мини|200п|Solarna ćelija izrađena od pločice (vafera) monokristalnog silicijuma мини|200п|Monokristalna solarna ćelija Solarna ćelija (fotonaponska ćelija) je poluprovodnički uređaj koji pretvara sunčevu energiju direktno u električnu pomoću fotoelektričnog efekta. Grupe ćelija formiraju solarne module, poznate i kao solarni paneli ili fotonaponska ploča. Energija proizvedena solarnim modulima je primer solarne energije.
Ćelije se označavaju kao fotonaponske ćelije kada izvor svetlosti nije nužno sunčeva svetlost. One se koriste za detekciju svetlosti ili drugih oblika elektromagnetskog zračenja blizu vidljivog spektra, na primer detektori infracrvenog svetla, ili merenje intenziteta svetlosti. Efikasnost im je od 10% za jeftinije izrade sa amorfnim silicijumom, do 25% za skuplje izrade. Za sada su još uvek ekonomski nerentabilni, jer im je cena oko 6000$/-{kW}-.
Princip rada fotonaponske ćelije мини|Šema kućnog sistema fotonaponskih ćelija Fotonaponske ćelije mogu se koristiti kao samostalni izvori energije ili kao dodatni izvor energije. Kao samostalni izvor energije koristi se npr. na satelitima, znakovima na putu, kalkulatorima i udaljenim objektima koji zahtevaju dugotrajni izvor energije. U svemiru je i snaga sunčevog zračenja puno veća, jer Zemljina atmosfera apsorbuje veliki deo zračenja, pa je i dobijena energija veća. Kao dodatni izvori energije, fotonaponske ćelije mogu se priključiti na električnu mrežu, ali za sada je to neisplativo. Соларни фотонапонски систем www.tedeko.info, 2019.
Istorija solarnih ćelija Pojam „fotonaponsko“ dolazi od sa značenjem svetlost. Pojam "fotonaponsko" je u engleskom jeziku u upotrebi od 1849.
Fotoelektrični efekt je 1839. otkrio francuski fizičar A. E. Bekuerel, ali je tek 1883. izrađena prva solarna ćelija. Izradio ju je Čarls Frits, tako što je prekrio poluprovodnik selen izrazito tankim slojem zlata da stvori spojeve. Efikasnost uređaja bila je samo oko 1%. 1888. ruski fizičar Aleksandar Stoletov izradio je prvu fotoelektričnu ćeliju utemeljenu na vanjskom fotoelektričnom efektu koji je otkrio Hajnrih Herc 1887.g. Albert Ajnštajn je 1905. objasnio fotoelektrični efekt zbog čega je dobio i Nobelovu nagradu za fiziku 1921. godine. Rasel Ohl je 1946. patentirao modernu poluprovodničku solarnu ćeliju,"Light sensitive device" US patent #2402662, Issue date: June 1946 koja je otkrivena tokom rada na unapređenjima u izradi tranzistora.
-{Bell}- proizvodi prvu praktičnu ćeliju Prva moderna fotonaponska ćelija proizvedena je -{1954.}- od strane kompanije Bel laboratorije ().K. A. Tsokos, Physics for the IB Diploma. Visokoučinsku solarnu ćeliju prvi su proizveli Daril Čapin, Kalvin Sater Fuler i Džerald Pearson 1954. koristeći difuzni silicijumski -{p-n}- spoj. Ćelije su isprva rađene za igračke i ostale sitne potrebe, jer je cena struje koju su proizvodile bila vrlo visoka – u relativnim pojmovima, ćelija koja je proizvodila 1 W električne snage po jakom suncu koštala je $250, u poređenju sa $2-$3 ta struju iz elektrane na ugalj.
Solarne ćelije su spašene od zaborava predlogom da se ugrade u satelit Vanguard 1. Prema originalnim planovima, satelit bi se napajao samo baterijama i trajao kratko vreme dok se ne istroše. Dodavši ćelije spolja na telo, vreme misije se moglo produžiti bez većih izmena na svemirskoj letilici ili njenim električnim vodovima. Isprva je postojao skepticizam, ali solarne ćelije su se u praksi pokazale velikim uspehom, i ubrzo su dodate na mnoge nove satelite, posebno Belov vlastiti Telstar.
