Rodzaje ogniw słonecznych Charakterystyki I-V i diagnostyka ogniw

Transkrypt

1 Fotowoltaika Rodzaje ogniw słonecznych Charakterystyki I-V i diagnostyka ogniw Dr inż. Barbara Swatowska Katedra Elektroniki, AGH, Kraków Plan prezentacji 1. Energia słoneczna i widmo promieniowania, efekt fotowoltaiczny i początki fotowoltaiki 2. Procesy zachodzące w ogniwach 3. Budowa ogniwa i rodzaje złącz, przykładowe struktury ogniw 4. Najważniejsze parametry ogniw 5. Rola warstwy antyrefleksyjnej i jej najważniejsze parametry poprawa sprawności ogniw 6. Połączenie szeregowe i równoległe ogniw 7. Charakterystyki I-V ogniw i inne parametry elektryczne ogniw 8. Programy symulacyjne parametrów ogniw, na przykładzie PC1D 9. Uwarunkowania prawne instalowania systemów PV w Polsce 10. Instalacje PV na AGH i na świecie 11. Wnioski 2

2 Energia słoneczna perspektywy Całkowite zapotrzebowanie na energię (przemysł, ogrzewanie, transport, itp..) ogółem: kwh/rok na człowieka: kwh/rok Perspektywy wyczerpania oraz dewastacja środowiska wymagają czystszych i odnawialnych form energii. Wyczerpanie źródeł naturalnych (przy obecnym zapotrzebowaniu): ropa, węgiel, gaz 250 lat; uran 60 lat Całkowita moc promieniowania słonecznego, wykorzystywana przez ludzi stanowi około 18 terawatów, czyli około 0,02% całkowitej jego mocy. Szacuje się, że wszystkie istniejące na Ziemi złoża węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego zawierają łącznie około 430*10 21 J energii, co odpowiada energii, jaka dociera ze Słońca do Ziemi w ciągu 56 dni. Słońce TW Wiatr 870 TW Geotermia 32 TW Zapotrzebowanie 18 TW Wodna 7,2 TW Teoretycznie dostępna energia źródeł odnawialnych w porównaniu z aktualnym światowym zapotrzebowaniem. 3 Rodzaje konwersji Promieniowanie słoneczne można wykorzystać w dwojaki sposób do celów energetycznych: konwersja cieplna (fototermiczna) przetworzenie en. słonecznej na en. cieplną, konwersja fotowoltaiczna przetwarzanie energii słonecznej bezpośrednio (jednostopniowo) w energię elektryczną, 4

3 Zastosowanie energii słonecznej Źródło: diocom.pl Baterie ogniw fotowoltaicznych konwersja fotowoltaiczna Kolektory słoneczne konwersja fototermiczna 5 Konwersja energii słonecznej Fizyka półprzewodników oraz inżynieria materiałowa mają fundamentalne znaczenie dla obu konwersji. Promieniowanie słoneczne padające na górne warstwy atmosfery ziemskiej egzosferę - dostarcza 1,36 kw/m 2 gęstości powierzchniowej strumienia energii (wg pomiarów satelitarnych). Główny parametr promieniowania docierającego do Ziemi: powierzchniowa gęstość mocy promieniowania słonecznego. Wielkość ta jest szczególnie istotna w konwersji energii i w przestrzeni kosmicznej wynosi ona P i = 1,353 kw/m 2, a nazywana jest stałą słoneczną. Ze względu na przejście promieniowania słonecznego przez atmosferę Ziemi, energia ta jest mniejsza w warunkach ziemskich, a także zależy od kąta, pod jakim pada na jej powierzchnię. Zależność od kąta określa parametr AMX. 6

4 Parametr AMX Współczynnik masy powietrza AMX air mass X, określa drogę optyczną, jaką musi przebyć promień słoneczny przechodzący przez atmosferę, znormalizowaną do najkrótszej możliwej drogi (gdy Słońce znajduje się w zenicie), gdzie X jest określone zależnością: X = 1/cos Z, przy czym Z jest kątem, który w danym miejscu Ziemi tworzy kierunek do Słońca z zenitem. Warunek AM1 odnosi się do sytuacji, gdy Słońce jest w zenicie, czyli odpowiada 1000 W/m 2. AM1 odpowiada natężeniu napromieniowania gdy światło słoneczne w zenicie przenika przez atmosferę i jest równe ok. 0,7 wartości AM0. Standardowo przyjmuje sięśrednie natężenie AM1.5, któremu odpowiada kąt 48,2 o, co dobrze koresponduje ze średnimi warunkami ziemskim i taki rozkład widma został zastosowany dla celów normy ISO Ilustracja zależności gęstości powierzchniowej mocy promieniowania słonecznego od kąta padania i położenia geograficznego. 7 Standaryzowane widmo AM1,5 Charakterystyka spektralna CDC o temperaturze Słońca (6000 K) oraz widmo AM1.5 znormalizowane do 1000 W/m 2 Pole pod wykresem jest równe całkowitemu natężeniu napromieniowania równemu 1000 W/m 2. Do niedawna przyjmowano, że natężenie całkowite w warunkach oświetlenia AM1.5 jest równe 844 W/m 2, obecnie wg standardów ASTM E 892, IEC norma to 1000 W/m 2. Minima obserwowane na charakterystyce widma AM1.5 są związane z absorpcjąświatła w atmosferze przez cząsteczki O 2, O 3, H 2 O, CO 2. 8

5 Częstotliwości pracy fotoelementów Zakres interesujących nas częstotliwości 9 Trochę teorii Promieniowanie elektromagnetyczne padające (Φ p ) na jakąś substancję może zostać odbite (Φ o ), zaabsorbowane (Φ ads ) lub też może przejść przez tę substancję z pewnym niewielkim tylko osłabieniem jego natężenia (Φ). Detektory promieniowania elektromagnetycznego konstruuje się w taki sposób, by maksymalna część padającego na nie promieniowania została w nich zaabsorbowana. Promieniowanie optyczne jest częścią bardzo szerokiego widma promieniowania elektromagnetycznego obejmującego zakres fal o długości od 10 nm do 100 um. Zakres ten jest dzielony na trzy podzakresy: -promieniowanie ultrafioletowe (l<380 nm) -promieniowanie widzialne (l = nm) -promieniowanie podczerwone (l>780 nm) 10

6 Trochę teorii Natura promieniowania Promieniowanie optyczne jest natury korpuskularno-falowej, czyli można je traktować jako rozchodzącą sie falę o częstości υ albo jako strumień fotonów, z których każdy niesie energię W f : W f =hυ, gdzie h jest stałą Plancka. Między długością a częstotliwością fali istnieje związek: λ =c/υ, gdzie c - prędkośćświatła, Długość fali odpowiadającej energii fotonu W f określa zależność: λ f = hc/ W f 11 Trochę teorii Zjawiska fotoelektryczne Zjawiska elektryczne zachodzące pod wpływem promieniowania nazywa się ogólnie zjawiskami fotoelektrycznymi. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne - powstaje wówczas, gdy energia fotonów jest na tyle duża, że pobudzone optycznie elektrony opuszczają powierzchnię ciała, a więc następuje fotoemisja. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne - gdy energia fotonów jest mniejsza, tak że nie jest możliwa fotoemisja, a jedynie zmiana stanu energetycznego elektronów ciała. - jeśli na skutek tego zjawiska wzrasta przewodnictwo elektryczne półprzewodnika lub dielektryka zjawisko fotoprzewodnictwa, - jeśli powstaje siła elektromotoryczna w półprzewodniku o wyraźnie ukształtowanym złączu p-n zjawisko fotowoltaiczne. 12

7 Efekt fotoelektryczny wewnętrzny - fotoprzewodnictwo Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne: nośniki ładunku są przenoszone pomiędzy pasmami energetycznymi, na skutek naświetlania promieniowaniem elektromagnetycznym (np. światłem widzialnym) o odpowiedniej częstotliwości, zależnej od rodzaju materiału. Energia kinetyczna fotoelektronów nie zależy od natężenia światła, a jedynie od jego częstotliwości. Gdy oświetlanym ośrodkiem jest gaz, zachodzi zjawisko fotojonizacji, natomiast gdy zachodzi zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, mówi się o fotoprzewodnictwie. fotony fotoelektrony Odkrycie i wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego przyczyniło się do rozwoju korpuskularnofalowej teorii materii, w której obiektom mikroświata przypisywane są jednocześnie własności falowe i materialne (korpuskularne). Wyjaśnienie i matematyczny opis efektu fotoelektrycznego zawdzięczamy Albertowi Einsteinowi, który w 1905 r. wykorzystał do tego hipotezę kwantów wysuniętą przez Maxa Plancka w 1900 r. 13 Efekt fotowoltaiczny Efekt fotowoltaiczny to proces powstania napięcia w materiale pod wpływem światła. Absorpcja promieniowania oraz rozkład spektralny widma słonecznego znacznie ograniczają grupę materiałów półprzewodnikowych, nadających się do zastosowań w konwersji fotowoltaicznej. Aby wykorzystać jak największą część widma słonecznego, przerwa energetyczna E g danego półprzewodnika powinna być jak najmniejsza. 14

