Celula fotovoltaica

Problema realizarii celulelor fotovoltaice este, de fapt, una de control al structurii cristaline a anumitor materiale, pe care noi le numim generic semiconductoare. Acestea au o structura cristalina in care atomii sunt asezati pe directii bine definite, iar electronii de pe paturile exterioare sunt pusi “la comun”. Intre atomi se realizeaza asa-numita legatura convalent. Conductivitatea, la temperatura normala, a acestor semiconductoare, numite semiconductoare intrinseci (i), este foarte scazuta. Dar, lucru foarte interesant, introducerea controlata a anumitor impuritati le modifica, semnificativ, proprietatile electrice.

Sa luam, de exemplu, siliciul, elementul cel mai raspandit pe Pamant (sa notam ca nisipul este alcatuit din dioxid de siliciu) si cel mai utilizat in electronica. Mai intai se obtine o bara de siliciu de foarte mare puritate, dupa care se adauga un numar controlat de atomi de fosfor sau arsenic, care au un electron de valenta in plus. Pentru fiecare atom strain introdus vom avea, in consecinta, un electron in exces. Acest electron scapa cu usurinta din legaturile cristaline si va participa la realizarea conductiei electrice la temperatura camerei. Acest tip de semiconductor poarta numele de semiconductor de tip n.

Pe de alta parte, putem introduce, in reteaua cristalina a siliciului, atomi care ar fi aluminiul sau borul. De aceasta data lipseste un electron de legatura, in locul sau aparand un “gol”. Aceste goluri se “deplaseaza”, aparent, prin structura cristalina, deoarece exista tendinta naturala ca ele sa fie “umplute” de electroni, care, la randul lor, lasa un loc liber (un gol) in retea. Putem asimila aceste goluri cu niste sarcini pozitive si, de aceea, acest tip de semiconductor se spune ca este de tip p.

Acum, dupa ce ne-am definit termenii, sa vorbim, in sfarsit, de efectul fotoelectric, din cate stiti, un atom este format dintr-un nucleu in jurul caruia se roteste un anumit numar de electroni. Acesti electroni sunt “etajati” la diferite distante fata de nucleu, fiecarei distante corespunzandu-i un anumit nivel de energie. Banda de energie care are nivelul cel mai inalt este banda de valenta (cea mai departata de nucleu) in care se gasesc electronii cu acelasi nume, care participa la fenomenul de conductie electrica. Dar, pentru aceasta, ei trebuie sa primeasca o cantitate suplimentara de energie, pentru a scapa de sub atractia nucleului. In cazul efectului fotoelectric, aceasta energie este furnizata de un foton, care in primul rand extrage electronul din banda de valenta, dupa care ii “transmite” acestuia o anumita viteza, ce se traduce la scara macroscopica printr-un curent electric. Ati vazut ce simplu este? Tocmai v-am prezentat efectul fotoelectric!

Sa trecem acum la celulele fotovoltaice. Acestea sunt un sandvici, format dintr-un semiconductor de tip p si unul de tip n, intre care se plaseaza un semiconductor de tip i. Sa ne reamintim cateva lucruri. Semiconductorul de tip n are un surplus de electroni, cel de tip p are un surplus de sarcini pozitive (de fapt “goluri de electroni”). Lumina interactioneaza in mod direct numai stratul i, producandu-se (sub actiunea fotonilor) perechi goluri-electorni. In etapa urmatoare, incepe sa-si spuna cuvantul forta de atractie electrostatica, astfel ca golurile se vor deplasa catre stratul n, iar electronii catre stratul p, deci se produce ... un curent electric.

Toate bune si frumoase. Curent electric gratuit, cine si-ar dori mai mult decat atat? Numai ca apare o problema care ne cam incurca socotelile. Este vorba de randament, care, cel putin pana in momentul decumentarii noastre, este foarte scazut. Pentru a produce o cantitate semnificativa de energie trebuie o cantitate mare de material semiconductor pentru care va fi necesar sa consumam multa energie (pentru 1 kg de siliciu ultrapur trebuie consumata o cantitate de energie echivalenta cu arderea a 60 de litri de petrol). Si, credeti-ne pe cuvant, trebuie sa fii foarte rabdator pana cand celula fotovoltaica ne va restitui, prin curentul electric furnizat, ceea ce s-a cheltuit cu fabricarea ei.

Intr-o celula fotovoltaica, lumina va produce in stratul de tip i, prin efect fotoelectric, perechi electroni-goluri. Electronii vor fi atrasi de stratul semiconductor de tip p, iar golurile de catre stratul de tip n. Aceasta miscare de sarcini este echivalenta cu un curent electric, care va fi emis cu ajutorul a doi electrozi.