Filip Lemić 0036435725

Što je solarna ćelija?

Fotoelektrični efekt

Tipovi solarnih ćelija

Kućna izrada solarne ćelije

SEMINARSKI RAD - SPVP

9. lipanj 2011

Solarna ćelija

2

Sažetak Solarne ćelije su tehnologija budućnosti. U seminaru se opisuje način rada solarnih ćelija. Opisuju

se njihovi tipovi, fotoelektrični efekt na čijem principu se ćelije temelje te se daje pokus kojim se

pokušava ostvariti izrada kućne solarne ćelije. Nekolicinom slika prikazan je i objašnjen praktični

rad na seminaru, a konačni rezultati mogu se naći na web stranici:

http://studenti.zesoi.fer.hr/pametne-kuce/Studenti/2011/flemic/.

Sadržaj 1. UVOD ............................................................................................................ 3 2. ŠTO JE SOLARNA ĆELIJA ................................................................................. 4 3. FOTOELEKTRIČNI EFEKT .................................................................................. 5 4. TIPOVI SOLARNIH ĆELIJA ................................................................................ 7 5. IZRADA SOLARNE ĆELIJE ................................................................................ 9

5.1. Materijali i alati potrebni za izradu ................................................................. 9 5.2. Izrada ćelije ...............................................................................................10

6. ZAKLJUČAK ...................................................................................................15 7. LITERATURA..................................................................................................16 8. POJMOVNIK ..................................................................................................17

Ovaj seminarski rad je izrañen u okviru predmeta „Sustavi za praćenje i voñenje procesa“ na Zavodu za elektroničke sustave i obradbu informacija, Fakulteta elektrotehnike i računarstva, Sveučilišta u Zagrebu. Sadržaj ovog rada može se slobodno koristiti, umnožavati i distribuirati djelomično ili u cijelosti, uz uvjet da je uvijek naveden izvor dokumenta i autor, te da se time ne ostvaruje materijalna korist, a rezultirajuće djelo daje na korištenje pod istim ili sličnim ovakvim uvjetima.

Solarna ćelija

3

1. Uvod

Solarna ćelija (fotonaponska ćelija) pretvara svjetlosnu energiju Sunca u električnu energiju. Na

svjetskom tržištu dominira silicijeva solarna ćelija. Silicijska fotonaponska ćelija je sastavljena od

dva tipa silicija. Izmeñu njih se djelovanjem svjetlosnih fotona stvara razlika napona i time tok

struje kroz priključeni potrošač. U praksi koristimo solarne panele, koji se sastoje od više solarnih

ćelija spojenih serijski da se dobije veći napon i paralelno da se dobije veća struja. Cilj ovog rada je

pokušati ostvariti fotonaponsku ćeliju za pametnu kuću. Prednosti korištenja fotoćelije u pametnoj

kući su višestruke. Osim što se može koristiti kao napajanje i akumulator, ona može poslužiti i kao

senzor svijetlosti u kući te kao sigurnosno napajanje pametne kuće. Nažalost, rezultati pokusa su

polovični. Naime, zaključeno je da ćelija može poslužiti kao senzor svijetlosti i mali izvor napajanja

u pametnoj kući, ali je preslaba da se koristi kao napajanje, pa čak i ono sigurnosno. Takoñer,

zaključak rada daje osvrt na moguća poboljšanja ćelije, kojima bi se mogle ukloniti postojeće

mane.

Solarna ćelija

4

2. Što je solarna ćelija

Sunce je daleko najveći izvor energije u solarnom sustavu. Količina solarne energije koja svake

minute stiže na Zemlju dovoljna je da zadovolji godišnje energetske potrebe čovječanstva u

trenutnoj fazi razvoja. Usprkos ogromnom potencijalu, iskorištavanjem solarne energije trenutno

se pokriva vrlo mali postotak energetskih potreba čovječanstva. Jednim dijelom to je zbog slabe

razvijenosti trenutnih tehnologija za iskorištavanje energije Sunca, ali ipak je najveći problem

trenutna cijena sustava za iskorištavanje solarne energije. Postoji nekoliko načina iskorištavanja

energije Sunca. Najjednostavniji i najjeftiniji način iskorištavanja solarne energije svakako je