8 Początki fotowoltaiki Aleksander Edmund Becquerel ( ) francuski fizyk i fizykochemik. Podczas doświadczeń z elektrodami i elektrolitem zauważył, że przewodność rośnie wskutek oświetlenia układu. Miał wtedy 19 lat! Podczas eksperymentu używał różnych rodzajów światła, najlepszy efekt uzyskał przy niebieskim świetle lub promieniowaniu UV. W 1866 r. jako pierwszy dokonał pomiaru temperatury za pomocą ogniwa termoelektrycznego. Henri Becquerel (syn) otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1903 za odkrycie promieniotwórczości (wspólnie z Piotrem i Marią Curie) Pierwsza obserwacja efektu fotoelektrycznego w ciele stałym (selenie) przez Willoughby Smitha. Podczas badania przewodnictwa prętów selenu odkrył, że przew. wzrasta znacznie, gdy są one oświetlone W.G. Adams i R.E. Day obserwują zjawisko fotowoltaiczne w selenie. W rurce szklanej umieścili pręt selenu, na którego końcach zamontowali platynowe elektrody. Celem eksperymentu było sprawdzenie, czy pod wpływem światła w selenie będzie wytwarzany prąd. Pozytywny wynik doświadczenia oznaczał powstanie uproszczonego modelu ogniwa fotowoltaicznego. 15 Początki fotowoltaiki, c.d wytworzenie pierwszego złącza p-n w germanie. Stało się ono podstawowym elementem ogniwa fotowoltaicznego laboratorium Bella (USA), Chapin, Fuller i Pearson wytworzyli pierwsze ogniwo słoneczne na monokrystalicznym krzemie ze złączem dyfuzyjnym p-n (sprawność konwersji ok. 6%). Optymalizacja takiego ogniwa pozwoliła Lindmayerowi i Allisonowi na uzyskanie sprawności ok. 16% (przy natężeniu napromieniowania 100 mw/cm 2 ). Kolejne etapy rozwoju w tej dziedzinie - wprowadzenie polikrystalicznych i amorficznych cienkich warstw w miejsce materiałów monokrystalicznych, co przyniosło istotne korzyści w technologii ogniw: obniżenie kosztów ich wytwarzania, zmniejszenie zużycia materiałowego, a także wzrost produkcji ogniw i modułów fotowoltaicznych Reynolds i inni wykonali pierwsze ogniwo heterozłączowe (siarczek miedzi/siarczek kadmu), które zapoczątkowało intensywny rozwój technologii fotowoltaicznej cienkowarstwowej. W połowie lat siedemdziesiątych pojawiły się cienkowarstwowe ogniwa heterozłączowe Cu 2 S/CdS. Optoelektronika dla EiT - wykład 16

9 Procesy zachodzące w ogniwach słonecznych Składowymi konwersji promieniowania słonecznego w energię elektryczną są następujące procesy fizyczne: absorpcja promieniowania słonecznego w materiale półprzewodnikowym i generacja par elektron dziura, migracja fotogenerowanych nośników ładunku elektronów i dziur do obszaru separacji, tj. do obszaru złącza; jest ona możliwa dzięki zjawisku dyfuzji; skuteczność tego procesu zależy od stopnia ograniczenia rekombinacji nośników, separacja ładunku w wewnętrznym polu elektrycznym złącza; jej rezultatem jest praca wykonywana przez nośniki większościowe (przed separacją mniejszościowe, do tej zamiany dochodzi po przejściu przez barierę potencjału) podczas przepływu przez obwód zewnętrzny ogniwa. Absorpcja gwałtownie rośnie, gdy energia kwantów promieniowania przekracza szerokość przerwy energetycznej. Wymienione zjawiska zachodzą w każdym rodzaju ogniw. 17 Krawędź absorpcji Przebieg wartości współczynnika absorpcji w zależności od energii kwantów promieniowania hν w obszarze hν E g nazywa się krawędzią absorpcji podstawowej i odgrywa bardzo ważną rolę w ogniwach fotowoltaicznych. Na wykresie można wyróżnić dwie grupy materiałów: półprzewodniki o prostej przerwie energetycznej (CuInSe 2, Cu 2 S, GaAs, CdTe, CdS), których współczynnik absorpcji bardzo gwałtownie wzrasta ze wzrostem energii kwantów promieniowania przekraczając E g i osiąga wartości rzędu 10 5 cm -1, półprzewodniki o skośnej przerwie energetycznej (Ge, Si, GaP), których współczynnik absorpcji rośnie znacznie wolniej. Zależność współczynnika absorpcji od energii promieniowania dla kilku półprzewodników stosowanych w ogniwach słonecznych 18

10 Dyfuzja nośników, generacja, rekombinacja W wyniku absorpcji promieniowania słonecznego generowane są w półprzewodniku pary elektron dziura. Jeden z tych nośników jest nośnikiem mniejszościowym; w półprzewodniku typu p jest nim elektron, a w półprzewodniku typu n jest nim dziura. W wyniku migracji nośnik mniejszościowy musi przejść do obszaru, w którym stanie się większościowym. Proces ten zachodzi poprzez dyfuzję. Jeśli przyjmiemy następujące oznaczenia: D współczynnik dyfuzji, τ - czas życia nośników mniejszościowych, to wyrażenie na długość drogi dyfuzji L, która jednocześnie określa skuteczność procesu migracji, przyjmie postać: L = D τ Równocześnie ze zjawiskiem generacji nośników występuje zjawisko ich rekombinacji, w wyniku którego czas życia nośników przyjmuje wartości skończone. Wewnątrz półprzewodnika zachodzi rekombinacja objętościowa (można określić szybkość rekombinacji v r oraz czasy życia nośników; elektronów τ n i dziur τ p ), natomiast na jego powierzchni rekombinacja powierzchniowa. Rekombinacja objętościowa prosta polega na bezpośrednim przejściu z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego i jest to proces odwrotny do absorpcji światła. 19 Budowa ogniwa słonecznego elementy składowe Przekrój poprzeczny krzemowego ogniwa słonecznego. Podstawowym urządzeniem używanym do zamiany energii słonecznej na elektryczną jest ogniwo fotowoltaiczne, zwane też ogniwem słonecznym (solar cell). Jest ono wykonywane z materiału półprzewodnikowego, w którym pod wpływem absorpcji promieniowania powstaje napięcie na zaciskach przyrządu. Najważniejszy element ogniwa fotowoltaicznego - złącze półprzewodnikowe p-n. Ma ono znacznie większą powierzchnię niż złącza stosowane w elektronice półprzewodnikowej. Powierzchnia złącza ogniwa jest zarazem jego powierzchnią czynną. Absorpcja przeważającej części promieniowania słonecznego, padającego na ogniwo, następuje w obszarze krzemu typu n, zwanym emiterem. Obszar krzemu typu p, zwany jest kolektorem i wraz z emiterem oraz dwoma elektrodami przednią i tylną, stanowią najważniejsze elementy składowe ogniwa fotowoltaicznego. 20

11 Złącze p-n Model złącza p-n Przez złącze n p ogniwa słonecznego przepływają cztery prądy: Przepływ przez złącze elektronów z obszaru n, które mają energię wystarczającą do pokonania bariery energetycznej E g, jest określany jako gęstość prądu wstrzykiwania nośników ponad barierą J ni. Z obszaru typu p przepływa przez złącze pewna liczba dziur, które posiadają energię wystarczającą do przejścia ponad barierą energetyczną. Jest to tzw. prąd wstrzykiwania J pi. Przez złącze przepływają także prądy nośników mniejszościowych, które powstają na wskutek pobudzania termicznego lub absorpcji fotonów zarówno w obszarze typu n i p. Te prądy nazywają się prądami generacji J ng i J pg. 21 Fotoogniwo - zasada działania Powstawanie napięcia fotowoltaicznego U OC n J D p W c -qu OC Światło W F W V J P J P = prąd świetlny nośników mniejszościowych J D = prąd diody (dziur i elektronów pod wpływem U OC ) Ogniwo wykonuje się z półprzewodnika typu p pokrytego warstwą półprzewodnika typu n o grubości tylko 1µm, a więc wystarczająco cienką, aby móc łatwo przepuścić światło dochodzące do warstwy zaporowej. + 22

