Analiza Celulelor Solare Realizate DIN Nanomateriale PE Bază DE Carbon

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE

INGINERIE ELECTRICĂ ȘI TEHNOLOGIA INFORMAȚIEI

PROGRAMUL DE STUDIU:

SISTEME AVANSATE ÎN INGINERIE ELECTRICĂ

FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: IF

DISERTAȚIE

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC

Conf.univ.dr. ȘOPRONI VASILE DARIE

ABSOLVENT

PETO ISTVAN

ORADEA

2016

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE

INGINERIE ELECTRICĂ ȘI TEHNOLOGIA INFORMAȚIEI

PROGRAMUL DE STUDIU:

SISTEME AVANSATE ÎN INGINERIE ELECTRICĂ

FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: IF

ANALIZA CELULELOR SOLARE REALIZATE DIN NANOMATERIALE PE BAZĂ DE CARBON

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC

Conf.univ.dr. ȘOPRONI VASILE DARIE

ABSOLVENT

PETO ISTVAN

ORADEA

2016

CUPRINS

Introducere 4

1. Caracteristicile Radiației Solare 6

1.1. Declinația solară 8

1.2. Factori care influențează radiația solară 8

1.2.1 Influența factorului meteorologic 9

1.2.2. Influența factorului geometric 9

1.3. Harta solară a României 10

1.4. Potențialul solar al României 10

2. Conversia fotovoltaică 12

2.1. Generalități 12

2.2. Descrierea efectului fotovoltaic 13

2.3. Eficiența celulelor fotovoltaice 14

2.4. Curentul de scurtcircuit 15

2.5. Celula fotovoltaică 17

2.6. Materiale și tipuri de celule fotovoltaice 20

3. Inovații recente în eficientizarea panourilor solare fotovoltaice 22

3.1. Folia solară 22

3.2. Geamurile solare 23

3.3. Baloanele solare 24

3.4. Panourile solare în infraroșu 24

3.5. Tuburile nanovoltaice 25

4. Analiza nanotehnologiilor utilizate la realizarea celulelor solare realizate din carbon

26

4.1. Grafenul și nanotubul din carbon. Definiții 26

4.2. Stocarea energiei solare utilizând nanomaterialele pe bază de carbon 28

4.3. Celulele nanovoltaice realizate exclusiv din carbon 31

4.3.1 Nanomaterialele utilizate la realizarea celulelor nanovoltaice 31

4.3.2. Aspecte privind obținerea celulelor solare din nanomateriale de carbon 33

Concluzii 36

Bibliografie 38

INTRODUCERE

Soarele este sursa vieții pe Pământ; datorită fenomenelor care se petrec în interiorul ei este sursa principală de căldură și de lumină – rezultată din radiația solară -.

În compoziția masei solare într-o proporție destul de mare intră hidrogenul, reprezentând aproximativ 74% din masa totală, heliul 25% și 1 % elementele grele. Pentru că în atmosfera exterioară a Soarelui există temperaturi foarte ridicate – peste 999.727  C – iar în masa ei predomină temperaturi de peste 5.500 oC, masa solară este în stare gazoasă și plasmă. Steaua principală își generează energia prin fuziune – nucleul de hidrogen se transfomă în heliu, astfel, Soarele rămâne în echilibru adică nu se dilată dar nici nu se contractă.

Energia solară este transportată spre Pământ, în compoziția acesteia fiind radiații:

ultraroșii 50%,

radiații luminoase 41%,

radiații ultraviolete 9 %.

Ca să se poate determina cantitatea de energie care ajunge pe suprafața Pământului, s-a introdus constanta solară fiind aceea cantitate de energie care este primită în unitate de timp de la Soare pe suprafața de 1 cm2, așezată perpendicular pe direcția radiațiilor solare. Această constantă solară în afara atmosferei are o valoare aproximativă de 1370 W / cm2, iar pe Pământ din această cantitate ajunge doar 1000 W/m2, dacă soarele se află la zenit, dar și în aceste condiții energia solară care ajunge pe Pământ este de 15.000 ori mai mare decât consumul actual de energie primară de pe glob.

Razele soarelui sunt utilizate de natură, dar și în mod artificial de către om; în natură raza solară este baza fotosintezei, ea având rol în conversia CO2 din aer în O2 și alți compuși. Energia radiației solare în mod direct poate fi utilizată pentru încălzire și în mod artificial această energie poate fi convertită în electricitate sau în căldură. Cu ajutorul panourilor fotovoltaice energia solară poate fi convertită în energie electrică, apoi folosită în funcționarea diferiților consumatori.

Posibilitatea obținerii energiei electrice și termice din radiația solară, dar și din alte surse de energie regenerabilă, cum ar fi energia mareelor, energia valurilor, energia eoliană, energia geotermală, a biomasei are o importanță deosebită, datorită faptului că sursele de combustibili fosili sunt pe calea dispariției, însă populația Terrei se află într-o creștere continuă și cerințele trebuie satisfăcute, care și ele prezintă ridicate permanent.

Utilizarea energiei solare are și ea niște dezavantaje, dat fiind faptul că prezintă randament redus, nu este continuă, instalațiile folosite pentru convertirea radiațiilor solare sunt scumpe.

Totuși utilizarea acestei forme de energie prezintă o tendință de creștere privind aplicația ei la nivel global și este considerată ca fiind pe locul 2 după energia eoliană.

Strategia energetică a României pentru perioada 2007 – 2020, propune drept obiectiv ca energia din surse regenerabile, să reprezinte 33% din consum în 2010, 35% în anul 2015 și 38% în anul 2020.

Cel mai mare avantaj al utilizării surselor regenerabile este însă reducerea impactului asupra mediului (apă, sol, aer, ecosistem) și mai ales reducerea emisiilor de gaze responsabile de efectul de seră (CO2, CR4, N2O), gaze ce rezultă automat la utilizarea combustibililor fosili.

CAPITOLUL I.

CARACTERISTICILE RADIAȚIEI SOLARE

La trecerea prin atmosfera terestră radiațiile solare suferă o serie de fenomene printre care cele mai importante sunt:

reflexia difuză: radiațiile datorită moleculelor de gaz, cristalelor de gheață sau particulelor de praf existente în atmosferă sunt reflectate în toate direcțiile conducând la diminuarea cantitatății de radiație care ajunge la suprafața solului;

absorbția: o parte din gazele din atmosferă (vapori de apă, dioxidul de carbon, etc.) absorb radiațiile cu anumite lungimi de undă.

În funcție de comportamentul față de radiațiile solare, corpurile din natură se pot clasifica astfel:

corpuri albe: reflectă toate radiațiile solare;

corpuri colorate: absorb o parte din radiațiile solare, iar o parte sunt reflectate;

corpuri negre: absorb toate radiațiile solare.

Fig. 1 – Radiația solară. a. directă b. difuză c. reflectată [7]

În consecință, pentru captarea radiațiilor solare se vor utiliza corpuri cu suprafețe negre care, teoretic, permit absorbția tuturor radiațiilor solare. Radiațiile solare absorbite de către un corp, se transformă în căldură ca urmare crește temperatura acestuia în timp.

Radiația solară (fig. 1) este un flux de particule, fotonii, care se propagă cu viteza luminii, purtând energia de h, (h este constanta lui Planck, iar este frecvența radiației) [1,2].

h = 6.6256 x 10-34 J/s (1)

c = h=co/n (2)

unde: co – este viteza luminii în vid,

n – este indicele de refracție al mediului respectiv.

Pentru utilizarea acestei cantități de energie solară este nevoie de conversia energie solare într-o altă formă de energie. Conversia energiei solare se clasifică în funcție de tipul de conversie:

– conversie fotomecanică;

– conversie fototermică (centrale termice solare);

– conversie fotoelectrică (centrale electrice solare);

– conversie fotochimică (stocarea energiei solare).

Radiația solară cuprinde trei domenii spectrale: ultraviolet 7%; vizibil luminos 47% și infraroșu 46%. Dintre acestea radiația termică cuprinde domeniul vizibil și infraroșu apropiat.

