Photovoltaic – Menuai Kuasa Matahari

Sel Photovoltaic (PV) juga dikenali sebagai sel Suria. Sekumpulan sel solar membentuk panel fotovoltaik solar atau modul photovoltaic solar. Bersama-sama dengan peranti hiliran dari pendawaian solar, pemutus litar, pengecas solar, bateri, penyongsang solar semuanya membentuk Sistem Photovoltaic.

Mereka adalah teknologi ajaib yang mengubah cahaya matahari menjadi elektrik untuk menyimpan atau kuasa peranti lain termasuk lampu buatan. Jadi apa yang indah tentang mereka? Bagaimana ia berfungsi ? Bagaimana ia dibuat? Mari cari tahu.

Photovoltaic

“Photo” bermaksud lampu, atau foton atau gelombang elektromagnet dalam spektrum cahaya yang dapat diterima. “Volt” bermakna perbezaan potensi elektrik, yang menyebabkan aliran elektron dan menjana arus elektrik.

Fotovoltaik bermaksud bahan yang dapat menunjukkan pergerakan elektron apabila terkena sumber cahaya (sumber semulajadi atau buatan dengan panjang gelombang dan tenaga yang mencukupi).

Operasi sel photovoltaic (PV) memerlukan tiga sifat asas:

• Penyerapan cahaya, menghasilkan sama ada pasangan pasang elektron atau excitons.
• Pemisahan pembawa caj jenis bertentangan.
• Pengekstrakan yang berasingan pembawa tersebut ke litar luaran yang melengkapkan peredaran elektron.

Di Sel Photovoltaik terdapat dua kumpulan berbeza, iaitu persimpangan tunggal dan persimpangan pelbagai.

Sel simpangan tunggal sel solar mempunyai hanya satu persimpangan p-n (Positif-Negatif), manakala sel simpangan pelbagai mempunyai lebih daripada satu simpang p-n. Persimpangan p-n adalah sempadan antara dua bahan semikonduktor, di mana satu daripadanya adalah semikonduktor yang kaya elektron (N-jenis) manakala yang lain adalah elektron habis (P-jenis).

Sel simpangan tunggal dan sel simpangan pelbagai

Sel photovoltaic simpangan tunggal terdapat di kebanyakan sel solar konvensional yang terdapat di pasaran. Sel solar silicon kristal (mono dan poli) adalah salah satu contoh hebat.

Silikon tulen yang ditambahkan dengan sedikit Boron akan membentuk semikonduktor P-Type manakala silikon tulen yang ditambahkan dengan Fosforus akan membentuk Semikonduktor N-Type.

Apabila foton di bawah sinar matahari melanda sel solar, elektron dari rantau n (dengan kepekatan elektron yang tinggi) akan dipisahkan dari rantau ini, dan mencapai kawasan p (kepekatan elektron rendah). Aliran elektron ini menjana arus elektrik.

Dalam usaha untuk menhasilkan photovoltaic dengan kecekapan yang lebih tinggi, pelbagai lapisan simpang p-n dibuat dengan menyusun pelbagai lapisan jenis p dan jenis semikonduktor yang berbeza. Ini membolehkan spektrum tenaga cahaya yang lebih luas dapat ditukar kepada elektrik.

Bahan semikonduktor yang berbeza seperti Gallium indium phosphide (GaInP), gallium indium arsenide (GaInAs), dan germanium (Ge) digunakan. Setiap semikonduktor ini menggunakan pelbagai cahaya matahari yang berbeza untuk menghasilkan tenaga elektrik.

Jenis Sel Suria

Yang paling biasa ialah jenis Crystalline Silicon (c-Si). Seperti namanya, ia dibuat daripada kristal silikon. Ia menduduki hampir 90% daripada penggunaan solar semasa di pasaran. namun terdapat banyak jenis panel suria di pasaran. Ia semua berbeza dengan bahan binaan dan bentuknya.

Mula-mula kita melihat dua Photovoltaics Silicon Solar yang paling biasa – Monocrystalline dan Polycrystaline Photovoltaics.

Mono-Kristal Silicon Solar PV (Sel Solar Monocrystaline) – Sel solar berasaskan silikon yang paling berkesan, yang diperbuat daripada wafer dari satu kristal silikon tunggal yang ditanam melalui proses Czochralski. Ia mempunyai kemurnian tertinggi, kelihatan gelap dan seragam dan biasanya mempunyai ciri-ciri yang berbeza dari tepi potong apabila empat sisi dipotong dari ingot kristal (bersifat cylyndrical) untuk membentuk wafer seragam. Ia berfungsi lebih baik dalam suhu panas dan cahaya rendah, dengan kecekapan berkisar 15-22%. Ia juga lebih mahal sel polycrystaline solar.