12 Fotoogniwo - zasada działania Napięcie U OC ustala się na takiej wartości, aby: I = I P - I D = 0 (ogniwo rozwarte) Przy obciążeniu ogniwa rezystancją R, napięcie spada i otrzymuje się niezerowy prąd: qu I = I exp nkt 1 S I P U OC - napięcie obwodu otwartego I SC - prąd zwarcia I Q, U Q współrzędne prostokąta mocy maksymalnej Sprawność fotoogniwa IQU Q I η = = P( hν ) SC UOC FF P( hν ) FF (Fill Factor) jest miarą prostokątności charakterystyki IQU FF = I U SC Q OC 23 Rodzaje złącz W konwersji fotowoltaicznej mają zastosowanie następujące złącza: homozłącze złącze, którego dwa obszary różnią się typem przewodnictwa elektrycznego (n i p), natomiast utworzone są z tego samego rodzaju materiału półprzewodnikowego heterozłącze złącze, które zostało utworzone z dwóch różnych materiałów półprzewodnikowych oraz posiada dwa typy przewodnictwa n i p; złącze Schottky ego, czyli złącze metal-półprzewodnik; złącze typu MIS metal-izolator-półprzewodnik, w odróżnieniu od złącza Schottky ego posiada cienką warstwę izolatora w obszarze między metalem i półprzewodnikiem. Pierwsze ogniwa słoneczne na krzemie multikrystalicznym (odmiana krzemu polikrystalicznego o stosunkowo dużych ziarnach średnica nawet 1 cm i więcej) wykorzystano w 1958 r. w satelicie okołoziemskim Vanguard 1, w którym umieszczono sześcioogniwowe panele, dostarczające 5 W mocy. Po wyczerpaniu standardowych baterii panele fotowoltaiczne zasilały nadajnik pojazdu przez 6 lat. Badania jednak nie rozwinęły się od razu. Dopiero w latach 80. XX w. fotowoltaika zyskała na popularności i rozpoczęto badania na szerszą skalę. Pierwszą osadą na świecie, całkowicie zasilaną energią elektryczną ze Słońca jest Al-Ainach w Arabii Saudyjskiej, gdzie helioelektrownia o mocy 50 kw pracuje od 1980 roku. 24

13 Przykładowe struktury ogniw (1) Struktura cienkowarstwowego ogniwa słonecznego CuInSe 2 /CdS. Sprawność ogniw CIS/CdS osiąga wartość 12% przy napięciu ogniwa otwartego U OC =440 mv, bardzo wysokiej gęstości prądu zwarcia J SC =39,5 ma/cm 2 i współczynniku wypełnienia FF =0,69. Ogniwo słoneczne a-si:h (amorficzny krzem) o strukturze p-i-n. Ogniwo wykonane w laboratoriach Sanyo. Parametry: U OC =869 mv, J SC =18,9 ma/cm 2, FF =0,70, η =11,5%. 25 Przykładowe struktury ogniw (2) Ogniwo słoneczne typu Hamakawy; w miejsce górnej warstwy typu p, otrzymało warstwę o szerokiej przerwie energetycznej w celu zwiększenia transmisji światła do warstwy i krzemu. 26

14 Przykładowe struktury ogniw (3) hν p+ n+ p+ n+ p+ n-si n-sio 2 n-sio 2 Przykład rozwoju w kierunku ogniw wysokoobciążalnych - działa przy świetle skoncentrowanym, nawet rzędu 500 słońc (500xAM1). Program ministerstwa energii USA: ogniwa sprawności 15% i kosztach 15 centów/w mogą konkurować z konwencjonalnymi źródłami energii. Połączenie metalowe Przekrój wysokoobciążalnego ogniwa c-si z punktowymi kontaktami 27 Przykładowe struktury ogniw (4) OGNIWA NA BAZIE POTRÓJNYCH CHALKOPIRYTÓW (CuInSe 2 oraz CuInS 2 ) CIS Metal HETEROZŁĄCZE n CdS/p-CuInSe 2 szkło Mo p-cuinse n-cuin Se n-cds n-zno n -ZnO + hν Światło jest całkowicie absorbowane przez warstwę CuInSe 2 o grubości 1 µm a więc w obszarze pola elektrycznego heterozłącza. 28

15 Przykładowe struktury ogniw (5) OGNIWA CIENKOWARSTWOWE NA BAZIE GaAs Koszt podłoża GaAs razy większy niż c-si Duża odporność na promieniowanie jonizujące, głównie zastosowania kosmiczne Ogniwa GaAs / AlGaAs osiągają sprawności do 25% (AM 1.5) Przy zastosowaniu koncentratorów ( Słońc) η 28%, a ponadto relatywny koszt samego ogniwa jest mniejszy. Ograniczające warstwy Al x Ga y As redukują koncentracje stanów powierzchniowych, co daje mniejszą rekombinację. Czas rekombinacji nośników w GaAs jest mały, ale duża ruchliwość zapewnia wystarczającą wartość drogi dyfuzji, około 7 µm. 29 Wydajności przykładowych ogniw słonecznych Materiał Struktura η [%] Si monokrystaliczna Si polikrystaliczna (multikrystaliczna) 8 16 GaAs monokrystaliczna GaAs/GaAsAl monokrystaliczna heterozłączowa AlGaAs/Si monolityczna (2 złącza p-n) tandemowa Osiągalne w warunkach AM1 maksymalne sprawności konwersji ogniw krystalicznych W ciągu ostatnich kilkunastu lat obserwuje się stopniowy wzrost zainteresowania ogniwami cienkowarstwowymi oraz organicznymi mimo niższych sprawności w stosunku do ogniw krzemowych, bardziej korzystna cena produkcji i wdrożeń oraz szersza gama zastosowań. 30

16 Schemat zastępczy ogniwa Schemat zastępczy idealnego ogniwa słonecznego Schemat zastępczy rzeczywistego ogniwa słonecznego (model jednodiodowy) Na rezystancję szeregową R S składają się następujące składowe: opór kontaktów, doprowadzeń, rezystancja elektrody zbierającej oraz inne oporności warstw ogniwa. Rezystancja równoległa R W związana jest ze wszystkimi defektami struktury kryształu. Największy wpływ na parametry ogniwa ma R S i powinna mieć jak najmniejszą wartość. Natomiast R R przy niewadliwej strukturze ma niewielki wpływ, a dla idealnego ogniwa przyjmuje wartość dążącą do nieskończoności. 31 Schemat zastępczy ogniwa (model 2-diodowy) R s I I ph I 0r I 0d I rsh C R sh V gdzie: I ph fotoprąd; I 0r prąd nasycenia składowej rekombinacyjnej; I 0d prąd nasycenia składowej dyfuzyjnej prądu diodowego; R sh rezystancja zwierająca; R s rezystancja szeregowa; I rsh prąd płynący przez rezystancję zwierającą; I prąd płynący przez obciążenie; V spadek napięcia na obciążeniu, n d i n r czynniki doskonałości, gdzie n d = 1 i n r = 2 I I I ( IR ) q( V + IR ) q V + s s = ph 0d exp r ndkt 1 0 exp nrkt 1 I V + IRs Rsh 32

17 Charakterystyka I-V Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa słonecznego w swoim kształcie przypomina charakterystykę diody półprzewodnikowej. Wykres nieoświetlonego ogniwa jest opisany zależnością: gdzie: I d prąd ciemny I 0 prąd nasycenia diody q ładunek elementarny V napięcie k stała Boltzmanna 1, J/K T temperatura w Kelwinach Wzór opisujący zależność prądowo-napięciową ogniwa oświetlonego wygląda następująco, gdzie I ph prąd jasny: 33 Podstawowe parametry ogniw Prąd zwarcia I SC (Short Circuit Current): Prąd płynący w obwodzie ogniwa podczas zwarcia zacisków A i B. W takim obwodzie nie występuje obciążenie, albo rezystancja obciążenia jest w przybliżeniu równa zero, R ob =0. Na odcinku A B napięcie także wynosi zero, U=0. Wielkość prądu płynącego w obwodzie jest największa dla konkretnych warunków atmosferycznych. Wartość tego prądu równa się generowanemu prądowi jasnemu I ph, a gęstość zależy od natężenia promieniowania w szczególności od szerokości przerwy energetycznej użytego półprzewodnika. Im większą przerwę posiada półprzewodnik tym mniejszy jest generowany prąd. Napięcie obwodu otwartego U OC (Open Circuit Voltage): Napięcie wytworzone pomiędzy kontaktami ogniwa podczas rozwarcia zacisków A i B. Rezystancja w tym obwodzie dąży do nieskończoności, R, natomiast prądy płynące w obwodzie to prąd elektronowy oraz prąd dziurowy. Ich rozpływ do konkretnych obszarów półprzewodnika (dziurowy do obszaru typu p, elektronowy do obszaru typu n) prowadzi do powstania różnicy potencjałów U OC. Wartość napięcia obwodu otwartego jest największa dla ogniwa przy danych warunkach nasłonecznienia. Moc maksymalna P max : To największe pole prostokąta pod wykresem charakterystyki I-V, przy czym jeden jego wierzchołek leży na krzywej. Wierzchołek nazywany jest punktem mocy maksymalnej MPP (ang. Maximum Power Point), a jego współrzędnymi są I m oraz U m. Związek między tymi parametrami to tzw. współczynnik wypełnienia FF (fill factor): Pm I mu m FF = = P I U id SC OC 34