Din fluxul inepuizabil al energiei solare care depășește 1011 MW, pe sol ajunge sub 20%, cu lungimea de undă de 0,4 – 2,5 m. Din această categorie, 16% este folosită la evaporarea apelor, 3% la fotosinteza vegetațiilor terestre, 0,16% pentru fotosinteza vegetațiilor subacvatice, 0,02% pentru formarea de combustibili fosili [1].

În condițiile României densitatea de putere radiantă poate varia în limite foarte largi [5]:

valoarea minimă – 50 W / m – pentru zilele de iarnă și cer acoperit, când nu există decât radiație difuză;

valoarea maximă – 800 W / m2, pentru zilele senine cu Soarele aflat în poziția cea mai înaltă.

Evident că în condițiile în care modificările de climă din ultimii ani sunt din ce în ce mai imprevizibile, limitele de mai sus pot fi depășite.

1.1 Declinația solară

Pământul (axele polare) are o înclinație de 23 o45 față de axa eliptică care este o normală pe planul ecliptic (fig 2). Planul ecliptic este orbita pământului, formând un plan în jurul Soarelui. Pământul se rotește în jurul Soarelui așa cum axele polare se mișcă în raport cu Soarele. Declinația solară este distanța unghiulară a razelor solare nordice (sau sudice) de la ecuator declinația nordică fiind considerată pozitiv.

Fig. 2 – Mișcarea anuală a Pământului în jurul Soarelui [5]

Variația declinației solare de-a lungul anului, are loc conform figurii 2. Declinația solară , în grade pentru fiecare zi a anului (N) se aproximează cu ajutorul ecuației [2].

(3)

1.2. Factori care influențează radiația solară

Purtătorii fosili de energie reprezintă combustibilul economiei mondiale. Însă utilizarea cărbunelui, țițeiului, gazului și uraniului prezintă o transformare și o epuizare a resurselor, cu efecte catastrofale asupra mediului și omului. Noua economie ar trebui să mizeze asupra energiei inepuizabilă a Soarelui și a celor regenerabile, fiind baza unui model civilizat și durabil, ceea ce privește sursele de energiefolosite în viitor.

În multe zone, Soarele oferă o alternativă posibilă la soluționarea crizei de energie, din ce în ce mai accentuată odată cu creșterea populației globului și ridicarea standardului de viață, simultan cu epuizarea combustibililor fosili.

Dezavantajele principale ale acestor surse de energie sunt constituite de randamentele scăzute ale tuturor instalațiilor solare și costurilor relativ ridicate, la care se adaugă faptul că radiația solară este difuză ceea ce presupune existența unor subsisteme de stocare a energiei, precum și dependența acestuia de o serie de factori meteorologici, geometrici și geografici.

Energia solară poate fi convertită direct în energie electrică utilizând efectul fotoelectric – mai precis, un caz particular al acestuia: efectul fotovoltaic. Deși efectul fotovoltaic este cunoscut de mult timp –descoperit în 1839 de Bequerel – realizarea unui dispozitiv cu caracteristici convenabile pentru conversia directă a energiei solare este de dată relativ recent: în 1954.

1.2.1 Influența factorului meteorologic

Climatul României este continental-temperat, caracterizat de un potențial energetic considerabil: mai mult de jumătate din teritoriul țării noastre beneficiază de un număr de ore însorite mai mare de 1800 ore/an, ceea ce reprezintă limita inferioară necesară la realizarea instalațiilor de captare și stocare a energiei solare.

1.2.2. Influența factorului geometric

Datorită mișcării diurne aparente a Soarelui pe bolta cerească, razele solare (radiația solară) cad asupra Pământului sub un unghi ce diferă de la un loc la altul, ceea ce face necesară la proiectarea instalațiilor solare, precizarea poziției relative a Soarelui față de un anumit sistem de coordonate.

Soarele, o stea de mărime mijlocie, cu diametrul D = l,39 x 106 km, se rotește în jurul axei sale având o rotație la 25 de zile.

Mișcarea Pământului se poate descompune în două componente principale:

o mișcare de rotație în jurul axei proprii;

o mișcare de revoluție în jurul Soarelui.

Mișcarea de revoluție în jurul Soarelui are loc pe o traiectorie eliptică ceea ce determină o variație de ± 1,7% a distanței medie Soare – Pământ și o variație de ± 3 % a densității de putere radiantă. La 4 iulie Soarele se găsește în poziția cea mai apropiată de Pământ și această poziție se numește afeliu, iar pe 8 ianuarie este în periheliu, poziția cea mai îndepărtată de aceasta.

Axa de rotație a Pământului are un unghi de 23o47’ cu planul eliptic, ceea ce implică variația unghiului de incidență a radiației solare față de planul ecuatorial terestru, unghi numit declinație.

1.3. Harta solară a României

România se află în zona europeană de însorire „B” .

Se observă din harta solară a României (fig. 3) că în zona roșie, din partea de Sud a României – 1450 – 1750 kwh/m2 an este cea mai bună pentru instalațiile solare.

zona roșie (>1450 kWh/m2/an), coincide cu zona de sud: Oltenia, Muntenia, Dobrogea și sudul Moldovei;

zona galbenă (1300 – 1450 kWh/m2/an), include regiunile carpatice și subcarpatice ale Munteniei, toată Transilvania, partea de mijloc și nord a Moldovei și tot Banatul;

zona albastră (1150 – 1300 kWh/m2/an), include, în principal, regiunile de munte.

Fig 3 – Harta solară a României [26]

1.4. Potențialul solar al României

Harta cuprinde distribuția fluxurilor medii anuale ale energiei solare incidente pe suprafața orizontala pe teritoriul României.

Sunt evidențiate 5 zone, diferențiate prin valorile fluxurilor medii anuale ale energiei solare incidente. Se constată că mai mult de jumătate din suprafața țării beneficiază de un flux de energie mediu anual de 1275 kWh/m2.

Zonele de interes (areale) deosebit pentru aplicațiile electroenergetice ale energiei solare în țara noastră sunt:

Primul areal, care include suprafețele cu cel mai ridicat potențial acoperă Dobrogea

și o mare parte din Câmpia Română

Al doilea areal, cu un potențial bun, include nordul Câmpiei Române, Podișul Getic,

Subcarpații Olteniei și Munteniei o bună parte din Lunca Dunării, sudul și centrul Podișului Moldovenesc și Câmpia și Dealurile Vestice și vestul Podișului Transilvaniei, unde radiația solară pe suprafață orizontală se situează între 1300 și 1400 KWh/ m2.

Cel de al treilea areal, cu potențialul moderat, dispune de mai puțin de 1300 kWh /m2 și acoperă cea mai mare parte a Podișului Transilvaniei, nordul Podișului Moldovenesc și Rama Carpatică (Tabelul 1).

Tabel 1 – Valorile energiei solare pentru diferite orașe ale României

Îndeosebi în zona montană variația pe teritoriu a radiației solare directe este foarte mare, formele negative de relief favorizând persistența ceții și diminuând chiar durata posibilă de strălucire a Soarelui, în timp ce formele pozitive de relief, în funcție de orientarea în raport cu Soarele și cu direcția dominantă de circulație a aerului, pot favoriza creșterea sau, dimpotrivă determina diminuarea radiației solare directe.[6], tabelul 2.

Tabel 2 – Influența numărului mediu anual și durata de zile însorite asupra potențialului energetic amenajabil:

CAPITOLUL II

CONVERSIA FOTOVOLTAICĂ

2.1. Generalități

În anul 1839 Becquerel a descoperit în seleniu efectul fotovoltaic. Eficiența de conversie a energiei din celula fotovoltaică de siliciu, elaborat în 1958, a fost 11%, având un cost mare (1000 $ / W). Primele aplicații practice a celulelor fotovoltaice erau pentru spațiu, unde costul nu era un obstacol deoarece alte surse de energie nu stăteau la dispoziția cercetătorilor. Cercetările făcute în anii 1960 au rezultat descoperirea altor materiale fotovoltaice, cum ar fi de exemplu arseniura de galiu (GaAs). Acest material poate lucra la temperaturi mai mari decât siliciul, însă, au fost mult mai scumpe [6,7].