U iduće dve decenije napredak je bio spor, jedina raširena upotreba bila je u svemirskim primenama, gde je njihov odnos snage prema masi bio veći od bilo koje konkurentske tehnologije. Međutim taj uspeh je ujedno bio i razlog sporom napretku. „Svemirski“ korisnici su bili spremni da plate bilo koju cenu za najbolje moguće ćelije, tako da nije bilo razloga za investiranje u jeftinija rešenja. Umjesto toga, cena ćelija bila je određena uglavnom od strane industrije poluprovodnika. Prelazak na integrisana kola u 1960-ima doveo je do dostupnosti većih komada kristala po relativno nižim cenama. Kako je njihova cena padala, tako je padala i cena ćelija. Ipak, ti efekti su bili ograničeni sve do 1971. godine, kad su troškovi ćelija procenjeni na oko $100 po vatu.
Bermanove redukcije cena U kasnim 1960-ima, Eliot Berman je istraživao nov metod za proizvodnju silicijumske sirovine u trakastom procesu (). Naišao je na slab interes za projekt i nije mogao naći novčana sredstva za njegov razvoj. Kasnije je, igrom slučaja, predstavljen timu u kompanije Ekson (), koji je tražio projekte za narednih 30 godina. Grupa je zaključila da će električna energija biti mnogo skuplja do 2000. godine, i pretpostavili su da će to povećanje cene učiniti nove alternativne izvore energije, među kojima su najzanimljiviji solarni, atraktivnijima. Berman se 1969. priključio laboratoriji Eksona u Lindenu u Nju Džerziju zvanom Solarna snaga korporacija (, SPC).
Njegovo prvo veće nastojanje bilo je da se istraži potencijalno tržište kako bi se videlo koji su mogući načini upotrebe novog proizvoda. Ubrzo su otkrili da postoji značajna potražnja, ukoliko dolari po vatu padnu sa tadašnjih $100/vat na otprilike $20/vat. Znajući da bi se njegov koncept trake razvijao godinama, tim je počeo tražiti načine za postizanje granice $20/vat upotrebom postojećih materijala.
Prvi napredak bilo je zapažanje da su postojeće ćelije bazirane na standardnom procesu proizvodnje poluprovodnika, iako to nije bilo optimalno. Postupak je počinjao s komadom kristala, koji se rezao na diskove zvane vaferi (pločice), koji se zatim poliraju i potom, za upotrebu u ćelijama, prevlače antirefleksijskim slojem. Berman je primijetio da grubo izrezani vaferi već imaju savršeno odgovarajuću antirefleksijsku prednju površinu. Štampanjem elektroda direktno na tu površinu, dva značajna koraka u proizvodnji ćelija time su otklonjena. Tim je takođe istražio načine za poboljšanje ugradnje ćelija u nizove, otklanjajući skupe materijale i ručno ožičenje korištene u svemirskim primenama uz pomoć štampane pločice na poleđini, akrilne plastike sprijeda te lepila baziranog na silicijumu između, koje zatvara ćelije. Međutim najveće postignuće u postizanju niže cijene bilo je Bermanovo shvaćanje da je postojeći silicijum efektivno bio "predobar" za upotrebu u solarnim ćelijama; sitne nesavršenosti koje bi upropastile celi komad kristala (ili pojedinačni vafer) za elektroniku, imale bi beznačajan uticaj u solarnoj primjeni.
Uvodeći sve ove promene u praksu, kompanija je otpočela kupovati "odbačen" silicijum od postojećih proizvođača po vrlo niskim cenama. Koristeći najveće dostupne vafere, prema tome umanjujući količinu ožičenja za datu površinu panela, i njihovim pakovanjem u panele upotrebom vlastite nove metode. Do 1973. godine -{SPC}- je proizvodio panele po $10 i prodavao ih po $20 – petostruko sniženje cene u dve godine.
Navigacijsko tržište SPC je pristupio kompanijama koje proizvode ploveće svetionike kao svom prirodnom tržištu, međutim naišao je na zanimljivu situaciju. Vodeća kompanija u tom poslu bila je Automatska Snaga (), proizvođač baterija. Shvativši da bi im solarne ćelije mogle oduzeti deo profita od baterija, Automatik je otkupio prava na raniji dizajn ćelija i potisnuo ih. Videvši da tu nema interesa, SPC se okrenuo Tideland signalu, drugom proizvođaču baterija osnovanom od strane bivših menadžera Automatika Tideland je uskoro predstavio svetionik napajan solarnom energijom i time narušio Automatikovo poslovanje.
Izbor momenta nije mogao biti pogodniji; strmoglavo povećanje broja naftnih platformi na moru i postrojenja za utovar stvorilo je golemo tržište među naftnim kompanijama. Kako je bogatstvo Tidelanda povećano, kompanija Automatska Snaga je počela da traži vlastitog snabdevača solarnih panela. Našli su Bila Jerksa iz kompanije Solarna snaga internacional ( SPI) u Kaliforniji, koji je tražio tržište. SPI je uskoro kupljen od strane jednog od svojih najvećih klijenata, naftnog giganta ARCO-a, stvorivši ARCO Solar. Kompanija ARCO Solar u Kamarilu u Kaliforniji bila je prva namijenjena isključivo proizvodnji solarnih panela, i u neprekidnom je pogonu od kupovine 1977. do današnjeg dana.