18 Sprawność/wydajność ogniwa PV Najistotniejszym parametrem ogniw jest ich sprawność. Sprawność ogniwa stosunek maksymalnej mocy elektrycznej P m, uzyskiwanej z ogniwa, do mocy promieniowania słonecznego padającego na ogniwo P i : P m η = P Wartość P m zależy od właściwości elektrycznych i optycznych materiałów złącza, jakości kontaktów, procesów zachodzących w obszarze złącza, a także typu ogniwa. Moc P i określa się go jako iloczyn E*S, przy czym: E gęstość mocy promieniowania słonecznego [W/m 2 ] S powierzchnia fotoogniwa [m 2 ]. Po uwzględnieniu powyższych zależności, sprawność ogniwa możemy oszacować z wzoru: Pm I m U m η = = 100% P E S i i 35 Straty energii w ogniwie słonecznym Sprawność ogniwa ograniczają w następujący sposób trzy czynniki: η 1 czynnik spektralny, η 2 czynnik napięciowy, η 3 czynnik wypełnienia. η A N ( E ) E a ph g g 1 = A E t e 100% η = η 1 η2 η3 gdzie A a i A t oznaczają odpowiednio czynną i całkowitą powierzchnię ogniwa. Czynnik η 1 osiąga maksymalną wartość równą 44,4% dla E g = 0,92 ev. Ze względu na czynnik spektralny traci się w ogniwie około 55% energii słonecznej. Czynnik napięciowy η 2 uwzględnia stratę, która wynika z faktu, że energia fotonu konieczna do wytworzenia pary nośników jest równa E g, a największe napięcie, możliwe do otrzymania w ogniwie wynosi U OC. Można to zapisać w postaci wzoru: I mu FF = I U SC m OC η 2 qu = E Trzecią stratę uwzględnia czynnik wypełnienia η 3, który jest równy parametrowi FF. Czynniki η 2 i η 3 są niewielkie dla przerw energetycznych mniejszych od ok. 1 ev, ze wzrostem E g zwiększają się początkowo szybko, a od wartości E g = 1,5 ev powoli. OC g 36

19 Rynek PV na świecie Źródło: Produkcja ogniw/modułów fotowoltaicznych na świecie od 2000 do 2011 r., wyrażona w GW energii. 37 Rynek PV na świecie Źródło: Wielkości instalacji PV dla wybranych krajów świata w latach od 2000 do 2011, wyrażona w MWp energii. W roku 2011 r. na całym świecie podłączono źródła fotowoltaiczne o mocy 29,7 GW, podczas gdy w roku 2010 było to 16,8 GW. "Odpowiedzialność" za tę dynamikę aż w 75% przypada na kraje europejskie. Tylko w 2011 r. na naszym kontynencie do sieci podłączono nowe źródła fotowoltaiczne o łącznej mocy 21,9 GW (w roku 2010 jedynie 13,4 GW). Z danych Urzędu Regulacji Energetyki (URE) wynika, że w Polsce działa raptem dziewięć instalacji fotowoltaicznych o łącznej mocy zaledwie 1,289 MW. Dysproporcja z resztą Europy jest ogromna. (artykuł: Fotowoltaika: plamy na Słońcu ) 38

20 Znaczenie krzemowych ogniw słonecznych 1. Dominacja na rynku światowym konstrukcji ogniw na bazie krzemu krystalicznego. 2. Wada duży współczynnik odbicia światła od ich powierzchni. 3. Możliwość zmniejszenia współczynnika odbicia światła poprzez modyfikację ogniw za pomocą warstwy antyrefleksyjnej tzw. ARC. Źródło: events/pvreport-2012-part1.pdf Udział ogniw z krzemu krystalicznego w porównaniu do ogniw cienkowarstwowych w produkcji energii na świecie od 2011 r. 39 Materiały dla fotowoltaiki cienkowarstwowe inne Udział poszczególnych technologii wytwarzania komercyjnych ogniw słonecznych w 2006 Krzem multikrystaliczny 40

21 Technologia wytwarzania ogniw trawienie i mycie podłoży nakładanie pasty dyfuzyjnej metodą sitodruku proces dyfuzji w piecu IR proces dyfuzji w klasycznym piecu dyfuzyjnym zmywanie szkliwa podyfuzyjnego PSG wytwarzanie warstwy antyrefleksyjnej metodą CVD drukowanie pasty aluminiowej (warstwa BSF) oraz srebrowej (kontakty) wypalanie kontaktów w piecu IR 41 Wytworzenie ogniwa na bazie krzemu A B C D) A) Wafel krzemu multikrystalicznego (mc-si), o grubości 270 mm, bezpośrednio po cięciu z bloku... B) z wytworzonym podczas procesu dyfuzji, złączem p-n... C) oraz gotowe ogniwo fotowoltaiczne (mc-si), z naniesioną warstwą antyrefleksyjną (kolor niebieski) i widoczną siatką elektrod. D) Struktura krzemu multikrystalicznego (B) w powiększeniu. 42

22 Urządzenia do technologii ogniw Piec dyfuzyjny (POCl 3 ) (Laboratorium fotowoltaiczne PAN w Kozach k. Bielska) 43 Urządzenia do technologii ogniw Piec IR LA-310 RTC dyfuzja Piec IR LA-310 RTC metalizacja Laboratorium fotowoltaiczne PAN w Kozach k. Bielska 44

23 Konstrukcja krzemowego ogniwa słonecznego z uwzględnieniem warstwy ARC Warstwa antyrefleksyjna cienka warstwa o grubości kilkudziesięciu nanometrów, służąca do poprawy wydajności ogniw słonecznych. przednia elektroda warstwa antyrefleksyjna mc-si typu n mc-si typu p tylna elektroda Warstwa antyrefleksyjna znacznie redukuje ilość odbitego światła (czynnik spektralny). Animacja wpływu warstwy ARC na całkowite odbicie światła od powierzchni ogniw słonecznych 45 Współczynnik załamania światła na granicy dwóch ośrodków Źródło: Miarą prędkości światła w różnych ośrodkach i parametrem opisującym załamanie światła jest współczynnik załamania. Sposób załamania światła opisuje prawo Snella, które wiąże kąt padania światła na granicę ośrodków (A) z kątem wyjścia (B) w następujący sposób: sina/sinb = n 2 /n 1 Gdzie n 1 i n 2 to współczynniki załamania ośrodka pierwszego i drugiego. 46

24 Współczynnik załamania warstw AR Optymalna grubość warstwy antyrefleksyjnej wyznaczana jest na podstawie znajomości jej współczynnika załamania światła dla wybranej długości fali: λ 2 nd = (1) oraz n = n0n2 (2) 4 gdzie: n rzeczywista część współczynnika załamania światła w warstwie AR (k 0) n 0 współczynnik załamania światła w danym ośrodku d grubość warstwy antyrefleksyjnej λ - długość fali z obszaru maksymalnej fotoczułości n 0 d n ARC n 2 Si Schemat zjawiska załamania i odbicia światła na granicy ośrodków: powietrze-warstwa antyrefleksyjna (ARC)-podłoże Si 47 Materiały stosowane jako ARC Współczynnik załamania światła w krzemie dla λ 600 nm wynosi n=3,6. Pamiętać należy, że wartość współczynnika odbicia efektywnego dla krzemu monokrystalicznego jest rzędu %, a dla krzemu multikrystalicznego %. Analizując poprzedni rysunek i opierając się na zależnościach (1) i (2), gdzie przyjmujemy n 0 =1 (w powietrzu), możemy wyznaczyć optymalny współczynnik załamania światła dla warstwy AR, nakładanej na krzemowe ogniwa powinien on wynosić około 1,9. Materiał n SiO 2 1,4 1,5 Al 2 O 3 1,8 1,9 Si 3 N 4 1,9 Ta 2 O 5 2,1 2,3 TiO 2 2,3 Współczynniki załamania standardowych materiałów stosowanych obecnie jako warstwy antyrefleksyjne ARC* W ostatnich latach zwrot w kierunku warstw amorficznych do tego typu zastosowań, np. a-sin x :H* czy a-si:c:h*. * M.A. Green, Solar Cells. Operating Principles, Technology and System Applications, Kensington 1986 * M. Lipiński, P. Zięba, S. Jonas, et. all, Opto-Electronics Review 12 (1) (2004) 41 * B. Swatowska, H. Czternastek, M. Lipiński, et. all, Proc. of XXVIII Intern. Conf. of IMAPS Poland Chapter, Wrocław 2004,