Celulele fotovoltaice sunt elaborate dintr-un număr variat de semiconductoare, confecționate din materiale care au o conductibilitate electrică mai redusă. Cele mai des utilizate materiale sunt siliciul (Si) și compusul cu cadmiu sulfid (CdS), sulfid de cupru (Cu2S) și arseniura de galiu (GaAs) [6,7].

O celulă solară constă din două sau mai multe straturi de materiale semiconductoare, cel mai întâlnit fiind siliciul. Straturile au o grosime cuprinsă între 0,001 și 0,2 mm și sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma joncțiunea „p” și „n”. Această structură este similară cu structura unei diode. Când stratul de siliciu este expus la lumină se va produce „agitația” electronilor și se va genera curent electric. Celulele, numite și celule fotovoltaice, au de obicei o suprafață foarte mică și curentul generat de o singură celulă este mic însă combinația în serie sau în paralel ale celulelor poate să producă curenți suficient de mari pentru a putea fi utilizați în practică. Pentru aceasta, celulele sunt încapsulate în panouri care le oferă rezistență mecanică și la intemperii [5,6,7].

În fig.4 se reprezintă o celulă fotovoltaică tipică.

Fig. 4 – Celulă fotovoltaică

Panoul solar (modulul fotovoltaic MFV sau panoul fotovoltaic PFV) este un ansamblu de celule FV interconectate, fiind cunoscute sub denumirea de celule FV. Panoul solar este o componentă utilizată într-un sistem FV mai mare care oferă electricitate pentru aplicații comerciale și rezidențiale.

Deoarece, un singur panou produce numai o anumită cantitate de energie electrică, de aceea instalațiile conțin mai multe panouri solare legate între ele. Acestea sunt cunoscute sub denumirea de module FV.

2.2. Descrierea efectului fotovoltaic

Dacă o joncțiune p – n este iradiată cu o rază de lumină, se vor forma perechi de purtători imediat după absorbirea luminii. Câmpul puternic al joncțiunii atrage purtătorii minoritari, rezultând un flux de curent. Semiconductorul nu se află în echilibru termic, fapt care înseamnă că puterea electrică poate fi livrată către consumator. Acest mecanism, este de fapt mecanismul de bază al celulei solare [7].

Caracteristica poate fi dedusă din fizica solidului, cu formula:

(4)

unde,

UA – tensiune aplicată;

I – curentul care trece prin diodă la tensiunea UA aplicată;

UT– este o constantă, numită tensiune termică;

I0 – curentul de saturație al diodei, care depinde de tipul, densitatea și felul materialului din care este confecționată dioda, precum și de calitatea joncțiunii p-n.

Dacă joncțiunea p-n este iluminată, atunci se va genera un curent adițional IL, care va modifica expresia de mai sus în felul următor:

(5)

Semnul negativ în relația 5, rezultă din convenția polarităților [6,7]. În acest caz, curentul I numai este 0 la tensiune nulă, ci, tinde către IL. Astfel, poate fi livrată energia electrică spre consumator. Caracteristica I/U se reprezintă în fig. 5, cu și fără iluminare.

Fig.5 – Caracteristica I – U a celulei solare (CS) cu și fără iluminare (partea de sus).

Um, Im și Pm sunt valorile la putere maximă

În figura (5), de asemenea, sunt determinate trei mărimi importante: UCD tensiunea de circuit deschis, Isc curentul de scurt circuit, identic cu IL, și punctul puterii maxime Pm unde, produsul I și U este maxim. Pm este punctul optim de funcționare al celulei solare. Tensiunea și curentul la Pm sunt Um, respectiv Im. Este evident, că celula solară ideală are o caracteristică care se aproprie de forma unui rectangular.

Factorul de umplere FF = Im Um / Isc UCD, va fi aproape de 1. Pentru celule solare de siliciu, factorul de umplere sunt peste 0,8, adică 80%. Din relația 5 se poate deduce importanța curentului de saturație I0. Tensiunea circuitului deschis se obține atunci când prin celulă nu trece curent [6,7].

Atunci:

(6)

Chiar la densități mici de curent termenul IL / I0 este mare în comparație cu 1, astfel,

, adică, tensiunea circuitului deschis este proporțională cu logaritmul raportului Isc de I0. Înseamnă că, deși I0 este o mărime foarte mică în comparație cu IL, scăderea curentului de saturație este foarte importantă în privința creșterii eficienței.

Există trei surse pentru I0: a) curent de scurgere al purtătorilor minoritari din emitor; b) curent de scurgere al purtătorilor minoritari din regiunea de bază și c) curentul de recombinare al sarcinilor spațiali.

Fig. 6 – Circuitul echivalent cu două diode

Circuitul echivalent al celulei solare, conține toate componentele relevante, și anume: sursa de curent h induce curentul IL și pe cele două diode de saturație ale curentului ID1 și ID2. Celelalte componente au natură rezistivă, un șunt paralel RP și o rezistență RS. Evident că, RP va avea rezistența mai mare iar RS cât mai mică.

2.3. Eficiența celulelor fotovoltaice

Eficiența de conversie este cea mai importantă în cazul celulelor solare. Se determină raportul dintre puterea electrică generată la ieșirea celulei și puterea radiantă care o iluminează:

(7)

unde FF – factorul de umplere

UmIm / UOCIsc

Fig. 7 – Tensiunea circuitului deschis și curentul de scurtcircuit în funcție de intensitatea radiației

2.4. Curentul de scurtcircuit

Curentul de scurtcircuit Isc este proporțional cu radiația solară, într-un domeniu larg (fig.7), precum și cu temperatura celulei. Temperatura, la celula cristalina de siliciu crește între 0,05 – 0,07 %/ K și în cazul modulului din siliciu amorf aceasta este 0,02 % )1 K corespunde de o diferență de temperatură de 1 C). Coeficientul mai mic de temperatură al modulului amorf este unul din motivele ca în lunile de vară de ce se folosesc mai mult modulele cristaline.

Fig.8 – Joncțiunea p – n

Efectul fotovoltaic poate fi explicat ușor cu o joncțiune p-n dintr-un semiconductor. După cum este cunoscut, într-un semiconductor neomogen format din două părți – una de tip „p” și alta de tip „n” – cu o joncțiune în planul x = 0, densitatea sarcinilor libere – goluri și electroni – nu mai este identică cu cea pe care ar avea-o separat fiecare tip de semiconductor. În apropierea joncțiunii are loc o difuzie a purtătorilor de sarcină majoritari dintr-o regiune în altă regiune, unde sunt minoritari. Se stabilește astfel o regiune cu sarcină spațială – pozitivă în regiunea „n” și negativă în regiunea „p” – în imediata apropiere a joncțiunii, restul semiconductorului rămânând neutru. Ca urmare apare un câmp electric imprimat (intern), Ei, orientat de la semiconductorul „n” către semiconductorul „p”, și deci, o barieră de potențial U0 între semiconductorii „n” și „p”.

Bariera de potențial se redă cu ajutorul relatiei:

U0 = Up + Un, (8)

unde, Up și Un sunt potențialele de difuzie pentru goluri și, respectiv, electroni, se opune trecerii purtătorilor majoritari dintr-o regiune în alta, favorizând însă trecerea purtătorilor minoritari. Se presupune că joncțiunea p-n este expusă unei radiații incidente (fig. 8), această radiație putând fi echivalentă cu un flux de fotoni având energia:

Wf = h (9)

unde

Wf – energia fluxului de foton

h – constanta lui Planck,

– frecvența radiației.

Fig.9 – Referitor la efectul fotovoltaic interior

Dacă energia unui foton este superioară amplitudinii energetice a benzii interzise din semiconductor (Wf WB), coliziunea fotonului cu un electron din banda de valență face ca electronul să treacă în banda de conducție, devenind liber în rețea și punând totodată în libertate un gol în rețea, corespunzător locului rămas liber în banda de valență. Acesta este efectul fotovoltaic (interior).

Dispozitivele în care se realizează conversia energiei luminoase în energie electrică prin efect fotovoltaic sunt denumite generatoare fotovoltaice. Generatoarele fotovoltaice elementare se numesc celule fotovoltaice sau fotocelule.

