1.1       Descrierea tehnica

Bazele tehnice ale generarii energiei fotovoltaice sunt evidentiate in urmatoarele capitole. Toate explicatiile, inclusiv figurile alaturate reflecta cel mai inalt nivel al tehnologiei. Celulele sau modulele de laborator se pot ridica la performante mai inalte.

1.1.1        Celula si modulul fotovoltaic

Structura. Figura 6.6 arata structura de baza a celulei fotovoltaice alcatuita  din materialul de baza conductiv (p) si stratul  invelitor conductiv superior (n). Intreaga parte terminala a celulei este acoperita cu un contact metalic, in timp ce partea iradiata este echipata cu un sistem de contact digital in vederea reducerii pierderilor prin umbrire. Invelisurile stratului transparent sunt folosite chiar daca sunt acoperite total. Pentru a reduce pierderile prin reflectie, suprafata celulei poate fi acoperita optional cu un strat anti-reflectie. O celula solara din silicon cu asemenea constructie are de obicei culoarea albastra. Prin incorporarea piramidelor inverse pe suprafata, pierderile prin reflectie sunt reduse astfel. Inclinarea suprafetelor piramidei este astfel incat fotonii sunt reflectati pe o alta suprafata a piramidei si se mareste astfel considerabil posibilitatea penetrarii fotonilor in cristal. Absorbtia luminii solare de catre aceste celule este aproape completa, ele devenind negre.

Caracteristicile tensiune-curentului si circuitul echivalent. O celula solara iluminata poate fi considerata ideala ca o sursa de curent obtinuta cu o dioda paralela. Se presupune ca fotocurentul I_Ph este proportional cu fluxul fotoni incident pe celula. Ecuatia Shockley pentru diodele ideale (ecuatia (6.1) /6-3/) descrie interdependenta curentului si tensiunii (caracteristica voltajului curentului) a unei celule solare.

Figura 1.1 Fig. 6.6 Structura unei celule solare tipice si diagrama circuitului echivalent (stanga sus) (vezi de asemenea /6-1/, /6-10/; pentru simboluri vezi textul)

                                                    I = I_Ph - I₀ (6.1)                                            (1.1)

                                                    U =                                             (1.2)

I reprezinta fluxul curentului prin terminale, I_Ph reprezinta fotocurentul, iar I₀ reprezinta curentului saturatia diodei, in timp ce e₀ reprezinta incarcarea elementara (1.6021 10^-19 As), U reprezinta tensiunea celulei si k este constanta Boltzmann (1.3806 10^-23 J/K), iar θ arata temperatura. Totusi , in ecuatia (6.1) notarea pentru curent I a fost comparata prin inversare cu notarea conventionala. De aceea, curbele caracteristice (Fig. 6.7) nu sunt reprezentate in al patrulea, ci in primul cadran. Oricum, acest tip de prezentare a devenit o practica comuna.

In conditii reale, performanta unei celule solare poate fi descrisa asa cum se arata in diagramei circuitului echivalentul ilustrate in figura 6.6, stanga sus. Fara iradiere, celula solara este egala unei diode semiconductoare obisnuite a carei efect este, deasemeni, mentinut de incidenta luminii. De aceea dioda D a fost conectata in paralel celulei fotovoltaice in diagrama circuitului echivalent. Fiecare jonctiune p-n are o anumita capacitanta a stratului de epuizare golire capacitiva a, care este caracteristic neglijata la modelarea celulelor solare. La tensiuni inverse ridicate stratul golit devine mai larg astfel incat capacitanta este redusa, asemenea departarii electrozilor unui condensator plan. Astfel, celulele solare reprezinta capacitati variabile a caror magnitudine depinde de tensiunea  indusa. Acest efect este demonstrat  de condensatorul C pozitionat paralel diodei. Rezistenta inseriata de Rs este formata din rezistenta contactelor si firelor, precum si de rezistenta materialului semiconductor insusi. Pentru a reduce pierderile, cablurile trebuie sa aiba o sectiune transversala maxima.

Suntul sau rezistenta R_p asezata in paralel contine „scurgerile de curent” pe la marginea celulelor fotovoltaice unde reactia ideala a acestei asezari a jonctiunii p-n poate fi redusa. Oricum, pentru celulelor solare mono-cristaline bune rezistenta suntului este de ordinul kΩ si astfel aproape ca nu are nici o influenta asupra caracteristicii tensiunii curentului.

Fig.6.7 arata forma tipica a voltajului pentru moduri diferite de operare (ex. schimbari de iluminare si temperatura). La punctul de intersectie dintre curba si axe, curentul de scurt-circuit I_SC (care este aproximativ egal cu IPh) este alimentat la U=0 si voltajul circuitului deschis U_OC la I=0. Incepand cu scurt-circuitul curentului, curentul celulei este la inceput usor redus si descreste brusc direct proportional inainte sa atinga voltajul circuitului deschis cand voltajul celulei creste continuu. Aceste efecte rezulta in forme caracteristice (vezi /6-2-, /6-5/).

Figura 1.2 Fig. 6.7 Influenta radiatiei si temperaturii pe curba caracteristica tensiunii curente in conditii standard de testare (forma tipica a curbei pentru o celula solara de silicon in concordanta u exemplul /6-11/)

Energia electrica este definita ca produsul dintre voltaj si curent. Astfel, intr-un anumit punct al curbei caracteristice puterea maxima a unei celule solare este atinsa. Acest punct este mai sus mentionat si poarta numele de MPP (punct de putere maxima). Curba caracteristica si mpo-ul sunt o functie a radiatiei solare si o temperatura a celulei fotovoltaice.

-          Foto-curentul sau curentul de scurt-circuit creste aproape liniar cu cresterea iradierii celulei fotovoltaice. De asemeni, voltajul circuitului deschis este crescut conform ecuatiei (6.1); cresterea fiind logaritmica. Curba voltajului se deplaseaza paralel catre axul vertical odata cu cresterea radiatiei solare. Puterea corespunzatoare celulei solare creste proportional cu cresterea radiatiei; in figura 6.7 acest efect este reprezentat de curba inclinata care leaga diferite mpo-uri.

-          Aceasta corelatie este adevarata doar daca temperatura celulei solare este pastrata constanta. Daca temperatura este crescuta, difuzia voltajului in interiorul jonctiunii p-n este redusa. Voltajul circuitului deschis al unei celule solare de silicon este, pentru moment, schimbata cu aproximativ -2,1 mV/K. In paralel, curentul de scurt-circuit creste cu aproximativ 0,01 %/K datorita intensificarii mobilitatii transportului de sarcina electrica in semiconductor. Astfel, la temperaturi crescute, curba caracteristica curentului-voltaj a unei celule solare de silicon disponibila comercial este caracterizata printr-o usoara crestere a curentului de scurt-circuit si o descrestere relativ puternica a voltajului de circuit deschis (Fig. 6.7). Puterea celulei este, totusi, redusa de temperaturile in crestere (ex. Schimbul MPP in setul de curbe caracteristice aratat in figura 6.7 pentru 1,000 W/m² radiatie).

Legatura dintre puterea maxima (produs al curentului I_MPP si voltajului U_MPP in interiorul MPP) si produsul dintre voltajul circuitului deschis UOC si curentul de scurt-circuit I_SC este notata cu FF (ecuatia (6.2))

                                                      FF =  (6.2)                                              (1.3)

Relatia reprezinta un index al calitatii celulei fotovoltaice. Valorile mari sunt obtinute prin puternicele proprietati de modificare a jonctiunii p-n (ex. Pentru o saturatie slaba a curentului I₀, la o rezistenta R_S in serie slaba si o rezistenta puternica R_P in paralel).

Avantaje si dezavantaje. Pentru a creste un electron de la valenta la banda de conductie a materialului mentionat se cere definirea unei cantitati minime de energie de catre punctul de energie E_g. Fotonii caracterizati de energia de sub punctul E_g nu pot initia acest proces de indata ce energia lor este insuficienta pentru a ridica electronii catre banda de conductie. Oricum fotonii a caror cantitate de energie o depaseste pe cea a lui E_g , pot fi folositi pentru generarea energiei electrice. Orice energie care depaseste E_g este transmisa direct cristalului din centrul de caldura. Astfel, numai perechea gaura-electron per foton este generata in celula solara conventionala (vezi fig. 6.2).

Radiatia solara este caracterizata printr-o distributie in spectrul larg (vezi fig. 2.8 ca exemplu) contine fotoni cu cantitati de energie diferite. Totusi o celula solara ar trebui sa converteasca, sa adsoarba astfel, cat mai multi fotoni posibili simultan, si sa transforme cat mai bine energia disponibila din foton.

Cu cat este mai mic spatiul de energie dintre valenta si punctul de conductie al semiconductorului aplicat, cu atat mai bine va fi indeplinita conditia de baza. Pentru moment, punctul de energie E_g al siliconului se ridica la aproximativ 1.1 eV si poate astfel sa absoarba cea mai mare parte a spectrului solar. Cand fotocurentul este proportional cu numarul fotonilor absorbiti pe unitate de timp, acesta creste o data cu scaderea punctului de energie.

Oricum, punctul de energie determina si limita de sus a potentialei bariere in jonctiunea p-n(vezi difuzia voltajului in fig. 6.5). Un mic punct de energie este astfel intotdeauna asociat cu un mic voltaj de circuit deschis. Intrucat puterea este produsul dintre curent si voltaj, doar punctele foarte mici de energie au eficienta redusa. Punctele mari de energie creeaza un voltaj ridicat al circuitului deschis, dar permite absorbtia unei parti limitate din spectrul solar. Asadar fotocurentul are doar valori mici, si in cele din urma produsul dintre curent si voltaj este mic.

Aceasta analiza a cazurilor extreme arata ca exista un punct de energie optim cu privire la alegerea materialului semiconductor pentru aplicatia fotovoltaica. Figura 6.8 arata calculul corespondent al eficientei teoretice a celulei solare in relatie cu punctul de energie E_g al materialului semiconductor pentru un spectru solar mediu /6-12/. In functie de materialul respectiv aplicat celulele solare simple (ex. nici un tandem al celulei solare sau al tip de celula combinata) pot atinge eficiente teoretice maxime la aproximativ 30 %.

Datorita altor efecte eficienta celulelor solare reale este mult mai slaba decat eficienta teoretica indicata ( ne referim inclusiv la /6-28/). Aceasta este printre alti factori, atribuita mai ales urmatoarelor mecanisme.