25 Współczynnik efektywnego odbicia światła Oceny spektralnego współczynnika odbicia światła od badanych powierzchni, dokonano w oparciu o zdefiniowany wzorem (3), współczynnik odbicia efektywnego R eff : R 1100 gdzie: N ph (λ) odnosi się do standardowego spektrum AM1,5 i wyrażone jest w liczbie fotonów/m 2 /nm, R(λ) odbicie, R eff współczynnik odbicia efektywnego R( λ) N 400 eff = N ph ph ( λ) dλ ( λ) dλ (3) Całkowanie przeprowadzono w zakresie spektralnym od 400 do 1100 nm, który obejmuje przedział efektywnego pochłaniania widma słonecznego przez złącze fotowoltaiczne. 49 Rola warstwy antyrefleksyjnej Istotne parametry warstw ARC: grubość d ( nm) współczynnik załamania światła n (1,6 2,4) współczynnik efektywnego odbicia światła R eff (6 20%) Najważniejsze parametry ogniw słonecznych: sprawność η współczynnik wypełnienia FF prąd zwarcia I SC napięcie obwodu otwartego U OC 50

26 Charakteryzacja warstw antyrefleksyjnych Morfologia powierzchni, mikrogeometria i skład chemiczny: profilometr Hommel Tester T500; mikroskopia skaningowa oraz sił atomowych (SEM, EDS i EPMA, AFM) Uporządkowanie bliskiego zasięgu: Spektroskopia w podczerwieni FTIR Właściwości optyczne spektrofotometr dwuwiązkowy UV-VIS-NIR Badania pozwalają określić: mechanizm wzrostu oddziaływanie warstwa-podłoże skład chemiczny wiązania wodorowe ograniczenie odbicia światła parametry pracy ogniwa 51 Struktura powierzchni krzemu multikrystalicznego Zdjęcie powierzchni krzemu multikrystalicznego wykonane mikroskopem sił atomowych AFM (MultiMode V Scanning Probe Microscope firmy Veeco Katedra Elektroniki) Zdjęcie powierzchni krzemu multikrystalicznego wykonane mikroskopem skaningowym SEM (NOVA NANO SEM 200, FEI Company WIMiC, AGH) Skład chemiczny warstw sprzyja zmniejszeniu ilości defektów strukturalnych w krzemie. 52

27 Struktura warstwy AR proces pasywacji Wiązania wodorowe w warstwach a-si:c:h* SiH Si-CH 3 CH 2 (sp 3 ) CH n CH(sp 2 ) CH(sp 3 ) CH 3 (sp 3 ) CH 2 (sp 2 ) Si-CH 2 -Si Si-H n SiH 2 C-SiH C-H n Wiązania wodorowe w warstwach a-si:n:h* SiH SiH n H-SiN 3 N-H NH n H-Si-Si 3 H-Si-HSi 2 H-Si-NSi 2 H-Si-SiN 2 H-Si-HSiN H-Si-HN 2 H-Si-N 3 NH n Analiza składu chemicznego warstw, naniesionych na podłoża krzemowe, metodą spektroskopii absorpcyjnej w podczerwieni FTIR, zobrazowana na poprzednim slajdzie, potwierdziła obecność znaczącej ilości wiązań wodorowych w strukturze omawianych warstw antyrefleksyjnych, co sprzyja ich pasywującym właściwościom. Krzem multikrystaliczny jest materiałem silnie zdefektowanym, o dużej liczbie wiązań niewysyconych (tzw. dangling bonds) w obszarach granicznych ziaren. Etapy technologiczne wytwarzania ogniw cięcie płytek krzemowych, dyfuzja fosforowa sąźródłem dodatkowego niszczenia powierzchni krzemu i zwiększenia ilości defektów. Wobec tego obecność wodoru w warstwach AR, jako pasywatora defektów, jest jak najbardziej pożądana. * T. Stapiński, B. Swatowska, Amorphous hydrogenated silicon-carbon as new antireflective coating for solar cells, Journal of Non-Crystalline Solids, 352 (2006) * B. Swatowska, T. Stapiński, Amorphous hydrogenated silicon-nitride films for applications in solar cells, Vacuum, 82 (2008) Właściwości optyczne pokryć antyrefleksyjnych λ [nm] ,0 T & R 0,8 0,6 0,4 0,2 obszar słabej absorpcji T(λ) szkła borosilikatowego T(λ) warstwy R(λ) warstwy obszar silnej absorpcji warstwy obszar silnej absorpcji szkła borosilikatowego 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 1/λ [1/µm] Przykładowe widmo współczynnika transmisji podłoża szklanego borosilikatowego oraz transmisji i odbicia dla cienkiej warstwy a-si:c:h otrzymanej na szkle borosilikatowym: próbka G-2A; koncentracja metanu w mieszaninie gazowej w m =0,14; czas t=40 min; grubość d=300 nm 54

28 Współczynnik efektywnego odbicia światła od krzemu(z warstwą i bez warstwy ARC) Spektralna zależność współczynnika odbicia efektywnego dla krzemu monokrystalicznego bez i z warstwą amorficzną jako ARC. Spektralna zależność współczynnika odbicia efektywnego dla krzemu multikrystalicznego bez i z warstwą amorficzną jako ARC. 55 Zalety ogniw słonecznych Nie zawierają toksycznych cieczy i gazów Nie posiadają ruchomych części brak hałasu, trwałość Szybko reagują na obciążenie Mogą pracować w krańcowo różnych warunkach Nie powodują zanieczyszczenia środowiska w czasie pracy Wykonane są z krzemu (bardzo powszechnego pierwiastka) Umożliwiają budowę systemów od mw do MW Są na tyle lekkie, że można nimi pokrywać różne powierzchnie bez specjalnych konstrukcji 56

29 Ocena jakości ogniw słonecznych - urządzenie Aparatura do pomiaru charakterystyk prądowonapięciowych ogniw słonecznych wraz z oprogramowaniem I-V Curve Tracer for Solar Cells Qualification, v Symulator światła słonecznego, inaczej oświetlacz (9 żarówek halogenowych, 24 V, 250 W każda) Ząbkowany statyw, umożliwiający regulację odległości źródła światła od ogniwa (konieczność kalibracji dla różnych rodzajów ogniw) 4 sondy pomiarowe, prądowe (złocone, teleskopowe, tzw. soft touch ) Pozłacany stolik; w 4 jego rogach od spodu znajdują się Peltiery, umożliwiające grzanie i chłodzenie ogniw Centralnie znajdują się 3 otwory: dwoma z nich wysuwają się sondy napięciowe, a dzięki środkowemu możliwe jest zasysanie ogniwa do stolika Profesjonalne urządzenie do badania parametrów elektrycznych ogniw słonecznych. Możliwość analizowania ogniw o powierzchni od 25 cm 2 do 400 cm Ocena jakości ogniw słonecznych urządzenie Solar Cell I-V Curve Tracer w obudowie z komputerem PC; zasilanie ~230 V, 50 Hz, max. pobór mocy~350 W; Max U WYJ : ±10 V / ±1 V; Max I WYJ : ±15 A; Zakres pomiarowy prądu wynosi od 100 µa do 15 A i napięcia od 0,65 V do 10 V. Ekran z charakterystyką I-V podczas pomiaru i głównym menu System, wraz zasilaczem, do kontroli temperatury stolika pomiarowego w zakresie ok o C; Zasilanie ~230 V, 50 Hz, max. pobór mocy ~300 W Zasilacz do oświetlacza, U wyj =72 V (z możliwością regulacji ±8 V); I max = 31 A; zasilanie 3x~400 V, 50 Hz, max. pobór ~2400 W 58

30 Ocena jakości ogniw słonecznych możliwości pomiaru Krzemowe ogniwo multikrystaliczne podczas pomiaru charakterystyki I-V 0,7 I [A] 0,5 I S C 0,3 0,1 FF Pomiary w warunkach STC (Standard Test Conditions) (standardowe warunki testu) zdefiniowane przez normę IEC jako: - natężenie światła 1000 W/m 2, widmo światła odpowiadające AM1.5 G (G oznacza globalne) - temperatura ogniwa wynosząca 25 C -0,5-0,3-0,1-0,1 0,1 0,3 0,5-0,3 U O C U [V] Przykładowe charakterystyki prądowonapięciowe I-V ogniw mc-si: krzywa niebieska ogniwo bez warstwy antyrefleksyjnej krzywa zielona ogniwo z warstwą ARC 59 Główne funkcje systemu Solar Cells I-V Curve Tracer Pomiar jasnych i ciemnych krzywych w szerokim zakresie temperatur ( ~0 C - 60 C) Krótki czas pomiaru (typowo < 1 sek. dla jasnych krzywych) Wyznaczanie rezystancji szeregowej ogniwa zgodnie z normą IEC Zaimplementowane trzy procedury korekcji krzywej I-V do warunków standardowych STC (IEC 60891, Blaesser a i Andersona) Szeroki zakres mierzonego prądu; Wysoka, 16-bitowa rozdzielczość pomiaru; Zaimplementowane procedury umożliwiające dopasowanie zmierzonych krzywych I-V (jasnych) do jednego z dwóch równoważnych diodowych modeli zastępczych (SEM Single Exponential Model, DEM Double Exponential Model) Procedury umożliwiające szybkie, rutynowe wyznaczanie współczynników temperaturowych podstawowych parametrów fotoogniw Zaawansowane oprogramowanie pomiarowe gotowe do natychmiastowego użycia po zainstalowaniu System pomiarowy opracowany przez firmę Systemy PV I Pomiarowe pozwala mierzyć zarówno ciemne, jak i jasne charakterystyki I-V fotoogniw. Krzywe mierzone są wykorzystując klasyczny układ czterech sond (Kelvina) i od strony pomiarowej, spełnia wszystkie wymagania normy europejskiej IEC