2.5. Celula fotovoltaică

Dacă generarea pe cale fotovoltaică a unei perechi electron – gol are loc în regiunea neutră, atunci purtătorii rezultați se vor separa printr-un proces de difuzie lentă și se vor recombina rapid. Sarcinile produse pe cale fotoelectrică în regiunea de trecere, însă, sunt separate pe seama câmpului electric imprimat; recombinarea acestor sarcini cu purtătorii opuși nu are loc, deoarece regiunea este practic lipsită de sarcină electrică liberă [5,7].

Apare astfel un curent Is prin joncțiune, determinat de conversia fotovoltaică a radiației incidente. Acest curent, circulând prin joncțiune dinspre materialul de tip „n”' spre materialul de tip „p”, duce la o cădere de tensiune directă U pe sarcina externă R conectată la borne. Tensiunea U la rândul ei, determină prin joncțiune un curent direct Id, de sens opus curentului de natură fotovoltaică. Curentul net prin joncțiune va fi dat de relația (10):

(10)

în care Io este intensitatea curentului de saturație la polarizarea inversă a joncțiunii, iar UT este tensiunea termică echivalentă temperaturii de funcționare a joncțiunii, definită prin relația:

(11)

unde:

k – constanta lui Boltzman;

T – temperatura absolută;

e – sarcina electronului.

Creșterea temperaturii duce la scăderea tensiunii maxime furnizată de celulă. La variații largi ale insolației, tensiunea maximă furnizată de fotocelulă variază în limite foarte înguste (acest fapt stă la baza aplicațiilor „sisteme de tensiune constantă”).

Ecuației (3.7) a caracteristicii curent – tensiune a unei celule FV corespunde schema echivalentă reprezentată în figura 10.a.

Dacă se ține seama și de rezistența ri de scurgeri prin izolația celulei precum și de rezistența rs a regiunilor neutre și a bornelor, se poate întocmi schema echivalentă completă a celulei FV (fig. 10 b), modificând corespunzător ecuația caracteristicii curent – tensiune. Cu toate tehnologiile actuale, însă, se obțin celule cu și , încât schema echivalentă simplificată este satisfăcătoare.

a) b)

Fig.10 – Schemele echivalente ale celulei fotovoltaice a) simplificată, b) complexă

Din ecuația (3.7) rezultă:

– la funcționarea în scurtcircuit (U = 0)

Isc = Is (12)

la funcționarea în gol (I = 0)

Ug = UT in (Is / I0 + 1) (13)

iar dacă Is >> I0 – ceea ce se întâmplă de obicei când nivelul de iluminare este suficient de ridicat – rezultă:

Ug UT ln (I / I0) (14)

În lipsa iluminării se obține:

(15)

ceea ce justifică denumirea dată curentului Id de „curent la întuneric” al fotocelulei.

Caracteristicile I-U ale unei celule fotovoltaice au aspectul din figura 11.

Fig.11 – Caracteristica curent–tensiune ale unei celule fotovoltaice

Curentul de scurtcircuit Is, respectiv tensiunea de mers în gol Ug ale unei celule sunt dependente de nivelul de iluminare. Valoarea maximă limită a tensiunii de mers în gol este egală cu U0 (bariera de potențial), care – pentru grade mai mari de impurificare a materialelor semiconductoare – se apropie de lățimea benzii interzise WB/e. În practică, însă – chiar la niveluri ridicate de iluminare – doar o tensiune maximă de cca. 0,5WB/e este disponibilă la bornele fotocelelei. Oricum, se poate trage concluzia că, folosind semiconductoare cu bandă interzisă mai largă, se obțin tensiuni mai mari la bornele fotocelulelor.

Semiconductoarele cu bandă interzisă utilizează doar o mică parte din fotonii incidenți, ceea ce are ca rezultat obținerea unui curent foarte scăzut. De aceea, pentru obținerea unor performanțe ridicate ale fotocelulei, trebuie aleasă o valoare de compromis a lățimii benzii interzise.

Pentru o putere radiantă incidentă Pr dată,

Pr = Ec Sc (16)

unde

Ec este densitatea de putere radiantă la suprafața celulei, iar

Sc este aria suprafeței active a celulei,

Puterea electrică cedată sarcinii R a unei fotocelule este:

(17)

valoarea maximă a acestei puteri se obține într-un punct M al caracteristicii I – U a celulei, ale cărei coordonate – rezultate din condiția P / U = 0 – sunt date de ecuațiile:

(18)

În cazul unei sarcini pasive, valoarea optimă a rezistenței de sarcină va fi

(19)

această valoare variază în limite largi cu nivele de iluminare.

O cifră de merit importantă pentru celulele fotovoltaice este așa numitul factor de utilizare, definit prin relația

(3.17)

Cea mai importantă cifră de merit a unei celule FV o constituie, insă, randamentul conversiei. În condițiile maximului puterii electrice debitate la borne, PM, randamentul conversiei este

(20)

unde

PM – puterea maximă

PR – puterea radiantă incidentă

2.6. Materiale și tipuri de celule fotovoltaice

Semiconductorul este format din atomi individuali, legate într-o structură regulată și periodică, formând un aranjament unde fiecare atom este înconjurat de 8 electroni. Un atom are un nucleu format din protoni (acestea sunt particule cu sarcină pozitivă) și neutroni (particule fără sarcină). Numărul de protoni și de neutroni este egal, astfel, atomul tot timpul are sarcină neutră. Electronii ocupă anumite nivele de energie, bazate pe numărul de electroni din atomul respectiv, care număr este diferit pentru fiecare element din tabelul periodic.

Materialele mai des folosite în construcția celulelor fotovoltaice destinate conversiei energiei solare în energie electrică sunt:

siliciul, cu avantajul unor randamente atinse de cca 19%, la temperaturi de funcționare relativ reduse (randamentul maxim teoretic la 0oC fiind 23%);

arseniura de galiu (GaAs), cu randamente obținute de cca 23% (randamentul maxim teoretic la 0oC fiind 27%), cu posibilități de utilizare la temperaturi mai ridicatesiliciul;

sulfura de cadmiu (CdS), cu randamente atinse de cca 8% (randamentul maxim teoretic la 0oC fiind 19%);avantajul unei lățimi mari a benzii interzise, WB, ceea ce o recomandă pentru aplicații la temperaturi mai ridicate;

telura de cadmiu (CdTe), cu randamente obținute de cca 7%; este, teoretic, materialul care ar da randament optim maxim (28%) dar pentru care tehnologia nu este suficient de pusă la punct.

Alte materiale utilizate sunt: germaniul, fosfura de indiu (InP), fosfura de galiu (GaP).

Pentru mărirea eficienței celulelor fotovoltaice, trebuie ținut seama de faptul că radiația solară are un larg spectru de frecvență și o mare varietate de energii fotonice. Cea mai promițătoare metodă pentru folosirea cît mai eficientă a întregului spectru al radiației solare este aceea care utilizează materiale semiconductoare cu niveluri de energie în banda interzisă. Electronii pot să fie atunci – pentru un timp oarecare – pe astfel de niveluri, ceea ce face disponibile mai multe valori ale energiei fotonilor pentru a genera purtători de sarcină liberi. O asemenea metodă ar ridica mult randamentul energetic al celulelor fotovoltaice.

O creștere a randamentului se obține și prin folosirea unor tehnologii adecvate, de exemplu, pentru realizarea contactelor (imprimarea sub formă de grilaj) și a unor acoperiri antireflectante (de regulă, cu pelicule de oxid de siliciu). Acoperirile antireflectante reduc pierderile prin reflexie de la cca. 30% la mai puțin de 10%, reflectivitatea mare a suprafețelor semiconductoare datorându-se valorii ridicate a indicelui de refracție, pentru majoritatea acestora.

Conversia energiei fotovoltaice în celule solare se realizează în două etape importante: prima etapă constă în absorbția luminii care generează perechea electron – gol, care vor fi separate, și anume, electronii către polul negativ, iar golul de borna pozitivă, astfel, generându-se energia electrică.

CAPITOLUL III.