Poly-Kristal Silicon Solar PV (Sel Solar Polycrystaline) – Sel solar yang berasaskan Silikon yang paling ekonomik. Ia dikenali sebagai polysilicon (p-Si) dan silikon berbilang kristal (mc-Si). Ciri-ciri yang tersendiri adalah disebabkan oleh beberapa kristal silikon saling berkait yang berkembang bersama. Proses Czochralski tidak digunakan, sebaliknya silikon cair dituangkan ke dalam acuan persegi untuk membentuk kristal. Oleh itu ia kurang kemurnian dan lebih murah untuk dihasilkan. Sedikit kurang cekap daripada monocrystaline, terutamanya dalam haba yang lebih tinggi, dan mempunyai kecekapan sebanyak 13-18%. Untuk membuat kecekapan yang sedikit kurang, poli solar akan mempunyai kawasan yang lebih besar daripada mono untuk panel berbanding dengan watt yang sama. Lebih-lebih lagi panel poli yang lebih baru mempunyai kecekapan yang boleh bersaing dengan panel mono.

Selanjutnya kita melihat variasi sel suria yang lain di pasaran – Sel Suria Thin Film.

Sel Solar Thin-Film (TFSC) – Daripada menggunakan kristal silikon klasik (kristal tebal, keras tetapi rapuh dan retak di bawah tekanan lentur), bahan photovoltaic disimpan sangat tipis pada substrat sokongan, menjadikannya lebih ringan dan fleksibel. Panel filem nipis mudah untuk menghasilkan, kelihatan homogen dan kelihatan menarik, dan fleksibel. Kecekapan sel bergantung kepada bahan photovoltaic. Panel-panel filem nipis boleh dibina dari pelbagai bahan, dengan pilihan utama adalah silikon amorf (a-Si), jenis yang paling lazim, kadmium telluride (CdTe) dan tembaga indium gallium selenide (CIS / CIGS).

• Sel-sel Suria Amorfus Silikon (a-Si) –
  Daripada silikon kristal, silikon didepositkan sangat nipis (sangat sedikit ammount silikon – sekitar 1%) pada substrat sokongan (misalnya kaca dan plastik). Walau bagaimanapun ia kurang efisien pada sekitar 7% – 9% (kecekapan sel reserark terbaik 13.4%). Ia boleh didapati dalam elektronik pengguna kecil seperti kalkulator berkuasa solar.
• Sel Suria Cadmium Telluride (CdTe) – alternatif yang lebih murah. Ia telah melepasi kecekapan kos panel solar silikon kristal. Kecekapan panel solar berdasarkan telluride kadmium biasanya beroperasi dalam lingkungan 9-11% (kecekapan sel reserark terbaik 19.0%). Bagaimanapun, disebabkan kecekapan kosnya, Ia digunakan dalam sistem berbilang kilowatt, jika kawasan tanah tidak menjadi masalah. Ia menduduki 43% saham pasaran filem tipis. Bagaimanapun, Kadmium sangat toksik.
• Sel Suria Indium Gallium Selenide (CIS / CIGS)–
  Ia boleh menggunakan substrat seperti kaca atau substrat lain yang fleksibel. Kadar kecekapan untuk panel solar CIGS biasanya beroperasi dalam lingkungan 10-12% (kecekapan sel reserarch terbaik 20.4%). Ia mempunyai kecekapan tertinggi dalam filem categrory yang paling tinggi tetapi ia adalah yang paling mahal daripada ketiga-tiga.

Photovoltaic Bersepadu Bangunan (BIPV)
adalah satu lagi teknologi suria yang akan datang. Ia lebih seperti hibrid atau intergrasi (sama ada silikon atau filem nipis kristal atau kedua-duanya) teknologi solar ke bahagian-bahagian bangunan. Fasad, bumbung, tingkap, dinding dan banyak perkara lain yang bersentuhan dengan cahaya matahari dapat digabungkan dengan bahan fotovoltaik. Mereka lebih menarik daripada sel suria tradisional.

Bagaimana sel solar dibuat?

Tertanya-tanya bagaimana sel solar dibuat? Ia adalah konsep yang kompleks dan hebat. Kami mengambil contoh bagaimana membuat Sel Solar Monocrystalline. Silikon walaupun terdapat banyak di bumi (unsur yang paling biasa di alam semesta), dan pasir adalah silikon, tetapi jelas anda tidak boleh membuat suria di rumah. Semuanya kembali kepada cara untuk menghasilkan kristal secara buatan melalui Proses Czochralski.

