L'ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

 
3. FUNCIONAMENT (p2 de 4)

  
3.4 Materials

Els semiconductors

La clau del desenvolupament de la conversió fotovoltaica han estat els elements semiconductors. El silici, el germani, l'arsenur de gal·li, el sulfur de cadmi i alguns altres elements tenen la característica de ser portadors de dos tipus de corrent elèctric, un amb electrons lliures, capaços de viatjar pel vidre i un altre anomenat buit, dotat de càrrega positiva. Així, hi ha semiconductors en els quals predomina la conducció per buits (els anomenats tipus p) i en altres predomina la conducció d'electrons lliures (tipus n). Però la característica més important dels semiconductors és que la resistivitat elèctrica es pot disminuir afegint-hi impureses. Aquestes impureses que afecten a les propietats elèctriques dels semiconductors s'anomenen dopatge.

Els dopants són elements similars en estructura i valència química que s'inclouen dins de la matriu per fer que hi hagi un electró de més o de menys que en el semiconductor. Els dopants són els elements capaços de poder captar, controlar i guiar aquest feix d'electrons en la matriu semiconductora.

El silici [10] és el semiconductor més utilitzat en la tecnologia fotovoltaica. Si se li afegeixen impureses de fòsfor o arsènic el silici es torna de tipus n. Les impureses de bor o gal·li el fan de tipus p. Dit d'una altra manera, primer cal obtenir el silici amb una gran puresa i després dopar-lo amb impureses en concentracions infinitesimals (de 10¹⁶ a 10¹⁹ d'àtoms d'impuresa per cm³). Aquesta és una de les raons que fa que les cèl·lules fotovoltaiques siguin cares i requereixen una tecnologia avançada.

El fet que explica el compor- tament dels semicon-ductors té a veure amb la distribució dels àtoms en l'estructura cristal·lina. Per exem-ple, un àtom de silici té forma de tetràedre i quan se l'introdueix un àtom de dopant de tipus p com el fòsfor el resultat és un electró lliure que pot viatjar pel cristall de silici. En canvi, en els semi-conductors de tipus n, com el silici dopat amb bor, comporta una càrrega de signe positiu.

Quan un semiconductor s'il·lumina es trenquen enllaços químics que provoquen una generació d'electricitat, variable segons la temperatura ambient, que reconduirà el moviment d'electrons en la direcció i sentit de l'anomenada unió p-n (Il·lustració 3.4). En altres paraules, els fotons de la llum produeixen una tensió elèctrica semblant a la que es produeix en els borns d'una pila seca. Mitjançant contactes metàl·lics en cada una de les cares es pot capturar l'energia elèctrica i utilitzar-la en diferents aplicacions. Un material semiconductor solament genera energia, però no l'emmagatzema.

Il·lustració 3.4. Interior de les capes del semiconductor d'una cèl·lula
fotovoltaica i moviment de les càrregues elèctriques entre les capes.
Font: McGraw-Hill.

Les cèl·lules fotovoltaiques

Una cèl·lula solar és una placa de semiconductor d'uns 0,3 mm de gruix dopada amb impureses de tipus p (amb un electró menys) i alhora amb una de tipus n (amb un electró més) que sol ser més prima encara, d'uns 0,5 µm. El pla de separació entre les dues regions de conductivitat s'anomena unió p-n i és fonamental en el funcionament de les cèl·lules fotovoltaiques (Il·lustració 3.5).

Així, els electrons de la capa n, on hi són en alta concentració tendeixen a anar cap a la cap p, que en té molt pocs. Al revés passa amb els forats lliures majoritaris a la capa p. El resultat és una neutralització a la zona d'unió p-n que a la vegada genera un camp elèctric pel fet que es troba entre dues zones amb càrrega oposada.

El camp elèctric de la unió p-n va del costat n al costat p que separa els parells electró-forat (els forats, les càrregues positives, les fa viatjar cap al costat p, fet que provoca l'extracció d'un electró gràcies a la xarxa de metall inclosa en la matriu semiconductora). A la vegada els electrons els porta cap el costat n i també els injecta al metall.

Il·lustració 3.5. Detall d'una cèl·lula fotovoltaica.
Font: ICAEN

   

Així es genera el corrent elèctric, que en el cas del silici produeix una diferència de 0,5 V. Per a què els electrons del semiconductor puguin ser expulsats a través d'un circuit i produir, per tant, corrent elèctric, cal que tinguin suficient energia.

