miniatura|Cel·la fotovoltaica solar policristal·lina de quatre polzades
miniatura|Símbol de la cel·la fotovoltaica Una cel·la fotovoltaica, també anomenada cèl·lula fotovoltaica o cèl·lula solar és un dispositiu electrònic que permet transformar, mitjançant l'efecte fotovoltaic, l'energia solar en energia elèctrica, o més específicament, l'energia lluminosa (fotons) en electricitat (electrons).
Els compostos d'un material que presenta efecte fotovoltaic absorbeixen fotons de la llum i emeten electrons. Quan aquests electrons lliures són capturats, el resultat és un corrent elèctric que pot ser utilitzat com electricitat. Un grup de cel·les fotoelèctriques per a energia solar és conegut com a panell fotovoltaic, consisteix en una xarxa de cel·les solars connectades en circuit en sèrie per augmentar la tensió de sortida a la vegada que es connecten diverses xarxes en circuit en paral·lel per augmentar el corrent elèctric que és capaç de proporcionar el dispositiu. El tipus de corrent elèctric que proporciona és corrent continu.
L'eficiència de conversió mitjana obtinguda per les cel·les disponibles comercialment produïdes a partir de silici monocristal·lí és inferior a la de les cel·les multicapa, normalment d'arsenur de gal·li. Actualment hi ha també noves tecnologies en la producció dels panells solars que no utilitzen el silici, per exemple amb els semiconductors tel·lurur de cadmi, arsenur de gal·li i diseleniur de coure en indi.
Al grup o matriu de cel·les fotovoltaiques emprat per captar l'energia solar rep el nom de panell fotovoltaic. Els panells fotovoltaics consisteixen en una xarxa de cèl·lules solars connectades en sèrie per augmentar la tensió de sortida fins al valor desitjat (normalment s'utilitzen 12V o 24V) a la vegada que es connecten diverses xarxes en paral·lel per augmentar el corrent elèctric que és capaç de proporcionar el dispositiu.
El tipus de corrent elèctric que proporcionen és corrent continu, per tant si es necessita corrent altern o es vol augmentar la diferència de potencial, caldrà afegir-hi un inversor i/o un convertidor.
Principi de funcionament En un semiconductor exposat a la llum, un fotó d'energia arrenca un electró, creant en passar un forat. Normalment, l'electró troba ràpidament un forat per tornar a omplir-lo, i l'energia proporcionada pel fotó es dissipa. El principi d'una cel·la fotovoltaica és obligar els electrons i als forats a avançar cap al costat oposat del material en comptes de recombinar-se: així, es produirà una diferència de potencial i, per tant, una tensió entre les dues parts del material, com passa en una bateria elèctrica.
Per a això, es crea un camp elèctric permanent, a través d'una unió PN, entre dues capes dopades P i N respectivament: lang=ca|miniatura|Estructura d'una cel·la fotovoltaica La capa superior de la cel·la es compon de silici dopat tipus N.Una petita proporció d'àtoms de silici se substitueix per un element de valència superior a la taula periòdica, és a dir, que tingui més electrons en la seva capa de valència que el silici. Ja que el silici té 4 electrons en la seva capa de valència: es poden utilitzar elements del grup del nitrogen, per exemple, el fòsfor. En aquesta capa, hi ha un nombre d'electrons lliures més gran que a una capa de silici pur, d'aquí el nom del dopatge N, com a càrrega negativa (electrons). El material és elèctricament neutre: és la xarxa cristal·lina la que té globalment una càrrega positiva.
La capa inferior de la cel·la es compon de silici dopat tipus P.Un element de valència més petita que el silici, pot ser el bor o un altre element de la columna 13 Aquesta capa té per tant una quantitat mitjana d'electrons lliures menor que una capa de silici pur, els electrons estan lligats a la xarxa cristal·lina que, en conseqüència, està carregada positivament. La conducció elèctrica està assegurada pels forats, positius (P).