INOVAȚII RECENTE ÎN EFICIENTIZAREA

PANOURILOR SOLARE FOTOVOLTAICE

Soarele, sursă inepuizabilă de energie, este folosită din ce în ce mai mult pentru obținerea de energie, fiind un pas important în diminuarea consumului de combustibili fosili care generează poluare și induc o politică injustă de prețuri și dependența față de aceste resurse. Descoperirile realizate în domeniul panourilor fotovoltaice au determinat evoluția tehnologiilor de captare și transformare a energiei solare în energie electrică și termică și care, în anii următori, vor duce la îmbunătățiri și mai mari ale eficienței captării energiei solare. Aceste descoperiri sunt: folia solară, geamuri solare, baloane solare, tuburi nano-voltaice și panourile solare în infraroșu, care vor fi prezentate în detaliu.

Fig. 12. Fermă cu panouri fotovoltaice

3.1. Folia solară

Folia solară (TFSC – thin-film solar cell) se obține prin depunerea unuia sau mai multor straturi nanometrice, dintr-un material fotovoltaic pe un substrat din plastic, sticlă sau metal. [9]

Fig. 13. Folia solară [9]

De obicei panourile solare sunt rigide, prevăzute cu celule cristaline siliconice cu proprietăți fotovoltaice. Însă ultimele cercetări în domeniul captării fotonilor au dus la apariția foliilor solare, ceea ce a permis transformarea panourilor mari și grele în folii subțiri și elastice. Pe lângă faptul că pot fi folosite mai ușor și în mult mai multe aplicații, foliile solare sunt și mai ieftin de produs și de comercializat. Eficiența foliilor solare a ajuns aproape de nivelul panourilor polisiliconice, preconizându-se că în doar câțiva ani panourile solare clasice vor fi înlocuite de folia solară.

3.2. Geamurile solare

Compania SolarWindow a inventat cea mai mică celulă fotovoltaică din lume, precum și o modalitate unică prin care stratul de mini-celule fotovoltaice poate fi pulverizat pe suprafața sticlei, fără complicații tehnologice. [9]

Fig. 14. Geam solar [9]

Această tehnologie, sticlă acoperită sau care are în componență un nou tip de strat cu proprietăți fotovoltaice promite o expansiune foarte rapidă. Sticla cu pulberi fotovoltaice transformă în energie electrică nu doar lumina soarelui, ci și lumina provenită de la alte surse, cum ar fi becurile fluorescente sau cu LED. Celula fotovoltaică măsoară aproximativ un sfert din dimensiunea unui bob de orez, dar este de așteptat ca în viitor să se ajungă la dimeniuni și mai mici, ceea ce va deschide oportunități de aplicare spre alte domenii de activitate. Tehnologia poate fi aplicată în cadrul clădirilor moderne de birouri sau al supermarketurilor, oferind o eficiență rezonabilă raportat la costuri.

3.3. Baloanele solare

În figură este prezentat un concentrator fotovoltaic (”balon solar”), care folosește materiale ieftine pentru obținerea unei eficiențe foarte mari în captarea energiei solare

Fig. 15. Baloane solare [9]

Acest tip de baloane folosește o idee destul de greu de pus în practică datorită costurilor ridicate: concentrarea energiei solare într-un punct. Prin folosirea unor materiale foarte ieftine (plastic argintiu, folosit la ambalare, de exemplu), se pot construi baloane, cum este exemplul celor realizate de CoolEarth [9]. Acestea sunt umplute cu aer și, printr-un design inteligent, concentrează lumina soarelui pe o celulă fotovoltaică, care ajunge să genereze de 30 de ori mai multă energie decât o celulă obișnuită. Cu ajutorul acestor concentratoare fovoltaice, se pot realiza centrale solare la prețuri mult mai reduse și utilizându-se mai puține materiale scumpe.

3.4. Panourile solare în infraroșu

Deocamdată, utilizarea spectrului invizibil al luminii pentru transformarea în energie electrică este o problemă de rezolvat într-un viitor incert. În mod normal, actualele tehnologii pentru captarea energiei solare sunt gândite pentru spectrul solar al luminii – însă cum ar fi dacă am putea capta și energia în infraroșu sau ultravioletele, adică lumina invizibilă ochiului uman și care reprezintă mai mult de jumătate din energia solară?

Fig. 16. Spectrul electromagnetic [10]

Pași promițători în această direcție sunt făcuți prin utilizarea unor semiconductori pe bază de titaniu și vanadiu, care ar putea crește eficiența panourilor solare datorită absorbției mai mari cu 20%.

3.5. Tuburile nanovoltaice

În imagine sunt prezentate fibre microscopice având proprietăți fotovoltaice superioare de captare a energiei solare în comparație cu tehnologiile actuale.

Fig. 17. Nanotuburi fotovoltaice sub forma unor fibre microscopice [9]

În domeniul captării energiei solare aportul nanotehnologiei are ca rezultat utilizarea nanofibrelor cu lungimi de circa 5 microni și grosimi cuprinse între 10 și 100 nanometri, cu ajutorul cărora se poate capta enegia solară cu un randament mult mai mare decât cu panourile solare actuale. Eficiența estimată este de 40% prin utilizarea acestor nanotuburi pe bază de carbon, ceea ce este de peste patru ori mai mult decât eficiența de 6-9% a tehnologiei foliilor solare. În capitolul următor vom aprofunda această inovație, analizând descoperirile realizate, avantajele față de tehnologiile actuale și câteva perspective de aplicare în industrie și nu numai a nanotehnologiilor utilizate la fabricarea celulelor solare.

CAPITOLUL IV

ANALIZA NANOTEHNOLOGIILOR UTILIZATE LA

REALIZARE CELULELOR SOLARE REALIZATE DIN CARBON

4.1. Grafenul și nanotubul de carbon. Definiții

Nanotuburile de carbon (CNT) sunt structuri cilindrice realizate din carbon cu proprietăți electrice și mecanice unice realizat dintr-un strat de grafen (aranjament bidimensional de atomi de caron dispuși într-o rețea hexagonală) rulat și transformat într-un cilindru. Acestea sunt molecule mezoscopice mari (grafene) care au lungimea de câțiva milimetri și un diametru mai mic decât un nanometru. Nanostructura prezentată are în ultimele două decenii o multitudine de aplicații inovative și îndrăznețe.

În prezent se descoperă noi proprietăți fizice ale nanostructurilor de carbon care sunt dezbătute cu interes de lumea academică a cercetătorilor științifici. Ceea ce face ca nanotuburile să fie interesante și dificile în același timp este faptul că are o gamă foarte largă de proprietăți electrice, termice și structurale care se modifică în funcție de tipul nanotuburilor. Aceste propietăți sunt de obicei date de diametru, lungime și chiralitate (proprietatea unor molecule de a admite aranjări diferite ale elementelor structurale. Două molecule chirale sunt două molecule care au aceeași compoziție chimică, dar sunt aranjate „în oglindă”, astfel că nu pot fi suprapuse) în timpul dezvoltării lor.

În practică există mai multe tipuri de nanotuburi. Acestea pot fi cu un singur strat (SWNTs) sau cu mai multe straturi (MWNTs) și pot dobândi proprietățile materialelor conductoare sau semiconductoare în funcție de procesul de creștere. [15]

Figura 18: Nanomateriale de carbon utilizateîn construcția celulelor solare pe bază de carbon

a) foi de grafen (bidimensional), b) nanotuburi de carbon și c) fulerena [15]

Fulerenele sau "C60" reprezintă o clasă de compuși de atomi de carbon, care prezintă per ansamblul structurii fie forme sferice de tip dom geodezic (C60, C540), fie forme cilindrice de "tip cușcă" (nanotuburile). Această clasă de substanțe este considerată, alături de carbonul amorf, grafitul și diamantul o formă alotropică distinctă a carbonului (alotropia este proprietatea de a lua mai multe forme atunci când atomii sunt așezați în funcție de legăturile chimice). Din punct de vedere al legăturilor chimice dintre atomii de carbon constituenți, fulerenele sunt înrudite structural cu grafitul.