grijanje vode ili neke druge tekućine za upotrebu u domaćinstvima. Elementi koji iskorištavaju

energiju Sunca za grijanje vode nazivaju se solarni kolektori i uobičajeno se postavljaju na krovove

kuća i zgrada. Drugi način iskorištavanja energije Sunca je koncentriranje solarne energije pomoću

sistema zrcala i stvaranje velike količine toplinske energije koja se kasnije u standardnim

generatorima pretvara u električnu energiju. Ovakva postrojenja mogu biti vrlo velika i uobičajeno

se grade u pustinjama, a služe za komercijalnu proizvodnju električne energije. Solarne

(fotonaponske) ćelije su treći i najpoželjniji način iskorištavanja energije Sunca, ali zbog slabe

efikasnosti i visoke cijene trenutno se ne koriste u velikoj mjeri. Solarne ćelije direktno pretvaraju

solarnu energiju u električnu energiju. Solarne ćelije uobičajeno se koriste tamo gdje nije moguće

dovesti neki drugi izvor energije, primjerice na satelitima, na znakovima uz ceste i slično. Dodatno

se koriste za napajanje energijom malih potrošača kao što su džepna računala.

Slika 1. Komercijalna solarna ćelija

Solarna ćelija

5

3. Fotoelektrični efekt

Fotoelektrični efekt je bio zagonetka u fizici do početka 20. stoljeća, a njegovo otkriće je odigralo

ključnu ulogu u razvoju moderne fizike jer je nedvosmisleno pokazao kvantnu prirodu procesa u

mikrosvijetu. Heinrich Rudolf Hertz je 1807. godine otkrio, ali ne i objasnio fotoelektrični efekt.

Fotoelektrični efekt je otkrio francuski fizičar Alexandre-Edmond Becquerel (1820-1891) 1839.

godine. Imenom fotoelektrični efekt je nazvana pojava kada svjetlost odreñene valne dužine padne

na površinu metala (npr. cinka, natrija ili bakra) i iz njega izbija elektrone. Najvažnija osobina

fotoelektričnog efekta je povezana s ovisnošću fotoelektričnog efekta o valnim dužinama i

intenzitetu svjetlosti kojom se osvjetljava metalna ploča. Ukoliko je valna duljina manja od neke

granice (koja ovisi o vrsti tvari), intenzitet efekta (količina el. naboja koji se pojavljuje na ploči)

raste s povećanjem intenziteta. Meñutim, ako valna dužina svjetlosti prelazi tu granicu,

fotoelektrični efekt nestaje, bez obzira koliko intenzivna bila svijetlost. Druga opažena osobina

efekta je vezana za gibanje električnih naboja koji napuštaju metalnu ploču. To gibanje se može

zaustaviti ako se električni naboji koče vanjskim električnim poljem. Eksperimenti su pokazivali da

veličina napona kočenja uopće ne ovisi o intenzitetu svjetlosti, već samo o njenoj valnoj dužini. To

se nije moglo objasniti teorijom o svjetlosti kao valu. Ona je predviñala da će s povećanjem

intenziteta rasti napon kočenja koji neće ovisiti o valnoj dužini.

Slika 2. Prikaz fotoelektričnog efekta

Solarne ćelije su zasnovane na fotoelektričnom efektu. Solarne ćelije su izgrañene od dva sloja:

pozitivnog i negativnog, a razlika potencijala izmeñu ta dva sloja ovisi o intenzitetu solarnog

zračenja. Solarna energija stiže na Zemlju u obliku fotona. Prilikom pada na površinu solarne ćelije

ti fotoni predaju svoju energiju panelu i na taj način izbijaju negativno nabijene elektrone iz atoma.

Solarna ćelija

6

Izbijeni elektroni kreću se prema drugoj (negativnoj) strani panela i na taj način dolazi do razlike

potencijala, tj. generira se električna energija. Fotonaponske ćelije grade se od silicija, a silicij je

jedan od najzastupljenijih elemenata na Zemlji.

Solarna ćelija

7

4. Tipovi solarnih ćelija

Monokristalne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 140 W

električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Za proizvodnju monokristalnih Si ćelija potreban je

apsolutno čisti poluvodički materijal. Monokristalni štapići se izvade iz rastaljenog silicija i režu na

tanke pločice. Takav način izrade omogućuje relativno visoki stupanj iskoristivosti.

