problemes naturals més greus. S’estima que per a la producció de sulfur de cadmi, en cèl·lules que produïssin 100000 MW/any, s’obtindrien unes emissions aproximades de 34 tones de diversos compostos en aquest mateix any.
Per tant, la fabricació de plaques fotovoltaiques és un procés complicat que necessita una gran diversitat de matèries primeres i crea problemes mediambientals, energèticament, però si que és viable, sempre i quan estiguin en funcionament més de dos anys.
L’inconvenient més important però, és la seva complicació tècnica que fa que la fabricació de la tecnologia no sigui possible artesanalment i que, per tant, estigui subjecte als preus del mercat. Això fa que la seva comercialització sigui costosa i inaccessible per a la majoria de particulars. La causa d’aquest inconvenient, l’alt cost de d’aquestes matèries primes (com el silici), és que no es troben en estat pur i el procediment de la seva obtenció és costós i requereix uns medis apropiats. En el cas del silici, per exemple, s’ha de fondre i fer-se créixer per a formar un monocristall, etapa en la qual s’inverteix molt de temps i molta energia.
No hay comentarios:
Publicar un comentario