Grafenul este realizat din grafit care are rețeaua cristalină formată dintr-un singur strat atomic de electroni. În trecut se credea că nu pot exista cristale bidimensionale, cum este grafenul, deoarece se considera că sunt instabile termodinamic și se topesc când sunt izolate. Andrew Geim și Konstantin Novoselov în 2004 au izolat cu succes un singur strat de grafit și datorită stabilității sale (este stabil chiar și la câteva sute de grade Celsius) au reușit să realizeze măsurători pentru a explora propietățile sale unice, fiind recompensați cu premiul Nobel pentru fizică în 2010 [21].

De atunci cercetările asupra grafenului au crescut exponențial datorită pe de o parte datorită ușurinței prin care poate fi izolat și pe de altă parte pentru proprietățile fizice numeroase unice și interesante. Pentru prima oară grafenul a fost izolat luând o bucată de grafit cristalină de calitate foarte bună și separarea straturilor utilizând o bandă de Scotch. Ultimul strat de grafit de pe banda de Scotch este presat pe un substrat de silicon și desprins de pe aceasta. Acest procedeu duce la mai multe bucăți de grafit și grafen de diferite grosimi utilizând substraturi de 300nm de SiO2 (dioxid de siliciu) [3,4]. Astfel se realizează un contrast optic puternic între grafen și substrat chiar dacă grafenul are grosimea unui atom (foarte mică) și poate fi identificat rapid și pot fi obținute probe de grafen de calitate superioară fără a avea nevoie de o instalație specifică profesională de laborator.

Dezavantajul major al acestei metode este că nu există nici un control asupra formei, mărimii și locația pieselor de grafen, ceea ce înseamnă că înainte de a putea fi măsurat și analizat este necesa mult timp și resurse pentru a–l găsi, izola și ulterior modelat pentru a putea fi utilizat în scopul propus. Una dintre metodele noi de succes în obținerea grafenului este prin depunere chimică de vapori.

Ușurința cu care grafenul poate fi produs reprezintă motivul pentru care este atât de popular în cercetările recente. Un alt motiv sunt proprietățile fizice unice care sunt date de forma bidimensională a grafenului. Grafenul este impermeabil pentru gaze și lichide, dar permite trecerea protonilor, proprietate ce poate revoluționa tehnologia de producere a pilelor de combustie.

Compus din atomi de carbon dispuși într-o rețea asemănătoare unui fagure, de grosimea unui atom, grafenul funcționează ca o barieră foarte eficace, în cazul în care nu este perforat, ceea ce oferă numeroase aplicații interesante în domeniul tratamentelor anticorozive și al ambalajelor impermeabile.

Hidrogenul, cel mai mic dintre atomi, alcătuit dintr-un proton și un electron, are nevoie de foarte mult timp, echivalentul întregii vârste a Universului, pentru a putea trece printr-o foiță de grafen.

În schimb nanomaterialul din carbon permite cu ușurință trecerea protonilor, particule subatomice care intră în alcătuirea nucleului atomilor, mai ales la temperaturi înalte. Această proprietate face ca grafenul să fie un bun candidat pentru a fi utilizat ca o membrană conductoare de protoni, element foarte important în tehnologia pilelor de combustie.

"Această descoperire poate revoluționa acumulatorii electrici și alte tehnologii bazate pe hidrogen pentru că are nevoie de o barieră pe care doar protonii – atomi de hidrogeni cărora li s-au îndepărtat electronii – o pot depăși", potrivit unui comunicat publicat miercuri de Universitatea din Manchester, Marea Britanie. Cercetătorii, printre care se află și Andre Geim, au publicat descoperirea științifică într-un studiu apărut miercuri în revista britanică Nature [17].

Pilele de combustie permit producerea de electricitate folosind hidrogen și oxigen. Această tehnologie, care este considerată ecologică fiindcă nu are produși secundari poluanți, este de mare interes pentru industria de automobile și are nevoie de îmbunătățiri, în prezent tehnologiile convenționale fiind extrem de scumpe.

În concluzie fulerenele, nanotuburile de carbon și grafenul au proprietatea de a avea o cunductibilitate foarte bună fiiind în același timp și transparente, fiind candidații perfecți pentru electrozi transparenți de sine stătători sau combinați în compuși cu alte materiale conductive utilizate în prezent în alte tehnologii actuale de producere a energiei electrice din energia solară.

4.2. Stocarea energiei solare utilizând nanomaterialele pe bază de carbn

O nouă aplicație dezvoltată de cercetătorii de la MIT este utilizarea nanotuburilor de carbon la stocarea energiei solare, care va putea fi folosită în momentul în care este necesară consumul acestei energii stocate [11, 14].

Nanotuburile de carbon modificate pot păstra căldura soarelui pe termen nedeterminat, apoi pot fi reîncărcate prin expunere la soare.

Păstrarea căldurii Soarelui într-o formă chimică, cum este cazul de față, în comparație cu transformarea acestei energii în electricitate sau păstrarea într-un recipient bine izolat, are avantaje semnificative, din moment ce, în principiu, materialul chimic poate fi păstrat pentru perioade lungi de timp fără să se piardă o cantitate semnificativă din energie. Dezavantajul acestei metode au fost: substanțele necesare pentru efectuarea acestei conversii și stocări fie s-au degradat după câteva cicluri, fie includeau elementul chimic ruteniu, care este foarte rar și extrem de scump.

În anul 2010, profesorul asociat Jeffrey Grossman de la MIT și patru coautori și-au dat seama exact cum diruteniu fulvalena – cunoscută de savanți ca cea mai bună substanță pentru stocarea reversibilă a căldurii solare, din moment ce nu se degradează – a putut realiza această performanță [11]. Grossman a spus atunci că înțelegerea mai bună a acestui proces poate ușura căutarea altor compuși, făcuți din materiale ușor de găsit și ieftine, care ar putea fi folosiți în același fel [14].

Acum, el și Alexie Kolpak au reușit acest lucru. Un articol ce descrie noile descoperiri a fost publicat online în revista Nano Letters [11, 14].

Fig. 19. Stocarea reversibilă a căldurii solare [14]

Noul material descoperit de Grossman și Kolpak este creat folosind nanotuburi de carbon, minuscule structuri tubulare de carbon pur, în combinație cu un compus numit azobenzen. Moleculele rezultate, produse cu ajutorul unor șabloane la scară nanometrică pentru a se forma și menține structura fizică dobândesc “proprietăți inexistente” la materialele separate, spune Grossman [11, 14].

Acest nou sistem chimic nu este doar mai ieftin decât compușii precedenți ai ruteniului, ci este și mult mai eficient pentru stocarea energiei într-un spațiu dat – aproximativ de 10000 de ori mai mare ca densitate volumetrică de energie, spune Kolpak – făcând densitatea de energie comparabilă cu cea a bateriilor litiu-ion. Folosind metode de fabricare la scară nanometrică, “poți controla interacțiunile [moleculelor], mărind cantitatea de energie pe care o pot stoca și perioada de timp pentru care poate fi păstrată aceasta – și cel mai important, le poți controla pe ambele în mod independent”, spune ea.

Stocarea termochimică a energiei solare folosește o moleculă a cărei structură se schimbă când este expusă la lumina Soarelui și poate rămâne stabilă în acea formă pe o perioadă nelimitată. Apoi, sub acțiunea unui stimul – un catalizator, o schimbare mică de temperatură, un flash luminos – poate reveni rapid la forma inițială, eliberând energia stocată într-o explozie de căldură. Grossman [11,14] descrie procesul ca pe cel al producerii unei baterii reîncărcabile cu durată lungă de viață, ca o baterie convențională.

Unul dintre marile avantaje ale acestei abordări a valorificării energiei solare, spune Grossman [11,14], este că simplifică procesul prin combinarea recoltării și stocării într-un singur pas. “Ai un material care și convertește, și stochează energia”, spune el. “Este robust, nu se degradează și este ieftin.” O limitare ar fi, totuși, faptul că, deși acest proces este folositor pentru aplicațiile legate de încălzire, pentru producerea de electricitate ar fi nevoie de o altă etapă de conversie, utilizând dispozitive termoelectrice sau producând aburi pentru a pune în funcțiune un generator.

