KAJ JE FOTOVOLTAIKA?

Fotovoltaika je možnost, da s pomočjo aktivnih gradbenih elementov (solarne celice) uporabljamo t.i. notranji fotoefekt ali fotoelektrično absorbcijo za pridobivanje električne energije. Ali poenostavljeno povedano, fotovoltaika je direktno spreminjanje svetlobe (fotonov) v električni tok.

IZ ZGODOVINE

Fotoefekt je leta 1839 odkril Bequerel. 1877 sta Adam in Day pred Royal Society v Londonu prvič predstavila majhno polikristalinsko solarno celico, ki pa ni vzbudila posebne pozornosti. Šele leta 1905 je A. Einsteinu uspelo kvantitativno razjasniti fotoefekt. Nobelova nagrada, ki jo je Einstein prejel l. 1921, mu je bila podeljena za razlago fotoefekta in ne - kot velikokrat napačno mislimo - za relativnostno teorijo.

Leta 1954 je Bellovim laboratorijem - na podlagi polprevodniške industrije, ki se je začela razvijati s prvimi tranzistorji leta 1948 - uspelo izdelati prve uporabne sončne celice s stopnjo izkoristka 5 - 8%. Te izjemno drage monokristalinske celice so se uporabljale skoraj izključno v satelitski tehniki za preskrbo z energijo. Šele z naftnim šokom leta 1973 se je začel razvijati interes, najprej v ZDA ("Solar Energy Programme" predsednika Carterja) pozneje tudi v ostalih industrijskih državah, za praktično uporabo solarnih celic. 

PROIZVODNJA SOLARNIH MODULOV

Osnovna surovina za 99% vseh proizvedenih solarnih celic je silicij. Silicij (Si) je za kisikom drugi najpogostejši element na zemlji. Delež Si v zemeljski skorji znaša 27.5% teže. Si ni strupen in se v sledovih nahaja v vseh živih organizmih. Si nikoli ne nastopa elementarno. Najpogostejša pojavna oblika Si je silicijev dioksid SiO2, ki ga je gotovo vsak od nas že občudoval v katerem od znanih mineralov kot so gorski kristal, citrin, ametist, pepelni kvarc ali rožni kvarc. Vodovsebujoči silicijevi oksidi so ognjeni kamen, jaspiz, oniks, ahat in opal. Razen tega se Si nahaja v pesku, granitu, skrilavcu, sljudi in celo azbest je vlaknati silikatni material.

Metalurško čisti Si se tehnično dobiva z redukcijo kvarca z ogljikom ali kalcijevim karbidom v električnih talilnih pečeh. Ta vsebuje še približno 2% nečistih tujih atomov. Metalurško čisti Si s klorovodikom reducirajo v triklorsilan. V posebnih izločitvenih reaktorjih pridobivajo visoko čisti polikristalinski Si pri temperaturi ca 1150 stopinj Celzija. En reaktor proizvede nekaj ton mesečno, za to pa porabi pribl. 100kWh na kg Si. Po ohladitvi dobijo iz reaktorja polikristalinske Si palice dollžine do 2 m in premera do 20 cm. Čistoča tega materiala (High Purity 1 Si) leži v območju 0,0002 - 0,001 ppm. Za nadaljno uporabo palice zmeljejo in jih pripravijo za naslednje delovne procese.

Monokristalin

Zmleti polikristalinski Si stalijo. V to talino dovedejo monokristalinsko palico, ki se vrti okoli lastne osi. Na tem vzorčnem kristalu se nalaga talina v monokristalinski sklad in jo po nekajurnem procesu izvlečejo kot monokristalinski "ingot" (palica). Čistoča tako dobljenega materiala znaša okrog 0,0001 ppm. Premer znaša najpogosteje pribl. 10 cm, dolžina - odvisno od proizvajalca - med 80 cm in 200 cm.

Ta potek se po iznajditelju imenuje Czochralskijev postopek. Ingot razrežejo na približno kvadratno obliko in ga končno tračnimi diamantnimi žagami razžagajo na rezine.

Nadaljni delovni proces je identičen polikristalinskim celicam in je tam tudi podrobneje razložen. Skupna stopnja učinka ene monokristalinske celice leži v laboratoriju pri 23,3%, v serijski proizvodnji pa največ 17,5%.

Polikristalin

Tudi pri tem postopku zmleti polikristalinski silicij stalijo, kot osnovni material pa se lahko uporabi tudi cenejši Solar Grade Si (čistoča pribl. 0,01 - 0,1 ppm). Staljeni material dotirajo z borom v koncentraciji 0,1 ppm in ga takoj vlijejo v pribl. 40 x 40 cm veliko kokilo. Sledi proces ohlajanja, ki je termično voden zaradi doseganja čim enostavnejše kristalizacije. To pomeni, čim večji so kristalizacijski predeli, toliko manj zrnc ima celica in tem večja je njena učinkovitost. Tako pridobljeni polikristalinski blok spet razžagajo na rezine.

