IX Lubelskie Targi Energetyczne ENERGETICS 2016 Lublin, dnia 16 listopada 2016 roku

Transkrypt

1 IX Lubelskie Targi Energetyczne ENERGETICS 2016 Lublin, dnia 16 listopada 2016 roku

2 Budowa ogniw fotowoltaicznych różnych generacji i ich wykorzystanie Stanisław Tryka Instytut Przyrodniczo-Techniczny Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. Szymona Szymonowica w Zamościu

3 Cena komórek fotowoltaicznych (PV) Zmiana ceny komórek PV na świecie w US$/W

4 Prawo Swansona Cena ogniw PV z krzemu krystalicznego spadła z US$76/W w roku 1977 do ok. $0.30/W w roku Prawo Swansona (założyciela firmy SunPower Corporation produkującej ogniwa słoneczne): Każde podwojenie zdolności produkcyjnych przemysłu solarnego powoduje spadek ceny ogniw o 20%.

5 Prawo Swansona Dane rzeczywiste (punkty) i modelowe (linia ciągła) prawa Swansona (

6 Wykorzystanie energia PV na świecie Wzrost łącznej mocy PV energii elektrycznej na świecie w MW (

7 Wykorzystanie energia PV na świecie Wzrost łącznej mocy układów PV zainstalowanych na świecie w MW (Joint Research Centre PV Status Report)

8 Wykorzystanie energia PV na świecie Wzrost łącznej mocy instalacji PV produkowanych na świecie w MW (Joint Research Centre PV Status Report)

9 Produkcja ogniw PV na świecie Procentowy udział różnych krajów w produkcji komórek PV (

10 Produkcja ogniw PV na świecie Wzrost sprawności ogniw PV różnych generacji produkowanych na świecie w latach Pierwsze ogniwo PV (krzemowe) powstało w 1954 roku w Bell Laboratories. (

11 Komórka PV (ogniwo PV): element półprzewodnikowy służący do konwersji energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną poprzez wykorzystanie zjawiska fotowoltaicznego. Widok monokrystalicznej (z lewej) i polikrystalicznej (z prawej) krzemowej komórki PV Krzem monokrystaliczny poziom zanieczyszczenia, jeden atom obcy na atomów krzemu cena wysoka. Dla krzemu polikrystalicznego jeden atom obcy na atomów krzemu cena jest niższa

12 Komórka PV jako składnik modułu PV, moduł jako składnik panelu PV i panel PV jako składnik generatora PV

13 Technologie PV różnych generacji Jednostkowy koszt produkcji komórek PV o mocy 1W jako kryterium podziału na technologie I, II i III generacji (Na podstawie ARC Photovoltaics center of Excelence, University of New South Wales, Annual Report 2007)

14 Wykorzystanie różnych typów ogniw PV Udział w rynku różnych typów ogniw PV w latach

15 Wykorzystanie różnych typów ogniw PV 2013 mc-si (54,9%) c-si (36%) CdTe (5,1%) a-si (2,0%) CIGS (2,0%) Udział w rynku różnych typów ogniw PV w 2013 roku

16 Ogniwa PV I generacji (1G) Ogniwa te wytwarzane są z dwóch półprzewodników krystalicznych lub multi-krystalicznych tworzących tradycyjne złącze p-n. Półprzewodniki te wytwarzane są najczęściej z czystego monokrystalicznego krzemu (c-si) lub czystego multikrystalicznego krzemu (mc-si). Produkowane są one w postaci płytek o dużych powierzchniach do 15cm x 15cm i grubościach w zakresie mm. Stanowią one aktualnie około 82% całej światowej produkcji ogniw PV. Technologia wytwarzania półprzewodników z c-si jest taka sama jak przy wytwarzaniu układów scalonych i jest dobrze dopracowana. Umożliwia to szybkie rozpoczęcie masowej produkcji. Teoretyczny limit sprawności konwersji energii słonecznej takich ogniw wynosi 31 %.

17 Ogniwa PV 1G cd. Zalety ogniw 1G: krzem jest ogólnie dostępny gdyż jest drugim po tlenie pierwiastkiem na Ziemi, krzem posiada dobrze dopasowaną przerwę energetyczna dla konwersji fotowoltaicznej, krzem jest nietoksyczny, ogniwa z c-si posiadają sprawność dochodząca do 25%.

18 Ogniwa PV 1G cd. Wady ogniw 1G: duża energochłonność wytwarzania c-si i mc-si, skomplikowany proces i duże straty podczas wytwarzania płytek c-si o dużych powierzchniach, wymagana duża czystość c-si (jeden atom obcy na atomów krzemu), skośna przerwa energetyczna w Si wymaga dużej grubości c-si i mc-si (około 250 mm) dla uzyskania wysokiej absorpcji promieniowania słonecznego, wysoka cena ogniwa (ponad 1,5 $/W). duże straty cieplne przy pracy ogniwa w wysokich temperaturach w ciepłe dni (wyższe od ogniw cienkowarstwowych)

19 Ogniwo PV 1G Budowa i zasada działania ogniwa PV ze złączem p-n

20 Ogniwa PV 1G - wytwarzanie Przebieg procesu wytwarzania bloku monokryształu Si metodą Czochralskiego (1916)

21 Ogniwa PV 1G - wytwarzanie Piec do produkcji monokryształów metodą Czochralskiego (szybko zużywają się kosztowne tygle kwarcowe)