În timp ce noua lucrare arată capacitatea unui anumit tip de moleculă de a stoca energia – nanotuburi de carbon activate cu azobenzen – Grossman spune că modul în care materialul a fost gândit implică “un concept general care poate fi aplicat multor materiale noi”. Multe dintre acestea au fost deja sintetizate de către alți cercetători pentru diferite aplicații și ar avea nevoie doar să li se ajusteze proprietățile pentru stocarea de energie [11, 14].

Cheia controlului asupra stocării termice solare este o barieră de energie ce separă cele două stări stabile pe care le pot adopta moleculele; înțelegerea detaliată a acelei bariere a fost hotărâtoare pentru cercetarea lui Grossman asupra substanței numite diruteniu fulvalenă, în legătură cu stabilitatea sa pe termen lung. Dacă bariera este prea mică, o moleculă se va întoarce prea ușor în starea sa “neîncărcată”, neputând să păstreze energia pentru perioade lungi; dacă bariera este prea mare, molecula nu ar putea să elibereze energia atunci când este nevoie. “Bariera trebuie optimizată”, spune Grossman [11, 14].

Echipa deja “analizează activ noua gamă de materiale”, spune el. Cu toate că au identificat acest material promițător descris mai sus, spune: “Consider aceasta ca vârful iceberg-ului. Suntem destul de încântați de această idee.”

Yosuke Kanai, profesor asistent de chimie la Universitatea Carolina de Nord la Chapel Hill, spune că “ideea de stocare reversibilă a energiei solare în legături chimice primește multă atenție în momentul de față. Noutatea acestei lucrări este dată de modul în care acești autori au arătat că densitatea de energie poate fi mărită semnificativ prin utilizarea de nanotuburi de carbon ca șabloane la scară nanometrică. Această idee inovatoare deschide și o cale interesantă pentru ajustarea moleculelor fotoactive deja cunoscute pentru combustibil termal solar și stocare în general.” [17]

4.3. Celulele nanovoltaice realizate exclusiv din carbon

Un grup de cercetători științifici de la Universitatea din Stanford condus de Zhenana Bao au realizat prima celulă solară realizată în întregime din carbon, o alternativă promițătoare datorită costului scăzut de fabricație în comparație cu materialele scumpe folosite în prezent în echipamentele și instalațiile fotovoltaice [12], [23].

Prototipul de folie subțire transparentă realizată din carbon pot fi o soluție viabilă a materialelor realizate din silicon care sunt utilizate în prezent la realizarea panourilor solare fotovoltaice. În viitor se dorește realizatea de celule solare flexibile din carbon care vor putea fi montate pe clădiri sau geamurile de la mașini pentru a genera energie electrică, la un preț mult sub cea din prezent, așa cum afirmă coautorii Michael Vosgueritchian, absolvent la Standford împreună cu profesorul Marc Ramuz [23]. Dezavantajul celulelor solare din silicon este că necesită multe etape până la finalizarea procesului de producție, ceea cel face să fie scump, în comparție cu metoda foarte simplă de realizare a nanomaterialelor din carbon care nu nencesită instalații sau utilaje specifice scumpe.

4.3.1. Nanomaterialele utilizate la realizarea celulelor solare fotovoltaice

Celulele solare realizate de echipa de cercetători condusă de Bao sunt realizate dintr-un strat fotoactiv care absoarbe lumina plasat între doi electrozi (ca un sandwich). În schimb pentru realizarea unei celule solare convenționale electrozii sunt realizați din metale conductoare și oxid de indiu și staniu (ITO) [16]. Indiul este un material rar care devine tot mai scump datorită cererilor tot mai mari din industria fabricării celulelor solare, a ecranelor tactile (touchscreen) și a altor dispozitive electronice. Pe de altă parte carbonul poate fi obținut la un preț mic și este abundent pe pământ.

Fig. 20. Celulele solare realizate dintr-un strat fotoactiv, care absoarbe lumina, plasat între doi electrozi [12]

Astfel cercetătorii de la Stanford au înlocuit electrozii clasici din argint și oxid de indiu și staniu cu grafen și nanotuburi de carbon cu un singur strat care este de 10000 de ori mai mic decât un fir de păr având proprietăți foarte bune de conductivitate electrică (conductibilitate electrică specifică) și absorbție a luminii [17].

Oamenii de știință au utilizat pentru stratul activ un material realizat din nanotuburi de carbon și molecule de carbon sub forma unei mingi de fotbal (fulerene) având diametrul de doar un nanometru.

Fig. 21. Nanotuburi de carbon și fulerene [12]

Inovația constă în faptul că, în comparație cu alte metode de realizare a celulelor solare din nanomateriale de carbon, nu doar stratul activ ci și electrozii sunt realizați din carbon. Dezavantajul acestei celule solare din carbon este că puterea de absorbție este foarte mică datorită funcționării doar în spectrul infraroșu, cu un randament sub 1% (aproximativ 0,06%), mult mai mic decât celulele solare din prezent (un randament de 12% pentru celulele solare cu cu sensibilizatori pe bază de coloranți și 25% pentru celulele solare realizate din semiconductori cristalini) dar în viitor se preconizează o creștere exponențială a eficienței celulelor solare realizate în întregime din carbon.

Fig. 22. Celula solară realizată din nanomateriale de carbon [18]

Această eficiență redusă se datorează stării brute a celulei solare din carbon care determină scurt-circuitareadispozitivului și face dificilă colectarea curentului electric. Prin urmare straturile de carbon trebuie să fie foarte neted pentru a putea așeza nanomaterialul cât mai bine posibil. De asemenea se dorește ca aceste celule inovative să funcționeze și în alte lungimi de undă, inclusiv spectrul vizibil.

Avantajul major al acestui material este stabiltatea în mediul ambiant și la temperaturi de până la 600oC, fiind capabile să funcționeze în condiții extreme cum ar fi temperaturi foarte înalte și stres fizic ridicat.[18]

4.3.2. Aspecte privind obținerea celulelor solare din nanomateriale de carbon

În ciuda proprietăților remarcabile de conducție electrică nanomaterialele pe bază de carbon pau fost testate doar ca și componente individuale la realizarea panourilor solare. De exemplu, nanotuburile de carbon și grafenul sunt potențiali candidați pentru înlocuirea oxidului de indiu și staniu ca și anod transparent. Oxidului de indiu și staniu este scump datorită cererii foarte mari în industria panourilor solare și a ecranelor tactile și de asemenea datorită rezervelor de zăcământ de indiu.

Nanotuburile de carbon și grafenul sunt încorporate în anodul celulelor solare organice. În unele cazuri au fost raportate îmbunătățiri ale eficienței conversiei de energie electrică din energie solară. Rolul nanotuburilor de carbon este incert în componența celulelor solare fiind utilizat atât ca și conductori cât și semiconductori. Pe de altă parte, fulerena este de cele mai multe ori utilizat ca și acceptor de electroni în celulele solare organice. Până în prezent nici un alt material organic nu a fost găsit ca acceptor de electroni care să ajungă la randamentul de conversie al energiei solare în energie electrică al fulerenei.

Figure 23: Structuri ale celulelor solare realizate în întregime cu nanomateriale de carbon [18]:

a.) structura clasică verticală care poate fi realizată și invers – catodul în contact cu substratul

b.) structura orizontală optimă pentru nanotuburile de carbon cu un singur strat sau pentru microstraturile suprapuse de C60 (fuleren)

Arhitectura propusă pentru celulele solare realizate în întregime din carbon sunt prezentate în figura de mai sus. Structura verticală (figura 23.a) folosește la anod electrodul transparent realizat din nanotuburi de carbon sau grafen. Razele solare vor fi absorbite de către nanotuburile de carbon semiconductoare (cu un singur strat) pentru a genera excitoni (perechi electron-gol). Aceștia vor fi divizați la interfața acceptoare dintre nanotuburile de carbon și fuleren sau derivați de C60/C70, generând electroni și goluri, putându-se forma și alți excitoni îe stratul acceptor, mai ales atunci se folosește derivați de carbon C70 care absorb mai multă lumină decât derivații de carbon C60. Electronii generați vor fi transferați către fulerene (având forma domului geodezic al lui Richard Buckmiester Fuller) în timp ce golurile rămân în nanotuburile de carbon. Electronii se vor deplasa spre catodul fotocatalizatorul dopat cu azot. În plus dispozitive orizontale (figura 23.b) sunt realizate pentru a profita de avantajul proprietăților excepționale de conductibilitate electrică a nanotuburilor de carbon aliniate cu un singur perete (strat) și/sau a fulerenelor. Există în practică și structuri similare orizontale de celule solare din nanofire unidimensionale (Briseno et al.) [4].

