Sunĉelo

Kutima sunpanelo el silicia monokristalo

Sunĉelo (lumelektra aŭ fotovoltaa ĉelo) estas uzata formo en fotovoltaiko. Ĝi transformas lumenergion (ĝenerale sunlumon) al kontinua kurento per eluzo de fotoelektra efiko. Ĝi funkcias principe kiel fotodiodo kaj bezonas junton por la ŝarga disigo. Je efiko de la fotonoj produktiĝas elektra tensio, kiu konduktas kurenton tra la sunĉelo ligita elektra konsumanto. La tensio de sunĉelo valoras, ĉe la plej oftaj sunĉeloj (kristalaj siliciaj ĉeloj), ĉe ĉirkaŭ 0,5 volto. Por atingi pli bone uzeblan tension, oni interligas en sunpanelo (ankaŭ fotovoltaa modulo) multajn sunĉelojn. La ĉeloj estas plej ofte produktitaj el la t.n. vaflo, kiuj estas kutimaj en la komputila industrio.

Produkto de silicia sunĉelo

Produkto de siliciaj kristalkolonoj

Oni povas produkti la sunĉelojn laŭ diversaj metodoj.

La bazmaterialo estas silicio, la dua plej ofta kemia elemento de la terkrusto kaj kiu aperas plej ofte en la formo de kvarcosablo. El tio oni povas produkti en altforna proceso krudan silicion kun pureco de ĉirkaŭ 1 %. Tiu proceso bezonas energion, kiun la hodiaŭaj sunĉeloj povas reprodukti ene de 1,5 ĝis 7 jaroj (laŭ tipo), poste ili havas pozitivan energian bilancon. En plua, plurŝtufa proceso oni produktas polikristalan pursilicion el la krudsilicio.

Oni produktas la polikristalajn ĉelojn per fandado (plej ofte), Bridgman-metodo kaj EFG-metodo. Oni produktas la monokristalajn ĉelojn ĉiam per Czochralski-metodo. Validas por ĉiu metodo, ke la aldono de boro okazas jam ĉe produkto de blokoj aŭ kolonoj.

Fandado

Oni degeligas la pursilicion en fandujo per indukcia hejtilo kaj poste oni verŝas ĝin en kvadratforman kuvon, en kiu ĝi malrapide rigidiĝas. La eĝa longo de la kuvo estas ĉirkaŭ 50 cm, la alto de la rigidita fandaĵo ĉirkaŭ 30 cm. La granda bloko estas dividita je pliaj kolonoj kun longo de ĉirkaŭ 30 cm. Efikeco estas ĉirkaŭ 70 %.

Bridgman-metodo

La Bridgman-proceso servas same por la polikristalaj silicioj. Ĉi-kaze oni same degeligas la pursilicion en fandujo per indukcia hejtilo. La malvarmiĝo okazas ĉi tie en la sama kuvo desube; sube de la kuvo jam rigidiĝas la fandaĵo, sed supre ankoraŭ likva estas la silicio. La eĝoj longas 60 ĝis 70 cm, la alto de la bloko estas 20 ĝis 25 cm. La granda bloko estas dividita je pliaj kolonoj kun longo de ĉirkaŭ 20 ĝis 25 cm. Efikeco estas ĉirkaŭ 60 %.

EFG-procezo

Dum la EFG-procezo (el la angla: Edge-defined Film-fed Growth), oni lasas kreski desube okangulajn kolonojn kun longo de 5,6 m el la pursilicio. La eĝa longo de la unuopaj flankoj estas 10 cm, la murdiko 280 µm. Post finprodukto de la tuboj, oni detranĉas tiujn preter la eĝoj per NdYAG-laseroj kaj en rasteron. Ekzistas ankaŭ la ebleco por produkti ĉelojn kun diversaj eĝaj longoj (ekz. 10 x 15 cm aŭ 10 x 10 cm). Efikeco estas ĉirkaŭ 80 %. La surfaco de la produktita ĉelo estas malpli onda ol tiuj de la segitaj.

