Celula fotovoltaica – tehnologie pentru energia ecologica

In 1940, inginerul american Russell Ohl a descoperit, intamplator, ca lumina solara care cade pe siliciu produce curent electric. Treisprezece ani mai tarziu,  Daryl Chapin, Gerald Pearson si Calvin Fuller au realizat prima celula fotovoltaica, in laboratoarele Bell (fondate in 1925, in SUA, si care au, pana in prezent, peste 25 000 de brevete). Efectul fotovoltaic fusese insa observat cu o suta de ani mai devreme, de catre Antoine Becquerel, fizician francez, care, in studiile sale, notase ca anumite materiale bune conducatoare de electricitate pot da nastere unui curent, atunci cand asupra lor cade o sursa de lumina.

Celula fotovoltaica are rolul (asa cum indica si denumirea “foto” – lumina, “voltaica” – electricitate), de a converti energia solara in energie electrica. Mai multe astfel de celule interconectate pot forma un panou solar. Celulele sunt construite din materiale speciale, care poarta denumirea de semiconductori, siliciul fiind cel mai folosit dintre toate. In momentul in care lumina ajunge la nivelul unei astfel de celule, o anumita cantitate este absorbita de catre materialul semiconductor, generand mai multe campuri electrice, care forteaza electronii sa convearga intr-o anumita directie. Fluxul de electroni este,  de fapt, un curent continuu, iar prin plasarea unor contacte metalice, in partile superioare si inferioare ale celulei fotovoltaice, energia obtinuta poate fi folosita pentru uz extern (de exemplu, pentru alimentarea unui computer personal).

Siliciul (Si) din care sunt alcatuite celulele fotovoltaice (prins, ca intr-un sandwich, intre electrozi metalici si protejat cu sticla) este un material cu proprietati chimice speciale, mai ales daca se gaseste in forma sa cristalina. Straturile externe ale celulei sunt facute din siliciu amestecat cu alte materiale (de regula, fosfor), cu valenta superioara (cu mai multi electroni), motiv pentru care atomul de siliciu va incerca sa gaseasca modalitati de completare a spatiilor goale, prin impartirea de electroni cu atomii din apropiere. Asadar, singura problema, in cazul folosirii siliciului, este data de faptul ca forma pur cristalina este un conductor destul de slab de electricitate, pentru ca niciunul dintre electronii sai nu este liber sa se deplaseze, spre deosebire de electronii din cupru (un conductor de electricitate optim).

Pentru a rezolva acest dezavantaj, in siliciul din celula fotovoltaica, in mod intentionat, se introduc impuritati, care determina deplasarea electronilor. In momentul in care energia este adaugata siliciului, sub forma de lumina, aceasta va duce la eliberarea catorva electroni care vor parasi atomul. Electronii, adica transportorii, vor circula la intamplare, pana vor gasi un anumit spatiu pe care vor trebui sa il umple, ducand si curentul electric dupa ei. Siliciul rezultat dupa adaugarea fosforului in compozitia sa poarta numele de semi-conductor de tip N (negativ), datorita numarului mare de electroni liberi.

In componenta unei celule voltaice mai intra si elementul bor, care are doar trei electroni liberi in starturile sale exterioare, si nu 4, pentru a forma ceea ce se numeste siliciul de tip P (pozitiv). Borul se adauga in stratul inferior al celulei fotovoltaice.

Daca sunt neconectate, cele doua parti ale celulei sunt neutre din punct de vedere electric. Campul electric se formeaza in momentul in care tipul N si tipul P intra in contact. Campul electric rezultat actioneaza sub forma unei diode, care permite electronilor sa ajunga din tipul P in tipul N, dar nu si in directie inversa (ca in fata unui deal – electronii pot, cu usurinta, sa coboare – tipul N, dar nu pot urca dealul – tipul P).

Cand lumina, sub forma de fotoni, ajunge la nivelul celulei fotovoltaice, energia sa este fragmentata, ducand la eliberarea electronilor perechi. Daca acest eveniment are loc in apropierea campului electric, campul va trimite electronii liberi catre tipul N, ceea ce va determina fragmentarea si mai mare a neutralitatii electrice, iar daca este asigurata si o cale pe care curentul sa circule, electronii vor trece prin tipul P. Prin urmare, fluxul de electroni este cel care asigura curentul, iar campul electric al celulei determina voltajul. Prin intermediul curentului electric si al voltajului, se stabileste puterea, produsul celor doua componente.

In structura unei celule fotovoltaice se gaseste si un strat protector, pentru ca siliciul este un material care trimite electroni ce pot fi pierduti cu usurinta. Materialul protector, antireflectiv, este folosit tocmai pentru a impiedica risipirea lor. Din unirea mai multor celule rezulta module, eficiente ca nivel de curent si voltaj. Pentru inserarea terminalelor cu sarcini pozitive si negative, celulele sunt plasate in rame metalice stabile, care au si rol de protectie.

In ciuda avansului tehnologic, nivelul de energie solara absorbita de astfel de celule fotovoltaice nu este unul foarte mare, randamentul fiind de 12-18%. Cel mai performant panou solar incearca depasirea barierei de 40% , dar studiile sunt inca in desfasurare.

Utilizari ale celulei fotovoltaice

• Celulele fotovoltaice se folosesc tot mai mult la realizarea panourilor pentru apa calda si incalzirea locuintelor, valorificandu-se o sursa regenerabila de energie – energia solara. La ora actuala se cauta solutii pentru sporirea randamentului acestor instalatii.
• Fabricarea lampilor pentru iluminatul gradinilor, a bateriilor solare;
• Alimentarea mini-calculatoarelor, a ceasurilor, gadget-urilor etc.;
• Producerea de electricitate pentru mentinerea in functie a satelitilor artificiali. De exemplu, din 1958, pana in 1964, satelitul american Vanguard a functionat pe baza celulelor fotovoltaice din emitatorul sau.

Pentru cercetatori din intreaga lume, perfectionarea celulelor fotovoltaice este, in prezent, o mare provocare, pe o piata a energiei tot mai costisitoare, in conditiile in care rezervele Terrei se epuizeaza intr-un ritm mai rapid ca niciodata, iar echilibrul ecologic este tot mai fragil.