În viitor tendința cercetărilor este de a dezvolta produse semiconductoare pe bază de carbon cu proprietăți și randament superior celor actuale, putându-se aplica și altor dispozitive semiconductoare, cum ar fi tranzistorii, senzorii și fotodetectoarele. Semiconductorii de tip n sau p realizați din nanomateriale de carbon au o importanță deosebită asupra celulelor solare pe bază de carbon și/sau organice, precum și asupra diodelor organice emițătoare de lumină (OLED) și a dispozitivele electronice organice [19].

Obiectivul major al cercetărilor viitoare este acela de a proiecta celule solare pe bază de nanomateriale de carbon care să poată absorbi nu numai radiațiile ultraviolete ci și radiațiile solare din spectrul vizil și infraroșu. Astfel randamentul celulelor va crește substanțial oferind premiza înlocuirii cu succes a celulelor solare clasice realizate din silicon.

CONCLUZII

O cantitate de energie uriașă ne parvine de la soare, dar vara toată căldura intră în camera pe care încercăm s-o menținem răcoroasă iar iarna, este exact invers: încălzim spațiul din interior, iar căldura se pierde prin fereastră.

Un material care poate face ca fereastra să reflecte căldura înapoi spre interiorul camerei dacă este nevoie sau să fie reflectată spre afară, înainte să intre în încăpere este un material remarcabil, carbonul, care-și schimbă structura printr-o reacție în care grafitul este sublimat de un jet de vapori, în urma reacției vaporii de carbon recondensează, se solidifică într-o structură diferită: o rețea hexagonală tubulară. Dar această rețea hexagonală de carbon, numită nanotub de carbon, este de 100.000 de ori mai subțire decât firul de păr, este de o mie de ori mai conductiv decât cuprul deoarece la scară nanometrică materialele arată și se manifestă foarte diferit. Carbonul este de obicei negru dar carbonul, la scară nanometrică, este transparent și flexibil. În această formă structurală dacă se combină cu un polimer și este aplicat pe fereastră, când este în starea sa colorată va reflecta toată căldura și lumina, iar în faza transparentă va lăsa toată lumina și căldura să treacă, cu orice faze intermediare posibile. Pentru a-i schimba faza este nevoie de un impuls de 2 volți timp de o milisecundă. Odată schimbată starea, și-o menține până când o vom schimba din nou printr-un alt impuls electric.

Să ne imaginăm că n-ar trebui să depindem de iluminarea artificială ca să circulăm noaptea. În prezent este în curs de cercetare un dispozitiv realizat din două materiale nanometrice transparente sub forma unei pelicule: un detector și un imager. Lățimea totală este de 600 de ori mai mică decât lățimea decimetrului. Preia toate undele infraroșii disponibile noaptea, le convertește în electroni în spațiul dintre cele două pelicule și prin acesta se poate vizualiza o imagine în întuneric.

Combinarea acestui dispozitiv care preia radiațiile infraroșii – lungimile de undă –și le transformă în electroni cu pelicula descrisă anterior realizată din nanotuburi de carbon, instantaneu vom putea transforma energia în electroni, pe o suprafață de plastic, pe care o poți lipi pe fereastră, si pentru că este flexibilă poate fi aplicată pe orice suprafață. Centrala electrică de mâine nu este o centrală, azi cea mai bună alternativă pe care o avem pentru stocarea energiei electrice, este inveția realizată în Franța acum 150 de ani: bateria acidă cu plumb, care perspectiva cost/eficiență este tot ce avem mai bun la ora actuală.

Pentru a elimina varianta depozitării a 50 de baterii pentru a stoca energie, a fost conceput eBox care testează nanomateriale noi pentru stocarea electronilor la exterior pe un termen nelimitat și să-i elibereze și să-i transfere atunci când vom avea nevoie [16]. Asta ar înseamna că orice persoană fizică poate genera energie fără poluare, eficient și ieftin chiar în locul în care trăiește. În cazul în care această energie nu este necesară în momentul generării poate convertită înapoi pe fereastră în energie luminoasă, care poate fi trimisă direcționat către o altă clădire care are nevoie de energie electrică, nefiind necesară de o rețea electrică națională.

Fig. 24. Instalația eBox: testează nanomateriale noi pentru stocarea și eliberarea energiei electrice [16]

Rețeaua viitorului este de fatpt fără rețea iar energia, nepoluantă și eficientă, va fi într-o zi gratuită. În cazul în care se va realiza acest proiect vom obține apa la un preț foarte mic. Se preconizează ca în viitorul apropiat resursele de apă să se diminueze substanțial, fiind necesară obținerea apei din mare, necesitând instalații de desalinizare. Costul realizării acestui deziderat va fi de 19 trilioane de dolari, fiind necesare în același timp cantități uriașe de energie electrică. Într-o lume în care energia este liberă, ușor de transmis și ieftin, vom putea lua orice apă, oriunde ne aflăm, s-o transformăm în orice avem nevoie. Astfel vom proteja mediul înconjurător și vom avea energie electrică la costuri foarte mici, generată pe ferestrele clădirilor și redirecționată spre alți consumatori fără a utiliza o rețea electrică existentă.

BIBLIOGRAFIE

Alcubilla, R., Pons J. and Castaner, L., 1992. Superposition solution for minority carrier current in the emitter of bipolar devices, Solid State Electronics, Vol. 35, pp. 529-533.

Anderson, R.L., 1962. Experiments on Ge-As heterojunctions, Solid State Electronics, Vol. 5, pp. 341-351.

Becerril, H. A., et al., ACS Nano 2008, 2, 463-47.

Briseno, A. L,. et al., Nano Letters, 10, 334-340.

Chenni R., M. Maklouf, T. Kerbache, A. Bouzid, A detailed modelling for photovoltaic cells, Solar Energy 32, 2007

Dănescu Al., Bucurenciu S., Petrescu St., Utilizarea energiei solare, Ed. Tehnică, București, 1980

Goetzberger A. V.U. Hoffmann, Photovoltaic Solar Energy Generation, Springer Series in Optical Sciences, 2005

Guldi, D. M.; Sgobba, V. Chemical Communications, 47, 606-610.

http://ecoprofit.ro/top-5-inovatii-pentru-panourile-solare-fotovoltaice/

http://panouri-radiante.biz/ro/principiul-de-functionare

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl201357n

http://www.designrevolution.org/carbon-nanotubes-combined-buckyballs-produce-cheap-solar-cells

http://www.gadgetreport.ro/gadget/ferestrele-inteligente-vor-capta-energia-solara/

http://www.google.com/patents/WO2012177320A1?cl=en

http://www.meso.northwestern.edu/research/carbon-nanotubes-and-graphene

http://www.nanoholdings.com/portfolio-items/nradiance-nanosystems/?portfolioID=117

http://www.nature.com/news/andre-geim-graphene-s-buzz-has-spread-1.17861

http://www.rsc.org/chemistryworld/2012/11/all-carbon-solar-cell-graphene-nanotubes

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702108700555

http://www.scientificamerican.com/article/geim-novoselov-physics-novel/

http://www.sistemeeco.ro/harta_verde.html

http://www.understandingnano.com/solar-cell-graphene-nanotubes-buckballs.html

Kalogirou S., 2009, Solar Energy Engineering: processes and systems, Permissions may be sought directly from Elsevier’s Science & Technology Rights Department in Oxford, UK

Kumar, A.; Zhou, C. W., ACS Nano, 4, 11-14.

www.issues.org

http://www.sistemeeco.ro/harta_verde.html