Trenutno pregledujete:

Delovanje sončne celice

Kako deluje sončna celica?

soncne-celice_350Sončna celica pretvarja svetlobno energijo v električno. V splošnem gre za tristopenjski proces, ki ga bomo razložili s pomočjo slike:

  • absorpcija svetlobe, prehajanje elektronov v vzbujeno stanje,
  • krajevno ločevanje pozitivnih in negativnih pomičnih nabojev,
  • prevajanje nabojev skozi zunanje breme.


Absorpcija svetlobe: Najpogosteje je absorber polprevodnik z medpasovnimi prehodi nosilcev naboja. Vzbujeno stanje nastane s prehodom elektrona v prevodni pas in nastankom vrzeli v valenčnem pasu. Do medpasovnih prehodov prihaja v širokem absorpcijskem pasu in se strmo zaključi v dolgovalovnem delu. T. i. neposredni polprevodniki imajo v pripadajočem absorpcijskem pasu zelo velik absorpcijski koeficient. Svetlobo absorbirajo že na globini nekaj µm, zato so primerni za tankoplastne sončne celice, s tankimi polprevodniškimi plastmi na cenenih substratih. Indirektni polprevodniki, kot je kristalni silicij, imajo veliko slabšo absorpcijo, zato se večina svetlobe absorbira šele na globini okrog 150 µm. Zaradi tega so za izdelavo kristalnih silicijevih sončnih celic potrebne relativno debele (200 do 300 µm) plošče silicija – imenovane waferji. Za fotonapetostne elemente se lahko uporabljajo še drugi absorpcijski mehanizmi. Dobro znan je primer absorpcije svetlobe v organskih barvah, v katerih svetloba vzbudi stanja molekul, ki sestavljajo barvo.

Ločevanje nabojev: Elektroni in vrzeli so v polprevodniku ločeni z difuzijo ali zaradi električnega polja v območju prostorskega naboja pn-spoja ali heterospoja dveh materialov. Poznamo tudi druge mehanizme ločevanja pomičnih nabojev, npr. tuneliranje elektronov skozi zelo tanko izolacijsko plast. – V omenjeni organski celici predstavlja ločevanje nabojev prehod vzbujenih elektronov na prevodni pas širokopasovnega polprevodnika, kot je npr. TiO2.

Prevajanje nabojev: Ločevanje nabojev vodi do pojava napetosti med obema stranema sončne celice. Na celico morajo biti nameščeni kontakti, ki omogočajo prevajanje pomičnih nabojev skozi zunanje vezje. Nameščanje kontaktov ni vedno enostavno, saj morajo ti imeti čim manjšo kontaktno upornost, da se izognemo izgubam v celici. S pravilno izbiro kontaktnih materialov in primerno tehnologijo lahko na polprevodniku dosežemo ohmske kontakte z zelo dobro prevodnostjo. Na eni strani celice morajo imeti kontakti visoko optično prepustnost, da omogočimo svetlobi, da prispe do absorberja znotraj celice. Kot prosojni kontakt lahko uporabimo tanek prevodni oksid ("transparent conducting oxide" – TCO). Druga možnost kontaktiranja na vpadni strani pa je uporaba ozkih kovinskih prstov (»grid«), s čimer izgubimo med 4 in 7% aktivne vpadne površine.

Optimizacija električnih lastnosti sončnih celic zahteva dober sklop svetlobe z absorpcijsko plastjo, visoko absorpcijo v tej plasti in malo rekombinacij generiranih nosilcev, preden so učinkovito ločeni. Naštete cilje dosežemo s protiodbojno plastjo ("anti-reflective coating" – ACR) ali teksturiranjem površine, z uporabo zelo čistega polprevodnika in s pasivacijo površine polprevodnika. Sončne celice z zadovoljivim izkoristkom torej zahtevajo dovršeno tehnologijo. Raziskave materialov, načrtovanje celic in razvoj proizvodnih tehnologij je še daleč od popolnosti.

Utegne vas zanimati tudi...

Hitre povezave