Złącze p-n. Stan zaporowy

Transkrypt

1 Anna Pietnoczka

2 Stan zaporowy Jeżeli do złącza n-pprzyłożymy zewnętrzne napięcie U< 0, spowoduje to odsunięcie nośników ładunku od warstwy dipolowej i powiększenie bariery potencjału. Uniemożliwia to przepływ prądu. Mówimy, że złącze znajduje się w stanie zaporowym. U bp U p n Złącze p-n U < 0

3 Zasada pracy fotodetektorów w Silne pole elektryczne obecne w warstwie zubożonej powoduje rozseparowanie foto-generowanych nośników. Powstaje prąd. Prąd płynie w obwodzie zewnętrznym- fotoprąd. 3

4 Zasada pracy fotodetektorów 4

5 Ogniwa słoneczne Anna Pietnoczka

6 Fotowoltaika Fotowoltaika to dziedzina nauki zajmująca się konwersją energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Konwersja odbywa się w półprzewodnikach, w których zachodzi efekt fotowoltaiczny. Podstawowym elementem fotowoltaicznym jest cienkowarstwowe ogniwo słoneczne zbudowane z półprzewodnika, w którym podstawowym procesem jest efekt fotoelektryczny. W chwili obecnej, fotowoltaika jest trzecim najważniejszym odnawialnym źródłem energii obok elektrowni wodnej i wiatrowej. Produkcja fotoogniw w latach

7 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 Węgiel lat Olej - 43 lata Gaz lat Spadek cen odnawialnych źródeł energii Ekologia

8 Przyszłość odnawialnych źródeł energii 300 ExaJ węgiel ropa gaz e. jądrowa biomasa woda wiatr Słońce Geo 1exaJ=10 18 J Źródło: Royal Dutch Shell Group

9 Promieniowanie słoneczne

10 Promieniowanie słoneczna -dlaczego jest to atrakcyjne źródło energii? Niewyczerpalne źródło energii Niezawodna Nie wymaga zasilania nie konsumuje paliwa Systemy fotowoltaiczne są łatwe w obsłudze i konserwacji Modularność

11 Energia słoneczna roczne światowe zużycie energii ok. 15 TW energia słoneczna docierająca do Ziemi w ciągu roku średnio TW energia wiatrowa 870 TW energia geotermalna 32 TW

12 Odległość Ziemi od Słońca Średnia wartość rocznego natężenia promieniowania (stała słoneczna)wynosi 1367±7 W/m 2 w zależności od odległości Słońce -Ziemia, która zmienia się w ciągu roku od 147 mln km w grudniu do 152 mln km w czerwcu.

13 NASA NASA Największy potencjał energii solarnej

14 Nasłonecznienie odpowiadające różnym lokalizacjom lokalizacja roczne nasłonecznienie [kwhm -2 /rok] Sahara 2200 Izrael 2000 Freiburg, płd Niemcy 1200 Hamburg, płn Niemcy 1000

15 Roczny rozkład energii promieniowania słonecznego odpowiadający różnym lokalizacjom średnia dzienna ene ergia nasłon. kwh/m 2 /d Freiburg, Niemcy Chartum/Sudan miesiąc

16 Mapa nasłonecznienia

17 Promieniowanie słoneczne AM - ilość masy powietrza, przez którą przechodzi światło AMO - stała słoneczna 1.37 KW/m 2 AMX=AM1/cos φ

18 Promieniowanie słoneczne po przejściu przez atmosferę

19 Wpływ warunków pogodowych. niebo pogoda czyste niebo promieniowanie globalne część dyfuzyjna promieniowania zamglenie, lekkie zachmurzenie słońce widoczne jako biaława tarcza ciężkie zachmurzenie Wm Wm Wm % % %