Czochralski-procezo

Czochralski-proceso: la produktitajn monokristalajn, cilindrajn kolonojn oni tranĉas ankoraŭ al kvadrata.

Zonofanda procezo

La zonofanda proceso servas same por monokristalaj siliciokolonoj. La pureco de la produktitaj ĉeloj estas pli alta – kaj tiel pli multekosta – ol necesa. Apenaŭ uzita metodo.

Vafloprodukto

Oni segas la kolonojn al diskoj, la t.n. vafloj per dratsega metodo. Tiel estiĝas el la granda parto de la silicio segopolvo, kiun oni povas denove purigi kaj fandi. La diko de la estiĝantaj diskoj estas ĉirkaŭ 0,25 ĝis 0,3 mm.

Vafloprilaboro

La segitaj vafloj trairas multajn kemiajn banojn por forigi la segajn damaĝojn kaj elformi surfacon, kiu konvenas por akcepti lumon.

Normalokaze, oni aldonas al la vaflo boron, kiu efikas estiĝon de superfluaj liberaj truoj (pozitivaj ŝargoj). Tio helpas la akcepton de la elektronoj (oni nomas tion ankaŭ p-dotado). Por produkti pretajn sunĉelojn per p-n-tavolo, la surfaco devas ricevi ankaŭ n-dotadon (tavolon?), kio okazas en forno, en fosfora-atmosfero. La fosforaj atomoj formas zonon kun elektronpluso sur la ĉela surfaco. Tio dikas 1 µm.

En plua ŝtupo, la ĉelo ricevas antirefleksan tavolon el SiN_x aŭ TiO₂.

Pluaj ŝtupoj

enpremo de la lutzonoj (la antaŭa flanko ricevas plej ofte du larĝajn striojn, sur kiuj estos fiksitaj pli poste la ligiloj inter la ĉeloj.
surigo de tre maldika, elektre bone kondukta rastero
kovro de la malantaŭa flanko per bone kondukta materialo

Aliaj sunĉelaj tipoj

Lamenaj ĉeloj

La porta materialo estas vitro, metala lameno, plasto aŭ alia materialo. Sur tiuj materialoj estas kondensigita surfaco el la gasa fazo. La materiala uzo kaj la efikeco estas pli malgranda ol ĉe konvenciaj sunĉeloj. Tiu teknologio kostas malpli ol la pursilicia teknologio tiel ĝi havas eble pli belan estontecon. La eblaj akceptaj materialoj povas esti ekz. amorfa silicio (a-Si), galium-arsenido (GaAs), kadmium-telurido (CdTe) aŭ kupro-indiumo-galiumo-sulfuro-seleno-interligoj (CIS, aŭ CIGS, kie S signifas aŭ sulfuron aŭ selenon laŭ ĉeltipo).

Elektrokemia farbaĵ-sunĉelo

La lumon absorbas farbaĵo, duonkonduktilo estas titana dioksido. Farbaĵoj estas ĉefe kompleksoj de la rara metalo rutenio, sed eblas uzo de organikaj materialoj, sed tiuj havas mallongan vivdaŭron.

Historio

Alexandre Edmond Becquerel jam en 1836 rimarkis, ke la sunumita baterio montras pli grandan povumon ol aliaj sen suna radiado. Li uzis potencialan diferencon inter hela kaj malhela flanko de kemia likvaĵo (acida kuvo kun lumita kaj nelumita parto), en kiujn li mergis du platenajn elektrodojn. Kiam li starigis la kuvon sub la sunon, li rimarkis estiĝantan kurenton inter la du elektrodoj. Tiel li malkovris la fotovoltaan efikon, sed li ne povis tion klarigi.

En 1904 malkovris la germana fizikisto Philipp Lenard, ke la lumradioj elŝutas elektronojn el la surfaco de certaj metaloj kaj tiel donis la unuan klarigon pri fotoefiko. Li tiam ne sciis precize, kial tio okazas kaj ĉe kiuj metaloj, sed li ricevis pro la malkovro la nobelpremion pri fiziko en 1905.