Proses Czochralski adalah kaedah pertumbuhan kristal yang digunakan untuk mendapatkan kristal tunggal (semikonduktor, logam dan batu permata). Polysilicon kemurnian tinggi (hanya beberapa bahagian sejuta kekotoran – dibentuk selepas pengurangan dan penyucian kuarza silikon dioksida) dicairkan dalam tembikar kosong puri tinggi sekitar 1500 darjah Celcius.

Pada masa ini dopan boleh ditambah ke silikon lebur untuk mengubah suai sifat elektrik silikon. Dopan biasa bagi n-jenis silikon (kepekatan elektron lebih daripada kepekatan lubang) adalah Fosforus . Dopan biasa untuk p-jenis silikon (kepekatan lubang lebih daripada kepekatan elektron) adalah Boron .

Batang silikon tulen di penghujung tindak aci sebagai kristal biji akan dicelupkan ke dalam silikon lebur dan perlahan-lahan tarik semasa berputar ke arah lawan jam. Kristal silikon perlahan-lahan akan tumbuh pada benih melalui pemendapan silikon seragam, membentuk kristal silinder besar (atau dipanggil Boule atau Silicon Ingot) di bawah yang boleh memberi berat 200-700kg. Kadar tarik, putaran dan penyejukan (kecerunan suhu) akan menentukan kualiti dan saiz kristal terbentuk. Proses ini boleh mengambil masa beberapa minggu hingga bulan, dan menyumbang satu pertiga daripada kos pengeluaran pengeluaran sel solar monocrystalline.

Ingot silikon kemudian diprocess kepada diameter tertentu dan dihiris dengan gergaji berlian ke dalam konfigurasi tertentu. size 125 mm dengan wafer 125 mm yang dihasilkan daripada jongkong yang mempunyai diameter kira-kira 150 mm, dan size 156 mm dengan wafer 156 mm yang dihasilkan daripada jongkong yang kira-kira 200 mm diameter. Bentuk sel monocrystaline biasanya ada empat tepi dipotong disebabkan permukaan persegi maksimum yang dapat dibentukan dari bulatan telah ditentukan untuk mengurangkan kehilangan silikon yang berlebihan semasa menghasilkan sel yang berupa persegi.

Kemudian, ingot silikon dihiris untuk membentuk wafer silikon dengan dawai. Ia dipanggil wafering. Ia melalui pelbagai proses untuk membuat sel suria dari wafer.

1. precheck dan pretreatment :- untuk memilih wafer yang baik dengan bentuk geometri dan kesesuaian ketebalan tertentu.
2. Texturing :- Tekstur piramid rawak diukir di permukaan untuk mengurangkan kehilangan refleks cahaya.
3. Pembersihan asid :- untuk membersih zarah taburan dari permukaan wafer selepas texturing.
4. Penyebaran :- menambah dopan kepada wafer silikon untuk menjadikannya konduktif elektrik. Sebagai contoh wafer boron p-jenis pra-doping diberi permukaan negatif (n-jenis) dengan menyebarkannya dengan sumber fosforus pada suhu tinggi, mewujudkan persimpangan positif-negatif (p-n).
5. Etching & Pemisahan Tepi :- untuk mengalih keluar laluan elektrik yang tidak diingini yang dibentuk oleh fosfor n-jenis berlainan di sekitar pinggir wafer dan belakang.
6. Pembasuhan selepas Etching :-keluarkan semua residu zarah dari Etching.
7. Pengawetan lapisan anti-reflektif :- untuk mengurangkan pantulan permukaan dan meningkatkan jumlah cahaya yang diserap.
8. percetakan litar dan Pengeringan :- Inline logam dicetak pada kedua sisi wafer untuk membuat penhubung ohmik. Sintering furnance digunakan untuk menguatkan pes logam pada wafer. Selepas pengeringan wafer boleh dipanggil sel solar.
9. Pengujian & sel penyortiran :- Sel solar diuji di bawah lampu simulasi dan disusun mengikut kecekapan dan gred.

Dalam pembuatan sel solar polikristal, ia juga menjalani proses yang serupa di atas, tetapi tanpa Proses Czochralski. Polisilicon kemurnian tinggi dihancurkan dan dicairkan, secara langsung dibuang ke dalam jongkong multicrystalline persegi. Tanpa Proses Czochralski, prosesnya lebih cepat dan mengurangkan 20-30% daripada kos yang membandingkan polikristalin dan monokristalin.

Pertumbuhan fotovoltaik

Amerika Syarikat adalah pencipta dan perintis fotovoltaik solar moden. Ia telah memimpin utama pada tahun 1954-1996. Jurutera Amerika Russell Ohl di Bell Labs mencipta sel suria moden yang pertama pada tahun 1946. Sel silikon kristal praktikal pertama dibangunkan pada tahun 1954. Sejak itu kecekapan sel telah bertambah baik.

Selanjutnya Jepun memimpin sebagai pengeluar elektrik PV terbesar di dunia pada tahun 1997-2004.

Jerman memimpin pada tahun 2005-2014. Pengenalan Akta Tenaga Boleh Diperbaharui pada tahun 2000 menjadikan tenaga boleh diperbaharui menjadi piriotise pada grid. Ramai yang melabur dalam teknologi yang boleh diperbaharui menyebabkan kenaikan dalam pemasangan PV. Pada tahun 2016 kapasiti PV yang dipasang Jerman melebihi 40 GW.

China mula terlibat dalam industri solar PV pada awal tahun 2010. China melepasi kapasiti Jerman menjelang akhir tahun 2015, menjadi pengeluar fotovoltaik terbesar di dunia sehingga hari ini dan terus berkembang.

Oleh kerana permintaan global fotovoltaik meningkat mendadak, pembuatan wafer silikon yang matang, dan peningkatan jumlah loji pengeluaran wafer silikon, fotovoltaik menjadi semakin senang dimiliki pengguna biasa.

Mitos di sebalik kecekapan solar

Bumi menerima 174 petawatts (PW) sinaran suria masuk di atap atas. Kira-kira 30% dicerminkan semula ke ruang manakala selebihnya diserap oleh molekul di atmosfera seperti Ozon, Oksigen, dan Air, sebelum cahaya matahari mencapai paras laut.

Kecekapan solar pada dasarnya menunjukkan berapa banyak kadar tenaga cahaya yang ditangkap dan ditukar kepada elektrik dalam satu meter persegi.

Walau bagaimanapun terdapat batasan berapa foton yang bahan semikonduktor fotovoltaik sebenarnya dapat diserap dan menjadi tenaga elektrik. Foton yang mempunyai tenaga yang lebih rendah (panjang gelombang yang lebih panjang) tidak akan diserap. Hanya foton dengan tenaga yang lebih tinggi daripada tenaga bandgap yang boleh mengetuk elektron dengan membuat pasangan elektron-lubang dalam bahan photovoltaic dan menjana elektrik, bagaimanapun tenaga yang berlebihan dari foton akan ditukar kepada haba.

Ini meletakkan pada had kecekapan maksimum teori sel suria dengan persimpangan p-n tunggal dapat dikumpulkan. Ia dikenali sebagai Had Efisiensi Shockley Queisser atau SQ Limit. Had meletakkan kecekapan penukaran maksimum solar sekitar 33.7% dengan persimpangan p-n tunggal dengan jurang band 1.34 eV (menggunakan AM 1.5 spektrum solar).

AM 1.5 spektrum solar sering biasanya digunakan kerana kebanyakan pemasangan solar dan industri solar terletak di lintang sederhana bumi (Eropah, China, Jepun, Amerika Syarikat, India utara, Afrika selatan dan Australia).

Untuk meningkatkan kecekapan sel solar di luar Had SQ, sel-sel solar biasanya memerlukan pelbagai junction. Lain-lain inovasi termasuk penumpu solar dan titik kuantum digunakan tetapi datang dengan kos yang lebih tinggi.

Photovoltaic yang berpusat dengan sel suria persimpangan pelbagai telah mencapai kecekapan sel solar lebih daripada 44 peratus. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh kos dan kerumitan, ia masih tidak dapat dijangkau oleh pasaran pengguna biasa.

Selepas kita memahami bahawa monocrystalline adalah kecekapan yang lebih baik daripada polycrystalline dan filem nipis, apakah itu bermakna pergi dan semua membeli panel mono kristal dan lupa yang lain? Jawapannya adalah tidak.

Panel poli kristal poli 100watt yang dihasilkan menghasilkan hampir jumlah output kuasa yang sama berbanding dengan panel kristal mono bernilai 100watt, tetapi panel kristal poli akan lebih besar di permukaan berbanding dengan panel kristal mono untuk menghasilkan jumlah kuasa yang sama. Panel filem nipis akan lebih besar di permukaan untuk mendapatkan output kuasa yang sama (bergantung kepada bahan photovoltaic yang digunakan).

Keputusan di mana panel untuk dipilih bergantung kepada di mana kita meletakkan panel. Di sebuah rumah kecil dengan bumbung yang kecil, ia akan bijak untuk mendapatkan panel solar kecekapan yang sangat tinggi untuk memanfaatkannya. Jelas sekali ia datang dengan tag harga yang lebih tinggi. Bagaimanapun, jika anda mempunyai tanah rumput yang lengkap untuk projek solar anda, anda boleh dengan mudah mendapatkan keluaran yang sama dengan panel solar kecekapan yang sangat murah, tetapi liputan lebih banyak kawasan.