background image

Advantages 
- is easy available renewable energy source (not necessary extraction, it's free) 

- its use does not pollute the environment 

- more even distribution in comparison with the world's reserves of conventional 

and exhaustible fuels such as oil, coal and natural gas. 

 

Disadvantages 
- much lower energy density, due to the relatively low efficiency of energy 

conversion 

(for 1 MW photovoltaic power plant it is required about 2-3 ha)

.  

- unstable availability 

5.2 Possibilities of using sunlight for energy 

Advantages and disadvantages of using solar radiation 

background image

There are several principles of conversion of 

solar energy 

into another form 

of energy, the most common is the transformation into: 

1) electricity 

a) by direct form 

- the principle is in the using of the photoelectric effect in 

photovoltaic cells

which convert solar energy directly into electricity 

b) by indirect form 

- the principle is in converting solar energy into heat energy and subsequent 

conversion by suitable devices (solar thermal) into electrical energy 

- indirect conversion efficiency of solar energy is higher than that of photovoltaic 

systems, so that we can achieve higher performance per unit area of ​​solar 

power. 

2) thermal energy 

- conversion of solar energy into heat energy by the 

collector

 (liquid, air)

 

Principles of conversion solar energy into another form 

background image

5.2.1 The conversion of solar energy into electricity by direct form - 

solar power plants 

Photovoltaic (solar) cell 

is a large semiconductor device that converts solar energy 

directly into electricity using the 

photoelectric effect. 

Photovoltaic cells have many applications. They are used for feeding of the small 

devices (eg calculators, chargers, lights, ...) in the space industry (artificial satellite) 

and also in large are being used in the energy industry. 

background image

Photoelectric effect - historical development 

The  first  experiments  in  which  the  observed  photoelectric  effect 

will be taken by a French physicist Mr. Becquerel in 1839. 
The  FV  cell  was  based  on  metal  electrodes  immersed  in  the 

electrolyte.  When  exposed  to  sunlight  observed  increase  tension 

on them. 

- the further development of PV technologies have a major impact 

theoretical clarification of the photoelectric effect by Albert Einstein 

in 1905 

 
 
- for the technology of modern silicon cells was an important the 

discovery of method for production of pure monocrystalline silicon 

developed by Mr. Jan Czochralski in 1916 

http://www.eia.gov/kids/energy.cfm?page=tl_photovoltaic

 

- in 1877 Mr. Adams and Mr. Day, produced the first solid photovoltaic cell from selenium 
- In 1883 Mr. Fritts produced the cel with efficiency 1 % 

background image

Photoelectric effect - historical development 

 

- in the middle of 50th years of 20ht century started the development of semiconductors. 

Essential element for the production of semiconductor materials is silicon, that is on the 

surface in large quantities. 

- in 1954 was created the first silicon (Si) photovoltaic panel with P-N junction with 

efficiency 7 % 

- first real energy sources on the principle of direct conversion of solar energy into 

electricity were produced in the years 1955-58 and used for satellite Sputnik and 

Avantgard 

- PV cells was first time commercially used as a power source for miniature electronics 

(calculators, watches). 

- strong impulse for the development of solar energy was the oil crisis in Europe in 1973 

(after the Arab-Israeli conflict), which started the process more efficient production and 

use of energy resources. 

- very intensively was PV systems developed in recent years, due to the subsidy programs, 

which caused great interest of investors in this area of electricity. 

http://www.eia.gov/kids/energy.cfm?page=tl_photovoltaic

 

background image

The principle of photoelectric effect 

http://web.svf.stuba.sk/kat/FYZ/fyzika_ta_vola/skripta/other/opt_javy_polovodice.pdf

 

http://elektronika.yweb.sk/ele/text/ucivo/1/d/index.html

 

http://www.jajo.sk/diplomovka/diplomovka.htm

  

http://www.ecooenergy.com/fotowoltanika.html

     

(in Poland) 

Solar cells (essentially large-scale semiconductor 

diodes)  are  composed  of  two  semiconductor 

(such as silicon) layers: 

- upper layer of silicon (1) is a semiconductor 

type  N  (negatively  doped  phosphorus  layer, 

the conduction is mediated by electrons) 

- lower  layer  of  silicon  (2)  is  a  semiconductor 

type  P  (positively  doped  boron  layer,  the 

conduction is mediated by holes). 

- the  impact  of  solar  radiation  on  the  photovoltaic  cell  energy  photon  can  release  electrons 

from their atomic bonds in the lattice. 