- O parte din lumina incidenta este reflectata de sistemul de contact digital sau de reteaua conductoare ridicata frontal (vezi fig. 6.6). Alegand retele de contact mici cu spatiu maxim intre ele, spatiile de reflectie sunt reduse la minim. Pentru o slaba impedanta se cere rezistenta de tranzitie dintre stratul semiconductor si zonele de contact maxim ale retelei de contact. Deasemeni spatiul dintre retelele de contact nu trebuie sa depaseasca limitele inadmisibile pentru a minimiza pierderile de rezistenta ale purtatorilor de energie in drumul lor prin semiconductor.

Figura 1.3 Fig. 6.8 Eficientele teoretice ale diferitelor tipuri de celule solare simple in conditii medii (vezi /6-12/)

- Datorita indicilor de refractie diferiti, pierderile prin reflexie apar atunci cand radiatia este transmisa din aer catre materialul semiconductor. Invelisurile anti-reflectie si suprafetele structurate ale celulei reduc considerabil aceste pierderi.

- De obicei lungimea luminii de unda scurta nu penetreaza atat de adanc in materialul semiconductor ca lumina lungimii de unda lunga. Pentru a folosi lumina lungimii de unda scurta, proprietatile stratului semiconductor de deasupra sunt foarte importante. Cu cat stratul acoperitor este mai inalt cu atat el trebuie sa fie mai transparent cand sarcinile purtatoare tind sa se rearanjeze foarte repede in astfel de straturi. Lumina absorbita contribuie astfel foarte putin la fotocurentul celulei solare.

- Curentii puternici de scurt-circuit, voltajul circuitelor deschise si factorii esentiali implica lungimea maxima a difuziei. Oricum purtatorii de energie tind sa se rearanjeze la imperfectiunile si impuritatile gratarelor de cristal. Astfel materialul trebuie sa fie de o buna calitate cristalografica si trebuie sa indeplineasca cerintele de puritate.

- De asemeni suprafata materialului semiconductor (ex. celula fotovoltaica) este o mare imperfectiune a gratarului de cristal. Exista diferite tehnici pentru a diminua aceste imperfectiuni si a reduce pierderile de eficienta.

- Apar diferite pierderi in timpul transferului de energie din celula solara. Pierderile de energie apar cand purtatorii de energie se deplaseaza prin contacte si sunt transferati prin cablurile de conectare. Imperfectiunile de productie pot cauza scurt-circuite locale intre partea din fata si cea din spate a celulei solare.

Testele din laborator au aratat ca pierderile din celula de silicon urca pana la 10%. In conditii maxime, eficienta teoretica maxima de 28% (fig. 6.8) a unei celule solare este astfel redusa la e eficienta de 25% (valori maxime obtinute in laborator, vezi tabelul 6.1).

In general eficientele indicate pentru celulele fotovoltaice se aplica numai in conditiile standardizate cand randamentul unei celule solare depinde de compozitia spectrului luminii, de temperatura si intensitatea radiatiei. Conditiile standardizate mentionate mai sus se refera la asa-numitele „Conditiile Standard de Testare” (CST): radiatia 1,000 W/m², temperatura celulei solare 25 ⁰C, distributia spectrala a radiatiei in functie de AM (masa aerului) = 1.5 (AM = 1.5 implica o densitate a atmosferei de 1.5 a luminii de penetrare pe verticala; distributia spectrala a radiatiei solare este astfel schimbata intr-un mod caracteristic datorat absorbtiei fotonilor la anumite frecvente in atmosfera; la AM 1.5 spectrul a fost standardizat si lumina folosita pentru celula solara sau modulul de calibrare trebuie sa se supuna acestui spectru). Puterea generata de celula solara in aceste conditii se refera la puterea maxima.

Oricum conditiile standard de testare (STC) apar foarte rar in practica mai bine spus niciodata. In Europa, de exemplu, la o radiatie de 1,000 W/m² module incalzite cu aproximativ 20 pana la 50 K, depind de cresterea modulului sau integrarea in mediu. STC si radiatia apar astfel numai in conditii ideale iarna cand temperatura ajunge la 0 grade sau mai putin. Dar din cauza unghiului slab al soarelui valorile AM cresc iarna si se indreapta spre modificarea spectrului solar. Cu toate acestea eficienta celui mai puternic modul solar este atinsa in zilele reci din timpul iernii.

Tabelul 6.1 Eficientele celulelor solare (referitor la /6-16/; numai celulele cu o suprafata mai mare de 1 cm² au fost luate in considerare)

1 produtie la scara larga, 2 produtie la scara mica, 3  productie pilot, 4 dezvoltat in laborator; ^b GaInP/GaAs; ^c CdTe; ^c CuInSe₂

Pentru a evalua randamentul unui modul fotovoltaic in conditii meteorologice specifice a fosta introdus asa numitul concept anual al eficientei. Temperaturile actuale ale modulului, radiatia solara si spectrul solar sunt evaluate tinand seama de frecventa aparitiilor si parametri specifici de producere ai dependentei de temperatura, radiatie si spectru. Bazate pe aceasta evaluare a randamentului diferitelor celule solare, se poate face diferenta fata de gradul de eficienta determinat in conditii CST. In orice caz, in final pentru mecanismul de operare ceea ce este important este eficienta anuala atunci cand se determina energia produsa /6-13/.

Tipuri de celule. Datorita punctului de energie aratat in figura 6.8 siliconul cristalin nu este vazut ca un material semiconductor ideal pentru celulele fotovoltaice. Mai mult, siliconul este asa-numitul semiconductor indirect al carui coeficient de absorbtie pentru radiatia solara indica valori relativ slabe. Celule solare realizate dintr-un astfel de material semiconductor trebuie sa fie, asadar, relativ compacte; o celula conventionala dintr-o structura plata asa cum arata si figura 6.6 trebuie sa aiba o grosime a stratului de cel putin 50 mm pentru a putea absorbi aproape in intregime raza incidenta. O grosime mai mare a stratului implica un consum mai mare de material si astfel costuri mai ridicate. Cu toate acestea, siliconul cristalin este folosit adesea pentru celule fotovoltaice. Motivul principal este acela ca siliconul este materialul semiconductor care arata cea mai mare patrundere pe piata, care a fost teoretic cel mai bine inteles, si este cel mai usor de controlat.

In anii `60 ai secolului trecut, numeroase activitati de cercetare si dezvoltare au dus la gasirea unui cost eficient al invelisului celulei solare (vezi /6-14). In acest scop se cer semiconductorii directi. Aceasta categorie de substanta include compusii II-VI, III-V, I-III-VI₂. si siliconul amorf (a-Si), descoperit in 1970 in vederea proiectelor fotovoltaice este un semiconductor direct. Este caracterizat prin bune proprietati de absorbtie si pare a fi potrivit ca material de baza pentru invelisul celulei solare.

Datorita problemelor nerezolvate inca cu privire la tehnologiile sau materialele semiconductoare, siliconul cristalin (inclusiv tehnologiile cristaline si policristaline) va continua sa fie folosit cu predominanta ca material de baza in anii ce vor urma.

Pentru ca celula solara este (inca) relativ scumpa, exista o tendinta de concentrare a radiatiei solare reducand astfel suprafata ceruta de celula fotovoltaica. Mai mult decat atat eficienta celulei fotovoltaice tinde sa creasca prin radiatia crescuta daca temperatura celulei ramane constanta. Pentru sistemele concentrate, tehnologiile celulei solare mai scumpe dar mai eficiente pot fi aplicate eficient in ceea ce priveste costul. Deocamdata se folosesc sistemele de lentile si oglinzi pentru a capta radiatia solara. Dar in aceste conditii sunt necesare sisteme de supraveghere, care ajuta la intensificarea reducerii de energie pe unitate de suprafata. Asemenea sisteme de concentrare sunt mai potrivite pentru radiatia directa (doar radiatia directa poate fi focusata) si astfel pentru toate zonele lumii in care radiatia solara este determinata de radiatia directa (ca in desert). Totusi aplicatia acestora in Europa Centrala, cu un raport direct de difuzie al radiatiei de aproximativ unu, bazat pe radiatia anuala (vezi fig. 2.9) nu este potrivita in cele mai multe cazuri.

In tabelul 6.1, este prezentata tehnologia actuala privind dezvoltarea celulei solare, avand in vedere cercetarile de laborator si producere. In cele ce urmeaza sunt prezentate diferite tipuri de tehnologii ale celulei solare.

Celule solare din silicon cristalin. Aceasta tehnologie a celulei este bazata in special pe procese aplicate in industria semiconductoare (vezi /6-7/, /6-8/, /6-9/, /6-15/). In ceea ce priveste producerea celulei cristaline se disting trei pasi.

·         producerea siliconului de inalta puritate ca material de baza

·         producerea capsulelor sau straturilor subtiri

·         producerea celulei solare.

Nisipul de siliciu (SiO₂) serveste ca material de baza pentru siliconul de inalta puritate. Pentru o metoda specifica de reducere (amestecarea electrolizei) nisipul de siliciu este transformat in „ siliconul de clasa metalurgica” caracterizat printr-o puritate maxima de 99%. Totusi aceasta puritate este insuficienta pentru producerea celulei solare.

Astfel sunt necesari mai multi pasi de purificare costisitori in producerea siliconului folositi in industria semiconductoare, atunci cand pentru siliconul semiconductor (clasa siliconului semiconductor; sec-si) continutul de impuritati nu trebuie sa depaseasca 10^-9. Purificarea de silicon ceruta este peste tot in lume obtinuta prin procesul Siemens. Aceasta metoda de purificare incepe prin conversia siliconului de clasa metalurgic in triclorsilan folosind acidul hidrocloric. Distilatia ulterioara este in acord cu cerintele extreme de puritate. Ulterior, siliconul este obtinut prin piroliza triclosilanului purificat. In reactiile potrivite ale pirolizei cu atmosfera redusa tricosilanul este descompus in bucati solide. Siliconul simplu este separat ca material policristalin. „Polisiliconul” obtinut indeplineste cerintele „SeG-Si” (categoria siliconului semiconductor) si scoate in evidenta corpuri mari in sirul mm.

Pana in prezent, industria fotovoltaica a putut folosi siliconul de calitate fotosiliconica in productia produselor standard. Aceasta calitate fotosiliconica nu a indeplinit cerintele industriei semiconductoare, insa este inca suficienta in producerea celulelor solare. Din cauza scaderii ratei de dezvoltare a industriei semiconductoare, pe de o parte, si a cresterii puternice a productiei in industria fotovoltaica, acest tip de material 'off grade' se asteapta sa devina din ce in ce mai rar in anii ce vor urma. De aceea unele tari dezvolta deja metodele de purificare alternativa pentru categoria metalurgica a siliconului avand ca tinta producerea eficienta a “siliconului solar”. Astfel de dezvoltari au aparut pe scara globala de dezvoltare la inceputul anilor 80 ai secolului trecut; oricum au fost stopate din cauza concurentei “siliconului off grade”.