31 Współczynniki temperaturowe napięciowy V OC - β 61 Współczynniki temperaturowe prądowy I SC - α 62

32 Charakterystyki I-V przy różnym zacienieniu Charakterystyki I-V dla ogniwa multikrystalicznego, zmierzone przy różnym stopniu zacienienia jego powierzchni: -krzywa czarna oświetlona cała powierzchnia -krzywa niebieska zacieniona 1/8 powierzchni ogniwa -krzywa zielona zacieniona ¼ powierzchni ogniwa -krzywa brązowa zacieniowana ½ powierzchni ogniwa 63 Charakterystyki I-V w zmiennych warunkach zewnętrznych Urządzenie I-V Curve Traser for Solar Cells Qualification, v , stwarza możliwość prowadzenia badań ogniw przy zmiennych parametrach zewnętrznych (oświetlenie i temperatura), zbliżonych do rzeczywistych warunków pracy instalacji PV. T [ o C] η [%] V OC [mv] I SC [A] FF A S [%] η [%] V OC [mv] I SC [A] FF Najważniejsze parametry ogniw słonecznych dla wybranych temperatur T i różnej powierzchni zacienienia A S. Widoczny wpływ temperatury na wartość napięcia obwodu otwartego V OC Stopień zacienienia decyduje o wartości prądu zwarcia I SC 64

33 Połączenie szeregowe ogniw Wpływ połączenia szeregowego ogniw na charakterystykę prądowo-napięciową modułu W przypadku zacienienia (liście, kurz, cień drzew, itp.) napięcie na zacienionym ogniwie zmienia kierunek i takie ogniwo staje się obciążeniem dla pozostałych w szeregu. 65 Diody bocznikujące Dioda bocznikująca (dioda bypass) podczas normalnej pracy ogniwa bez zacienienia jest spolaryzowana zaporowo i nie przewodzi. W momencie gdy dochodzi do zacienienia diody bocznikujące zostają spolaryzowane w kierunku przewodzenia i płynie przez nie prąd generowany przez panel, omijając ogniwa, które zostały zacienione. Zasada działania diod bypass [źródło: Wpływ diody bypass na charakterystykę I-V ogniwa przy jego częściowym zacienieniu 66

34 Połączenie równoległe ogniw Równoległe połączenie ogniw Wpływ połączenia równoległego na charakterystykę prądowo-napięciową Przy połączeniu ogniw równolegle uzyskujemy większy prąd. W tym typie połączenia zacienienie pojedynczego ogniwa nie ma tak negatywnego wpływu na parametry całego modułu. 67 Opór równoległy i szeregowy Schemat zastępczy ogniwa z uwzględnieniem R s i R u Wpływ oporu szeregowego na FF Na wartość FF, oprócz kształtu charakterystyki I-V, wynikającego ze szczegółowych własności mechanizmu transportu prądu przez złącze, ma wpływ szeregowy i równoległy opór ogniwa. Opór szeregowy R S ma szczególnie negatywny wpływ na FF i składa się na niego m.in. opór omowy obszaru neutralnego absorbera, opór elektrody zbierającej (emiter w homozłączu, okno w heterozłączu), opór kontaktów i doprowadzeń. Stąd konieczność optymalizacji poziomu domieszkowania oraz powierzchni i własności kontaktów elektrycznych, która pozwala zminimalizować R s. Opór równoległy R u związany jest z upływnością po granicach ziaren, krawędziach, itp. i w niewadliwej strukturze nie ma praktycznego wpływu na FF. 68

35 Czas życia nośników Stanowisko WCT-120 do pomiaru czasu życia nośników (Sinton Consulting, Inc., Laboratorium Fotowoltaiczne PAN) Najczęściej stosowane metody pomiaru czasu życia nośników prądu w monoi multikrystalicznych płytkach krzemowych wykorzystują efekt zmian konduktancji półprzewodnika po wprowadzeniu nadmiarowych nośników ładunku. Efektywny czas życia nośników ładunku τ eff jest wypadkową procesów rekombinacyjnych zachodzących na powierzchni ogniwa, jak i wewnątrz objętości. Można go wyrazić za pomocą równania: 1 τ 1 1 = + τ τ eff b S gdzie: - τ b jest czasem życia nośników w objętości materiału, - τ S - czasem życia nośników na powierzchni materiału półprzewodnikowego. 69 Czas życia nośników w funkcji ich koncentracji τ eff = 7,2 [µs] τ eff = 8 [µs] Efektywny czas życia nośników dla przykładowego ogniwa multikrystalicznego (grubość 300 µm), warstwa ARC azotek krzemu Si 3 N 4 Efektywny czas życia nośników dla przykładowego ogniwa monokrystalicznego (grubość 210 µm), teksturyzowanego, warstwa ARC TiO 2 Czas życia nośników w przypadku ogniw na bazie krzemu multikrystalicznego jest mniejszy. Oczywistą przyczyną tego faktu są znaczne niejednorodności struktury. 70

36 Wydajność kwantowa ogniw: zewnętrzna i wewnętrzna Wydajność kwantowa (quantum efficiency, collection efficiency) Q(λ) dla danej długości fali świetlnej to stosunek gęstości prądu obwodu zwartego, do iloczynu ładunku elementarnego i gęstości strumienia fotonów o długości fali λ. Mogą one padać na powierzchnię czynną ogniwa lub zostaną pochłonięte przez półprzewodnik. W pierwszym przypadku mowa o wydajności kwantowej zewnętrznej Q e (λ) (E QE external quantum efficiency), którą wyraża wzór: J e ( λ) + J h ( λ) + J '( λ) Qe ( λ) = qn ph ( λ) Znajomość zewnętrznej wydajności kwantowej Q e (λ), umożliwia nam obliczenie całkowitej gęstości fotoprądu. Natomiast wydajność kwantowa wewnętrzna Q i (λ) (I QE internal quantum efficiency), wyraża się wzorem: J e ( λ) + J h ( λ) + J ' ( λ) Qi ( λ) = qn ( λ)[1 R( λ)] ph W ogniwie doskonałym Q e (λ) =0 dla λ >hc/e g i Q e (λ) =1 dla λ <hc/e g. Jednakże w przypadku ogniwa rzeczywistego Q(λ) jest złożoną funkcją długości fali i parametrów materiałowych i nigdy nie przekracza Wydajność kwantowa a długość fali Zależność wydajności kwantowej zewnętrznej od długości fali na tle wydajności idealnej W ogniwie rzeczywistym wydajność kwantowa jest złożoną funkcją długości fali (co za tym idzie zależy również od strumienia padających fotonów, współczynnika absorpcji α oraz od współczynnika odbicia) i parametrów materiałowych. Silnie zależy ona od szybkości rekombinacji powierzchniowej (wydajność kwantowa zewnętrzna E QE ). Gdy mowa jest o wewnętrznej (I QE ), wówczas związana jest ona z rekombinacją objętościową. 72

37 Wydajność kwantowa wewnętrzna dla ogniw krzemowych Wyznaczona zależność wewnętrznej wydajności kwantowej od energii fotonów dla różnych prędkości rekombinacji [cm/s] na przedniej powierzchni w krzemowym ogniwie n-p Wydajność kwantowa wewnętrzna zależy od doświadczalnych wartości parametrów materiałowych dla krzemu monokrystalicznego (E g =1,1 ev), od energii fotonów, rezystywności bazy i prędkości rekombinacji powierzchniowej. Linie ciągłe wpływ rezystywności bazy (10; 1; 0,1 Ω cm) na Q i (λ) przy ustalonej wartości prędkości rekombinacji powierzchniowej S e = 10 5 cm/s. Zmniejszenie wydajności kwantowej odbywa się poprzez skrócenie czasu życia nośników i średniej drogi dyfuzji. Linie przerywane przy energiach fotonów większych od 2 ev i ustalonych parametrach materiałowych występuje silna zależność wydajności kwantowej od prędkości rekombinacji powierzchniowej. 73 Pomiary fotoczułości spektralnej ogniw (fotoprzewodnictwa) Schemat stanowiska do pomiaru fotoczułości: 1 lampa halogenowa 250 W, 2 układ ogniskujący, 3 monochromator ¼ m, 4 filtr optyczny, 5 chopper SR 540, 6 zasilacz choppera, 7 detektor, 8 multimetr HP 3457A, 9 próbka, 10 rezystor, 11 przedwzmacniacz, 12 nanowoltomierz selektywny SR 83 DSP Do badania fotoprzewodnictwa zastosowano monochromator firmy Oriel z modulowaną wiązkąświatła z zakresu od 360 do 2500 nm, zaopatrzony w siatkę dyfrakcyjno-odbiciową o stałej siatki 0,033 mm. Obszar spektralny zwiększonej fotoczułości ogniw jest związany z obszarem minimalnego odbicia, czyli efektywnego pochłaniania fotonów. 74

