Celule fotovoltaice

Celulele fotovoltaice sunt dispozitive semiconductoare care realizeaza un randament ridicat al efectului fotovoltaic. Ca semiconductoare se utilizeaza siliciul seleniul si germaniul.

Celula fotovoltaica din siliciu este cel mai des utilizata si are structura de baza prezentata in figura de mai jos.

Adancimea de formare a jonctiunii p -n depaseste 3 μm, astfel incat stratul 'p' sa fie semitransparent pentru fotoni, an timp ce grosimea stratului de siliciu este de aproximativ 0,5 mm. Stratul de bioxid de siliciu este transparent si are rol antireflectorizant. Jonctiunea p-n actioneaza ca un camp electric permanent. Cand lumina patrunde in regiunea jonctiunii, fotonii incidenti genereaza un curent de purtatori de sarcina, deci o tensiune electromotoare la contactele metalice ale celulei. Acest curent este proportional cu iluminarea atunci cand celula este pusa in scurtcircuit. Fotocurentul este functie de aria suprafetei fotosensibile, rezistenta de sarcina si iluminare. Tensiunea la borne in circuit deschis variaza logaritmic cu iluminarea. Valoarea ei este independenta de aria suprafetei fotosensibile si depinde de rezistenta de sarcina. Tensiunea maxima in circuit deschis a unui fotoelement este de aproximativ 0,5 v. Pentru a creste tensiunea electromotoare, fotoelementele se leaga in serie, iar pentru a creste curentul ele se leaga in paralel.

Schema de baza a unei celule fotovoltaice cu siliciu

Caracteristica curent  -tensiune a unui fotoelement

Schema echivalenta a unei celule fotovoltaice

Caracteristica curent-tensiune a celulei fotovoltaice are expresia:

unde I este curentul prin fotoelement, I_s este curentul de saturatie, I_L este fotocurentul, q sarcina electronului, U tensiunea la borne, β este un parametru adimensional care ia valori mai mari ca 1, de regula egal cu 2, k este constanta lui Boltzman, iar T este temperatura.

Aceasta caracteristica corespunde portiunii din cadrul IV a caracteristicii curent - tensiune a unei fotoide, cand jonctiunea p-n se comporta ca o sursa de curent, iar circuitul exterior ca o sarcina. Celula fotovoltaica este echivalenta cu o sursa de curent in paralel cu o rezistenta de sarcina.

In reltia de mai sus, punand I=0 se obtine tensiunea de iesire in gol, U₀:

Efectul temperaturii asupra curentului de scurtcircuit este redus, pe cand tensiunea de iesire in circuit deschis descreste liniar cu descresterea temperaturii, cu o panta de aproximativ 2,5 mV/^oC.

Constanta de timp depinde de rezistenta de sarcina si este de ordinul zecilor de microsecunde. Lungimea de unda pentru sensibilitatea spectrala maxima depinde de materialul fotoelementului, pentru SI fiind aproximativ 800 nm.

Celulele fotovoltaice din SI sunt produse intr-o varietate de configuratii: cilindrice, paralelipipedice, matrici. Fotoelementele din SI sunt des utilizate drept convertoare de energie solara in energie electrica, avand un randament de 11%-20%.

Simbolul unei celule este prezentat in figura ce urmeaza.

Simbolul unei celule fotovoltaice                    Caracteristica curent-tensiune a unei jonctiuni