20 Promieniowanie ciała doskonale czarnego Wyjaśnienie obserwowanego rozkładu wymagało założenia skwantowania energii promieniowania E = hν = hc λ Rozkład Planck a: u(λ,t) = λ 5 [e 2πhc 2 hc λkt 1] CDC -Ciało całkowicie pochłaniające promieniowanie Słońce ciało doskonale czarne o temperaturze 5800 K

21 Promieniowanie słoneczne

22 Zasada działania ogniw słonecznych

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

24 Efekt fotoelektryczny Nobel 1921

25 1954 Bell Labs Chapin, Fuller i Pearson pierwsze ogniwo słoneczne oparte o Si 4.5 % wydajności

26 1958 Hoffman Electronics Panele fotowoltaiczne Si, 100 cm 2, wydajność 10 % wykorzystane do zasilania satelity komunikacyjnego Vanguard 1

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

28 Złącze p-n Stan zaporowy złącza p -n Jeżeli do złącza n-pprzyłożymy zewnętrzne napięcie U< 0, spowoduje to odsunięcie nośników ładunku od warstwy dipolowej i powiększenie bariery potencjału; 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; U bp U U < 0 p n

29 hf E g Wewnętrzny efekt fotoelektryczny ogniwo słoneczne

30 Fotodioda vsbateria słoneczna Dla fotodiody interesujący jest tylko zakres długości fal λw pobliżu piku czułości; Dla baterii słonecznej 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 słonecznapowinna mieć dużą powierzchnię aby duża ilość fotonów docierała do złącza; Dla fotodiody najważniejszym parametrem jest wydajność kwantowa; Dla baterii słonecznej sprawność baterii.

31 Charakterystyka I-V

32 Sprawność: P η = max P in = I mp P V in mp I mp i V mp prąd i napięcie odpowiadające punktowi mocy maksymalnej, I sc i V oc prąd zwarcia i napięcie rozwarcia Współczynnik wypełnienia FF = I I mp SC V V mp OC η = FFI SC P in V OC więcej zaabsorbowanych fotonów większy I sc większa przerwa energetyczna (E g ) większe V oc

33 Ogniwa fotowoltaiczne Zwiększanie sprawności. Absorpcja szerokiego pasma promieniowania Problem termalizacji Problem odbicia Problem rekombinacji Problem kontaktów

34 Straty sprawności w ogniwach optymalna przerwa energetyczna η = FFI P SC in V OC Teoretyczna zależność maksymalnej wydajności ogniwa od przerwy absorbera, otrzymana przy założeniu, że tylko rekombinacja radiacyjna jest źródłem strat energii.

35 Straty sprawności w ogniwach optymalna przerwa energetyczna

36 Straty sprawności w ogniwach optymalna przerwa energetyczna

37 Straty sprawności w ogniwach optymalna przerwa energetyczna Współczynnik absorpcji w funkcji długości fali dla różnych materiałów stosowanych w fotowoltaice

38 Straty sprawności w ogniwach optymalna przerwa energetyczna Współczynnik absorpcji w funkcji długości fali dla różnych materiałów stosowanych w fotowoltaice

39 Straty sprawności w ogniwach optymalna przerwa energetyczna Współczynnik absorpcji w funkcji długości fali dla różnych materiałów stosowanych w fotowoltaice

40 Straty sprawności w ogniwach procesy odbicia i absorpcji w ogniwie Wykorzystanie powłoki antyrefleksyjnej

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

42 Straty sprawności w ogniwach Możliwe procesy rekombinacji w ogniwie homozłączowym.

43 Cienkowarstwowe ogniwo słoneczne Absorber: przerwa energetyczna poniżej 1.5 ev absorber: CdTe Cu(In,Ga)Se 2 bufor: CdS Zn(O,S) In 2 S 3 okno: ZnO ITO typ p domieszkowanie ~10 16 cm -3 wysoka absorpcja Okno i bufor szeroka przerwa energetyczna (przezroczyste) dobre dopasowanie krystaliczne do absorbera typ n domieszkowanie cm -3 43

44 Rozwój.