Ιστορικά Στοιχεία:
Τα ηλιακά κύτταρα (ή ηλιακά κελιά – solarcells), γνωστά και ως φωτοβολταικά κύτταρα, είναι συσκευές που μετατρέπουν την προσπίπτουσα, σε αυτά, ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική μέσω του φωτοβολταικού φαινομένου (photovoltaiceffect).
Το φωτοβολταικό φαινόμενο επισημάνθηκε για πρώτη φορά από τον Γάλλο Φυσικό Becquerel στα 1839. Μέχρι το 1883, είχε θεωρητική υπόσταση, αφότου ο CharlesFritts κατασκεύασε το πρώτο ηλιακό κελί, το οποίο αποτελούνταν από ένα ημιαγώγιμο στρώμα σεληνίου πάνω σε λεπτό στρώμα χρυσού. Το ηλιακό κελί του Fritts, αν και είχε πολύ μικρή απόδοση (περίπου 1%), αποτέλεσε την απαρχή για την εξέλιξη αυτής της τεχνολογίας. Μέχρι τώρα η τεχνολογία αυτή έχει φτάσει σε σημείο να μας παρέχει αποδόσεις, μετατροπής ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, με τιμή άνω του 40% (Τα ηλιακά κελιά της Spectrolab (2006) έχουν απόδοση 40,7% στα εργαστηριακά τέστς). Τα κοινά όμως ηλιακά κύτταρα έχουν αποδόσεις της τάξης του 10% – 15%.
Σύσταση:
Τα ηλιακά κύτταρα είναι συσκευές κατασκευασμένες από διατάξεις ημιαγωγών. Οι ημιαγωγοί (semiconductors) είναι υλικά τα οποία παρουσιάζουν την ιδιότητα, όταν απορροφούν φως (φωτόνια), μέσω συγκεκριμένων διαδικασιών να προσφέρουν ελεύθερα ηλεκτρόνια, η συλλογή των οποίων μας προσφέρει το ζητούμενο ηλεκτρικό ρεύμα. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των ημιαγωγών εξαρτώνται δραστικά από την χημική τους σύσταση.
Ένα από τα πιο δημοφιλή ημιαγώγιμα υλικά που χρησιμοποιούνται ως υλικό κατασκευής των ηλιακών κυττάρων είναι το πυρίτιο (Silicon – Si). Φτηνό σε κόστος, άφθονο στην φύση και σε μεγάλο βαθμό μελετημένο προσφέρει ένα προσιτό υλικό, σε διάφορες εκδοχές του όπως το μονοκρυσταλλικό και το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο (βλέπε εικόνα παρακάτω), για το σκοπό αυτό. Μια τυπική διάταξη ενός ηλιακού κυττάρου αποτελείται συνήθως από μια ημιαγώγιμη επαφή τύπου p – n. Πρόκειται για επαφές οι οποίες έχουν προέλθει από την άμεση εναπόθεση ενός n – τύπου ημιαγωγού σε ένα p – τύπου ημιαγωγό.
Τι είναι όμως η επαφή p – n;
Το καθαρό (χωρίς χημικές προσμίξεις) Si είναι ένας ημιαγωγός. Όταν στο καθαρό πυρίτιο προσθέσουμε ενός πεντασθενούς χημικού στοιχείου (π.χ. P) τότε στο υλικό μπορούν να δημιουργηθούν ελεύθεροι φορείς φορτίου, δηλαδή ηλεκτρόνια, και τότε το πυρίτιο ονομάζεται τύπου n (από τη λέξη negative: αρνητικά φορτισμένο). Αντίστοιχα όταν στο καθαρό πυρίτιο προσθέσουμε άτομα ενός τρισθενούς χημικού στοιχείου (π.χ. B) τότε στο υλικό μπορούν να δημιουργηθούν ελεύθεροι υποδοχείς (κενές θέσεις ηλεκτρονίων), οι οποίες ονομάζονται οπές και το πυρίτιο ονομάζεται τύπου p (από τη λέξη positive: θετικά φορτισμένο).
Όταν το p – Si και το n – Si έρθουν σε επαφή δημιουργούμε μια επαφή τύπου p – n. Στον χώρο της επαφής δημιουργείται τότε και ένα μόνιμο ηλεκτρικό πεδίο (πεδίο απογύμνωσης – depletionfield) από την μερική διάχυση των ηλεκτρονίων και των οπών εκατέρωθεν της επαφής. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο εμποδίζει την περαιτέρω διάχυση ηλεκτρονίων και οπών στα δυο μέρη της επαφής, επιφέροντας ισορροπία φορτίων στην περιοχή.
Όμως όταν ένα φωτόνιο προσπέσει στο ηλιακό κύτταρο, η κατάσταση ισορροπίας διαταράσσεται. Κατά την απορρόφηση των φωτονίων, μερικά από τα ηλεκτρόνια των ατόμων του υλικού αποσπώνται από αυτά , με συνέπεια, να είναι ελεύθερα να κινηθούν εντός του υλικού. Κάθε ελεύθερο ηλεκτρόνιο βρίσκεται τότε σε μια ενεργειακή περιοχή που ονομάζεται ζώνη αγωγιμότητας, έχοντας αφήσει μια οπή σε μια άλλη ενεργειακή περιοχή που ονομάζεται ζώνη σθένους. Η ενεργειακή διαφορά της κατώτερης ενέργειας της ζώνης αγωγιμότητας από την ανώτερη της ζώνης σθένους λέγεται ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού (Eg)και για να συμβεί απορρόφηση του φωτός, αυτό πρέπει να έχει ενέργεια τουλάχιστον ίση με Εg. Το ηλεκτρικό πεδίο απογύμνωσης στην ένωση των δυο τύπων ημιαγωγού (n και p), ωθεί τις οπές στην p και τα ηλεκτρόνια στην n περιοχή αντίστοιχα. Αυτό έχει σαν συνέπεια την δημιουργία μιας διαφοράς δυναμικού. Αυτή η διαφορά δυναμικού που υπάρχει στο κύτταρο, χωρίς αυτό να είναι συνδεδεμένο σε κάποιο κύκλωμα λέγεται διαφορά δυναμικού χωρίς φόρτο (Vnoload)). Η Vnoload εξαρτάται μονό από το υλικό του ηλιακού κυττάρου. Για το ηλιακό κύτταρο του Si το Vnoload έχει τιμή περίπου στα 0,5 V. Μεγαλύτερες διαφορές δυναμικού μπορούν να επιτευχθούν συνδέοντας ηλιακά κύτταρα σε σειρά. Το ηλεκτρικό ρεύμα ενός ηλιακού κυττάρου, όταν συνδεθεί με κάποιο κύκλωμα (δηλαδή με φορτίο) εξαρτάται από την εισερχόμενη έντασης της φωτεινής ακτινοβολίας. Υψηλότερες τιμές ηλεκτρικού ρεύματος μπορούν να επιτευχθούν συνδέοντας τα ηλιακά κύτταρα παράλληλα.
Απόδοση:
Η απόδοση της μετατροπής ενέργειας από φωτεινή σε ηλεκτρική, η, συνοψίζεται στην παρακάτω σχέση: $\eta=\frac{P_{m}}{E\cdot A_{c}}$
: τιμή μέγιστης ισχύος του στοιχείου, : ένταση φωτισμού
: επιφάνεια των στοιχείων
Εφαρμογές:
Με βάση τα παραπάνω αυτό το δεδομένο τα ηλιακά κύτταρα έχουν διάφορες εφαρμογές: οικιακές (θερμοσίφωνες κ.α.), επιστημονικές (διαστημική, υπολογιστές κ.α.) και πλήθος άλλων, οπουδήποτε είναι απαραίτητη η διάθεση συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος χωρίς την διαδικασία καύσης κάποιου υλικού.
Πειραματική Διαδικασία:
- Συνδέστε τους ακροδέκτες του ηλιακού κυττάρου με το βολτόμετρο και φωτίστε το με την διαθέσιμη φωτεινή πηγή. Σημειώστε το Vnoload. Συγκρίνετε το με την θεωρητικά αναμενόμενη τιμή 0,5V.
- Συνδέστε τους ακροδέκτες του ηλιακού κυττάρου με το ηλεκτρικό κινητήρα και φωτίστε το με την διαθέσιμη φωτεινή πηγή. Παρατηρήστε την συμπεριφορά του όταν το κύτταρο φωτίζεται και όταν δεν φωτίζεται.