Produzione celle fotovoltaiche per pannelli solari

La base di qualsiasi impianto fotovoltaico è sempre un modulo fotovoltaico. Un modulo fotovoltaico è una combinazione di celle fotovoltaiche collegate elettricamente tra loro. Il termine fotovoltaico è composto da due parole «foto» (dal greco. Luce) e «volt» (Alessandro Volta - 1745-1827, fisico italiano) - un'unità di misura per la tensione nell'ingegneria elettrica. Analizzando il termine fotovoltaico, possiamo dire — lo è convertire la luce in elettricità.

Una cella fotovoltaica (cella solare) viene utilizzata per generare elettricità convertendo la radiazione solare. Una fotocellula può essere pensata come un diodo costituito da semiconduttori di tipo n e di tipo p con una regione priva di portatori formata, quindi una fotocellula non illuminata è come un diodo e può essere descritta come un diodo.

Per semiconduttori con larghezza compresa tra 1 e 3 eV, la massima efficienza teorica può essere raggiunta al 30%. Il band gap è l'energia minima del fotone che può sollevare un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Le celle solari commerciali più comuni sono elementi di selce.

Monocristalli e policristalli di silicio. Il silicio è oggi uno degli elementi più comuni per la produzione di moduli fotovoltaici. Tuttavia, a causa del basso assorbimento della radiazione solare, le celle solari in cristallo di silicio sono generalmente larghe 300 µm. L'efficienza della fotocellula al silicio monocristallino raggiunge il 17%.

Se prendiamo una fotocellula in silicio policristallino, l'efficienza per essa è inferiore del 5% rispetto a quella del silicio monocristallino. Il bordo di grano di un policristallo è il centro di ricombinazione dei portatori di carica. La dimensione dei cristalli di silicio policristallino può variare da pochi mm a un centimetro.

Arseniuro di gallio (GaAs). Le celle solari all'arseniuro di gallio hanno già dimostrato un'efficienza del 25% in condizioni di laboratorio. L'arseniuro di gallio, sviluppato per l'optoelettronica, è difficile da produrre in grandi quantità e piuttosto costoso per le celle solari. Vengono applicate celle solari all'arseniuro di gallio insieme ai concentratori solari, così come per la cosmonautica.

Tecnologia delle fotocellule a film sottile. Il principale svantaggio delle celle al silicio è il loro costo elevato. Sono disponibili celle a film sottile in silicio amorfo (a-Si), tellururo di cadmio (CdTe) o diselinide rame-indio (CuInSe2). Il vantaggio delle celle solari a film sottile è il risparmio di materie prime e una produzione più economica rispetto alle celle solari al silicio. Pertanto, possiamo affermare che i prodotti a film sottile hanno prospettive di utilizzo nelle fotocellule.

Lo svantaggio è che alcuni materiali sono piuttosto tossici, quindi la sicurezza del prodotto e il riciclaggio giocano un ruolo importante. Inoltre, il tellururo è una risorsa in via di esaurimento rispetto al silicio.L'efficienza delle fotocellule a film sottile raggiunge l'11% (CuInSe2).

All'inizio degli anni '60, le celle solari costavano circa $ 1.000/W di potenza di picco e venivano prodotte principalmente nello spazio. Negli anni '70 iniziò la produzione in serie di fotocellule e il loro prezzo scese a 100 $/W. Ulteriori progressi e una riduzione del prezzo delle fotocellule hanno permesso di utilizzare le fotocellule per le esigenze domestiche, soprattutto per una parte della popolazione che vive lontano dalle linee elettriche e alimentatori standard, i moduli fotovoltaici sono diventati una buona alternativa.

La foto mostra la prima cella solare a base di silicio. È stato creato da scienziati e ingegneri della società americana Bell Laboratories nel 1956. Una cella solare è una combinazione di moduli fotovoltaici collegati elettricamente tra loro. La combinazione viene selezionata in base ai parametri elettrici richiesti come corrente e tensione. Una cella di una tale batteria solare, che produce meno di 1 watt di elettricità, costa $ 250. L'elettricità prodotta era 100 volte più costosa rispetto alla rete convenzionale.

Per quasi 20 anni, i pannelli solari sono stati utilizzati solo per lo spazio. Nel 1977, il costo dell'elettricità è stato ridotto a $ 76 per cella watt. L'efficienza è aumentata gradualmente: 15% a metà degli anni '90 e 20% entro il 2000. I dati attuali più rilevanti su questo argomento —Efficienza di celle e moduli solari

La produzione di celle solari al silicio può essere suddivisa approssimativamente in tre fasi principali:

• produzione di silicio ad alta purezza;

• realizzare sottili rondelle in silicone;

• installazione della fotocellula.

La principale materia prima per la produzione di silicio ad alta purezza è la sabbia di quarzo (SiO2)2). Il fuso è ottenuto per elettrolisi silicio metallurgicoche ha una purezza fino al 98%. Il processo di recupero del silicio avviene quando la sabbia interagisce con il carbonio ad una temperatura elevata di 1800°C:

Questo grado di purezza non è sufficiente per la produzione di una fotocellula, quindi deve essere ulteriormente lavorata. L'ulteriore purificazione del silicio per l'industria dei semiconduttori viene effettuata praticamente in tutto il mondo utilizzando la tecnologia sviluppata da Siemens.

«Processo Siemens» è la purificazione del silicio mediante la reazione del silicio metallurgico con acido cloridrico, con conseguente triclorosilano (SiHCl3):

Il triclorosilano (SiHCl3) è nella fase liquida, quindi è facilmente separato dall'idrogeno. Inoltre, la distillazione ripetuta del triclorosilano ne aumenta la purezza al 10-10%.

Il processo successivo, la pirolisi del triclorosilano purificato, viene utilizzato per produrre silicio policristallino di elevata purezza. Il silicio policristallino risultante non soddisfa pienamente le condizioni per l'uso nell'industria dei semiconduttori, ma per l'industria solare fotovoltaica la qualità del materiale è sufficiente.

Il silicio policristallino è una materia prima per la produzione di silicio monocristallino. Per la produzione di silicio monocristallino vengono utilizzati due metodi: il metodo Czochralski e il metodo di fusione a zona.

Il metodo di Czochralski è ad alta intensità energetica oltre che ad alta intensità di materiale. Una quantità relativamente piccola di silicio policristallino viene caricata nel crogiolo e fusa sotto vuoto.Un piccolo seme di monosilicio cade sulla superficie del fuso e poi, torcendosi, si solleva trascinando dietro di sé il lingotto cilindrico, per la forza della tensione superficiale.

Attualmente i diametri dei lingotti trafilati arrivano fino a 300 mm. La lunghezza dei lingotti con un diametro di 100-150 mm raggiunge i 75-100 cm La struttura cristallina del lingotto allungato ripete la struttura monocristallina del seme. Aumentare il diametro e la lunghezza di un lingotto, oltre a migliorare la tecnologia del suo taglio, ridurrà la quantità di scarto, riducendo così il costo delle fotocellule risultanti.

Tecnologia della cintura. Il processo tecnologico sviluppato da Mobil Solar Energy Corporation si basa sull'estrazione di strisce di silicio dalla fusione e sulla formazione di celle solari su di esse. La matrice è parzialmente immersa nel silicio fuso e, per effetto capillare, il silicio policristallino si solleva formando un nastro, il fuso cristallizza e viene allontanato dalla matrice. Per aumentare la produttività, l'attrezzatura è progettata, sulla quale è possibile ricevere fino a nove nastri contemporaneamente. Il risultato è un prisma a nove facce.

Il vantaggio delle cinghie è che sono a basso costo a causa del fatto che il processo di taglio del lingotto è escluso. Inoltre si possono facilmente ottenere celle fotovoltaiche rettangolari, mentre la forma rotonda delle lastre monocristalline non contribuisce al buon posizionamento della cella fotovoltaica nel modulo fotovoltaico.

Le barre di silicio policristallino o monocristallino risultanti devono poi essere tagliate in wafer sottili di 0,2-0,4 mm di spessore. Quando si taglia una bacchetta di silicio monocristallino, circa il 50% del materiale viene perso per perdite.Inoltre, le rondelle rotonde non sono sempre, ma spesso, tagliate per formare una forma quadrata.