Solarne ćelije su poluprovodničke strukture koje imaju zadatak da pretvore Sunčevo zračenje tj. toplotnu energiju u električnu energiju. Sama solarna ćelija jeste sastavljena od velikog broja elektronskih komponenti i specijalnih poluprovodničkih materija, kao što je silicijum.
Zahvaljujući svojim hemijskim svojstvima silicijum ima mnogo pogodnosti pogotovo kada se nalazi u kristalnoj formi. Jedan atom silicijuma ima 14 elektrona, poređanih u različite slojeve. Prva dva sloja koji sadrže dva i osam elektrona su kompletno pupunjeni. Treći sloj je samo do pola popunjen i drži četiri elektrona. Atom silicijuma će uvek tražiti način da popuni posledji sloj, a da bi uspeo u tome deliće elektrone sa četiri susedna atoma. Tako se kristalna struktura ispostavila kao jako bitna za ovu vrstu fotonaponskih ćelija.
Poznato je da je čist silicijum slab provodnik električne energije, zato što nema slobodnih elektrona da se kreću. Kako bi otklonili ovaj problem, silicijum od kojeg se proizvode solarne ćelije u sebi sadrži nečistoće, da kazemo korisne nečistoće. Ovo se dobija kada atomu silicijuma dodamo atom fosfora. Fosfor ima pet elektrona u svom spoljašnjem sloju, za razliku od silicijuma koji ima četiri, i tako fosfor ima jedan elektron viška.
Kada se toplotna energija doda čistom silicijumu to prouzrokuje da se nekoliko elektrona oslobodi i napuste svoje atome. Na mestu tih oslobođenih atoma ostaje prazno mesto za svaki oslobodjeni elektron. Ovi elektroni, koji se nazivaju slobodni nosioci, lutaju kroz kristalnu rešetku tražeći drugo prazno mesto koje će da popune i tako prenesu električnu energiju. Međutim, u čistom silicijumu postoji jako mali broj tih praznih mesta, tako da ovi elektroni prenosioci ne mogu da budu efikasni.
Kod nečistog silicijuma je potrebna mnogo manja količina energije da se izazove oslobađanje jednog elektrona fosfora zato što što on nije povezan ni sa jednim susednim atomom silicijuma. Proces pravljenja nečistog silicijuma naziva se dopovanje i tako dobijen silicijum se naziva N-tip (N znači negativan) zato što u njemu preovlađuju elektroni. Dopovani silicijum N-tipa je mnogo bolji provodnik od čistog silicijuma.
Drugi deo solarne ćelije je obično dopovan sa borom, koji ima samo tri elektrona na spoljašnjem sloju, i tako se dobija P-tip (P znači pozitivan) silicijuma. Umesto da ima slobodne elektrone P-tip silicijuma ima slobodna mesta i prenosi suprotan (pozitivan) napon.
Princip rada fotonaponske silicijumske ćelije
Kada svetlost, u formi fotona, udari u solarnu ćeliju, energija te svetlosti razdvoji parove elektrona i praznih mesta. Svaki foton sa dovoljno energije oslobodiće tačno jedan elektron, što će rezultirati i praznim mestom takođe. Ako se ovo desi dovoljno blizu električnog polja, ili ako se desi da slobodni elektron i prazno mesto zalutaju u domet uticaja električnog polja, električno polje će poslati elektron na N stranu a prazno mesto na P stranu. Onda imamo da se elektroni kreću putanjom do P strane da se ujedine sa praznim mestima koje je električno polje tamo poslalo. Kretanje elektrona stvara struju, a električno polje ćelije prouzrokuje napon. A dobro je poznato da je snaga proizvod struje i napona.
Struktura fotonaponske solarne ćelije
Poprečni presek jedne silicijumske solarne ćelije, ma kog tipa bila prikazan je na slici br.1. Prvi sloj čini zaštitno staklo tj. SiO2, koje štiti ćeliju od spoljašnjih uticaja. Ispod je antireflektujući sloj koji smanjuje refleksiju svetlosti i obezbeđuje da što više energije dospe do poluprovodnika, služi da se poveća stepen iskorišćenja solarne ćelije. Zatim se nalazi sistem transparentnih elektroda, TCO. One stvaraju kontakt poluprovodnik sa PN spojem u kome se vrši sakupljanje fotona Sunčeve svetlosti. Sa donje strane je metalizacija tj. zadnji kontakt.
Slika br.1 Struktura fotonaponske ćelije
Maksimalni izlazni napon jedne solarne ćelije se kreće u opsegu 600-700mV, pa se ćelije serijski povezuju kako bi se dobio željeni napon. Kao bi stvorili napon od 12V DC, potrebno je povezati oko 36 ćelija. Snaga jedne fotonaponske ćelije je relativno mala pa se u praksi više ćelija povezuju u grupu čime se formira fotonaponski modul. Prema projektovanoj snazi moduli se spajaju redno i/ili paralelno, čime se formira fotonaponski panel koji proizvodi struju, napon i snagu znatno većeg intenziteta.