22 Ogniwa PV 1G - wytwarzanie Ilustracja procesu wytwarzania płytek monokrystalicznych krzemu

23 Absorpcja światła w półprzewodnikach Warunki potrzebne do absorpcji promieniowania słonecznego w półprzewodnikach

24 Zasada działania ogniwa PV ze złączem p-n Zasada działania złącza p-n ogniwa PV

25 Straty w ogniwach PV ze złączem p-n Straty w jedno-złączowych ogniwach PV 1 brak absorpcji fotonów o energii mniejszej od szerokości pasma wzbronionego, 2 straty relaksacji termicznych, 3 straty na złączu p-n, 4 straty na kontakcie z elektrodami, 5 niepromieniste straty rekombinacyjne

26 Ogniwa PV 1G ograniczenia sprawności Wpływ szerokości pasma wzbronionego na sprawność ogniwa z jednym złączem p-n określony ograniczeniami Shockleya- Queissera dla wartości promieniowania 1 sun i masy atmosferycznej 1,5. Maksymalna sprawność wynosi 33,7% i występuje przy szerokości przerwy 1,34 ev. ( Shockley W., Queisser H.J., Journal of Applied Physics, 1961, 32, )

27 Ogniwa PV 1G ograniczenia sprawności Materiał Wzór/symbol Przerwa (ev) w 300 K Materiał Wzór/symbol antymonek galu GaSb 0,726 selenek cynku ZnSe 2,7 antymonek glinu AlSb 1,6 arsenek galu GaAs 1,43 arsenek glinu AlAs 2,16 selenek kadmu selenek ołowiu siarczek cynku CdSe 1,73 PbSe 0,27 ZnS 3,6 Przerwa (ev) w 300 K arsenek indu InAs 0,36 siarczek galu GaS 2,5 (w 295 K) azotek galu GaN 3,4 azotek glinu AlN 6,2 siarczek kadmu siarczek ołowiu(ii) CdS 2,42 PbS 0,37 diament C 5,5 tellurek cynku ZnTe 2,25 fosforek galu GaP 2,26 tellurek kadmu CdTe 1,49 fosforek glinu AlP 2,45 fosforek indu InP 1,35 tellurek ołowiu(ii) tlenek tytanu(iv) PbTe 0,29 TiO 2 3,0-3,2 german Ge 0,67 węglik krzemu SiC 2,86 krzem Si 1,11 selenek cynku ZnSe 2,7 Szerokości pasma wzbronionego różnych półprzewodników

28 Ogniwa PV 1G ograniczenia sprawności Sprawność fotoogniwa 1G jako funkcja szerokości pasma wzbronionego półprzewodników monokrystalicznych

29 Ogniwa PV 1G ograniczenia sprawności I natężenie promieniowania w odległości L od miejsca padania fotonów na ogniwo PV, I 0 natężenie promieniowania padającego L długość drogi fotonu, a współczynnik absorpcji materiału Współczynniki absorpcji różnych półprzewodników jako funkcja długości fali (

30 Ogniwa PV 1G ograniczenia sprawności Zakres spektralny promieniowania słonecznego absorbowanego przez krzem (

31 Ogniwa PV 1G ograniczenia sprawności Budowa ogniwa PV z warstwą antyrefleksyjną (

32 Ogniwa PV 1G ograniczenia sprawności Pole czarne ograniczenia Shockleya-Quiessiera, Pole różowe energia fotonów mniejsza od szerokości pasma wzbronionego, Pole zielone straty na termalizację nośników, Pole niebieskie straty na rekombinacyjne nośników yqueisserbreakdown2.svg

33 Ogniwa fotowoltaiczne II generacji (2G) Ogniwa PV II generacji są także zbudowane w oparciu o złącza p-n. Są to jednak tańsze w produkcji ogniwa cienkowarstwowe, które mogą być produkowane z krzemu amorficznego dyfundowanego wodorem (a- Si:H), polikrystalicznego telurku kadmu (CdTe), czy też polikrystalicznych warstw miedzi, indu, galu i selenu CIGS. Cechą charakterystyczną ogniw 2G jest bardzo mała grubość warstwy absorbującej światło rzędu 1-3 mikrometrów i stąd noszą nazwę cienkowarstwowych. Małe zużycie półprzewodników zmniejsza koszty tych ogniw do około 1 $/W. Sprawność ogniw II generacji jest niższa i wynosi 10-15%. Pewną niedogodnością ogniw z krzemu amorficznego jest występujący w nich efekt degradacyjny polegający na tym, że po kilku dniach od ich wykonania następuje znaczący spadek sprawności - nawet do 20%.

34 Budowa ogniwa PV 2G cd. Budowa ogniwa CIGS ergy-photovoltaics/ Warstwę absorbera otrzymuje się przez termiczne naparowanie z czterech źródeł na pokryte metalem szkło sodowe. Metalizacja jest tylny kontaktem omowym ogniwa z cienkiej warstwy molibdenu gdzie podłączone są przewody odprowadzające

35 Budowa ogniwa PV 2G cd. Widok fragmentu panela CIGS (

36 Ogniwa PV III generacji (3G) Ogniwa III generacji mogą być jeszcze tańsze (poniżej 0,5 $/W), jeśli będą produkowane w technologii cienkowarstwowej tandemowej, czyi składające się z dwóch lub więcej materiałów o różnych przerwach energetycznych, z których każdy absorbuje tę część promieniowania słonecznego, którą może najskuteczniej zamienić na energię elektryczną. Najczęściej są stosowane trójskładnikowe ogniwa na bazie a-si z wodorem i stopów z germanem. Ogniwa 3G umożliwiają przekroczenie limitu Shockleya-Queissera (31-41% sprawności)

37 Ogniwa PV 3G cd. Budowa ogniwa 3G Źródło: Sunlab, Canada

38 Ogniwa PV 3G cd. Zakresy absorpcji promieniowania słonecznego przez InGaP, GaAs i InGaAs (

39 Ogniwa PV różnych generacji - podsumowanie Zmiany w technologiach produkcji ogniw różnych generacji

40 Dziękuję za uwagę