Per poder extreure el corrent generat a dins de la cèl·lula fotovoltaica es col·loquen contactes metàl·lics a cada una de les cares. En resum, les cèl·lules fotovoltàiques es fabriquen amb silici pur que després de fondre s'estira per formar un bloc monocristal·lí. Aquest bloc se serra en làmines fines que es doparan, es metal·litzaran i es deixaran a punt per engraellar i fabricar els plafons solars [11] de 36 cèl·lules, que proporcionen 12 V (Il·lustració 3.6).

Il·lustració 3.6. Cèl·lula fotovoltaica en un forn. A la dreta un panell solar acabat.
Font: THE IMAGE BANK. D. Sarraute

Amb aquest procés s'aconsegueix una cèl·lula fotovoltaica d'uns 75 cm² de silici monocristal·lí que amb llum suficient genera un corrent de 0,4 V i una potència d'1W. La potència d'un mòdul és proporcional al nombre de cèl·lules connectades entre elles. Les cèl·lules s'encaixen entre vidre laminat i plàstic per poder protegir les connexions elèctriques i resistir les inclemències del temps i donar als plafons fotovoltaics una vida d'uns 30 anys com a mínim.

Un aspecte important és la temperatura de treball [12]. Les cèl·lules fotovoltaiques s'escalfen amb la radiació solar. Per això les plaques s'han de col·locar de manera que quedin ben airejades i dissenyades per poder dissipar la calor. La tensió generada disminueix per sobre i per sota dels 25 ºC, que és la temperatura òptima. La propietat de poder connectar i modular les cèl·lules afavoreix el disseny d'una instal·lació segons les seves necessitats.

Una variant de les cèl·lules són les pel·lícules fotovoltaiques, que es configuren com la tecnologia del futur pel seu cost més baix i perquè es poden incorporar en façanes i altres materials transparents.

Tipus de cèl·lules fotovoltàiques

• Cèl·lules de silici monocristal·lí

Els mòduls fets amb cèl·lules de silici monocristal·lí són els tradicionals i els més utilitzats, ja que sobrepassen l'eficiència de conversió llum-electricitat en un 12-15 %, i en materials de recerca s'ha arribat al 24 %. Una altra con-seqüència de la seva alta utilització és la gran indústria que s'ha muntat sobre el silici (transistors, circuits integrats, etc.). Una gran avantatge en la fabricació de cèl·lules de silici monocristal·lí és la possibilitat de produir-les directament en forma quadrada, el que facilita molt la fabricació de plaques solars compactes sense les posteriors mecanitzacions de la cèl·lula. Per últim s'ha de recordar que el silici (Il·lustració 3.7) és el segon material més abundant a la terra després de l'oxigen.

Il·lustració 3.8. Cèl·lula policristal·lina.
Font: CENSOLAR

• Cèl·lules de silici policristal·lí

Les cèl·lules són més barates de fabricació, però la més baixa eficiència ha fet que no hagi tingut tanta sortida com s'esperava. L'eficiència és al voltant d'un 14 %. Amb aquesta forma de silici el rendiment no és superior al 18 %. Són obtingudes a partir de processos que no necessiten un control exhaustiu de la temperatura en la solidificació del material de silici, ni tampoc un creixement controlat de la seva xarxa cristal·lina. Té aquest nom perquè la solidificació es fa en diferents cristalls. A la Il·lustració 3.8 es pot veure una cèl·lula policristal·lina.

Il·lustració 3.8. Cèl·lula policristal·lina.
Font: CENSOLAR

• Cèl·lules de silici amorf

El gran avantatge d'utilitzar silici amorf per a la fabricació de cèl·lules és l'espessor del material, ja que pot arribar a ser 50 vegades més fi que el silici monocristal·lí. El silici amorf té unes propietats completament diferents al silici cristal·lí. Té el defecte de la seva velocitat de recombinació, produïda per la gran quantitat d'imperfeccions a la xarxa cristal·lina que creen nuclis per a aquesta recombinació, però que es pot anul·lar afegint-hi hidrogen en proporcions properes al 50 %, que fa disminuir aquesta velocitat de recombinació dels portadors.