Ovo je tržište, zajedno s naftnom krizom 1973, dovelo do zanimljive situacije. Naftne kompanije su sada imale puno novca zbog velikih profita tokom krize, a bile su takođe svesne da im budući uspeh zavisi od nekog drugog oblika energije. Tokom idućih nekoliko godina, veće naftne kompanije su pokrenule niz solarnih kompanija, te su tokom više decenija bile najveći proizvođači solarnih panela. -{Exxon, ARCO, Shell, Amoco}- (kasnije kupljen od strane BP-a), Mobil, sve su imale značajne solarne odele tokom 1970.-ih i 80-ih. Tehnološke kompanije su takođe imale određena ulaganja, uključujući -{General Electric, Motorolu, IBM, Tyco}- i -{RCA}-.
Dalja poboljšanja Poboljšanja od vremena Bermanovog rada su snizila troškove proizvodnje na ispod $1/vat, s veleprodajnom cenom reda $2. Troškovi ostatka uređaja (troškovi sistema) su sada postali veći od troškova samih ćelija; u velikim komercijalnim poljima panela u pogonu su iznosili oko $5/vat u 2010. godini.
Kako je industrija poluprovodnika išla na sve veće i veće komade kristala, starija oprema je postala dostupna po rasprodajnim cenama. Ćelije su dostupnošću te opreme takođe rasle u veličini. -{ARCO}- Solarovi originalni paneli su koristili ćelije od 2 do 4 inča u prečniku. Paneli u 1990.-ima i ranim 2000.-ima uglavnom koristili 5 inčne vafere, a od 2008. gotovo svi novi paneli koriste 6 inčne ćelije. Još jedna velika promena bio je prelazak na polikristalni silicijum. Taj materijal ima manji učinak, ali je jeftiniji za masovnu proizvodnju. Sveobuhvatno uvođenje televizora s ravnim ekranom u kasnim 1990.-ima i ranim 2000.-ima dovelo je do široke dostupnosti velikih ploča visokokvalitetnog stakla, korištenih na prednjoj strani panela.
Druge tehnologije su takođe došle na tržište. Kompanija Prvi solar () je narastao u najvećeg proizvođača panela u pogledu godišnje proizvedene snage, korištenjem ćelije od tankog filma između dva sloja stakla. To je bio prvi proizvod koji je srušio troškove proizvodnje ispod $1/vat. Otada je izobilje polikristalnog silicijuma potisnulo cene konvencionalnih panela na istu srazmeru.
Primena мини|200п|Polikristalne silicijumske fotonaponske ćelije u modulu lamelirane za pozadinski materijal мини|200п|Polikristalne fotonaponske ćelije Solarne ćelije se često električno spajaju i zatvaraju u module. Fotonaponski moduli uglavnom imaju staklenu ploču spreda (prema suncu), propuštajući svetlo i u isto vreme štiteći poluprovodnik od ogrebotina i uticaja vetrom nošenih čestica, kiše, grada, itd. Solarne ćelije su takođe često serijski spojene u module, stvarajući zbirni napon. Ako se spoje paralelno, to formira veću struju. Moduli se zatim međusobno spajaju, serijski ili paralelno, ili na oba načina, da bi se stvorilo polje sa željenim vršnim vrednostima istosmernog napona i struje.
Kako bi se praktično iskoristila energija dobijena od sunca, elektricitet se najčešće predaje u električnu mrežu upotrebom invertora, ta je to fotonaponski sistem spojen na mrežu. U samostalnim sistemima za čuvanje energije koja trenutno nije potrebna koriste se baterije. Solarni paneli se mogu koristiti za pogon ili punjenje prenosivih uređaja.
Teorija Rad solarne ćelije odvija se u tri koraka: Fotoni iz sunčeve svetlosti udaraju u solarni panel i poluprovodnički materijali poput silicijuma ih apsorbiraju. Elektroni se potiskuju iz atoma i postaju slobodni, te mogu da slobodno teku materijalom, čime se formira struju. Zbog posebne građe solarnih ćelija, elektroni se mogu kretati samo u jednom smjeru. Polje solarnih ćelija pretvara energiju sunca u upotrebljivu količinu jednosmerne struje (DC).
Tehnologija fotonaponske ćelije