En el moment de la creació de la unió PN, els electrons lliures de la capa N entren a la capa P i es recombinen amb els forats en la regió P. Hi haurà així durant tota la vida de la unió, una càrrega positiva en la regió N al llarg de la unió (perquè falten electrons) i una càrrega negativa a la regió a P al llarg de la unió (perquè els forats han desaparegut), el conjunt forma la zona de càrrega d'espai i hi ha un camp elèctric entre les dues, de N a P. Aquest camp elèctric fa de la zona de càrrega d'espai un díode, que només permet el flux de corrent en una direcció: els electrons poden moure's de la regió P a la N, però no en la direcció oposada i per contra els forats no passen més que de N a P.
En funcionament, quan un fotó arrenca un electró a la matriu, creant un electró lliure i un buit, sota l'efecte d'aquest camp elèctric cada un va en direcció oposada: els electrons s'acumulen en la regió N (per a convertir-se en pol negatiu), mentre que els forats s'acumulen en la regió dopada P (que es converteix en el pol positiu). Aquest fenomen és més eficaç en la zona de càrrega d'espai, on gairebé no hi ha portadors de càrrega (electrons o forats), ja que són anul·lats, o en la proximitat immediata a la zona de càrrega d'espai: quan un fotó crea un parell electró - buit, es van separar i és improbable que trobin al seu oposat, però si la creació té lloc en un lloc més allunyat de la unió, l'electró (convertit en buit) manté una gran oportunitat per recombinar abans d'arribar a la zona N (resp. la zona P). Però la zona de càrrega d'espai és necessàriament molt prima, així que no és útil donar un gran gruix a la cel·la.Se li pot donar una forma ondulada per augmentar la superfície activa
En resum, una cel·la fotovoltaica és l'equivalent d'un Generador d'Energia a la que hem afegit un díode.
Cal afegir contactes elèctrics (que permetin passar la llum: en la pràctica, mitjançant un contacte de reixeta, una capa antireflectant per garantir la correcta absorció de fotons, etc.
Perquè la cel·la funcioni, i produeixi la potència màxima de corrent s'hi afegeix la banda prohibida dels semiconductors a nivell d'energia dels fotons. És possible augmentar les unions per tal d'explotar al màxim l'espectre d'energia dels fotons, el que produeix les cel·les multi-juntes.
Tècnica de fabricació El silici és actualment el material més habitual per a la fabricació de cel·les fotovoltaiques, anomenades cel·les fotovoltaiques de silici. S'obté per reducció de la sílice, compost més abundant en l'escorça de la Terra, en particular en la sorra o el quars. El primer pas és la producció de silici metal·lúrgic, pur al 98%, obtingut de trossos de pedres de quars provinents d'un filó mineral (la tècnica de producció industrial no parteix de la sorra). El silici de qualitat fotovoltaica ha de ser purificat fins a arribar a més de 99,999%, que s'obté mitjançant la conversió del silici en un compost químic que es destil·la i després torna a transformar-se en silici. El procés genera gasos tòxics.neoteo.com
El silici es produeix en barres anomenades «lingots» de secció rodona o quadrada. Aquests lingots són després tallats en làmines primes quadrades (si cal) de 200 micròmetres de gruix, anomenades «oblies». Després del tractament per a la injecció de l'enriquit amb dopant (fòsfor, arsènic, antimoni o bor) i obtenir així els semiconductors de silici tipus P o N, les oblies són «metal·litzades»: unes cintes de metall s'incrusten a la superfície i es connecten a uns contactes elèctrics. Una vegada metal·litzades, les oblies s'han convertit en cel·les solars.
La producció de cel·les fotovoltaiques requereix energia, i s'estima que un mòdul fotovoltaic ha de funcionar amb prou eficiència al voltant de 2 a 3 anys[AIE http://www.eupvplatform.org/fileadmin/Documents/Brochure-indicateurs_26_pays.pdf - En comparació amb l'avaluació de diversos indicadors ambientals de l'electricitat fotovoltaica a les ciutats de l'OCDE] per produir l'energia que va ser necessària en la seva fabricació (mòdul de retorn d'energia). Els materials i processos de fabricació són objecte de programes de recerca ambiciosos per reduir el cost i el reciclatge de les cèl·lules fotovoltaiques. Les tecnologies de pel·lícula prima sobre substrats sense marcar va rebre l'acceptació de la indústria més moderna. El 2006 i 2007, el creixement de la producció mundial de panells solars s'ha vist obstaculitzat per la falta de cèl·lules de silici i els preus no han caigut tant com s'esperava. La indústria busca reduir la quantitat de silici utilitzat. Les cèl·lules monocristal·lines han passat de 300 micres de gruix a 200 i es pensa que arribaran ràpidament a les 180 i 150 micres, reduint la quantitat de silici i l'energia requerida, i també el preu.
Les tècniques de fabricació i característiques dels principals tipus de cèl·lules es descriuen en els següents 3 paràgrafs. Hi ha altres tipus de cèl·lules que estan en estudi, però el seu ús és gairebé insignificant.
Cel·les de silici amorf El silici durant la seva transformació, produeix un gas que es projecta sobre una làmina de vidre. La cel és gris molt fosc. És la cel·la de les calculadores i rellotges anomenats de «solars». Ets cel·les van ser les primeres a ser manufacturades, ja que es podien emprar els mateixos mètodes de fabricació de díodes. Avantatges: Funciona amb una llum difusa baixa (fins i tot en dies ennuvolats), Una mica menys costosa que altres tecnologies, Integració sobre suport flexible o rígid. Inconvenients: Rendiment a ple sol baix, del 5% al 7%, Rendiment decreixent amb el temps (7%).
Pila de silici monocristall miniatura|Cel·la solar Al refredar-se, el silici fos se solidifica formant només un únic vidre de grans dimensions. Després es talla el vidre en primes capes que donen lloc a les cel·les. Aquestes cel·les generalment són un blau uniforme. Avantatges: Bon rendiment de 14% al 16%, Bona relació Wp m² (150 WC/m², el que estalvia espai en cas necessari Nombre de fabricants elevat. Inconvenients: Cost elevat
Cel·les de silici multi-cristal·lí miniatura|Una cel·la fotovoltaica obtinguda a partir de silici multicristal·lí Durant el refredament de silici en un motlle es formen diversos vidres. La fotocel·la és d'aspecte blavós, però no és uniforme, es distingeixen diferents colors creats pels diferents vidres. Avantatges: Cel·les quadrades (amb vores arrodonides en el cas de Si monocristal·lí) que permet un millor funcionament en un mòdul, Eficiència de conversió òptima, al voltant de 100 Wp/m², però una mica menor que en el monocristall Lingot més barat de produir que el monocristal·lí. Inconvenient Baix rendiment en condicions d'il·luminació baixa.
El terme policristall s'utilitza per a les capes dipositades sobre un substrat (grans petits).
Cel·les Tàndem Apilament monolític de dues cel·les individuals. Mitjançant la combinació de dues cel·les (capa prima de silici amorf sobre silici cristall, per exemple) que absorbeixen en l'espectre al mateix temps se superposen, millorant el rendiment en comparació amb les cel·les individuals separades, siguin amorfes, o de tipus cristall o microcristall. Avantatges Alta sensibilitat en un ampli rang de longituds d'ona. Excel·lent rendiment. Desavantatge El cost és alt a causa de la superposició de dues cel·les.
Cel·les multiunió Les cel·les multiunió tenen una alta eficiència i han estat desenvolupades per a aplicacions espacials, compostes de diverses capes primes utilitzant l'epitàxia per feix molecular. Cada tipus de semiconductors es caracteritza per un màxim de longitud d'ona més enllà del qual no és capaç de convertir els fotons en energia elèctrica (vegeu banda prohibida). Per sota d'aquesta longitud d'ona, l'excés d'energia transportada pel fotó es perd. D'aquí el valor de la selecció de materials amb longituds d'ona tan a prop l'un a l'altre com sigui possible, de manera que absorbeixin la majoria de l'espectre solar, generant un màxim d'electricitat a partir del flux solar.