38 Pomiary rezystywności warstw Sonda czteroostrzowa do pomiarów rezystywności warstw (Laboratorium Fotowoltaiczne PAN) W technologii wytwarzania ogniw bardzo przydatnym urządzeniem jest także sonda czteroostrzowa, która pozwala określić typ przewodnictwa i orientację krystalograficzną płytek krzemowych, zmierzyć ich grubość i rezystywność powierzchniową, a na podstawie zebranych danych określić koncentrację domieszek w każdym z podłoży. 75 Rola warstwy antyrefleksyjnej możliwość weryfikacji w symulacji Istotne parametry warstw ARC: grubość d ( nm) współczynnik załamania światła n (1,6 2,4) współczynnik efektywnego odbicia światła R eff (6 20%) Najważniejsze parametry ogniw słonecznych: sprawność η współczynnik wypełnienia FF prąd zwarcia I SC napięcie obwodu otwartego U OC Ogniwo + warstwa ARC = wzrost sprawności ogniwa (nawet o 25%), współczynnika wypełnienia, prądu zwarcia oraz napięcia obwodu otwartego. 76

39 Symulacja PC1D główne obszary pracy Podstawowe zależności, na jakich opierają się numeryczne metody obliczeniowe w programie PC-1D to równanie Poissona oraz równania wiążące koncentrację ładunku z energią poziomów Fermiego. Ważne są tu także równania wiążące dynamiczną zmianę koncentracji nośników w wyniku procesu ich generacji, rekombinacji i transportu. 77 Główne parametry w symulacji PC1D Parametr zastosowany w symulacji i jego jednostka Wartość liczbowa parametru Grubość ogniwa D c [µm] 300 Powierzchnia ogniwa A 0 dla Θ=0 [cm 2 ] 100 Temperatura T c [ C] 25 Długość drogi dyfuzji nośników mniejszościowych w bazie L c [µm] 80 Rezystywność bazy typu p ρ c [Ω Ω cm] 1 Profil domieszki donorowej erfc o wartości: rezystancji powierzchniowej R [Ω/ ] ρ 30 koncentracji powierzchniowej N D [1/cm 3 ] 3, głębokości złącza x c [µm] 0,3 Prędkość rekombinacji powierzchniowej na przedniej powierzchni ogniwa dla od 1 do elektronów S n i dziur S p [cm/s] Prędkość rekombinacji powiezrchniowej na tylnej powierzchni ogniwa dla elektronów S nr i dziur S pr [cm/s] Rezystancja szeregowa ogniwa R s [Ω] 0,15 Widmo generujące fotoprąd AM 1,5 [mw/cm 2 ] 1000 Warstwa antyrefleksyjna a-si:c:h o grubości d AR [nm] 80 i wspóczynniku załamania n 2 Współczynnik odbicia warstwy antyrefleksyjnej [%] 8-12 Pozostałe parametry wartości tablicowe dla Si 78

40 Symulacyjna charakterystyka I-V Kluczowa różnica: charakterystyka z symulacji znajduje się w IV ćwiartce, natomiast z pomiarów bezpośrednich w I. krzywa czerwona charakterystyka I-V, krzywa zielona charakterystyka mocy 79 Wyniki symulacji parametrów ogniwa program PC1D R eff =12% R eff =15% R eff =8% R eff =40% (ogniwo bez warstwy AR) 1,5 1,0 0,5 0,0-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6-0,5 U OC [V] -1,0-1,5-2,0-2,5-3,0 J SC [A/cm 2 ] Symulacyjne charakterystyki prądowo-napięciowe ogniwa mc-si, uzyskane przy różnych wartościach efektywnego współczynnika odbicia światła od warstwy AR 80

41 Wymagania formalno-prawne przy budowie instalacji PV Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady nr 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 roku w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych Ustawa z dnia 3 października 2008 r. o udostępnianiu informacji o środowisku i jego ochronie, udziale społeczeństwa w ochronie środowiska oraz o ocenach oddziaływania na środowisko (Dz. U. Nr 199, poz. 1227, z późn. zm.) Ustawa z dnia 27 marca 2003 r. o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym (Dz. U z późn. zm.) Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. o prawie budowlanym (Dz. U. 2010, nr 243, poz z późn. zm.) Ustawa z dnia 3 lutego 1995 r. o ochronie gruntów rolnych i leśnych (Dz. U. z 2004 r., Nr 121, poz. 1266, z późn. zm.) Rozporządzenia Rady Ministrów z dnia 9 listopada 2010 r. w sprawie przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na środowisko (Dz. U. Nr 213, poz. 1397, z późn. zm.) 81 Wspieranie rozwoju fotowoltaiki w Polsce Zmiana polskiej polityki energetycznej Konieczność wprowadzenia przepisów implementujących Dyrektywę UE 2009/28/WE z dnia W sprawie promowania stosowania energii źródeł odnawialnych (termin transpozycji dyrektywy do prawa krajowego upłynął w grudniu 2010 roku!) Trójpak energetyczny Ustawa Prawo energetyczne (projekt z ) Ustawa Prawo gazowe (projekt z ) Ustawa o Odnawialnych Źródłach Energii (projekt z ) Ustawa wprowadzająca powyższe ustawy (projekt z ) Rozporządzenie Ministra Gospodarki ( ) 82

42 Kluczowe założenia ustawy o OZE ( ) Mikroinstalacje (do 40 kw): zwolnienie z obowiązku posiadania koncesji na produkcję energii zniesienie obowiązku prowadzenia działalności gospodarczej (wystarczy poinformować o posiadaniu mikrosystemu lokalny zakład energetyczny wskazujący rodzaj instalacji, lokalizację zainstalowanej mocy) Małe instalacje ( kw): zwolnienie z obowiązku posiadania koncesji na produkcję energii rejestracja w rejestrze wytwórców energii w małej instalacji prowadzonym przez Urząd Regulacji Energetyki Duże instalacje (powyżej 200 kw): konieczna koncesja na produkcję energii instalacje oddawane do użytku od poczatku 2015 roku muszą być wyprodukowane nie wcześniej niż 3 lata przed ich uruchomieniem komponenty systemów PV będą musiały spelniać szereg norm technicznych zgodnych z wymogami Unii Europejskiej dot. m.in. Oznakowania ekologicznego, etykiet energetycznych System wsparcia: Stałe taryfy gwarantowane (instalacje do 100 kw) Zielone certyfikaty (instalacje powyżej 100 kw) 83 Taryfy gwarantowane Stałe taryfy gwarantowane (instalacje do 100 kw) feed in tarrif Operator energetyczny zobowiązany do zakupu energii z instalacji OZE po cenie obowiązującej w momencie oddania instalacji do użytku Ceny skupu energii (taryfy) określane do 30 listopada każdego roku (na kolejny rok kalendarzowy) Minimalna cena zakupu energii nie może być niższa niż suma ceny energii elektrycznej oraz równowartości opłaty zastępczej skorygowanej odpowiednim współczynnikiem korekcyjnym, obowiązującym w danym roku Raz ustalona taryfa obowiązuje daną instalację przez 15 lat (jednak nie dłużej niż do końca 2027 r.) 84

43 Zielone certyfikaty Zielone certyfikaty (instalacje powyżej 100 kw) W odniesieniu do systemu świadectw pochodzenia w projekcie ustawy wprowadzono zróżnicowanie wsparcia wytwarzania energii z OZE w zależności od technologii, z której dane źródło będzie korzystać, w postaci tzw. współczynników korekcyjnych. Świadectwo pochodzenia wraz z określonym na stałym poziomie współczynnikiem korekcyjnym, przysługuje dla instalacji odnawialnego źródła energii przez okres kolejnych 15 lat, liczony od dnia oddania tej instalacji do użytkowania. Ministerstwo Gospodarki podało współczynniki, które będą obowiązywać w latach Wartość współczynników na kolejne lata ma być ogłaszana przez resort gospodarki co 3 lata do 30 czerwca danego roku na kolejne 5 lat. Przy ustalaniu współczynników resort ma brać pod uwagę politykę energetyczną państwa oraz informacje zawarte w krajowym planie działania na rzecz OZE, a także możliwość uzyskania zwrotu poniesionych nakładów inwestycyjnych oraz kosztów eksploatacyjnych z uwzględnieniem ich finansowania w okresie do 15 lat. 85 Przeszkody Bariery prawno formalne związane z realizacją inwestycji Farmy fotowoltaiczne: Brak systemu wsparcia umożliwiającego rozwój nowej technologii obowiązujący system zielonych certyfikatów powiązany jest jedynie z ilością wyprodukowanej energii, niezależnie od źródła jej pochodzenia oraz wielkości instalacji. Taki system obowiązuje jedynie w Polsce, Rumunii, Szwecji, części Belgii i Wielkiej Brytanii ale w tym kraju już częściowo wprowadzono Feed in tariff. Konieczność założenia działalności gospodarczej, aby otrzymać koncesję na wytwarzanie energii elektrycznej z OZE składki ZUS. Uzyskanie warunków przyłączenia do sieci systemu PV, odbiór techniczny oraz dopuszczenie do eksploatacji. Warunki przyłączenia ustalone na podstawie wniosku obowiązują przez 2 lata. Problem w przygotowaniu dokumentacji technicznej do wniosku o wydanie warunków przyłączenia. Koszty wykonania przyłączenia przenoszone są przez operatora systemu przesyłowego lub dystrybucyjnego na inwestora (zgodnie z taryfami i zapisami PE). Brak uregulowania i ujednolicenia zasad odbioru systemu PV lokalne wymagania, czasem kosztowne. 86

