Fotodioda vs bateria słoneczna

Transkrypt

1 Bateria słoneczna

2 Fotodioda vs bateria słoneczna -dla fotodiody interesujący jest tylko zakres długości fal l w pobliżu piku czułości; -dla baterii im szerszy zakres tym lepiej; -fotodioda powinna mieć małą pojemność C, gdyż stała czasowa decydująca o szybkości odpowiedzi fotodiody z punktu widzenia obwodu elektrycznego = R D C. Dlatego fotodioda powinna mieć małą powierzchnię; -bateria powinna mieć dużą powierzchnię aby duża ilość fotonów docierała do złącza; -dla fotodiody najważniejszym parametrem jest wydajność kwantowa; -dla baterii sprawność baterii.

3 R i = Parametry użytkowe fotodiody Wydajność kwantowa fotodiody: Czułość prądowa fotodiody: Czułość napięciowa fotodiody: R i R V I P I p hc qpl ql hc R i R D lqr hc Przy pracy fotodiody bez polaryzacji zewnętrznej dominuje szum Johnsona Nyquista i detekcyjność wyraża się wzorem: D D* l q l 2hc R D kt A 2 R V A ktr D

4 Fotodioda p-i-n InP E g =1.29eV GaInAs E g =0.75eV

5 Fotodioda M-S.

6 Rodzaje fotodiod Fotodiody na heterozłączach. Fotodiody lawinowe

7 Kopaliny konwencjonalne źródła energii Zasoby kopalin (optymistyczne prognozy) (Oil & Gas Journal, World Oil) przy obecnym poziomie konsumpcji energii, wystarczą na: Węgiel lat Olej - 43 lata Gaz lat Ze względu na rosnącą konsumpcję, przewiduje się, że każde z w.w źródeł energii wyczerpie się szybciej. Według teorii Hubberta, zależność wykorzystania źródeł w funkcji czasu podlega krzywej dzwonowej.

8 Odnawialne źródła energii Przewiduje się, że odnawialne źródła energii będą stanowić istotny składnik zasobów energetycznych w okresie najbliższych 25 lat Główne przyczyny: Rosnące zapotrzebowanie energetyczne Spadek produkcji paliw konwencjonalnych Spadek cen odnawialnych źródeł energii Ekologia

9 Ewolucja światowych zasobów oleju według teorii Hubberta

10 Konsumpcja energii

11 Instalacje solarne w USA

12 węgiel ropa gaz e. jądrowa biomasa woda wiatr Słońce Geo ExaJ Przyszłość odnawialnych źródeł energii exaJ=10 18 J Źródło: Royal Dutch Shell Group

13 Fotowoltaika Jest to metoda wytwarzania energii elektrycznej poprzez konwersję promieniowania słonecznego bezpośrednio na prąd elektryczny. Konwersja odbywa się w półprzewodnikach, w których zachodzi efekt fotowoltaiczny. Podstawowym elementem fotowoltaicznym jest ogniwo, z którego wykonuje się panele (zestaw wielu ogniw) i matryce paneli. Fotowoltaika rozwija się dynamicznie. Moc generowana przy pomocy ogniw fotowoltaicznych pod koniec roku 2011 wynosiła 69 GW. Całkowita energia wytwarzana w ciągu roku jest równa ok. 80 miliardów kwh. Jest to energia wystarczająca do pokrycia rocznego zapotrzebowania 20 millionów gospodarstw domowych. W chwili obecnej, fotowoltaika jest trzecim najważniejszym odnawialnym źródłem energii obok elektrowni wodnej i wiatrowej. Ponad 100 krajów stosuje fotowoltaiczne źródła energii. Instalacje fotowoltaiczne są montowane bądź w gruncie bądź na dachach.