Polikristalne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 130 W

električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Proizvodnja ovih ćelija je ekonomski efikasnija u

odnosu na monokristalne. Tekući silicij se ulijeva u blokove koji se zatim režu u ploče. Tijekom

skrućivanja materijala stvaraju se kristalne strukture različitih veličina na čijim granicama se

pojavljuju greške, zbog čega solarna ćelija ima manju iskoristivost.

Amorfne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 50 W električne

energije s površinom ćelija od 1 m2. Ukoliko se tanki film silicija stavi na staklo ili neku drugu

podlogu to se naziva amorfna ili tankoslojna ćelija. Debljina sloja iznosi manje od 1 µm, stoga su

troškovi proizvodnje manji u skladu sa niskom cijenom materijala. Meñutim iskoristivost amorfnih

ćelija je puno niža u usporedbi s drugim tipovima ćelija. Prvenstveno se koristi u opremi gdje je

potrebna mala snaga (satovi, džepna računala) ili kao element fasade.

Galij arsenidne (GaAs) ćelije: galij arsenid je poluvodič napravljen iz mješavine galija i arsena.

Pogodan je za upotrebu u višeslojnim i visoko učinkovitim ćelijama. Širina zabranjene vrpce (band

gap) je pogodna za jednoslojne solarne ćelije. Ima visoku apsorpciju pa je potrebna debljina od

samo nekoliko mikrona da bi apsorbirao sunčeve zrake. Relativno je neosjetljiv na toplinu u

usporedbi sa Si ćelijama te na zračenja. Zbog visoke cijene koristi se u svemirskim programima i u

sustavima s koncentriranim zračenjem gdje se štedi na ćelijama. Projekti koncentriranog zračenja

su još u fazi istraživanja. Galij indijum fosfidna/galij arsenid (GaInP)/GaAs dvoslojna ćelija ima

iskoristivost od 30% i koristi se u komercijalne svrhe za svemirske aplikacije. Ovaj tip ćelije može

pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 300 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m2.

Kadmij telurijeve (CdTe) ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u

160 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m2 u laboratorijskim uvjetima. Kadmij teleurid

je spoj elementa: metala kadmija i polumetala telurija. Pogodan za upotrebu u tankim PV

modulima zbog fizikalnih svojstava i jeftinih tehnologija izrade. Usprkos navedenim prednostima

zbog kadmijeve otrovnosti i sumnje na kancerogenost nije u širokoj upotrebi.

Solarna ćelija

8

Slika 3. Različiti tipovi solarnih ćelija

Solarna ćelija

9

5. Izrada solarne ćelije

Ideja za izradu ove kućne solarne ćelije potječe sa stranice:

http://www.youtube.com/watch?v=jL1KiWN26Q0&feature=player_embedded.

5.1. Materijali i alati potrebni za izradu

Za izradu kućne solarne ćelije potrebni materijali su:

• bakrena pločica minimalnih dimenzija 10x10,

• obična ON/OFF sklopka,

• bakrene žice,

• LED dioda,

• plastična folija,

• plastična posuda s poklopcem te

• kuhinjska sol otopljena u običnoj vodi.

Potrebni alati su:

• lemilica,

• pila za metal,

• univerzalna kliješta,

• plamenik (ili slično),

• silikon te

• voltmetar.

Solarna ćelija

10

Slika 4. Alati i materijali potrebni za izradu solarne ćelije

5.2. Izrada ćelije

Bakrenu pločicu je potrebno prerezati kao što je prikazan na slici. Potrebno je dobiti pločicu veličine

10x10 cm koja će predstavljati katodu i manju pločicu veličine 2x10 koja će predstavljati anodu.

Slika 5. Rezanje bakrene pločice

Solarna ćelija

11

Veću pločicu potrebno je zagrijavati minimalno pola sata da bi bakar oksidirao. Nakon toga

potrebno ju je hladiti dodatnih sat vremena.

Slika 6. Zagrijavanje veće pločice

Na obje pločice potrebno je zavariti žice kojima će teći generirana struja. Pločice se može silikonom

zalijepiti na komad plastike radi lakšeg rukovanja, no taj korak nije nužan.