Té també un alt coeficient d'absorció, però també té una degradació molt ràpida. Els seus costos de producció són molt més baixos que els que hi ha actualment, pel que se suposa que quan s'hagi resolt els problemes de rendiment (tan sols d'un 9 %) es pot convertir en la revolució que el mercat de cèl·lules fotovoltaiques necessita.

• Cèl·lules d'arsenur de gal·li (GaAs)

Són potser aquestes cèl·lules les més indicades per a la fabricació de plafons, ja que el seu rendiment està entre el 25 i el 30 % en la seva versió monocristal·lina. Els principals avantatges d'aquestes cèl·lules respecte a les de silici són el del rendiment inicial més gran, una menor degradació després de ser irradiades i un millor coeficient de temperatura. En contra tenen el seu pes, ja que pesen el doble que les de silici, la raresa del material, la seva poca abundància i els elevats costos de producció. S'utilitzen en la tecnologia aeroespacial, tal i com es pot veure en la Il·lustració 3.9, i requereixen sistemes de concentració de la llum.

Il·lustració 3.9. Transbordador Discovery amb cèl·lules
solars d'arseniur de gal·li.
Font: NASA

• Cèl·lules de sulfur de cadmi (SCd) i de sulfur de coure (SCu₂)

Són cèl·lules experimentals compostes per dos capes: una de sulfur de cadmi i una altra de sulfur de coure. L'avantatge d'aquest sistema és la poca utilització de material actiu en un procés de fabricació fàcil. Els grans problemes d'aquest tipus de cèl·lules són els seu baix rendiment (tan sols del 10 % en laboratori i del 5 % a la pràctica), i la degradació que sofreix amb el pas del temps. Tot i això, s'està investigant en els diferents motius que produeixen aquesta inestabilitat amb la finalitat de poder superar-los i obtenir així una alternativa barata als materials actualment utilitzats.

• Cèl·lules bifacials

Primer de tot s'ha de dir que això no és un altre tipus de cèl·lula, sinó una altra forma de fer la cèl·lula en la que es pot fer servir qualsevol de les cèl·lules que acabem de veure. Aquesta tecnologia de fabricació consisteix en crear una doble unió (normalment n-p-n) de tal forma que la cèl·lula sigui activa tant en la cara frontal com en la cara posterior. Aquest procediment permet captar la radiació frontal i la reflectida en el terra, que és transformada en electricitat en la part posterior de la cèl·lula. Lògicament, l'energia produïda per la radiació reflectida del terra és molt menor que la que produeix la radiació directa.

Les cèl·lules bifacials obtenen un rendiment superior que les monofacials, però lògicament el seu cost és més elevat, ja que es necessiten diferents tractaments extres en el dopatge del silici per a crear les diferents capes actives.

Tipus de pel·lícules fotovoltaiques

• Pel·lícules de silici amorf

S'utilitzen en mòduls semitrasparents, en productes de consum com ara rellotges solars o calculadores. Tot i que són menys eficients (el seu rendiment és del 7 al 9 %), han estat molt usades en aplicacions a l'espai per la seva lleugeresa. Tenen l'avantatge que tant el silici com l'hidrogen són materials abundants i la deposició de materials amorfs es pot fer a baixa temperatura i incloure un substrat de vidre. En contra, tenen l'inconvenient que es degrada el rendiment quan s'exposa directament a la radiació solar.

• Pel·lícules de tel·luri de cadmi (CdTe)

És el material policristal·lí de fabricació més fàcil i té l'avantatge de ser molt favorable pel seu cost reduït. Fa més de deu anys que es fabrica per a calculadores solars. Els mòduls comercials (7.200 cm²) tenen una eficiència del 8,5 % i en el laboratori s'ha assolit el 16 %. L'únic problema d'aquest tipus de pel·lícules és el cadmi, un metall considerat com a molt tòxic.

• Pel·lícules de diseleni de coure i indi (CuInSe₂ o CIS)

És un film policristal·lí amb el qual s'ha assolit una eficiència del 17,7 % i en mòduls comercials del 10 %. Sembla que és el que manté millor l'estabilitat d'eficiència de producció amb els anys.

10. V. Punt 3.5 (Fabricació de les cèl·lules) d'aquest treball.
11. V. Punt 3.5 (Fabricació de les cèl·lules) d'aquest treball.
12. V. Punt 4.1 (Rendiment) d'aquest treball.