- the released electrons are then free moving and in its original location leave a positive charge 

(hole) 

- internal electric field of photovoltaic cells causes the electrons and holes are attracted to the 

opposite direction. Electrons go to the top contact (4) and hole to the bottom contact (3). 

- area N is charged negatively and area P is charged positively. 

- due  to  the  opposite  polarity  occurs  the  potential  difference  (as  a  voltage)  between  the  top 

and bottom side.  

- by the closing of the circuit, the electric current starts to flow. 

background image

 Volt-ampere characteristics of photovoltaic  (PV) cells 

- provides basic information on the activities of the PV cell 
- limit values on the volt-ampere characteristics are: open circuit voltage (

V

0C

) and short-

circuit current (

I

SC

- open circuit voltage is the maximum voltage for PV cell that can be achieved (when to the 

cell is not connected any appliance) 

- short-circuit current is the maximum current (short circuit current), which can be supplied 

by PV cell for appropriate intensity of solar radiation 

- PV cell has no power when it is in a state of no-load and short-circuit 
- for each of the PV cells there is exists the maxim power point (MPP) in the characteristic, in 

which the maximal power is achieved (i.e. for voltage 

V

mp

 and current 

I

mp

Example of V-I and V-P characteristics of PV cells 

MPP

MPP

MPP

I

V

P

Power of a PV cells depends on: 

- the intensity of solar irradiation, 

- the temperature of PV cell, 

- the spectrum of solar radiation. 

background image

Current generated by PV cells is directly proportional to the 

intensity of solar radiation

, i.e. 

to the amount of photons incident on the surface of the PV cell. 

Example of V-I characteristics of PV cells to the 

change of intensity of solar radiation 

Example of V-P characteristics of PV cells to the 

change of intensity of solar radiation 

http://www.pvresources.com/Introduction/SolarCells.aspx

  

background image

Voltage generated in the PV cell is influenced by the 

temperature of the material

With increasing of temperature, the voltage is decreased. This decreasing is characterised 

by the temperature coefficient specific to each material. 

With prolonged sun intensity and degraded modes of PV cell cooling (no wind), when the 

temperature  reaches  40  °C,  the  surface  temperature  is  increased  to  80  °C.  At  such  high 

temperatures, there is a change in electrical properties of PV cell, which lead to a reduction 

in load characteristics to the lower voltage. Optimal voltage drop causes a decrease power 

output. 

 

For the PV cells from crystalline silicon (c-Si) is a decreasing of 

U

OC  

about 0,4% / K and 

decreasing of PV cell efficiency is approximately 0.5% / K. 

Example of V-I characteristics of PV cells to the 

change of temperature of material 

Example of V-P characteristics of PV cells to the 

change of temperature of material 

background image

10 

http://www.starpakgroup.com/?page_id=1889

 

http://solarwall.com/en/products/pvthermal/how-pvt-works.php

 

background image

11 

Efficiency of PV cell 

is defined as the ratio of the maximal power point 

MPP of PV cell and incident solar radiation power (Pin). 

in

MPP

MPP

P

I

U

Efficiency of different types of photovoltaic cells 

Spectral sensitivity characteristics of PV cells 

http://www.pvpowerway.com/en/knowledge/photovoltaic.html

 

Nominal output of photovoltaic panels 

is measured in 

units of watts peak (Wp). This is a power of solar panel 

for standardized performance tests - energy density of 

radiation 1000 W/m2, temperature 25 ° C and light 

spectrum (Air Mass 1.5) corresponding to the sunlight 

passing cloudless atmosphere of the earth. Watt peak 

(Wp) is a unit of peak power solar panel under ideal 

conditions, ie. that this is the approximate power output 

for normal cloudless summer day. 

background image

12 

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/35/Best_Research-Cell_Efficiencies.png

 

Maximal solar cell efficiency - 44.0% with multiple-junction concentrated photovoltaics. 

background image

13 

http://ffden-2.phys.uaf.edu/631fall2008_web.dir/wallace_webpage/8_Sun.html  

- radiation, which causes the release of electrons in a semiconductor can not be arbitrary, 

photons incident radiation must have the necessary energy 

- size  of  required  energy  depends  on  the  used  semiconductor.  For  silicon  is  required  

energy 1.1 eV, corresponding to a wavelength of 1100 nm 

Usable radiation spectrum for Si cells 

h

 ≅ 6,626 . 10

-34

 J.s  (Planck constant) 

- for generation of the power is therefore used only photons with a shorter wavelength, 

i.e. with larger energy 

background image

14 

Series-parallel connection of photovoltaic cells 

- crystalline solar cells usually have low power (appr. 1 – 2,5 W in dependency of the size 

and material). Also, the voltage reaches a very low value, typically about 0,5 to 0,6 V. 

- for practical use of the energy from PV cells, it is necessary to join them into modules and 

strings. 

- individual cells are connected in series (to increase voltage) and parallel (to increase 

current) 

- note: usually are used solar panels with power 160 to 240 Wp (output DC voltage about 

40 V and the current about 5 A) 

background image

15 

In most nowadays manufactured panel, individual cells are linked 

in series

- in this connection, the output voltage is the sum of the voltages of cells, and the current 

is as large as the current generated by the weakest cell in the series. 
 
 
 
 

- therefore it is clear that if there is shading of one or more cells (e.g. fallen leaves), the 

total generated current in the cell can be decreased down to zero. 

Series connection of photovoltaic cells 

http://www.solartechnika.sk/solartechnika-32011/pracuje-vase-fotovoltaicka-elektrarna-jak-by-mela.html

  

- these situations can be prevented by the 

bridge (bypass) diode

. In case of shading of 

the cell, the current generated in no-shaded cells will flow by bypass diode. 

background image

16 

- the same solar cells can be connected in parallel, so the output currents are summed 

and the output voltage is equal to the output voltage of a single cell.  

- however, the problem occurs when there are a large differences between output voltage 

of individual cells, when the balancing currents can flow between individual cells 

- in case of the shading of cells arranged in parallel, the diodes are also applying, because 

in this case the shaded cell acts as a load. 

[Hudák, J.: Diplomová práca. 2012. TU v Košiciach] 

Parallel connection of photovoltaic cells 

http://www.pvpowerway.com/en/knowledge/modules.html

 

Defective cells in panels 

(thermometric measurements) 

background image

17 

Bypass diodes 

background image

18 

Currently, the 

silicon

 is the most used materials for the production of photovoltaic cells. It is used 

in several forms, depending on the technology used in production. They are the following forms: 

- monocrystalline silicon, 
- polycrystalline silicon, 
- amorphous silicon (thin film panels). 

  Materials for the production of PV cells 

http://www.solarenvi.sk/s11article10.html

 

Panels from crystalline silicon 

- crystalline silicon cells are formed by cutting of silicon ingots created ​​in a blast furnace at 

temperatures of 1500 °C, 

- silicon ingot 

is a cylinder made ​​of monocrystalline or (or multicrystalline) silicon weighing 

about 100 kg, diameter of about 14 cm and a length of over 80 cm, 

- conventional crystalline cells have a thickness of about 0,3 mm. 

Silicon ingot is cut into thin plates 

http://www.solarna-technika.sk/component/content/article/48

  

For the production of PV cells are also other elements or compounds used. For example: gallium 

arsenide, cadmium telluride, cadmium sulphide and finally rapidly expanding organic compounds. 

background image

19 

Monocrystalline and polycrystalline silicon cell 

Monocrystalline silicon panels – 

they

 

are expensive, but have the best effect.  

Disadvantage – they are most effective when the sun shines on them straight - in diffuse 

radiation efficiency is reduced. 

Polycrystalline silicon panels - 

they are cheaper, slightly lower efficiency, are much more 

sensitive to diffuse the light - the light need not shine directly. 

Amorphous panel in good weather and in the 

the rain 

Amorphous panel 

Note: Amorphous silicon panels are 

changing colors, the color depends 

on the weather and the angle of 

view. 

Amorphous panels 

- amorphous modules are produced in a vacuum chamber at about 200 ° C, where steam is 

applied a layer of amorphous silicon on glass, plastic or metal foil 

- amorphous silicon is applied in a layer of 0,001 mm (thin film technology). 
- production of amorphous modules is therefore cheaper and less material and energy consuming 

compared to crystalline technology 

- they are less effective, they are the cheapest, least sensitive to the direction of the incident light 

background image

20 

Comparison of material and energy expenses for production of thin film (left) and crystalline 

(right) cells 

background image

21 

The  production  process  of  of  photovoltaic  cells  and  modules  from  the 

crystalline silicon 

1) Silicon ingot 

is the starting material. 

It is cylinder from monocrystalline or (or multi-

crystalline) silicon weighing about 100 kg, diameter 

about 14 cm and a length of over 80 cm. Silicon 

with boron (P-type semiconductor) must meet very 

strict criteria (1 boron atom to around 5 million 

silicon atoms) 

2) cutting the ingot to the plates 

with thickness of about 0,3 mm. These plates are the 

foundation for future PV cells. By cutting the ingot it is obtained appr. 750 plates with total 

weight of about 40 kg. Residues ingot are returning to melt and re-processing. 

Silicon ingot (1) is cut into thin plates (2). 

http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/k41.htm

  

http://www.1sg.sk/www/data/as/projekty/2006_2007/diamonds/zdroje_energie/webd/solarne.htm

  

background image

22 

3) the etching of plates

 - removes damage the surface when cutting. The result is a 

textured surface. This surface is creating by miniature silicon pyramids, decreased reflection 

of the light. This operation significantly increases the effectiveness of future photocell. 

By etching a textured surface is created on the surface of the thin plates (1). A large-scale transition 

PN (2) is then formed in the plates. 

4) diffusing phosphorus (thus creating wafer-thin layer of N-type semiconductor). 

Replacing 

one tetravalent silicon atom (4 valence electrons) pentavalent phosphorus atom. With its 

incorporation in the crystal lattice its four valence electrons participate in covalent bond and 

the fifth electron, which has a covalent bond can not attend, remain poorly bonded to the 

phosphorus atom, and even at a relatively low temperature breaks away from him and 

becomes a free electron - therefore is the excess of free electrons in silicon polluted by 

phosphorus. Thickness of this N layer is about 500 nm, i.e. 0.0005 mm. In this operation 

occurs just below the surface silicon plate transition PN which is the basis of the cell 

functionality. The original circular plates is cropped to square with rounded corners. 

http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/k41.htm

  

http://www.1sg.sk/www/data/as/projekty/2006_2007/diamonds/zdroje_energie/webd/solarne.htm

  

background image

23 

5) 

After removing of the phosphorus-silicate glass produced during diffusion surface is 

covered with 

antireflective layer

. An anti-reflective layer of insulating silicon nitride or 

titanium dioxide (SiN

x

 alebo TiO

2

) is responsible for reducing surface reflectivity, like texturing 

etching. It also protects the surface against mechanical damage. An anti-reflective layer has 

a thickness of about 80 nm and causes bluish coloration of PV surface. 

http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/k41.htm

  

http://www.1sg.sk/www/data/as/projekty/2006_2007/diamonds/zdroje_energie/webd/solarne.htm

  

6) Conductive contacts 

for the offtake of electricity from the PV cell is made ​​by screen 

printing method. On the bottom surface (non-illuminated) the dense grid bus surface is 

formed (contacts). On the illuminated part of the surface is in the form of thin conductive 

strips. Contacts are smelted across the anti-reflective layer (in high temperatures) to the 

silicon material. 

Surface of plate covered with anti-reflection layer has a blue tint (1).  

Contacts applied by screen printing are smelted in an annealing furnace (2). 

background image

24 

7) Measurement and grading 

is the final stage of 

production.  

- this operation passes through each cell, because the cells 

connected to photovoltaic panels must have 

approximately the same properties. 

- during the measurement, the cell is irradiated with a 

intensity of 1000 W/m

2

 (corresponded to sunlight) 

- basic parameter for grading is the current generated at 

the cell voltage appr. 0.45 V. It means, the cells are 

assorted according to the current corresponded to 

maximum power point 

I

mp

http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/k41.htm

  

http://www.1sg.sk/www/data/as/projekty/2006_2007/diamonds/zdroje_energie/webd/solarne.htm

  

8) 

The solar cells from the crystalline silicon have an operating voltage around 0,5 V and a 

current density of several tens of mA/cm

2

 (≈35 mA/cm

2

).   

Photovoltaic panel 

is created by serial and parallel connections according to the required 

photovoltaic voltage and current. The panel is covered with a translucent plate and airtight 

closed to protect against external influences. 

The finished cells are measured (1) 

and photovoltaic panels are 

compiled from them (2). 

background image

25 

Mechanical construction of PV cells 

To achieve the high lifetime of the cells, they must protected against the destructive effects of 

the environment. 

- solar cells are usually inserted into the ethylene-vinyl acetate (EVA) foil 
- the front side is also protected by a highly translucent, specially tempered glass due to 

protection of the cell against wind, rain, hailstorm and other weather conditions.  

- back side is closed by the multilayer, a highly solid plastic foil or by the second glass plate 

and the space between the panes is sealed 

- most of the modules for increased stability and better handling has a metal frame, usually 

made ​​of aluminum 

Mechanical construction of a solar 

module with frame: 

1. aluminum frame, 

2. seal 

3. tempered glass, 

4. EVA foil 

5. PV cell, 

6. waterproof plastic foil 

http://www.oze.stuba.sk/oze/slnecna-energia/