14 Produkcja fotoogniw w latach

15 Ekonomia Cena ogniw z krzemu krystalicznego spadła z $76.67/W w r do ok. $0.74/W w r Prawo Swansona (założyciela firmy produkującej ogniwa słoneczne SunPower Corporation): każde podwojenie zdolności produkcyjnych przemysłu solarnego powoduje spadek ceny ogniw o 20%

16 Dlaczego energia słoneczna? Konwersja energii słonecznej z 1% obszaru Ziemi, z 10% wydajnością wystarczy na zaspokojenie zapotrzebowania energetycznego w ilości dwukrotnie większej niż konsumowane obecnie!

17

18 Zorza polarna Norwegia Efekt protuberancji Słońca, która miała miejsce dwa dni wcześniej

19 Słońce strefa konwekcji w strefie konwekcji energia jest transport. na zewnątrz hel wodór strefa reakcji termojądr. energia produkowana w rdzeniu jest transport. na zewnątrz przez fotony w jądrze zachodzą reakcje termojądrowe strefa radiacyjna

20 Równowaga hydrostatyczna Siła ciśnienia termicznego skierowana na zewnątrz jest równoważona przez siłę grawitacji

21 Cykl p-p Synteza termojądrowa na Słońcu H H H Q 144. MeV H+ H He + Q 55. MeV e He+ He He+ H+ H Q MeV

22 Energia słoneczna Synteza 1 kg wodoru daje 7.1 grama masy zamienionej na energię: E = mc 2 = kg x (3x10 8 m/s) 2 = 6.4x10 14 J Jasność Słońca 3.83x10 26 W, W każdej sekundzie 675 milionów ton H jest zamieniane na 653 milionów ton He z równoczesną zamianą około 22 milionów ton materii na energię.

23 Jednostki energetyczne Strumień fotonów: = liczba fotonów s m 2 Gęstość mocy fotonów o określonej długości fali: H W hc = m2 l H W m 2 = q l(μm) H W = q E(eV) m2 Spektralna gęstość promieniowania (irradiancja widmowa) F l = qe 1 l ( W ) H W = F l d m 2 μm m 2 0 l

24 Irradiancja widmowa F l = q 1.24 l(μm) 1 l ( W ) m 2 μm

25 Prawo odwrotnych kwadratów H 0 = R sun 2 (1A. U. ) 2 H sun = 1333 W m 2

26 Atmosfera

27 Promieniowanie słoneczne AM - ilość masy powietrza, przez którą przechodzi światło AMO - stała słoneczna 1.37 KW/m 2 AMX=AM1/cos φ Słońce jest najważniejszym źródłem energii na Ziemi: do powierzchni atmosfery w południe na równiku dociera H=1,37 kw/m 2 stała słoneczna. Energia promieniowania słonecznego jest częściowo absorbowana przez atmosferę, tak więc do powierzchni dociera ok. 73 % (A.M. 1). Na naszej szerokości geograficznej za standard przyjmuje się wartość H odpowiadającą ok. AM 1.5G = 1000 W/m 2. Wydajności ogniw słonecznych są podawane właśnie dla tej standardowej wartości H. Na obszarze Polski całkowita wartość energii słonecznej docierającej średnio w ciągu roku wynosi ok kwh/m 2. Zapotrzebowanie na energię elektryczną przeciętnego gospodarstwa domowego w Polsce wynosi ok kwh

28 Oprócz całkowitej mocy, ważnym parametrem promieniowania słonecznego, który trzeba uwzględniać projektując urządzenie do jego wykorzystywania, jest rozkład spektralny. Maksimum tego rozkładu znajduje się dla długości fali λ = 550 nm, ok. 90% fotonów zawiera się w obszarze energii odpowiadającym długościom fali pomiędzy 250 a 1540 nm, a sam rozkład dosyć dobrze można przybliżyć rozkładem promieniowania Plancka ciała doskonale czarnego w T=5520 K.

29 Bateria słoneczna - dlaczego jest to atrakcyjne źródło energii? Nie wymaga zasilania nie konsumuje paliwa Nie degraduje środowiska Posiada wysoki wskaźnik mocy do wagi

30 Bateria słoneczna Urządzenie, które zamienia energię słoneczną w energię elektryczną. P I V 0 Jest podobne do baterii, bo dostarcza mocy prądu stałego. Różni się od baterii, bo napięcie które wytwarza zależy od oporności obciążenia.

31 Promieniowanie słoneczne Światło widzialne długość fali 0.38mm < l 0.76mm fala E B strumień fotonów

32 Historia 1839 efekt PV zaobserwowany przez Becquerela. 1870s fotoogniwo selenowe 2% - Hertz wyjaśnienie zewnętrznego efektu fotoelektrycznego przez A. Einsteina. 1930s pierwszy miernik światła (fotoogniwo na bazie tlenku miedzi bądź selenu); zastosowanie w fotografice 1954 fotoogniwo krzemowe (4%) - Bell Laboratories 1958 fotoogniwo w kosmosie (satelita U.S. Vanguard).

33 Półprzewodniki - elektrony i dziury W półprzewodnikach występuje absorpcja światła, gdy energia fotonu jest większa od przerwy wzbronionej półprzewodnika

34 Absorpcja światła w półprzewodnikach Występuje, gdy energia fotonu jest większa od przerwy wzbronionej półprzewodnika Absorpcja światła w półprzewodniku (CdS)

35 Złącze p-n dioda półprzewodnikowa Charakterystyka I-V - nieliniowa p n A Polaryzacja zaporowa Polaryzacja w kier. przewodzenia I V

36 Bateria to też złącze p-n Jak to działa? jest to złącze p-n światło jest absorbowane dla h E g tworzą się pary elektron-dziura, które są separowane przez pole w złączu i transportowane przez złącze

37 Efekt fotowoltaiczny Tak nazywa się efekt pojawiania się prądu/napięcia w oświetlonym złączu p-n - baterii słonecznej

38 Bateria słoneczna gdy powstaje złącze p-n, dziury z obszaru p dyfundują do obszaru typu n, elektrony z n do p; powstaje pole elektryczne; to pole powoduje, że prąd łatwo płynie w jednym kierunku a przepływ w drugim kierunku jest utrudniony; to pole również separuje elektrony i dziury, które zostały wykreowane przez zaabsorbowane światło. dzięki tej separacji można uzyskać moc elektryczną. P Dodatnie dziury +ujemnie naładowane nieruchome akceptory P dziury E - + N Ujemne elektrony + dodatnio naładowane nieruchome donory Tylko naładowane donory/akceptory (obszar zubożony) N elektrony

39 Warunki wystąpienia efektu fotowoltaicznego Pod wpływem promieniowania muszą być generowane w półprzewodniku nadmiarowe nośniki ładunku dodatniego i ujemnego E f E g Nośniki nadmiarowe o różnych znakach muszą być rozdzielone przez pewną elektrostatyczną niejednorodność; Generowany swobodny nośnik musi zachować swoją ruchliwość dostatecznie długo, tak aby zdążył dotrzeć do niejednorodności powodującej rozdzielenie ładunku.

40 Efekt fotowoltaiczny hf E g Światło jest absorbowane, tworzą się pary elektron-dziura, które są separowane przez pole w złączu i transportowane przez złącze gdy złącze jest zwarte - płynie prąd zwarcia, I sc. I D (A) E C E F E V hf E C V D (V) 0 E V - I sc I sc = q N ph (E g )~ P

41 liczby fotonów (mocy promieniowania); Od czego zależy prąd zwarcia? powierzchni ogniwa; aby uniezależnić się od tej wielkości zamiast prądu zwarcia podaje się gęstość prądu zwarcia (J sc w ma/cm 2 ); I spektrum padającego światła. Standardowo oświetla się ogniwa spektrum AM 1.5; własności optycznych (absorpcji i odbicia) ogniwa; V prawdopodobieństwa zbierania nośników ( zależy ono od pasywacji powierzchni i czasu życia nośników mniejszościowych).

42 ) Złącze rozwarte E C I D (A) qv OC V oc E C E V V D (V) qv bi E V Gdy jest rozwarte pojawia się fotonapięcie, V oc. Temu napięciu towarzyszy prąd: I d = I o [exp(ev oc /kt)-1] Ten prąd równoważy w rozwartym oświetlonym złączu p-n maksymalny prąd fotogeneracji, czyli I sc : I sc I d = 0

43 Złącze rozwarte Po przekształceniu: I sc = I d = I o [exp(ev oc /kt)-1] V oc kt Isc kt I ln( 1) ln q I q I o sc o Ponieważ I sc ~P, to V oc ~ ln P

44 Od czego zależy napięcie rozwarcia? Im mniejsza rekombinacja (mniejszy prąd nasycenia ogniwa), tym wyższe napięcie rozwarcia I V

45 Rekombinacja i V oc V oc jest napięciem, przy którym prąd dyfuzyjny jest równy prądowi zwarcia. Im większa rekombinacja, tym większy prąd ciemny i mniejsze napięcie rozwarcia. Prąd, który jest prądem rekombinacji w kierunku przewodzenia to prąd nasycenia. Prąd rekombinacji zależy od koncentracji nośników na krawędzi złącza, jak szybko odpływają od złącza i jak szybko rekombinują. Zatem V oc można zwiększyć poprzez: Domieszkowanie, które powoduje, że koncentracja nośników mniejszościowych jest mniejsza od koncentracji nośników większościowych; Zwiększanie długości drogi dyfuzji nośników mniejszościowych; ten sposób pozostaje w sprzeczności z poprzednim konieczny kompromis; Pasywacja powierzchni, aby zmniejszyć rekombinację powierzchniową

46 Podniesienie sprawności poprzez ograniczenie procesów rekombinacji Tlenek krzemu pasywuje powierzchnię i redukuje rekombinację powierzchniową Silne domieszkowanie pod kontaktami powoduje, że nośniki mniejszościowe są odpychane od obszaru przypowierzchniowego, ograniczając rekombinację powierzchniową Silne domieszkowanie w tylnej części powoduje, że nośniki mniejszościowe (tym razem elektrony) są odpychane od obszaru przypowierzchniowego, ograniczając rekombinację powierzchniową

47 Charakterystyka I-V Światło generuje parę elektron-dziura Pole elektryczne porusza nośniki: elektrony w stronę n a dziury w stronę p Zatem przez opornik płynie prąd wsteczny I L Ten prąd powoduje pojawienie sią spadku napięcia V na oporze R L. Napięcie V polaryzuje złącze w kierunku przewodzenia: pojawia się więc prąd I F Całkowity prąd:

48 Bateria obciążona oporem RL

49 Parametry Współczynnik wypełnienia FF Sprawność IV m I V sc m oc I V sc oc FF P I m i V m prąd i napięcie odpowiadające punktowi mocy maksymalnej, I sc i V oc prąd zwarcia i napięcie rozwarcia W IV ćwiartce charakterystyki jest generowana moc:

50 Oporność szeregowa Rzeczywista charakterystyka I V baterii słonecznej. R s oporność szeregowa.

51 Oporność upływu Wpływ oporności upływu R sh na charakterystykę I-V baterii słonecznej

52 Rzeczywista charakterystyka I V q( V IRs) q( V IRs) sc s1 kt s2 2kT I I I ( e 1) I ( e 1) V R IR sh s V oc Eg (0) kt BT ( T) ln( ) q q I sc

53 Wydajność kwantowa Wydajność kwantowa (QE) Długość fali

54 Odpowiedź spektralna Idealne ogniwo Mierzone ogniwo S R ( A W ) = QE l nm S R ( A W ) = QE l μm

55 Straty sprawności w ogniwach 1 termalizacja 2 i 3 - straty na złączu i na kontaktach 4 - straty na rekombinację 55

56 Shockley-Queisser limit

57 Jak podnieść sprawność ogniw i obejść limit Shockley a-queissera? Czarne pole limit Shockley a-queissera; Różowe pole energia fotonów mniejsza od przerwy wzbronionej; Zielony obszar strata energii na termalizację nośników; Niebieski obszar straty na rekombinację, w wyniku których napięcie rozwarcia jest małe. Ogniwa, które mają większą sprawność aniżeli wynika to z limitu Shockley a- Queissera korzystają z jednego z wymienionych obszarów.

58 Straty sprawności w ogniwach 1 - termalizacja 1 A A cb pb N ph ( E ) E g E g 100% N ph jest liczbą fotonów o energii równej E g. 2 i 3 - straty na złączu i na kontaktach 4 2,3 ev E oc 4 - straty na rekombinację FF g IU m I V sc m oc 1 2,3 4

59 Straty optyczne Straty związane z odbiciem Przedni kontakt zasłania część ogniwa Straty związane z odbiciem Pokrycia antyrefleksyjne DLRAC podwójna warstwa antyrefleksyjna

60 Pokrycia antyrefleksyjne Optymalna grubość warstwy dla interferencji destruktywnej: Optymalne współczynniki załamania:

61 Warstwy antyrefleksyjne Krzem monokrystaliczny Warstwy antyrefleksyjne z tlenku krzemu odbijają więcej światła ultrafioletowego i niebieskiego niż czerwonego, dlatego mają niebieskie zabarwienie. Jeśli warstwa antyrefleksyjna jest wykonana z azotku krzemu, może mieć inną barwę.

62 DLARC i teksturyzacja powierzchni Powietrze - n 0

63 Grubość ogniwa i pułapkowanie światła Aby światło padające na ogniwo krzemowe zostało całkowicie zaabsorbowane potrzebny jest materiał o grubości ok. 1mm; Materiał o grubości 1mm absorbuje ok. 30% światła fotony światła pomarańczowego i czerwonego są tracone; Jeśli światło pada pod odpowiednim kątem na powierzchnię, to może odbijać się od przedniej i tylnej powierzchni tak, że efektywnie wielokrotnie przebędzie drogę w materiale wywołując fotoefekt

64 Fotoefekt zielona dioda świecąca jest jednocześnie fotodiodą czułą na światło zielone (lub mające większą energię niebieskie i fioletowe)

65 Krzem polikrystaliczny monokrystaliczny Średnica 300 mm, długość 1.5 m (bez stożkowych zakończeń) i waga 275 kg.

66 za: Ogniwa I generacji: krzem krystaliczny i polikrystaliczny Wysoka sprawność (14-25%) Opanowana technologia Stabilny przeciw: Droga produkcja Niski współczynnik absorpcji Potrzeba dużej ilości drogiego surowca wysokiej jakości (ok. 0.25mm aby zaabsorbować większość światła)

67 Materiały stosowane na ogniwa Współczynnik absorpcji w funkcji długości fali dla krzemu krystalicznego i amorficznego i innych materiałów stosowanych na baterie słoneczne.

68 Ogniwo krzemowe na złączu p-n. Górny rysunek widok z góry; dolny przekrój poprzeczny przez złącze.

69 Krystaliczny krzem Amorficzny krzem

70 Ogniwa II generacji: krzem amorficzny za: Duży współczynnik absorpcji (nie trzeba dużej ilości materiału) Opanowana technologia Łatwo zintegrować z budynkiem Doskonały pod względem ekologicznym Tańszy od szkła, metalu lub plastiku, na którym jest osadzany przeciw: Niskie sprawności 7-10% Niestabilny ulega degradacji pod wpływem światła

71 Ogniwa II generacji: ogniwa cienkowarstwowe Krzem amorficzny Ogniwa tandemowe na krzemie amorficznym CIGS (CuInGaSe 2 ) lub CIS (CuInS) CdTe Rekord wydajności dla ogniwa na podłożu polimerowym: 20.4%

72 Ogniwo II generacji CdTe/CdS CdTe : Eg =1.5 ev; współczynnik absorpcji 10x większy niż dla Si CdS : Eg=2.5 ev; okno Ograniczenia : Zła jakość kontaktu do p-cdte (~ 0.1 Wcm 2 )

73 Odwrócone ogniwo cienkowarstwowe p-diament (Eg= 5.5 ev) okno n-cdte layer jako warstwa absorbcyjna

74 III generacja Ogniwa wielozłączowe Ogniwa polimerowe i organiczne (niska wydajność 5%) Na nanorurkach węglowych (b. duża powierzchnia) Z kropkami kwantowymi Na gorących nośnikach

75 Widmo wykorzystywane przez ogniwo Si

76 Ogniwo wielozłączowe sprawność > 40%!

77 III generacja -ogniwa DSSC Roztwór TiO 2 (półprzewodnik) jest nakładany na szkło Warstwa jest wygrzewana aby utworzyć pory Całość jest zanurzana w elektrolicie zawierającym fotoczuły barwnik (np. pochodna chlorofilu) Kropla elektrolitu I - jest wpuszczana w pory warstwy TiO 2, elektrolit dyfunduje. Barwnik jest zaadsorbowany przez nanocząstkę TiO 2. Na wierzchu nakładana jest platynowa elektroda zliczająca

78 Ewolucja rekordowych sprawności

79 Panele Z reguły na pojedynczym ogniwie napięcie rozwarcia nieznacznie przekracza 0,5V i 2W mocy, dlatego aby uzyskać bardziej użyteczne napięcie i większą moc ogniwa są łączone. Z połączenia od kilku do kilkunastu, a czasem nawet kilkudziesięciu ogniw uzyskujemy moduł (panel), którego napięcie wynosi 12V, a moc nie przekracza 80W. Coraz częściej spotyka się również panele o napięciu 24V i więcej, których moc może przekraczać nawet 200W (zdjęcie po prawej).

80 Jak podnieść sprawność ogniw? Koncentratory światła Systemy śledzące

81 Ogniwa wielopasmowe Środkowe pasmo tworzone jest przez poziomy domieszkowe. W procesie 3 biorą udział fonony Graniczna sprawność teoretyczna %

82 Ogniwa wyżłobione Większa powierzchnia złącza Wyższa sprawność( > 20%)

83 Elektrownie słoneczne dziś Obecnie fotoogniwa wykorzystuje się do produkcji energii elektrycznej na coraz większą skalę. Na przykład, fotowoltaiczna elektrownia słoneczna w Beneixama (Hiszpania) ma moc 20 MW. Składa się ze paneli z ogniwami z polikrystalicznego krzemu o łącznej powierzchni 50 ha. Aktualnie w Arizonie, w Gila Bend planowana jest elektrownia o mocy 280 MW (ok ha).

84 Elektrownia słoneczna w Indiach

85 Alcatraz

86 Zastosowania Na Wyspach Kanaryjskich i w południowej Hiszpanii woda pitna jest uzyskiwana w procesie odsalania wody morskiej (odwrócona osmoza). Urządzenia odsalające pracują zasilane bateriami słonecznymi Latarki LED zasilane bateriami ładowanymi w ciągu dnia przy pomocy małego modułu fotowoltaicznego o mocy ~5W. Czas pracy 3h-8h Laptop

87 Solarny samochód i parking

88 Baza Nellis Air Force USA; panele śledzą trajektorię Słońca

89 Table: Solar simulator classification according to IEC Ed Class Spectral Match Irradiance inhomogeneity Temporal Instability Long Term A % 2% 0.5% 2% B % 5% 2% 5% C % 10% 10% 10% Short Term

90 Dziękuję za uwagę