La finfinan trarompon akiris en 1905 Albert Einstein, kiam li povis klarigi la aferon per la kvantumteorio: la samtempa ekzisto de lumo kiel ondo kaj kiel korpusklo. Ĝis tiam oni kredis, ke la lumo estas nur energio, aperante en diversa ondolongo. Einstein ankaŭ malkovris, ke la maksimuma transdonebla energio estas sendependa de la luma intenseco kaj dependas nur de la energio, kiun la altrafanta fotono transdonas. Tiu energio dependas nur de la ondolongo kaj frekvenco de la lumo. Pro sia laboro pri fotovoltaiko li ricevis en 1921 nobelpremion pri fiziko.

La malkovro de p-n-transiroj okazis en 1949 fare de William B. Shockley, Walther H. Brattain kaj John Bardeen, kio estis grava plua paŝo al la hodiaŭa formo de la sunĉelo. Kvankam ĉio estis konata por konstrui sunĉelojn, la unua sunĉelo estis nur hazarde konstruita en 1954, en la laboratorio de la usona firmao Bell. La kunlaborantoj de la firmao priatentis, kiam ili esploris rektifilon – kiu laboris per silicio -, ke ĝi servas pli da kurento, se ĝi staras sub la suno ol kiam ĝi estas kovrita. La firmao Bell evoluigis tiel la unuajn sunĉelojn, kiuj havis la efikecon de 4% - 6%.

Ekde 1958, la sunĉeloj estis jam testitaj sur satelitoj kaj mezuris efikecon ĝis 10,5% (ĉar la nuboj, atmosfero ne deprenis la efikecon). Post tiu tempo, la industrio provas akiri pli grandan efikecon je malpli alta prezo. (nun 17,2% de Sharp kaj aliaj). Laboratoriaj ekzempleroj donas teorian efikecon de ĉirkaŭ 30%.

Formoj kaj grandoj

Komence la ĉeloj estis rondaj, sed tiun formon ŝanĝis la kvadrataj aŭ preskaŭ kvadrataj ĉeloj. La eĝa longo ŝanĝiĝis fine de la 1990-aj jaroj de 100 mm (kvarcola ĉelo) al kvin coloj kaj ekde 2002 al ses coloj (eĝa longo ĉirkaŭ 150 mm) por la normaj moduloj.

Por etaj kalkuliloj ekzemple oni segas pli malgrandajn ĉelojn ol kutime.

Teknikaj ecoj

La proprecojn de sunĉeloj oni donas por la normalaj testaj kondiĉoj (angla mallongigo STC, el Standard Test Conditions) (tiuj estas lumigo de 1000 W/m² en modjula ebeno, temperaturo de la sunĉelo estas 25 °C, konstanta, radia spektro AM 1,5 globala; DIN EN 61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904).

Menciindas, ke la temperaturo de la sunĉelo malofte estas ĉe 25 celsiusoj.

Uzataj mallongigoj por la priskriboj venas el la angla lingvo

SC: Short Circuit – mallonga cirkvito
OC: Open Circuit – malferma cirkvito
MPP: Maximum Power Point – Maksimuma Povuma Punkto

malferm-cirkvita tensio $U_{OC}$
mallong-cirkvita kurento $I_{SC}$
tensio ĉe la plej alta povuma punkto $U_{MPP}$
kurento ĉe la plej alta povuma punkto $I_{MPP}$
povumo ĉe la plej alta povuma punkto $P_{MPP}$
plenfaktoro $FF$
koeficiento por la povuma ŝanĝiĝo kun la ĉeltemperaturo
ĉelpovuma efikeco $\eta$

La sunĉeloj povas doni povumon de ĉirkaŭ 160 W/m². Se oni enkonstruas la ĉelojn en modulon, la posurfaca povumo iĝas malpli alta, ĉar inter la ĉeloj kaj la panela rando ekzistas distanco.