Siliconul policristalin serveste ca material de baza pentru producerea siliconului monocristalin. Procesul standard aplicat pentru producerea acestor monocristale este procesul Czochralrski (procesul Cz). Intr-o atmosfera scut de gaz polisiliconul este amestecat intr-un creuzet (vezi fig. 6.9). O componenta de cristal este scufundata in siliconul topit si este apoi indepartata usor prin rotire continua, controlandu-se cu atentie temperatura gradienta obtinandu-se astfel barele de monocristal cilindric. Se obtin capsule de silicon monocristal prin taierea acestor bare cu un fir de sarma subtire (250 pana la 300 mm ). Oricum tehnologia standard iroseste mai mult de 50% din material (scump). Industria semiconductoare foloseste astfel de capsule de silicon pentru a produce circuite electrice integrate iar apoi subdivide capsulele individuale in diferite cipuri functionale folosite in domeniul calculatoarelor si altor ramuri asemanatoare. In industria fotovoltaica aceste capsule sunt folosite in fabricarea celulelor solare de silicon monocristalin. In consecinta capsulele circulare sunt prelucrate spre obtinerea placilor patrate ce permit o mai buna utilizare a spatiului si marirea eficienta a suprafetei.

Procesul Czochralski produce capsule inadecvate in producerea celulelor solare cu eficienta record de 25 %, aparand foarte multe imperfectiuni ale cristalelor. Astfel de celule solare de o inalta tehnologie cer monocristale produse prin procesul de plutire, mult mai sofisticat si costisitor fata de metoda Czochralski. Procesul de plutire este astfel nepotrivit pentru producerea in masa a celulelor solare.

Pe langa capsulele cristaline sau mono-cristaline, in industria fotovoltaica se folosesc cu succes si capsulele poli-cristaline. In acest scop polisiliconul este amestecat si turnat in lingouri pentru a se solidifica si aranja treptat. Aceste blocuri policristaline (cu marimi de la mm pana la cm) sunt taiate in bucati poli-cristaline patrate. Oricum, cea mai ieftina producere si imbunatatire si utilizare in masa a policristalinelor comparative cu materialul monocristalinelor este contracarata de cea mai slaba eficienta, de indata ce numeroase margini ale cristalelor formeaza puncte de recombinare care reduc lungimea de difuzie a transportorilor minori, in ciuda masurilor de pasivizare.

De la jumatatea anilor ’60 studiile au condus la o producere directa a capsulelor de silicon sub forma de benzi, matrite sau suprafete sinterizate in scopuri fotovoltaice, evitand cresterea cristalelor sau turnarea lingourilor si taierea posterioara. In scopul acestor investigatii au fost testate si investigate mai mult de 20 de procese diferite privitoare la tehnologia de productie /6-17/. Pentru a data procesul “Edge-defined Film-fed Growth (EFG-ribbon)', acesta a fost pus in practica cu succes pentru producerea celulelor solare /6-18/. Prin acest proces au fost obtinute tevile hexagonale de silicon care au fost taiate cu laser in benzi si suprafete plate. Eficienta celulelor solare realizate din astfel de material creste la 15 %.

Pentru producerea actualelor celule fotovoltaice din capsule de silicon mai sunt necesari doar cativa pasi (fig. 6.9). Ca material de baza se folosesc capsulele policristaline sau mono-cristaline, de obicei p-doped. Mai intai gravurile chimice purifica suprafata apei. Apoi jonctiunea p-n este obtinuta prin difuzia fosforului pe suprafata materialului tintind stratul de suprafata n-doped ( exemplu p-doping al capsulei de silicon este compensata de difuzia atomilor de fosfor la o adancime maxima de 0,2 pana la 0,5 mm). N-doping trebuie sa fie indepartat de pe marginile capsulei prin gravura plasmei. Mai mult, in timpul difuziei fosforului un strat de fosfor se construieste pe suprafata capsulei de silicon, el trebuind sa fie indepartat cu prioritate in pasii ce urmeaza. Pentru a indeparta n-doping de pe spatele capsulei, se aplica mai intai un strat de aluminiu printr-un proces de amprentare, uscat cu prioritate pentru a aplica un strat aditional metalizat pe spate. Apoi sinterizarea asigura ca atomii de aluminiu se raspandesc in capsula de silicon din spate si compenseaza astfel n-dopoing nedorit din spatele capsulei. La sfarsitul zilei ramane doar stratul de fosfor raspandit ca si jonctiunea p-n in partea din fata a capsulei.

Apoi contactul din partea din fata este imprimat pe capsula sub forma unui grilaj uscat ulterior. Dupa aplicarea unui strat anti-reflexie cu scopul de a mari atractia de lumina se efectueaza un ultim pas de sinterizare pentru a concluziona masurarea electrica a celulei solare.

Toate productiile de capsulele virtuale de silicon mono-cristalin si poli-cristalin aplica tehnologia descrisa mai sus ca si tehnologie standard. Celulele produse ca si capsule de silicon mono-cristalin bazate pe procesul Czochralski permit atingerea eficientei de la 14 %la 18 %, in timp ce eficienta capsulelor policristaline cresc de la 13 la 15,5 %. Astfel, aceasta secventa descrisa a procesului este un compromise intre un proces de design simplu si cu costuri reduse si materialele necesare capsulei pe de o parte, si pierderile minimizate eficient pe de alta parte.

Figura 1.4 Fig. 6.9 Schema pasilor de fabricare a unei celule solare de silicon produsa in concordanta cu procesul de printare silk-screen (contactul FSC pe partea din fata; contactul RSC pe parte din spate; in concordanta cu /6-44/)

Atat siliconul mono-cristalin cat si cel poli-cristalin permit cresterea considerabila a eficientei, comparata cu cea obtinuta in productia industriala astazi. (tabelul 6.1). Pentru a cerceta cresterea eficientei sunt necesari pasi suplimentari in special pentru a imbunatati atractia luminii si proprietatile electrice ale suprafetelor si partilor de margine ale celulelor fotovoltaice. Pentru moment, pentru o eficienta mai mare celulele solare realizate din silicon mono-cristalin care dezvolta difuzia fosforului este aplicata pentru jonctiunea p-n si pentru structurarea contactului din parte posterioara celulei ( oricare contact sau line-shaped ) /6-7/, /6-8/. Cand procesul de inalta performanta mentionat mai sus implica o multitudine de pasi suplimentari costisitori (exemplu fotolitografia), nu sunt, de obicei, eficienti ca si cost, in ciuda dezvoltarii eficientelor celulei. Numai in cazul in care costurile specifice privitoare la intregul sistem fotovoltaic descresc semnificativ, eficienta celulelor se asteapta sa fie realizate la o scara comerciala mai mare.

Un alt concept pentru cresterea eficientei celulei este metalul izolator semiconductor al celulei solare (MIS). Numele acestui tip de celula solara vine de la impactul unui strat incarcat pozitiv aflat pe unui strat p-doped . acest strat se refera la inversiunea stratuala in momentul in care o parte din stratul p se inchide in suprafata virtuala si se comporta ca un strat n datorita campului electric creat de incarcarile electrice ale suprafetei fixate; stratul p alaturat suprafetei este astfel aproximativ inversat. Avantajul acestor celule este acela ca necesita numai sase pasi de producere la o temperatura relativ scazuta. Pe scara larga de productie eficienta celulelor electrice creste la aproximativ 16 %. Pentru un concept similar dorit a fi o simplificare semnificativa a procesului de productie /6-19/, asa-numita jonctiune hetero cu structura intrinseca Thin-layer (HIT), rectificarea contactului frontal la o capsula de silicon mono-cristalina (n-doped) este creata prin depunerea unui dublu strat alcatuit din un-doped (intrinsec) si siliconul amorf p-doped. Astfel se creeaza un contact p-n-hetero intre siliconul amorf n-conductor cristalin si p-conductor. Grosimea totala a ambelor straturi se ridica putin peste 10 nm, astfel incat siliconul amorf nu contribuie la fotocurent. Actualul material absorbant fotovoltaic este inca capsula de silicon monocristalin. Procesul de productie prin difuziune, sofisticat si risipitor de energie al jonctiunii p-n, este inlocuit de unul simplu si care economiseste energia al siliconului amorf cu dublu strat. Aceasta noua tehnologie permite obtinerea eficientei celulei electrice cu pana la 20 % (in laborator).

Mai mult cercetarile curente au ca scop reducerea productiei solare mentinand la maxim eficientele celulei electrice. In acest scop materialele folosite ca si totalitatea procesului de productie sunt analizate incontinuu in vederea reducerii costurilor potentiale. Pe langa noile concepte mentionate mai sus, investigatiile actuale se bazeaza pe folosirea capsulelor subtiri de silicon (grosime de pana la 70 mm). Astfel de capsule subtiri au dovedit o eficienta multumitoare in laborator. Totusi, dezavantajele sunt costurile mari ale productiei acestora, pe de o parte, si slaba lor stabilitate in procesul industrial de productie, pe de alta parte.

Celulele solare subtiri de silicon amorf (a-Si:H). La jumatatea anilor 1970 siliconul amorf hidrogen pasivat (a-Si:H) a fost primul material aplicat pentru producerea celulei fotovoltaice. Acest material este direct derivat din silanul descompus (SiH₄) la temperaturi intre 80 si 200 ­^oC prin depunerile chimice de plasma sporite din gaz. Datorita faptului ca siliconul amorf formeaza un semiconductor direct, sunt necesare straturi active subtiri din clasa 1 mm. Asadar este nevoie de foarte putin material. Aditional acest proces este caracterizat prin temperaturi foarte scazute de depuneri si printr-un consum de energie redus. Ca si consecinta, costurile producerii celulei solare sunt reduse simtitor comparativ cu celulele solare din silicon cristalin.

Asamblarea unei celule solare a-Si:H este complet diferita comparativ cu o celula fotovoltaica din silicon cristalin. In loc de o jonctiune p-n sunt folosite structuri p-i-n adica cea mai mare parte dintr-un strat activ fotovoltaic cu o grosime de aproximativ 100 nm continand silicon amorf hidrogen pasivat (a-Si:H) cu straturi intrinseci de aproximativ 10 nm deasupra si dedesubt. Campul electric al unei astfel de structuri acopera astfel intreaga parte de absorbtie si asigura separarea intregilor perechi de electroni creati prin absorbtia iradiatiei solare in toate partile structurii.