Pri mono in polikristalinski proizvodnji se strani rezine, ki so obrnjene proti svetlobi, jedkajo in tako dobijo piramidalne strukture, s katerimi zmanjšajo izgube zaradi odboja. Nazadnje pri 1100º C sledi naparjanje fosforja pri čemer nastane dejanski PN prehod. Tako nastala tenka (300nm) n- prevodna plast se enostransko jedka, s čimer dobijo na tej strani p - prevodni Si, ki ima masivno, največkrat srebro/cink ali pa naparjeno aluminijasto stikalno mrežico. Sprednjo stran celice nato prevlečejo z dvoplastno antiodbojno zaščito iz titanovega dioksida in magnezijevega fluorida, s čimer dobi celica značilno modro barvo. Antiodbojna zaščita zmanjša izgube celice pri odboju iz 30% na 3%. Pri zadnjem delovnem procesu dodajo s fotolitografičnim postopkom še odvodnike.

Po končni optični kontroli vsako celico električno izmerijo in razvrstijo po kvalitativnih razredih v šarže. Skupna stopnja učinkovitosti polikristalinske celice leži v laboratoriju pri 17,8%, v serijski izdelavi največ 14,2%.

Iz izbranih proizvodnih šarž odberejo posamezne celice in jih s posrebrenimi bakrenimi trakovi povežejo v stringe po 6 - 11 celic. Po 3 - 4 taki stringi se za pridobitev zahtevane nazivne napetosti zaporedno povežejo in vložijo v še nevezani laminat. Točna izdelava laminata je proizvajalčeva skrivnost in sicer zato, ker je kvaliteta laminata odločilen dejavnik za življensko dobo kristalinskega modula. Ker le - ta v nasprotju z amorfnim modulom ne podleže degradaciji, samo vodna para povzroča korozijo celic in povezav ( z izjemo mehanske obrabe) in s tem izpad kristalinskega modula. V principu je laminat gledano iz k svetlobi obrnjene strani - sestavljen iz naslednih plasti:

- temprana, železaprosta steklena plošča kot pokrov
- EVA folija za mehansko stabilizacijo
- string iz solarnih celic
- EVA folija za mehansko stabilizacijo in kot parna zapora (nekateri proizvajalci uporabljajo tudi
tanke aluminijaste folije, neprozorno Tedlar folijo kot mehansko zaščito spodnje strani, za
poltransparentne module se za spodnjo stran prav tako uporablja steklo).
- med vsako plast pride po en sklad EVA PRIMER kot lepilo

V vakuumski peči z dvojno komoro pri temperaturi 130 - 150 stopinj Celzija zavarijo naložen laminat v trden sklop. Ko se laminat ohladi, s silikonskim kavčukom prilepijo priključne doze, nato montirajo okvir iz aluminija ali jekla. Pri poceni amorfnih modulih pogosto nabrizgajo plastične okvirje. Kot poslednji korak pred pakiranjem module še izmerijo in opremijo z napisno ploščico.

Amorf

Amorfne celice, imenovane tudi celice s tanko solarno plastjo, pridobivajo iz plinske faze amorfnega silicija. Silicijevo bazo v vakuumskem okolju v obliki plinske plazme nanesejo na nosilni substrat (Remote Plasma Deposition). Kot nosilni material uporabljajo jeklene folije, steklo ali keramiko.

Dotiranje je treba izvesti takoj v plinski fazi, ker poznejše posredovanje v 10 - 20 nm tankih plasteh ni več možno. Tudi povezovanje je treba iz istih vzrokov opraviti v tej fazi.

Po uparjanju vsako plast lasersko razrežejo v posamezne sektorje (celice) in zaporedno povežejo.

Vzrok, zakaj amorfne celice na bazi scilicija že danes pokrivajo več kot 20% svetovne letne proizvodnje, leži v relativno nizkih proizvodnih stroških. Nasproti le - tem pa leži vrsta pomanjkljivosti. Največje so: nizka stabilnost, ki omejuje tehnično življenjsko dobo na pribl. 10 let, kakor tudi stopnja učinkovitosti, ki v laboratoriju sicer znaša do 12%, vendar pri na trgu dosegljivih modulih nikakor ne presega 5%. Tehnična življenjska doba solarnega modula velja kot dosežena, če le-ta ne dosega najmanj 90% svoje nazivne moči pod STC.