Diversaj tipoj

Oni povas grupigi la sunĉelojn laŭ diversaj kriterioj kiel ekz. materiala diko (diktavolaj, lamenaj), mem la materialo (CdTe, GaAs, CuInSe, Silicio), atoma strukturo (kristala aŭ amorfa), uzata teknologio.

Grupigo laŭ materialoj

siliciaj ĉeloj
- diktavolo
  - monokristala ĉelo (c-Si)
    alta efikeco (ĝis 20 %), konata, longjara, tre energiobezona teknologio
  - polikristalaj ĉeloj (mc-Si)
    same alta efikeco (ĝis 16 %), la produkta energio rapide regajnebla , (preza-povuma rilato)
- lamentavolo
  - amorfa silicio (a-Si)
  - kristala silicio
GaAs-ĉeloj
alta efikeco, rezista al temperaturo, kosta produkto, uzata en la kosmoesploro
CdTe
tre prezofavore produktebla, efikeco sub 10 %, longtempe ne testita
CIS-, CIGS-ĉeloj
CIS konsistas el kupro-indiumo-diselenido aŭ kupro-indiumo-disulfido.
organikaj sunĉeloj
malalta efikeco, mallonga vivdaŭro
farbaĵ-ĉeloj
similas al fotosintezo

Novaĵoj

Portebla lumo

Portebla lumo (angle Portable Light) estas teksaĵo el sunĉeloj, litiaj piloj, kaj LED-oj. La teksaĵo estas senĉifa, travidebla, lumrespegulanta. 5 horoj da ŝargo donas 5 horojn da lumo nokte. La prototipojn elprovis en la meksika Sierra Madré en 2005, en la indiana tribo de huiĉoloj.

plurelektron-forpuŝa sunĉelo

Victor I. Klimov (Los Alamos National Laboratory, Nov-Meksiko) jam pruvis en 2004, ke en nanometrograndaj sunĉeloj, unu fotono povas liberigi du aŭ pliajn elektronojn.

Klimov kaj lia teamo en 2006 faris eksperimentojn per 4-7 nanometra plumbo-selenidaj kristaloj kaj estiĝis tiam 7 elektron-truo. Ĉar la elektronoj kaj la truoj tre rapidege reunuiĝas, oni nun pripensas la forkondukton de la elektronoj ekz. per polimeraj kombinaĵoj, karbaj nanotuboj. Alia metodo estus, ke oni miksus la nanokristalojn en akvon kaj tie la elektro malkombinus la akvon je oksigeno kaj hidrogeno.

produktantoj de sunĉeloj (elekto)

(produktantoj de sunpaneloj (sunpanelo))

Astropower (Usono), http://www.astropower.com/^{[rompita ligilo]}
Deutsche Cell GmbH (SolarWorld AG-filialo), Freiberg (Saksio); http://www.deutschecell.de/
ErSol Solar Energy AG, Erfurt (Thüringen); http://www.ersol.de/
Photowatt (Francio); http://www.photowatt.com
Isofoton (Hispanio); http://www.isofoton.com
Microsol Power Pvt. Ltd., Barato, http://www.microsolpower.com/ Arkivigite je 2004-06-15 per la retarkivo Wayback Machine
Q-Cells AG, Thalheim (Saksio-Anhalto); http://www.q-cells.com/ Arkivigite je 2003-09-26 per la retarkivo Wayback Machine
RWE-Schott Solar GmbH, Heilbronn (Baden-Württemberg), http://www.rweschottsolar.de^{[rompita ligilo]}
Shell Deutschland GmbH, Gelsenkirchen (Nordrhein-Westfalen); http://www.shellsolar.de

Eksteraj ligiloj

Vidu ankaŭ

Sunĉelo en la Vikimedia Komunejo (Multrimedaj datumoj)
Kategorio Sunĉelo en la Vikimedia Komunejo (Multrimedaj datumoj)