Figura 6.10 arata secventa stratificata a celulei solare a-Si:H tipice. Conform acesteia se disting diferite substraturi tehnologice. Straturile sunt depozitate din partea umbrita catre cea expusa la lumina (fig. 6.10 stanga). Incepand cu partea de sus a unui substrat conductor netransparent, asemenea foliei de aluminiu este depozitata o secventa stratificatacare contine silicon amorf hidrogen pasivat (a-Si:H) n-doped, un-dopen si p-doped din faza de gaz. Eventual un oxid transparent conductor (TCO) se comporta ca si contact pe partea expusa la lumina. Tehnologia straturilor suprapuse incepe cu depunerea pe partea expusa la lumina, adica mai intai oxidul conductor se comporta ca si contact transparent dupa care secventa stratuala compusa din silicon hidrogen pasivat (a-Si:H) si in cele din urma contactul de pe partea metalica trebuie sa fie depozitat (fig. 6.10, centru).

In plus, se folosesc celulele solare prevazute cu jonctiuni individuale p-i-n, celulele tandem si chiar si celulele triple. Pentru aceste aplicatii sunt puse doua sau trei straturi p-i-n unul peste celalalt, in timp ce jonctiunea dintre materialele puternic p-doped si puternic n-doped trec prin ambele straturi (asa-numitul contact-tunel). Puterea celor doua sau trei straturi suprapuse creste. Pentru o utilizare optima a spectrului solar spatiul de energie al uneia din aceste structuri p-i-n este redusa sau sporita frecvent prin aliajul siliconului amorf hidrogen pasivat (a-Si:H) cu carbon amorf sau germaniu amorf. Pentru ca aceasta celula absoarbe numai radiatiile cu lungime de unda scurta se recomanda cercetarea energiei fotonilor. O astfel de celula inlocuieste astfel tensiunea mai mare cu o atentie accentuata asupra intervalului de energie. Celula localizata pe partea protejata de lumina solara are cel mai slab interval de energie si poate astfel sa foloseasca o parte din fotonii de energie scazuta pe care nu i-a absorbit inca de la prima celula. Figura 6.10, dreapta, arata exemplul unei celule tandem unde doua structuri p-i-n de silicon amorf pasivat (a-Si:H) si aliajul SiGe:H au fost combinate.

Figura 1.5 Fig. 6.10 Secventele stratuale ale diferitelor structuri celulare p-i-n ale siliconului amorf (a-Si:H) (in stanga: substratul celular de hotel inoxidabil, centru: celula superstrat din sticla, dreapta: celula tandem din a-Si:H si a-SiGe:H din superstratul de sticla; pentru toate celulele etapa de sedimentare incepe in josul stratului si se termina cu stratul de sus) (TCO oxidul conductor transparent)

Cu cateva aplicatii pentru consumul electronic, siliconul amorf a castigat o pozitie de monopol neasteptata (ceasuri, calculatoare). Oricum, datorita slabei stabilitati a stabilitatii sale fizice, este nepotrivit pentru aplicatiile care necesita o mai mare putere instalata (asemenea sistemelor fotovoltaice conectate in retea). Cand este aplicata in exterior, eficienta electrica este redusa considerabil uneori, inca din primele luni de folosire. Pentru a exemplifica reducerea eficientei este de pana la 10 % (degradare, efectul Sraebler-Wronsky) /6-20/. Totusi este necesar sa se noteze ca toate programele de monitorizare pe termen lung arata o saturatie a efectului de degradare la cel tarziu doi ani dupa ce procesul a inceput. Puterea celulelor de silicon amorf este astfel bazata pe puterea stabilita dupa degradare. Astfel clientii pot compara puterea in raport cu costul pe o baza cinstita. Oricum in termeni medii se asteapta sa fie produse celule de silicon amorf mai stabile; ultimele descoperiri arata ca eficienta de 14,6 % (celulele tandem cu trei straturi p-i-n) poate fi atinsa si ca degradarea apare la un raport de incetare de 13 %. /6-21/.

Celulele solare cu pelicula subtire bazate pe chalcogenide si chalcopyrits , in special CdTe si CuInSe₂ („CIS”). Avantajele tehnologiei stratului subtire in cazul siliconului amorf hidrogen pasivat (a-Si:H) sunt contracarate de eficientele celulei electrice relativ slabe, comparativ cu siliconul cristalin. In contrast peliculele subtiri policristaline facute din semiconductori directi, ca CdTe si CuInSe₂, au cel putin in laborator eficiente de pana la 16 % si 18 %; aceasta este aproximativ 75 % din eficienta teoretica a tehnologiei siliconului cristalin. Ambele materiale pot fi fizic depozitate pe sticla la temperaturi de 600 ^oC. pentru ca ambele materiale sunt direct semiconductoare, straturile active fotovoltaice a slabiciunii catorva mm sunt suficiente sa absoarba toti fotonii spectrului solar cu energia superioara intervalului de energie E_g a respectivului material absorbant. Intervalul de energie a CdTe creste la aproximativ 1,45 eV si cea a CuInSe₂ la aproximativ 1,04 eV. Oricum pentru ultimele generatii de celule solare de chalcopyrit in loc de CuInSe₂, Cu(In,Ga)Se₂ foloseste aliaj cu galiu de la 20 la 30 % in relatie cu continutul indiumului total (In) si galiului (Ga). Cu un interval de anergie de 1,12 pana la 1,2 eV aliajul este apropiat de atingerea teoretica a eficientei optime (vezi figura 6.8; vezi /6-21/, /6-22/)

Pelicula subtire de o buna calitate electronica a CdTe si CuInSe₂ poate fi realizata doar p-doped. Astfel se cere un al doilea material n-doped pentru producerea celulelor solare care poate fi combinat cu primul material pentru a forma jonctiunea semiconductoare p-n-hetero. In ambele cazuri se foloseste CdS. Astfel de structuri semiconductoare prezinta dezavantajul ca la limita suprafetei dintre ambele materiale apare o recombinare marita a purtatorilor de sarcina fotogenerati. Oricum acest dezavantaj este compensat de avantajul ca stratul de deasupra poate fi desemnat ca „fereastra” multumita posibilitatii sale de a alege un semiconductor cu un interval puternic de energie ( ca CdS: Eg = 2.4 eV); asadar stratul descris absoarbe doar o parte limitata a spectrului solar, care este asadar pierduta pentru fotocurent. Dupa transmiterea radiatiei ramase prin acest strat fereastra, cea mai mare parte a radiatiei incidente este absorbita foarte aproape de jonctiunea p-n – la punctul maxim al campului electric. Separarea rezultata a purtatorilor de sarcina fotogenerati este astfel foarte eficienta.

Figura 6.11, la stanga arata secventa stratuala a CdS/CdTe heterostructurii celulei solare. Aceasta tehnologie a celulei este o structura de superstrat; adica frontul transparent al electrodului expus la lumina solara si facut din ITO (indium stannous oxide) este adesea aplicat prin improscare. Astfel, CdS este depozitat ca fereastra, strat, amortizor urmat de actualul strat absorbant fotovoltaic activ din CdTe. In general ambele straturi (adica stratul fereastra cu o grosime intre 0,1 si 0,2 mm si stratul absorbant cu o grosime de aproximativ 3 mm) sunt impuse folosind aceeasi tehnologie (exemplu prin metoda de sublimare-condensare sau procesul de printare silk-screen). Pentru a obtine straturi de o calitate fotovoltaica buna trebuie sa se actioneze la activarea bazata pe o temperatura tratament in prezenta CdCl₂ dupa depozitare. Producerea celulei este incheiata dupa depozitarea unui electrod de metal din grafit, cupru sau amestec de ambele. Pe o scara de laborator, celulele solare CdTe au atins varful de eficienta la aproape 17 %, cand au fost aplicate pe suprafete mici. In ultimii cativa ani au fost puse in functiune cateva linii de productie pilot pentru suprafete mari pentru module CdTe cu suprafata de 0.5 m² si eficiente intre 8 si 10 %.

Figura 1.6 Fig. 6.11 ordinea stratului in CdS/CdTe (stanga) si a CdS/Cu(In,Ga)Se₂ (dreapta heterostructura unei celule solare (ITO indium stannous oxide)

Cu eficiente de 18 % hetero-structura celulei solare atinge cea mai mare eficienta electrica dintre toate celulele solare cu pelicula subtire. Figura 6.11, dreapta ilustreaza secventa unei astfel de hetero-structuri a unei astfel de celule solare. Producerea unei astfel de celule incepe prin sedimentarea unui contact molybden, urmat de sedimentarea unui strat fotovoltaic activ de CU(Un,Ga)Se2 subtire de pana la 2 mm. Urmatoarele doua metode de sedimentare sunt folosite pe scara industriala.

- Mai intai co-evaporarea fizica a tuturor elementelor (adica Cu,In, Ga, Se) pe substratul incalzit, astfel incat compusul Cu(In,Ga)Se se formeaza deja in timpul sedimentarii vaporilor.

- in al doilea rand sedimentarea tuturor elementelor pe substratul neincalzit (adica prin improscare). Apoi are loc un al doilea pas in incalzire, numit selenizare, in vederea obtinerii compusului Cu(In,Ga)Se₂.

In urma producerii prin una din aceste doua metode descrise, este sedimentat un strat CdS cu o grosime de aproximativ 0,05 mm din baia chimica in vederea sedimentarii electronului frontal ZnO prin improscare.

Au fost proiectate proiecte pilot si productii la scara mica si sunt operate pentru modulele solare Cu(In,Ga)Se₂. Modulele cu o eficienta mai mare de 12 % sunt considerate fiabile din punct de vedere comercial. Ambele tehnologii (adica CdTe si Cu(In,Ga)Se₂ vor trebui sa demonstreze in urmatorii ani care dintre ele va putea rezista pe piata. In general pentru celulele solare de silicon cristalin procesul de productie este rezonabil si bine inteles bazat pe experienta industriei semiconductoare. Dar costurile materialelor sunt ridicate din cauza grosimii capsulelor. Pentru mai sus discutata tehnologie a peliculelor subtiri este invers. Costurile materialelor sunt reduse. Procesul de productie este complex si scump. Totusi tehnologia peliculelor subtiri poate concura cu o baza economica doar daca productia se face in cantitati mari.

Celulele solare cu pelicula subtire din silicon cristalin. Se incearca, de asemeni, folosirea avantajelor economice a proceselor relatate pentru tehnologia celulelor solare cu pelicula subtire, ca de exemplu consumul redus de material, producerea modulului integrat pentru siliconul cristalin prin structurarea staturilor individuale in timpul productiei. Din cauza intervalului de energie indirect al stratului de silicon cristalin cu o grosime de cel putin 20 mm se cere absorbtia suficienta a radiatiei solare incidente. Oricum, „atragerea luminii” permite reducerea grosimii stratului. Daca raza de lumina reflectata difuz sau structura de reflexie inclinata sunt neaparat impuse pe partea inversa a celulei solare, sau daca un substrat tip piramidal este acoperit cu pelicule subtiri de silicon atunci si pentru siliconul cristalin straturi de numai cativa mm grosime sunt suficiente pentru a absorbi aproape in intregime radiatia incidenta. Pentru staturile de silicon de numai 2 mm grosime si atractia luminii optimizata, potentialul a fost calculat la aproximativ 15 % . in practica au fost cercetate numeroase metode de sedimentare a peliculei si tratament ulterior avand ca scop producerea de astfel de celule de silicon in conditii comerciale.

O variatie de sedimentare a parametrilor a unei depuneri chimice de plasma din stratul de gaz permite depunerea siliconului in microcristale. Astfel sunt obtinute in laborator cristale de silicon din acest tip de material care au o marime de pana la 10 nm (si ne referim deasemeni la siliconul nanocristalin) bazate pe structuri electrice p-i-n cu o eficienta electrica de pana la 10 %. Pentru ca, conditiile de sedimentare si temperatura de depunere a siliconului nanocristalin, ajungand pana la 200-300 ⁰C sunt foarte asemanatoare cu cele ale siliconului amorf, ambele materiale pot fi combinate ca celule tandem care ating o eficienta de pana la 10 % in laborator /6-23/. Pentru o mai mare eficienta a celulelor solare cu pelicula subtire, siliconul trebuie sa fie depozitat la temperaturi de pana la 700 ^oC, pentru ca substratul de sticla sa nu devina necorespunzator /6-24/. Temperaturile ridicate permit cresterea marimii granulelor de pana la 100 mm, obtinandu-se astfel o mai buna calitate a straturilor de silicon policristalin. Asa-numitele tehnologii de transfer reprezinta o alternativa promisa la producerea celulelor solare mono-cristaline cu pelicula subtire (vezi /5-25/, /6-26/). In mod normal un strat de silicon mono-cristalin cu o grosime de 20 pana la 50 mm este produsa dintr-un substrat de silicon mono-cristalin pre-tratat care este detasat si transferat catre orice fel de substrat strain. Substratul de silicon poate apoi sa fie folosit din nou in acelasi scop. Cu 16,6 % pe scara de laborator celule solare realizate din siliconul mono-cristalin transferat permit atingerea eficientei maxime prin substraturile straine de silicon cu pelicula subtire.

Celulele solare cu pelicula subtire cu circuit in serie integrat. Celulele individuale ale modulelor solare trebuie sa fie conectate in serie daca voltajul modulului este superior celor care compun celulele. De obicei, se opteaza pentru tensiuni de 12 sau 24 V. Un avantaj major al tuturor tehnologiilor cu pelicula subtire este acela ca conectarea in serie la un modul a celulelor individuale poate fi combinata cu producerea actuala a celulei. In timp ce procesul conectarii in serie este total independent de producerea celulelor solare bazate pe capsule,fiind ulterior acesteia, modulele de pelicula subtire sunt compuse din aranjari lamelare de celule individuale plasate pe un singur substrat sau superstrat (fig. 6.12).

Figura 6.12

Figura 1.7 Fig. 6.12 conectarea in serie integrata a sirurilor de celule dintr-o celula solara cu pelicula subtire pe substrat (adica conectarea in serie leaga electrodul de dedesubtul unui sir de celule pana la electrodul de sus al urmatorului sir)

Pentru legarile in serie a celulei, trebuie sa fie indepliniti trei pasi in timpul producerii. Figura 6.13 ilustreaza principiul de productie a unei astfel de conectari in serie avand ca exemplu celula solara cu pelicula subtire din silicon amorf hidrogen pasivat (a-Si:H). in primul rand superstratul de sticla este acoperit cu un strat conductor transparent de oxid de indium (indium stannous oxide). Ceea ce mai tarziu va deveni contactul frontal este indepartat la intervale regulate in timpul primului pas de structurare. Acesta este fie realizat prin indepartare cu laser, fie prin indepartare manuala. In urmatorii pasi de pregatire este depus stratul activ fotovoltaic (absorbant). Pentru o celula solara din silicon amorf hidrogen pasivat (a-Si:H) acest pas insoteste sedimentarea celor trei straturi (p-doped, i-doped and n-doped a-Si:H) in cazul unei celule simple tip p-i-n sau o secventa de sase straturi pentru producerea unei celule tandem. Dupa sedimentarea stratului absorbant se identifica un pas localizat oarecum paralel care indeparteaza stratul absorbant, insa nu stratul frontal. Apoi este implementat contactul dinapoi astfel incat prin cele doua structuri precedente pasilor, contactul din fata al celulei sa se conecteze celui din spate. Scurt-circuitarea benzii celulei individuale prin contactul dinapoi este prevazut printr-un al treilea pas. Se face analogia pentru tehnologiile bazate pe substrat.

Figura 1.8 Fig. 6.13 Sedimentarea stratului si secventa structurala a modulului fotovoltaic cu pelicula subtire a) depunerea fetei transparente a electrodului pe superstratul se sticla, b) primul pas de structurare, c) depunerea stratului absorbant fotovoltaic activ , d) al doilea pas de structurare, e) depunerea electrodului din partea din spate, f) al treilea pas de structurare

Celulele solare pentru sistemele de concentrare fotovoltaica. Celulele solare pentru sistemele de concentrare fotovoltaica sunt iluminate de 500 de ori mai mult la testul standard de conditii (STC) comparativ cu celulele fixate. Oricum la concentrarile de radiatii mai mari rezistenta i serie constituie o problema majora din cauza curentilor puternici. De aceea celulele concentratoare trebuie sa fie neaparat dopat intens highly doped si prevazute cu contacte cu pierderi mici /6-27/.

Sisteme de concentrate terestre sunt aproape exclusiv prevazute cu celule solare bazate pe silicon, a caror structura este similara cu aceea a celulelor solare din silicon de inalta eficienta mentionata mai sus. Pe testari de laborator acestea ating eficiente de pana la 29 % la concentrari de 140 ori ale radiatiei.

In plus, au fost investigate celulele concentratoare bazate pe galium- arseniu (GaAs) si aliaj compus III-V asamblat in parte ca si structuri tandem. In ceea ce priveste structurile tandem monocristaline dezvoltate epitactic, au fost raportate eficiente de pana la 34 % pentru concentratii de 100 pana la 300 ori.

Pentru asemenea sisteme concentratoare este de o importanta aparte evitarea temperaturilor inalte care cauzeaza pierderi de putere. Cu atat mai mult trebuie sa se ia in considerare ca factorilor de concentrare, de rangul catorva sute, le este necesar un sistem cu doua axe si neaparat radiatie directa.

Celulele solare colorate facute din oxid de titan nano-poros (TiO₂). Celulele solare electrochimice facute din oxid de titan nano-poros (TiO₂) utilizeaza particule din stratul TiO₂ cu o marime de 10 pana la 20 nm. Contactul blocant acestor nano-particule este asigurat de un electrolit lichid, in general perechea redox J₃^-/J^- . Activitatea fotovoltaica al acestui tip de celula solara este realizata stratului mono-molecular de rubidiu colorat absorbit la suprafata particulei de TiO₂. Datorita structurii poroase a oxidului de titan (TiO₂), suprafata sa este de 1,000 mai mare decat cea a suprafetei celulei. Absorbtia razelor solare de catre culoare este posibila datorita acestei mariri de spatiu.

Fotonul radiat pe suprafata acestei celule ridica un electron inauntrul culorii de la statutul bazic la cel excitat. Legatura dintre culoarea absorbita la TiO_­2 este cu atat mai puternica cu cat electronul excitat este injectat in TiO₂ in doar cateva pico-secunde, in timp ce culoare este regenerata prin electrolit; adica in completarea culorii initiale.

Figura 6.14 ofera o privire de ansamblu asupra designului unei astfel de celule solare, la fel ca si schema simplificata a energiei pentru activitatea primara fotovoltaica. Sarcina se separare primara implica astfel trei pasi.

1. excitarea substantei colorante.
2. injectia electronului din stadiul de excitare a substantei colorante in banda conductoare a TiO₂­.
3. regenerarea substantei colorante din electrolit.

Sarcina de separare este insotita eventual de difuzia electronului fotogenerat in reteaua prin reteaua TiO₂ catre contactul frontal, in timp ce electrolitul este regenerat la electronul de platina (Pt) dinapoi.

Figura 1.9 Fig. 6.14 (a) ilustrarea schematica a unei celule solare colorate de nano-poros TiO₂ (nu se vede: stratul unimolecular colorant absorbit de nano-particulele de TiO₂ cu o grosime de aproximativ 20 nm); (b) schema simplificata de energie ilustrand prima separare a purtatorilor de sarcina printr-un al treilea proces: 1 excitarea substantei colorante; 2 injectia electronului din starea excitata a culorii in banda de conductie a TiO₂; 3 regenerarea substantei colorante din electrolit.

Pe de o parte, tehnologia acestei noi celule solare este una atractiva, costurile materialelor fiind scazute, iar procesul de productie foarte simplu, permitand economii semnificative ale costului. Pe de alta parte, culoarea celulei solare este foarte diferita de cea a altor celule solare (solide) si nefiind investigata exhaustiv, nu a fost pe deplin inteleasa inca. De fapt, purtatorii primari de energie care fac transferul in substanta coloranta a celulei solare sunt asemanatori procesului realizat in timpul fotosintezei.

In laborator, substanta coloranta a celulei solare a atins eficiente de pana la 10 %, in timp ce primele module mici ajung la 5 %. Acestui tip de celula solara ii este cercetata stabilitatea pe termen lung /6-28/. Accentul se pune in mod special pe inlocuirea unui electrolit lichid cu gel sau electrolit solid pentru a evita riscul de rasuflarii modulelor. Cu atat mai mult este necesar sa intelegem ca acest tip de celule solare include procese electrochimice mult mai afectate de mecanismul de imbatranire decat procesele in stare solida.

Modulul solar. Celulele fotovoltaice individuale sunt imbinate cu un modul fotovoltaic, formand baza unui generator solar. In general un astfel de modul este alcatuit din celule fotovoltaice interconectate electric care introduc materialele, incluzand partea din fata a panoului de sticla si partea din spate care acopera, cabluri electrice conectoare sau o cutie conectoare si partial o rama, in general din plastic sau aluminiu. Oricum, si modulele fara rama sunt aplicate crescator, cerand masurari speciale ale marginilor. Introducerea unei celule individuale intr-un modul ajuta la protejarea celulelor singure impotriva impacturilor atmosferice, asigurand un nivel al puterii crescator si un amperaj maxim, si astfel instalarea generatoarelor fotovoltaice cu caracteristici de tensiune curenta bine definite. Introducerea celulelor, ca si izolarea marginii sunt parti importante. Pentru moment suprafata celulei, care este gazda fluctuatiilor de temperatura de la -40⁰C la +80⁰C in decursul unui an trebuie sa fie protejata impotriva oricarui tip de umiditate (precum ploaia sau condensarea) pe intreaga durata de 20 pana la 30 de ani si chiar mai mult. In plus, trebuie sa fie prevazute deteriorarea mecanica datorata grindinii mai mare de cativa centimetri in diametru sau puterii vantului mai mare de 50 m/s. Mai mult trebuie sa fie asigurata izolare puternica, iar materialele folosite nu trebuie sa fie atinse de bacterii sau erodate de animale (sau pasari). Modulele fotovoltaice disponibile comercial indeplinesc toate aceste cerinte si asigura o functionare sigura pe toata durata tehnica de viata.

Datorita marii varietati de aplicatii posibile, pe piata este disponibil un numar mare de module solare cu puteri diferite. Tensiunile nominale de circuit deschis ale modulelor sunt determinate de numarul de celule conectate in serie si de tensiunile nominale de circuit deschis ale fiecarei celule (fig. 6.15). Curentul nominal al modulului este determinat de numarul seriilor de celule conectate in paralel si de curentul nominal scurt-circuit al celulei individuale. Acest scurt-circuit nominal curent depinde de tehnologia celulei, calitatea materialelor folosite, procesul de productie, ca si de marimea celulei. Pentru ca scurt-circuitul curent este direct proportional cu radiatia solara, el este de asemeni proportional cu suprafata efectiva a celulei. De aceea curba caracteristica a tensiunii curente din intregul modul se schimba - comparativ cu cea a unei singure celule - depinzand de interconexiunea celulelor.

Puterea modulului fotovoltaic depinde de numarul total al celulelor. Puterea aplicatiilor fotovoltaice comune creste de la aproximativ 50 la 75 W pentru 36 de celule din silicon conectate in serie cu o suprafata a celulei de aproximativ 100 cm². Oricum, in special pentru instalatiile de retele conectate sunt folosite si modulele solare cu suprafata mare cu o capacitate mai mare de 300 W. astazi pe piata sunt comercializate celule cu suprafete de 225 cm² pe o singura capsula.

Figura 1.10 Fig. 6.15 Modificarea curbei caracteristice tensiunii curente in timpul combinarii mai multor celule fotovoltaice intr-un modul exemplar pentru celulele de 2 A curent de scurt-circuit si 0,6 V tensiune de circuit-deschis (in functie de diferite surse)

Daca celulele individuale ele unui modul operator sunt umbrite sau daca puterea lor originala este micsorata de defecte, acestea nu mai functioneaza ca si generator in celulele interconectate, ci ca sarcina. Potrivit tipului de conexiune, acestea fie vor fi operate in directie inversa (directie gresita a tensiunii) fie la depasirea tensiunii circuitului lor deschis (directie gresita a curentului). In conditii nefavorabile, se pot incalzi mai puternic decat celulele invecinate (efectul „hot spot”).

Independent de efectele descrise defavorabil, umbrirea partiala a celulelor conectata in serie cauzeaza pierderi considerabile. Ca prima aproximatie, curentul intr-un sir de celule conectate in serie este determinat de curentul celei mai slabe celule. Astfel pierderile datorate umbririi partiale sunt considerabil comparate cu partea umbrita a intregii zone. Pentru sirurile sau celulele conectate in paralel, pierderile sunt proportionale cu zona umbrita.

Sunt necesare modificari particulare ale efectelor umbririi pentru celulele fotovoltaice cu constructie integrata, ca de exemplu elementele aparente, ramele si ferestrele care cauzeaza adesea umbriri partiale. De aceea trebuie ca designul sa fie analizat cu atentie, in vederea pierderilor excesive.

Masurile de protectie necesare conectarii mai multor module sunt expuse in fig. 6.16; in principiu se aplica la conectarea mai multor celule care compun un modul. Diodele bypas (diodele freewheeling), aranjate in parale pe sirurile celulelor previn supraincalzirea posibilelor celule solare umbrite. Diodele incorporate previn egalizarea curentului pe sirurile celulelor in directia gresita daca tensiunile sunt mai scazute comparativ cu cele ale sirurilor invecinate, datorate umbririi partiale sau modificarii proprietatilor (adica celulele afectate).

Figura 1.11 Fig. 6.16 Conexiunile unui modul solar in interiorul unui generator fotovoltaic /6-10/

Oricum, cercetarile au aratat ca nu sunt cerute nici diodele bypass cu siruri de celule individuale dintr-un modul, nici diodele blocante de la sfarsitul unui modul. Aceste masuri de siguranta creeaza pierderi crescute de energie si deci costuri ridicate. Asadar diodele au o durata tehnica de viata mai scurta decat celulele si modulele. Insa situatia este diferita daca sunt conectate mai multe module la unitati mai mari ( sisteme, campuri de sisteme, generatoare) deoarece umbrirea partiala este intalnita mai des in aceste circumstante (prin plutirea norilor pe cer, umbrirea cauzata constructii, copaci, etc in cursul unei zile sau componentilor de generatori fotovoltaici). In acest caz, efectele discutate mai sus trebuie considerate module in loc de celule individuale. Fiecare modul este limitat de o celula independenta obtinuta si incorporata uneori in modul de catre producator. Astazi diodele blocante sunt adesea omise deoarece curentii egalizatori nu ofera siguranta. Aditional sunt atasate sigurante terminalelor sirurilor de module pentru as preveni supraincarcarea modulelor si cablurilor in cazul unui scurt-circuit pe un sir de module.

Pierderile datorate conexiunii in serie ale celulelor individuale ale modulelor cresc la aproximativ 2 pana la 3 % din energia electrica disponibila in clemele terminale sau cablurile de conectare ale celulelor individuale. Daca mai multe module alcatuiesc parti mai mare ale generatorului vor rezulta mai multe pierderi de aceste dimensiuni, depinzand de marimea campului generatorului. Oricum, preselectarea fiecarei celule pentru un anumit tip de modul dat de performantele electrice ale parametrilor ar putea reduce aceste pierderi.

1.1.2        6.2.2 componentele suplimentare ale sistemului

Invertori. Generatorii solari, ca si acumulatorii sunt primii care transmit tensiunea continua sau curentul  continuu (DC). Mai multe elemente mici (ceasuri, calculatoare) sunt desemnate pentru furnizarea DC. Oricum, cele mai multe elemente folosesc curent alternativ (AC) de 230 V cu o frecventa de 50 Hz (in unele cazuri 120 V si 60 Hz, de exemplu in USA). Pentru sistemul fotovoltaic independent fara conectari de retea, sunt folositi frecvent invertori pentru a converti curentul continuu (DC) in puterea potrivita curentului alternativ (AC) prin aplicatiile comerciale potrivite. Oricum invertorii sunt intotdeauna ceruti pentru transferul proprietatilor energiei electrice produse de generatorii fotovoltaici conectati la retea in proprietati similare cu cele ale retelei. Un model special, sunt asa numitele invertoare pompa care convertesc curentul direct din generatorul fotovoltaic in curent alternativ pentru tensiunea ajustabila, potrivita variabilei de rotatie a pompelor de apa /6-29/,/6-30/.

Puterea invertorilor folositi in imbinarea dispozitivelor fotovoltaice se intind de la 100 W la cateva 100 kW, continand o mare varietate de tipologii, circuite si componente. O piata in continua crestere, ca si noile descoperiri conduc la noi concepte despre invertoare si noi produse /6-9/, astfel incat in cele ce urmeaza sa fie schitate numai principiile de baza ale designului invertoarelor si cerintelor principale.

Invertori grupati. In timp ce slaba tensiune a retelei inlocuieste energia electrica de 230 V/ 50 Hz in Europa, invertorii grupati sunt subdivizati in trei grupe, in functie de tipul tensiunii: patrat, trapezoid si invertori fara forma (fig. 6.17). in seriile de putere mica, adica in inlocuirea locala a consumatorilor individuali AC intr-o retea DC, unde de cele mai multe ori se folosesc invertori patrati sau trapezoizi. Pentru sistemele mai mari (mai mari de 1 kW), din contra, sunt folositi adesea invertorii fara unda. Recent s-a observat tendinta de folosire a invertorilor fara unda pentru aplicatiile la scara mica.

Figura 1.12 Fig. 6.17 Curba caracteristica tensiunii la iesire a unui invertor rectangular, trapezoid, sinus

Invertorul patrat este caracterizat printr-o structura foarte simpla. In figura 6.18 este ilustrata o baterie cu tensiunea de 12 sau 24 V aplicata pe prima parte a transformatorului la un ritm de 50 Hz cu polaritati alternative care trec prin puntea de circuit constand in schimbatoare S1 pana la S4. Schimbatoarele S1 si S2, in general tranzistori bipolari sau tranzistorii MOS, sunt inchisi in timpul primei faze. Se aplica aceeasi tehnica pentru S3 si S4 in timpul celei de a doua faze. Aceasta tensiune directa „cut up” este transformata in tensiunea ceruta da catre transformator /6-29/.

Acest concept are dezavantajul ca nivelul tensiunii de iesire este direct proportional cu fluctuatiile tensiunii bateriei dintre tensiunea finala de descarcare a 11 V si tensiunea gazoasa de 15,5 V. Pentru acumulatorii de grafit de 12 V si asumarea unei transmisii constante pentru transformator, tensiunea la iesire acopera un sir de 210 pana l 297 V.

Asa numitul trapezoid sau invertor „quasi-sine”, bazat pe acelasi principiu de circuit, evita acest dezavantaj. Oricum, tensiunea acestuia la iesire contine un interval gol. Un circuit de control potrivit asigura ca latimea intervalului gol este ajustata , astfel incat chiar si pentru diferitele tensiuni la intrare se poate contine o tensiune aproape constanta la iesire.

Figura 1.13 Fig. 6.18 Principiul de circuit al invertorului rectangular

In timpul operarii cu acest tip de invertori trebui sa se verifice intotdeauna daca consumatorii urmariti, in general desemnati pentru tensiunile fara forma pot oferi incredere in conditiile tensiunii date. In general, aprovizionarea cu energie electrica cu astfel de proprietati pentru becuri, fiare de calcat sau alti consumatori simpli precum masinile de gaurit nu creeaza probleme. Oricum, daca acesti consumatori sunt echipati cu transformatoare sau divizori de tensiune capacitiva ai puterii, pot aparea zgomote, pierderi considerabile sau chiar deteriorari ale consumatorilor. Anumiti aplicatori electronici (adica masini  de spalat) nu ar trebui sa fie conectati direct la aceste invertoare, deoarece ele cer un punct zero al tensiunii pentru sistemul lor de control intern.

Tensiunea de iesire a invertorului, prin contrast, este identica cu aceea a sistemului public de sustinere, astfel incat toti consumatorii sa aiba suficienta putere utila. In afara marii varietati de tipologii sau circuite, figura 6.19 arata principiul unui invertor cu latime modulata (PWM).

Spre deosebire de invertorii patrati, tensiunea de intrare este limitata la frecvente mult mai inalte (10 kHz pana la 100 kHz). Pentru jumatatile de unda pozitive ale oscilatiei negative, aratate in figura 19, schimbul S1 este tot timpul inchis, in timp ce schimbul S2 este activat si dezactivat la frecvente inalte cu pauze variabile (modulatia latimii pulsului, PWM). Un tipar potrivit al pulsului asigura o tensiune rectangulara la iesirea puntii de circuit, a carei curbe medii potrivite are forma nedefinita.

Mai jos un filtru suprima toate zonele de inalta frecventa ale acestui semnal, astfel incat la iesire este prezenta doar o tensiune fara forma. Un transformator in partea de aval ajusteaza tensiunea la cea ceruta de 230 V. componentul acestui sistem poate fi omis in cazul unei tensiuni inalte suficiente la intrare (> 350 V). Aceasta permite invertorului relatat solutii ca si pentru eficientele considerabil mai inalte in special in sirurile cu o sarcina partial scazuta. Invertorii fara transformator sunt deasemeni redusi in greutate.

Pentru sistemele independente sau retelele izolate, astfel de tensiuni inalte sunt aplicate astazi doar pentru zonele marii. Aceasta este datorata faptului ca si bateriile ar trebui sa fie conectate in serie pentru a obtine asemenea tensiuni ridicate. Oricum, din cauza riscului individualizarii diferitelor celule, este mult mai dificila operarea unei baterii la o astfel de tensiune inalta fata de o tensiune scazuta. Pentru zonele cu o capacitate mai mare de 10 kW tensiune la intrare variaza .n general intre 48 si 60 V

Pentru a evita asemenea situatii o alta tipologie include un conector DC/DC intre baterie si invertor care asigura un nivel de tensiune potrivit. Acest concept permite desemnare invertorilor cel mai putin transformabili pentru orice tip de sistem fotovoltaic. Un dezavantaj al tuturor tipologiilor fara transformator este faptul ca nu au intrerupere galvanica si de aceea trebuie sa fie integrate unele masuri de siguranta caracteristice.

Figura 1.14 Fig. 6.19 Principiul de circuit al invertorului modulat latime-puls

In functie de tipul de aplicatie, urmatoarele cerinte sunt relevante pentru invertorii grupati /6-29/

-          Eficienta ridicata. Eficienta invertorilor grupati trebuie sa fie cat se poate de ridicata si ar trebui sa fie ridicata in partea de jos a sirului de incarcare partiala. Oricum, daca invertorul este deschis doar ocazional intr-o retea DC pentru a suplini un consumator atribuit AC, consumul de putere intern si eficienta invertorului sunt de o importanta minora. Insa, daca invertorul este continuu functional pentru a oferi pentru moment energie retelei unei case locuite, consumul sau propriu este variabil. Fiecare procent din consumul intern al invertorului reduce eficienta anula cu aproximativ 10%. Astfel propriul consum al invertorului ar trebui sa fie de 1 % din puterea nominala la iesire, corespondentul unei eficiente de aproximativ 90 % la 10 % din puterea nominala la iesire. Oricum, o eficienta de 85 pana la 90 % din energie este suficienta cand invertorul este functional doar pentru o mica parte din timpul sau de functionare. In afara de cele doua curbe de eficienta reprezentate in figura 6.20 curba „curba de eficienta ideala” reprezinta curba cu eficienta cea mai potrivita pentru aplicatiile fotovoltaice cu cea mai inalta eficienta anuala.

-          Autoconsumul slab. Pierderile de energie datorate auto-consumului mare pot fi reduse daca invertorul este deschis doar atunci cand este necesar, deoarece consumul in timpul ramas (stand-by) este mult mai scazut. Oricum, trebuie sa ne asiguram ca pana si consumurile mici, ca de exemplu lampile fluorescente sunt cu siguranta detectate si invertorul este deschis. Procesul master / slave exprima o astfel de posibilitate pentru detectarea incarcarii sigure: un invertor mic (master) asigura puterea permanenta in timp ce slave este doar aprins si folosit daca se cere energie aditionala.

Figura 1.15 Fig. 6.20 Curbele de eficienta favorabila si nefavorabila caracteristice zonei invertorilor grupati (vezi /6-29/)

-          Comportare stabila. Tensiune la iesire a invertorilor grupati trebuie sa fie cat se poate de stabila in ceea ce priveste frecventa si amplitudinea. Aceasta se aplica in special zonelor intinse, daca mai multi consumatori sunt serviti simultan. La pornirea marilor consumatori (masini de spalat, frigidere) nivelul tensiunii nu trebuie sa cedeze si sa cauzeze pentru moment defectiuni.

-          Tensiunea diforma la iesire fara polarizarea curentului direct. Tensiunea la iesire trebuie sa fie diforma (adica cateva nuante sau deformari). Un indicator este factorul de deformare, care trebuie sa fie mai mic de 5 %. In completare tensiunea la iesire nu trebuie sa aiba un curent polarizat, deoarece poate premagnetiza si deteriora transformatorii si motoarele electrice. Ca urmare invertorul trebuie sa fie capabil de operare inductiva si de incarcari capacitive (lampi fluorescente, motoare cu, curent alternativ) si incarcari asimetrice ca, de exemplu, uscatoarele de par la care este folosit doar jumatate unda sinus. Aceasta trasatura este descrisa de factorul admisibil de energie. Pentru motoarele de pornire start-up (exemplu frigidere, masini de spalat) el trebuie sa reziste la 2-3 supraincarcari pe perioade scurte.

-          Acoperirea intregului sir de tensiune. Partea de intrare a invertorului ar trebui sa acopere intregul sir de tensiune al inmagazinarii energiei in baterie de la -10 la +30 %din tensiunea nominala. In eventualitatea cedarii anumitor tensiuni, ar trebui sa aiba loc deconectarea automata sau prin control pentru a proteja bateria de la descarcarea brusca.

Pe viitor, invertorii grupati vor fi aproape in exclusivitate desemnati ca invertori fara unda iar cerintele mentionate vor fi indeplinite de un numar mare de mecanisme. Aditional, exista scaderi ale costurilor datorate productiei pe scara larga si folosirii componentelor semiconductoare moderne.

Pentru sistemele hibrid independente se folosesc din ce in ce mai mult sistemele de invertori bi-directionale. Acestia permit incarcarea bateriilor de la generatorii aditionali, ca generatoarele pe baza de vant, cele diesel si pe baza de apa, fara echipamente de incarcare aditionale. Astfel sistemul este simplificat prin masurile mentionate mai sus mentionate, cerintele esentiale fiind plasate pe invertor /6-9/.

Invertorii conectati in serie. Pentru a produce energie solara, este necesar ca in retea sa existe un invertor care transforma curentul direct (DC) generat de sistemul fotovoltaic in curent alternativ(AC), potrivit sistemului /6-29/.

Spre deosebire de invertorii grupati, care sunt aprovizionati in special cu curent direct de catre o baterie, invertorii conectati in serie sunt conectati direct la un sistem fotovoltaic fa sisteme aditionale de inmagazinare.

Majoritatea invertorilor din anii 1980 conectati in retea le-au fost modificati invertorii tiristori, aplicandu-li-se in numar mare pentru conducatorii electrici. Oricum, aceste mecanisme, gestionate optim la incarcarea nominala, sunt adesea nepotrivite pentru operatiunea de incarcare partiala tipica generatorilor fotovoltaici. Din acest motiv, ating eficiente operationale foarte slabe.

Componentele semiconductoare moderne, cum ar fi MOS-FET (Metal Oxide Semiconductor-field efect transistors) sau IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors), in imbinare cu tipologiile de circuit optimizate, au declansat in jurul anilor 90 ai secolului trecut dezvoltarea unor invertori solari speciali cu proprietati semnificativ imbunatatite. In special, autoconsumul sistemului a fost redus simtitor, astfel incat eficienta de peste 90 % a putut fi atinsa la o putere de iesire de 10 %. Daca invertorii tipici grupati transforma cea mai mare parte a energiei la aproximativ 20 % din puterea nominala, invertorii conectati in retea in conditiile radiatiei central-europene au o incarcare relativa deasupra intregului sir de putere. Pe langa autoconsumul redus, acestia se caracterizeaza printr-o eficienta ridicata a puterii impuse. In acelasi timp, a aparut pe piata o mare gama de dispozitive cu o putere de 10 W pana la cateva 100 kW. In mod normal, mecanismele din sirul MW constau din numeroase invertoare (mecanisme de 300 kW operate in modul master/slave (cel mai adesea cu un sistem rotativ). In acest scop s-a aplicat principiul functional al seriilor largi. Unele din ele sunt discutate mai jos.

-          invertorii comutati in retea. Datorita designului lor invertorii comutati in retea necesita o retea electrica puternica pentru a putea functiona. Tiristorii caracterizati prin robustete si eficienta costului servesc ca elemente ele sistemului bazic electronic. Oricum, in general astfel de invertori deformeaza foarte tare tensiunea furnizata la iesire si cauzeaza schimbari privitoare la tensiunea in cauza. Pentru ca acest dezavantaj necesita filtre aditionale si masuri de compensatie, rezulta alte concepte mai eficiente in acest sir de putere scazuta. Insa invertorii tiristori sunt inca pentru seriile de putere de aproximativ 100 kW si chiar mai mult.

-          Invertorii autocomutati. Invertorii autocomutati se bazeaza pe schimbarea puterii eliberabile si nu cer astfel o retea externa pentru functionarea normala. Un principiu de functionare folosit adesea este modulatia latime-puls care ofera o serie larga de tipologii de circuit. In comparatie cu invertorii grupati, invertorii conectati in retea trebuie sa se sincronizeze cu reteaua; pentru o continua functionare a invertorilor in cazul unei caderi de tensiune in retea, aceasta trebuie sa fie prevenita pentru motive de siguranta. Pentru a minimiza riscul crearii retelelor izolate in timp ce toate cablurile sunt deconectate, exemplu reglementarile germane prevad supervizarea retelei intr-o singura faza pentru invertorii solari, abrevierea ENS. Supervizarea are rolul de a preveni ca elementele amintite mai sus sa fie deconectate, ramanand in viata datorita invertorilor, asigurandu-se ca munca de supraveghere poate fi oferita retelei in conditii de siguranta. Multor tari le lipsesc aceste reglementari.

Pentru ca tensiunea la intrare este suficient de mare, invertorii pot aproviziona direct in reteaua de tensiune fara a cere vreun transformator pentru ajustarea tensiunii. Pe langa reducerea costurilor, greutatii si volumului, aprovizionarea directa in retea reduce autoconsumul invertorului. Ultimul contribuie la o eficienta evidenta a seriei de incarcare partiala. Exista astfel o tendinta catre conceptele incarcarii fara transformatoare.

Mecanismele obtinute cu ajutorul transformatoarelor se disting printre sistemele echipate cu transformatore de 50 Hz si sistemele obtinute cu transformatoare de inalta frecventa. Cel din urma ofera avantajele greutatii si volumului pe de o parte, dar este predispus la pierderi insemnate si probabilitati de esuare datorita unui circuit de aranjare mai complex. In ceea ce priveste dispozitivele se remarca o tendinta mai simpla, si in ceea ce priveste conceptele, o curba de eficienta favorabila este obtinuta prin aplicarea componentelor de inalta calitate pentru transformatoarele de 50 Hz /6-29/.

Prima generatie de dispozitive conectate in retea a fost obtinuta cu invertori centrali. De aceea modulele fotovoltaice au fost mai intai conectate in serie pentru a se obtine tensiunea ceruta. Pentru garanta puterea ceruta, seriile au fost legate in paralel. Generatoarele interconectate fotovoltaic au aprovizionat astfel un invertor individual. Ocazional puterea respectiva este distribuita in cativa invertori centrali, functionand in modul master/slave.

Invertorii modulari descentralizati castiga astfel importanta. Astfel de dispozitive sunt diferentiate de invertori prin serii mici si invertori integrati cu module individuale sau chiar incorporate direct in blocul terminal. Aceste concepte ofera o serie de beneficii.

-          Fiecare modul sau grup de module este optim operat in punctul sau maxim de putere (MPP)

-          Sunt reduse pierderile datorate diferitelor curbe caracteristice modulelor.

-          Umbrirea partiala afecteaza doar grupurile partiale sau grupurile de module.

-          Insuficienta invertorului descompleteaza componentele corespunzatoare ale generatorului.

-          Cablarea modulelor sau grupurilor de module printre celelalte este indeplinita pe parte curentului alternativ (AC) scazand astfel potentialul hazard al tehnicii conventionale ( curentul direct DC).

-          Productia in masa a numeroaselor unitati identice mici permite reducerea costurilor.

Oricum pe langa beneficiile mentionate mai sus trebui sa ne asteptam si la niste dezavantaje, care trebuie compensate printr-un design mai sofisticat a dispozitivelor individuale.

-          in special invertorii cu module integrate reprezinta subiectul inaltei presiuni termale care cere folosirea componentelor potrivite. Pentru unele module sunt garantate de peste 25 de ani. Oricum,in ceea ce priveste durata tehnica de viata a invertorilor cu module integrate si modulele corespunzatoare, exista o serie de discutii care trebuie incheiate.

-          Inlocuirea invertorilor cu module integrate, de exemplu, in fatade, este extrem de scumpa.

-          Functia oricarui invertor mic trebuie sa fie controlabila dintr-un punct central. Aceste cerinte trebuie pentru moment, sa fie realizate de un transfer de date peste linia de tensiune fara instalatii aditionale, dar cere eforturi speciale si investitii in interfata de comunicatii.

-          La descresterea puterii nominale a convertorilor de energie este foarte dificila obtinerea unei curbe de eficienta potrivita pentru aplicatiile fotovoltaice, atata vreme cat propriul consum de energie nu poate fi redus. Pe viitor se asteapta eficiente descrescatoare pentru unitatile mici.

Se poate observa, in special, pentru obiectivele la scara larga instalate de curand o tendinta de marire a invertorilor, crescand de la 5 kW pana la 100 kW. Partile mari ale invertorilor permit reducerea considerabila a costurilor invertorilor, reducerea costurilor initiale de investitii ca si cheltuielile pentru intretinere, supraveghere si reparatii.

Per total invertorii conectati in retea ar trebui sa indeplineasca urmatoarele cerinte /6-9/,/6-29/

-          curentul de iesire este sincron cu cele principale. Spre deosebire de invertorii grupati presupusi ca inlocuiesc tensiunea constanta de baza la iesire (sursa de tensiune), invertorii conectati in retea se comporta ca sursa de energie a carui amperaj depinde de forta curentului de alimentare.

-          Capacitatea curentului trebuie sa fie de forma sinus. Distorsiunile si astfel nivelul armonic nu trebuie sa depaseasca limitele prescrise (VDE 0838, EN 60555).

-          Curentul de debit nu trebuie sa aiba nici un curent direct polarizat, deoarece premagnetizeaza transformatorii in retea si poate sa deterioreze functionarea scurgerilor schimburilor de protectie pe pamant.

-          Aprovizionarea curentului si tensiunii in retea nu trebuie sa aiba faze de schimbare, pentru a preveni puterea reactiva de oscilare intre retea si invertori care poate produce pierderi aditionale. Generatiile viitoare de invertori trebuie sa permita ca activa compensatia puterii reactive pentru a imbunatati calitatea si reduce pierderile. O astfel de functionare creeaza o valoare aditionala pentru operatorul de retea.

-          In cazul functionarii anormale (lipsa sau tensiune excesiva, deviatii puternice de la frecventa targetului, scurt-circuite sau erori de izolatie) invertorul trebuie sa fie deconectat automat de la retea. Pentru a monitoriza parametrii ce caracterizeaza reteaua, ca tensiunea si frecventa, monitorizarea celor trei faze cerea si in trecut invertori pentru o singura faza. La intalnirea ENS, aplicatiile fotovoltaice mai mari de 5 kW au fost simplificate simtitor. Prin masurarea impedantei retelei, impedanta retelei dinamice se schimba, ca si tensiunea retelei si frecventa, acest sistem detectand erorile de retea si deconectand invertorul de la sursa folosind doua dispozitive independente de schimb. In scopuri de siguranta dispozitivele de monitorizare trebuie sa aiba un design redundant. In conformitate cu ENS dispozitivele pot fi realizate individual pentru fiecare invertor sau poate fi central pentru mai multe invertoare.

-          Celelalte componente de siguranta ca izolatia sau scurgerilor schimburilor de protectie pe pamant pentru AC si DC trebuie sa fie realizate in acord cu conceptul invertorului.

-          Semnalele de control pentru variatia curentului integrate in tensiunea de retea nu trebuie sa fie distorsionate de catre invertor si nici sa le fie perturbata functionarea.

-          Intrarea trebuie sa fie bine adaptata generatorului solar, exemplu Maximum Power Point Tracking(MPPT). Algoritmii MPPT determina puterea maxima a punctului generatorului fotovoltaic prin indeplinirea functiilor de cautare la intervale reglate, exemplu cateva secunde sau minute. In acest scop tensiunea folosibila a generatorului solar este modificata intr-o cantitate mica; daca, ca urmare a acestei operatii, puterea de iesire a invertorului creste, directia de cautare este mentinuta in timpul urmatoarei functii de cautare, altfel ea este inversata. Valoarea maxima de tensiune determinata de aceasta procedura se va mentine pana la urmatoarea cautare. Datorita apropierii metodologice, tensiunea disponibila este subiectul fluctuatiilor unei anumite serii in jurul punctului maxim de putere (MPP). Alte procese MPPT au loc la intervale regulate printr-o anumita sectiune a curbei caracteristice generatorului fotovoltaic pentru a determina punctul maxim de putere care este mentinut deasemeni, pana la urmatoarea functie de cautare.

-          Fluctuatiile puterii de alimentare trebuie sa fie scazute (< 3 %) pentru invertorii fazei singure care alimenteaza energia in retea la 50 Hz pentru a permite functionarea la punctul optim de operare. In acest scop este necesara existenta unui amortizor de dimensiuni suficiente la intrarea in invertor.

-          Tensiunea in exces, cauzata pentru moment de catre generatorii solari la temperaturi scazute si radiatii solare mari, dar si de straturile distante de lumina, nu trebuie sa cauzeze defecte.

-          Invertorii sunt in general folositi pentru o putere nominala mai slaba decat aceea a generatorului fotovoltaic (Exemplu factori variind intre 0,8 si 0,9). Acest lucru este datorat faptului ca generatorii solari ating doar rare ori puterea nominala deoarece in timpul radiatiei solare full temperatura crescuta rezultanta din module reduc eficienta totala a celulei. In plus invertorii mici au un autoconsum slab. De aceea punctul optim este atins privind rata de eficienta totala. Totusi, daca apare supraincarcarea invertorului puterea de intrare a invertorului trebuie sa fie neaparat limitata prin deplasarea punctului de functionare prin tensiunea circuitului deschis. In cazul ideal, puterea acceptabila este adaptata temperaturii normale pasive de racire a elementului. Altfel, neexistand nici o solutie optima,in cazul supraincarcarii trebuie deconectat si restartat periodic invertorul.

-          Invertorii conectati in retea trebuie sa fie alimentati cu energie chiar de generatorul solar,astfel incat sa nu se consume pe timpul noptii energie din retea. Mai mult, invertorul trebuie sa porneasca si sa functioneze la nivele de radiatie solara foarte scazute.

-          Eficienta conversiei trebuie sa fie atinsa pentru capacitati mici (> 90 %pana la 10 5 din puterea nominala). Asa numita „Eficienta Europeana” permite ca simpla comparatie a diferitelor tipuri de invertoare avand in vedere distributia tip a energie generate de generatorii solari in concordanta cu climatul central european. In acest scop eficienta invertorului este cantarita diferit pentru sase nivele de putere diferite. Nivelul mediu de capacitate este obtinut cu o contributie mai mare deoarece curba de eficienta trebuie sa atinga valori mari in acest punct. Eficientele europene ale invertorilor mici (< 1 KW) trebuie sa atinga 90 % si sa fie intre aproximativ 95-97 % pentru invertorii mai mari.

-          Invertorii conectati in retea trebuie sa fie alimentati cu sisteme integrate de automonitorizare echipate cu display-uri si interfete „prietenoase” pentru sistemele de comunicatii daca este necesar. Acestea din urma permit o monitorizare permanenta si diagnosticare, ceea ce nu poate fi neaparat oferit de utilizatorul obisnuit.

Sistemele suport. Productia de energie a sistemelor fotovoltaice este proportionala cu energia solara radiata. De aceea orientarea suprafetelor modulului catre soare este de o majora importanta. In aceasta directie se disting sistemele se suport fix si una sau doua axe ale sistemului de supraveghere. In general aceste sisteme permit cresterea generarii de electricitate comparata cu instalatiile fara un dispozitiv de supraveghere. Pentru sistemele fotovoltaice care concentreaza razele solare astfel de sisteme de supraveghere sunt indispensabile deoarece aceste instalatii permit numai folosirea radiatiei directe.