Slika 7. Pločice sa zalemljenim žicama postavljene na komad plastike

Solarna ćelija

12

Pločice je potrebno postaviti u plastičnu posudu korištenjem silikona. Žice zalemljene na pločice

treba ostaviti van posude.

Slika 8. Pločice uglavljene u plastičnu posudu

Posudu je potrebno napuniti običnom ili destiliranom vodom te u vodu dodati kuhinjsku sol i sodu

bikarbonu.

Slika 9. Punjenje posude vodom

Solarna ćelija

13

Posudu s vodom je potrebno hermetički zatvoriti uz korištenje plastične folije i silikona. Žice moraju

izlaziti iz posude.

Slika 10. Izgled hermetički zatvorene posude

Kada se na žice spoji voltmetar, dobije se odreñeni napon i struja. Postoji mogućnost da se struja

neće moći očitati jer je previše mala (reda veličine 10uA).

Slika 11. Izgled gotove solarne ćelije na koju je spojen voltmetar

Solarna ćelija

14

Posudu se može učvrstiti na stalak čime ona dobiva na stabilnosti. Proizvoljno, u ovom primjeru na

žice je zalemljen strujni krug koji se sastoji od sklopke i LED diode.

Slika 12. Posuda na stalku

Solarna ćelija

15

6. Zaključak

Izrada kućne solarne ćelije zanimljiva je zanimacija, ali upitne je koristi. Naime, najveći napon koji

je ovom solarnom ćelijom je 0.05 V pri struji od 4uA. Ipak, može se primijetiti porast napona pri

pojačavanju razine svijetlosti. Taj porast može se iskoristiti za izradu senzora svijetlosti. Takoñer,

ovakva solarna ćelija može poslužiti kad napajanje za neke prilično nezahtjevne ureñaje, primjerice

kalkulatore. Nažalost, ćelija nije bila dovoljno snažnog napona i struje za napajanje LED diode,

tako da se izrada strujnog kruga nije previše isplatila. Još jedna mana ovakve ćelije je njeno

vrijeme trajanja. Naime, ćelija nakon dva tjedna vidno smanji svoja svojstva, odnosno smanje se

napon i struja koju ćelija može davati. Daljnja poboljšanja uključivala bi korištenje većih bakrenih

pločica i otopinu kalijevog-klorida (KCl) koja daje bolja svojstva te korištenje boljih svjetlosnih

izvora (ovo testiranje koristilo je blic fotoaparata). Sunce je daleko najveći izvor energije u

solarnom sustavu, a time su solarne ćelije područne na kojem se osniva budućnost. Potrebna su

daljnja istraživana solarnih ćelija da bi one postale tehnologija budućnosti, a tome je ovaj pokus

doprinio.

Solarna ćelija

16

7. Literatura

1. ELEKTRONIKA.BA: Solarna ćelija u kućnoj uporabi,

http://www.elektronika.ba/640/solarna-celija-u-kucnoj-izradi/

2. Wikipedia: Solarna fotonaponska energija,

http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija

3. Phy: Fotoelektrični efekt,

http://phy.grf.unizg.hr/media/download_gallery/4_Fotoelektri%C4%8Dni%20efekt.pdf

4. Gradimo: Solarni fotonaponski sustavi

http://www.gradimo.hr/Solarni-fotonaponski-sustavi/hr-HR/720.aspx

Solarna ćelija

17

8. Pojmovnik

Pojam Kratko objašnjenje

Više informacija potražite na

Solarna ćelija Način iskorištavanja sunčeve energije

http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija

Fotoelektrični efekt

Otpuštanje elektrona pod utjecajem svijetlosti

http://hr.wikipedia.org/wiki/Fotoelektri%C4%8Dni_u%C4%8Dinak

Alexandre-Edmond Becquerel

Fizičar koji je otkrio fotoelektrični efekt

http://en.wikipedia.org/wiki/A._E._Becquerel

Monokristalne Si ćelije

Tip solarne ćelije http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija

Polikristalne Si

ćelije

Tip solarne ćelije http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija

Amorfne Si

ćelije

Tip solarne ćelije http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija