Uvod
Verovatno ste videli digitrone sa solarnim panelima – uredjaje kojima nikada nije potrebna baterija i koji u nekim slučajevima nemaju čak ni dugme za paljenje i gašenje. Dokle god ima dovoljno svetlosti, oni izgledaju kao da mogu da rade večno. Takodje ste verovatno videli veće solarne panele, možda na znakovima pored puta, govornicama ili za osvetljenje na parkinzima. Solarna energija omogućava ovim uredjajima da rade.
Iako veći
solarni paneli nisu zastupljeni poput digitrona na solarnu energiju, oni su tu i nije ih toliko teško primetiti ako znate gde da ih tražite. Zapravo, solarni paneli - koji su se nekada koristili gotovo isključivo u svemiru, za snadbevanje energijom električnih sistema još od 1958. godine se počinju koristiti i na manje egzotičnim mestima. Tehnologija nastavlja da napreduje i da se ugradjuje u nove uredjaje non-stop, od naočara do električnih vozila koja se pokreću solarnom energijom.
Nada u „solarnu revoluciju“ je u vazduhu već decenijama, ideja je da ćemo jednog dana koristiti besplatnu energiju od Sunca. Ovo je izazovna ideja, jer tokom sunčanog dana, sunčevi zraci daju približno 1000W energije po kvadratnom metru na površini zemlje. Ako bi mogli sakupiti svu tu energiju, mogli bi lako snadbeti domove i kancelarije besplatnom energijom.
U ovom blogu, ispitaćemo solarne ćelije da bi naučili kako one pretvaraju sunčevu energiju u električnu. U tom procesu naučićete zašto se približavamo korišćenu energije Sunca na dnevnoj bazi, i zašto imamo još dosta ispitivanja da obavimo pre nego što taj proces postane svakodnevnica.
Solarne ćelije koje vidite u digitronima i satelitima se takodje zovu fotonaponske ćelije, koje kao što sama reč kaže, pretvaraju sunčevu svetlost direktno u struju. Modul je grupa fotonaponskih ćelija električno povezana i zapakovana u okvir (najpoznatiji pod nazivom solarni panel), koji kasnije može biti grupisan u veće solarne nizove.
Fotonaponske ćelije su napravljene od specijalnog materijala tzv. poluprovodnika kao što je silicijum, koje se trenutno najčešće koristi. U principu, kada sunčev zrak udari u ćeliju, odredjena količina svetlosti se zadržava u poluprovodničkom materijalu. To znači da se energija zadržane svetlosti transformiše u poluprovodniku. Elektronski udar izaziva da elektroni napuštaju svoje atome i plutaju.
Fotonaponske ćelije takodje imaju jedno ili više elektronskih polja koja guraju elektrone koji su oslobodjeni sakupljanjem svetlosti da se kreću u odredjenom smeru. Kretanje elektrona je zapravo struja, i postavljanjem metalnih kontakata na vrh i dno fotonaponske ćelije, možemo povući tu struju za spoljašnju upotrebu recimo da napajamo digitron. Ova struja, zajedno sa naponom ćelija definiše snagu (ili voltažu) koju solarna ćelija može proizvesti.
To je osnovni proces, ali zapravu tu postoji još mnogo toga. U nastavku ćemo dublje zaći u to i pokazati na primeru jedne fotonaponske ćelije.
Kako se od silicijuma pravi fotonaponska ćelija
Silicijum ima neka specijalna hemijska svojstva, pogotovo kada je u kristalnoj formi. Atom silicijuma ima 14 elektrona, poredjanih u različite slojeve. Prva dva sloja koji drže dva i osam elektrona su kompletno pupunjeni. Treći sloj je samo do pola popunjen i drži četiri elektrona. Atom silicijuma će uvek tražiti način da popuni posledji sloj, a da bi uspeo u tome deliće elektrone sa četiri susedna atoma. To je kao da se svaki atom rukuje sa svojim komšijom, osim što u ovom slučaju, svaki atom ima četiri ruke sa kojima se rukuje sa svojim komšijama. To je ono što formira kristalne strukture, a ova struktura se ispostavila kao jako bitna za ovu vrstu fotonaponskih ćelija.
Jedini problem je sto je čist silicijum slab provodnik električne energije jer nijedan njegov elektron nije slobodan da se kreće, za razliku od elektrona u koji su optimalniji provodnici poput bakra. Da bi se prevazišao ovaj problem, silicijum u solarnim ćelijama ima nečistoće, druge atome smisleno pomešane sa atomima silicijuma, koji prave malu razliku u tome kako stvari rade. Obično nečistoće smatramo za nešto nepoželjno, ali u ovom sličaju, naša fotonaponska ćelija ne bih radila bez njih. Razmotrimo silicijum sa atomom fosfora tu i tamo, recimo jedan atom fosfora na svakih milion atoma silicijuma. Fosfor ima pet elektrona u svom spoljašnjem sloju, ne četiri. Atom fosfora je i dalje povezan sa komšijskim atomima silicijuma, ali fosfor ima jedan elektron viška koji nema sa kime da se rukuje. Dakle ovaj elektron neučestvuje u rukovanju i nije na taj način povezan sa atomima silicijuma, ali tu je pozitivni proton u jezgru fosfora koji drži ovaj elektron na mestu.
Kada se energija doda čistom silicijumu, u formi toplote naprimer, to može prouzrokovati da se nekoliko elektrona oslobodi i napuste svoje atome. Na mestu tih oslobodjenih atoma ostaje prazno mesto za svaki oslobodjeni elektron. Ovi elektroni, koji se nazivaju slobodni prenosioci, lutaju naokolo nasumično kroz kristalnu rešetku tražeći drugo prazno mesto koje će da popune i tako prenesu električnu energiju. Medjutim, u čistom silicijumu postoji jako mali broj tih praznih mesta, tako da ovi elektroni prenosioci ne mogu da budu efikasni.
Ali naš nečisti silicijum izmešan sa atomima fosfora je druga priča. Potrebno je mnogo manje energije da se izazove oslobadjanje jednog od naših „ekstra“ elektrona fosfora zato što što on nije povezan ni sa jednim susednim atomom silicijuma. Proces svrsishodnog dodavanja nečistoća naziva se dopovanje, a kada se primese dodaju sa svrhom, silicijum koji se tako dobije naziva se N-tip (N znači negativan) zato sto u njemu preovladjuju elektroni. Dopovani silicijum N-tipa je mnogo bolji provodnik od čistog silicijuma.
Drugi deo solarne ćelije je obično dopovan sa borom, koji ima samo tri elektrona na spoljašnjem sloju umesto četiri, i tako se dobija P-tip (P znači pozitivan) silicijuma. Umesto da ima slobodne elektrone P-tip silicijuma ima slobodna mesta i prenosi suprotan (pozitivan) napon.
Anatomija solarne ćelije
Do sada, naša dva odvojena parčeta silicijuma su bila elektronski neutralna, zanimljiv deo počinje kada se spoje. To je zbog toga što bez električnog polja, ćelija neće raditi, električno polje se formira kada se N-tip i P-tip silicijuma spoje. Odjednom, slobodni elektroni na N strani silicijuma vide prazna mesta na P strani silicijuma, i kreće luda potera da se ta mesta popune. Da li svi slobodni elektroni popune sva prazna mesta? Ne. Kada bi popunili, čitav sklop ne bih bio od velike koristi. Medjutim , na raskrsnici, oni se mešaju i stvaraju neku vrstu barijere, čineći sve težim i težim elektronima sa N strane da predju na P stranu. Konačno, ravnoteža se uspostavlja, i imamo električno polje koje razdvaja dve strane.
Ovo električno polje se ponaša kao dioda, dozvoljavajući čak i gurajući elektrone sa P strne na N stranu, ali ne i u suprotnom smeru. To je kao brdo, elektroni mogu lako ići nizbrdo (na N stranu), ali ne ne mogu popeti uzbrdo (na P stranu).
Kada svetlost, u formi fotona, udari u našu solarnu ćeliju, energija te svetlosti razdvoji parove elektrona i praznih mesta. Svaki foton sa dovoljno energije oslobodiće tačno jedan elektron, sto će rezultirati i praznim mestom takodje. Ako se ovo desi dovoljno blizu električnog polja, ili ako se desi da slobodni elektron i prazno mesto zalutaju u domet uticaja električnog polja, električno polje će poslati elektron na N stranu a prazno mesto na P stranu. Ovo prouzrokuje dalji prekid električne neutralnosti, i ako obezbedimo eksternu putanju za električnu energiju, elektroni će se kretati putanjom do P strane da se ujedine sa praznim mestima koje je električno polje tamo poslalo, radeći posao za nas usput. Kretanje elektrona stvara struju, a električno polje ćelije prouzrokuje napon. Sa strujom i naponom imamo snagu, koja je proizvod struje i napona.
Ima još par komponenti pre nego što možemo da koristimo našu fotonaponsku ćeliju. Silicijum je veoma sjajan materijal, koji može odbiti fotone nazad pre nego što obave svoj posao, tako da se antireflektujući sloj dodaje kako bi se smanjili gubitci. Finalni korak je da se instalira štit koji će štititi elemente ćelije od spoljašnjih uslova – najčešće stakleni zaštitni omot. Fotonaponski moduli se generalno prave tako što se spoji nekoliko odvojenih ćelija kako bi se postigli korisni nivoi napona i struje, i stavljaju se u čvrsti ram zajedno sa pozitivnim i negativnim terminalom.
Koliko sunčeve energije apsorbuje naša fotonaponska ćelija? Nažalost, verovatno ne previše. Većina solarnih panela za komercijalnu upotrbu dostigla je nivo efikasnosti od 12 do 18 %. Najnapredniji solarni panel postigao je nivo efikasnosti od 40%, ali takvi paneli za sada nisu u komercijalnoj upotrebi. Zašto je toliki izazov izvući maksimum iz sunčanog dana?
Energetski gubitci u solarnoj ćeliji
Vidljiva svetlost je samo deo elektromagnetnog spektra. Elektomagnetna radijacija nije jednobojna, sastoji se iz niza različitih talasnih dužina, a stoga i niza različitih energetskih nivoa.
Svetlost može biti razdvojena na različite talasne dužine, koje mi možemo videti u formi duge. Pošto svetlost koja udara naše fotonaponske ćelije ima fotone u širokom energetskom rasponu, desi se da neki od njih nemaju dovoljno energije da promene stanje spoja elektrona i praznog mesta. Oni prosto prodju kroz ćeliju kao da je providna. Drugi opet fotoni imaju previše energije. Samo odredjena količina energije, izmerena u elektron voltima (eV) i definisana u zavisnosti od materijala od koga je naša ćelija (otprilike 1.1 eV za kristalni silicijum), je potrebna da bi se izbio slobodan elektron. Ovo nazivamo opsegom proboja enegrije odredjenog materijala. Ukoliko foton ima više energije nego što je potrebno, višak energije će biti izgubljen.
Zašto ne možemo da odaberemo materijal sa niskim opsegom proboja energije, i na taj način iskoristimo više fotona? Nažalost, naš opseg proboja energije odredjuje i snagu (napon) našeg električnog polja, a ako je ona previše mala, onda ono sto napravimo ekstra struje (apsorbovanjem više protona), gubimo imajući nizak napon. Zapamtite da je snaga jednaka naponu pomnoženom sa strujom. Optimalan opseg proboja energije, ako balansiramo izmedju ova dva efekta, je negde oko 1.4 eV za ćeliju koja je napravljena od jednog materijala.
Imamo i druge gubitke takodje. Naši elektroni treba da plove sa jedne strane ćelije na drugu kroz eksterno kolo. Možemo pokriti dno sa metalom, i tako postići dobru provodnost, ali ukoliko kompletno pokrijemo gornji deo, onda fotoni neće moći da prodju kroz neproziran provodnik i izgubićemo svu našu struju (na nekim ćelijama, providni provodnici se koriste za pokrivanje gornjeg dela). Ako stavimo naše kontakte samo na strane naše ćelije, onda elektroni treba da predju ekstremno dugačak put kako bi ostvarili kontakte. Zapamtite silicijum je poluprovodnik, nije ni blizu dobar kao metal za transport struje. Njegova unutrašnja otpornost (koja se naziva serijska otpornost) je poprilično visoka, a visoka otpornost znači visoki gubitci. Da bi se smanjili ovi gubitci, ćelije se obično pokrivaju metalnom kontakt mrežom koja smanjuje putanju koju elektroni treba da predju a pritom pokrivaju veoma malu površinu ćelije. Ipak, neki protoni su blokirani od strane metalne kontakt mreže, koja ne može biti premala jer će u tom slučaju njega otpornost biti prevelika.
Zaključak
I to bi bilo to, jednostavnim kretanjem elektrona kroz eksterno kolo izvlačimo jednosmernu struju iz solarnim panela. Struju koju dobijemo na taj način, možemo koristiti direktno ili puniti u
solarne baterije. Jednosmerna struja koja se dobija iz solarnih panela nije pogodna za korišćenje na našim kućnim uredjajima koji rade na naizmeničnu struju,ali postoje i uredjaji dizajnirani za rad na jednosmernoj struji. Da bi se od jednosmerne struje dobila naizmenična potreban je
invertor i onda se struja dobijena iz solarnih panela može koristiti i na kućnim uredjajima.