44 Koszty instalacji PV w Polsce Dane z października 2013 r. : Od kilku tygodni można (przynajmniej w teorii) korzystać z ułatwień w zakresie przyłączania mikroinstalacji OZE w prywatnych budynkach. W myśl zmienionych przepisów prawa energetycznego przyłączenie mikroinstalacji jest darmowe. To zakład energetyczny pokrywa koszty wymiany licznika na dwukierunkowy. Niestety oddawana do sieci energia jest skupowana po bardzo niskich stawkach ok. 0,156 zł/kwh stawka ta jest określona ustawowo jako 80% średniej ceny energii z poprzedniego roku. W ten sposób staliśmy się ewenementem na skalę europejską, gdzie za zieloną czystą energię płaci się mniej niż za czarną. Czy w takich warunkach instalacja PV może byś ekonomicznie uzasadniona? W pewnych warunkach tak, jeżeli możliwie dużo energii będziemy konsumować na potrzeby własne, gdyż energia konsumowana z Vat-em oraz opłatami przesyłowymi to ok. 0,6 zł/kwh. Sama instalacja nie może być zbyt duża, aby współczynnik konsumpcji był możliwie wysoki. Dodatkowo dobrze, aby nadmiar energii elektrycznej dodatkowo konsumować np. w postaci ogrzewania CWU. Ekonomikę instalacji fotowoltaicznej można także poprawić budując ją systemem gospodarczym samemu, wykonując jej montaż we własnym zakresie. Rozważmy taki przypadek, w którym budujemy instalację PV o mocy 3 kwp systemem gospodarczym. Źródło: 87 Koszty instalacji PV w Polsce c.d. Koszt takiej samodzielnie wykonanej instalacji będzie się kształtował następująco: Moduły fotowoltaiczne zł Falownik zł System mocowania zł Przewody i zabezpieczenia zł Grzałka elektryczna i przekaźniki zł Łącznie instalacja będzie kosztować zł brutto Źródło: 88

45 Opłacalność instalacji PV w Polsce Do wyliczeń opłacalności instalacji założono, że 25% energii produkowanej przez instalację fotowoltaiczną będzie na bieżąco konsumowane a wartość konsumowanej energii założono na 0,6 zł/kwh. Kolejne 25% energii będzie odsprzedawane do sieci po 0,156 zł/kwh i dodatkowo od tej wartości zostanie opłacony podatek dochodowy. 50% wyprodukowanej energii zostanie wykorzystane do ogrzewania CWU, dając oszczędności na gazie w wysokości 0,28zł/kWh. Dla tak przyjętych założeń zwrot z inwestycji nastąpi po ok. 12 latach przy założeniu 5% wzrostu cen energii. Instalacja PV według nowych przepisów może się opłacać, lecz nie jest inwestycją dla osób liczących na szybki zwrot zainwestowanego kapitału. Farma PV w Wierzchosławicach pod Tarnowem 89 Koszty wytworzenia ogniw słonecznych Sprawność 10%, Oświetlenie AM1 Średnie oświetlenie Ziemi: 10 h/dzień 1 kwh/m 2 /dzień 365 kwh/ m 2 /rok Wymagana powierzchnia ogniw dla zapotrzebowania światowego: = 2, m 2 = km 2 przy kosztach produkcji energii słonecznej: 1 EUR / 1 W daje to zapotrzebowanie inwestycyjne: 2, EUR Raport komisji europejskiej Photovoltaics 2010 przewidywał następujące zastosowania fotowoltaiki w 2010 roku: - systemy domowe 23% - systemy małej skali 17% - telekomunikacja 11% 90

46 Nasłonecznienie w Polsce Energia promieniowania słonecznego dla wybranych miejscowości Polski kwh/m 2 91 Dlaczego w Polsce zainteresowanie techniką solarną wciąż jest nieduże? Polacy okazują się tradycjonalistami - wciąż wolą konwencjonalne kotłownie, brakuje im zaufania do niezależnego źródła ciepła. Dopiero od sierpnia 2002 r. posiadamy polską normę PN-EN Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy. Kolektory słoneczne - wymagania ogólne, metody badań. Niektórzy producenci podają czasem niejednolite informacje określające charakterystykę techniczną urządzeń, a wielkość instalacji obliczają według własnych opracowań, bazujących na symulacjach i doświadczeniu firmy. poważną barierę tworzy wysoka jak na polskie warunki cena i brak korzystnego kredytowania takiej inwestycji. Niestety, w Polsce koszty uzyskania preferencyjnych kredytów są często tak wysokie, że inwestycja staje się nieopłacalna. asp?id=

47 Moduł fotowoltaiczny na bazie ogniw słonecznych mc-si i jego zastosowanie Testowy moduł PV wykonany w ramach projektu Fotowoltaika i sensory w proekologicznym rozwoju Małopolski. Wyznaczona moc maksymalna modułu to ok. 10 W przy oświetleniu na poziomie 1000 W/m 2. Maksymalny prąd, jaki dostarcza moduł to 0,7 A przy napięciu układu otwartego na poziomie 19 V. Zastosowanie modułu fotowoltaicznego na bazie krzemowych ogniw multikrystalicznych jako alternatywne źródło energii do zasilania robota gąsienicowego (projekt robota praca magisterska w Katedrze Automatyki) 93 Instalacje fotowoltaiczne na terenie AGH Fotowoltaiczny system zacieniający markiza nad oknami na południowej fasadzie budynku C-3. System zbudowany jest z 50 modułów Shell Solar ST40 (technologia CIS, każdy moduł o mocy 40 Wp i sprawności nominalnej 10%). Moduły pochylone są pod kątem 60. Obrotowe drzewo PV o mocy 2,25 kwp. 94

48 Końcowy efekt projektu Fotowoltaika i sensory w proekologicznym rozwoju Małopolski 24-ogniwowy moduł PV na bazie krzemowych ogniw multikrystalicznych Stacja monitoringu zawartości CO 2, zlokalizowana na kampusie AGH 95 Wybrane aplikacje systemów fotowoltaicznych na świecie Solar Ark Słoneczna arka (Japonia), 315 m długości, najwyższy punkt 37,1 m, wydajność 630 kwh Źródło: Źródło: Ogniwa ciekłe DSSC (fotochemiczne) Instytut Fraunhofera w Monachium Źródło: /2008/02/02/designer-solarpanels/ Systemy fotowoltaiczne jako element dekoracyjny infrastruktury 96

49 Wnioski 1) Pomiary charakterystyk prądowo-napięciowych ogniw mają kluczowe znaczenie dla określenia ich jakości i możliwości aplikacyjnych 2) Programy symulacyjne są bardzo przydatnym narzędziem w projektowaniu nowych struktur ogniw, a także w weryfikowaniu warunków pracy instalacji fotowoltaicznych 3) Fotowoltaika cieszy się coraz większym zainteresowaniem, zarówno na świecie jak i w Polsce 4) Nasze warunki klimatyczne są w pełni wystarczające, aby inwestować w fotowoltaikę (energia promieniowania słonecznego w Polsce jest na poziomie 1000 kwh/m 2, więc nie odbiegamy klimatycznie od Niemiec, które przodują na świecie w ilości instalacji PV) 5) Farma fotowoltaiczna w Wierzchosławicach pierwsza w Polsce naziemna farma fotowoltaiczna o mocy 1 MW zlokalizowana na terenie gminy Wierzchosławice pod Tarnowem, należąca do spółki Energia Wierzchosławice Sp. z o.o. (Budowa farmy rozpoczęła się 15 lipca 2011 roku, zakończyła 30 września 2011 roku. Celem projektu była poprawa efektywności energetycznej poprzez wprowadzenie systemów energii odnawialnej. Farma mogła powstać dzięki środkom unijnym z Małopolskiego Regionalnego Programu Operacyjnego. Projekt uzyskał dofinansowanie w wysokości 50% kosztów kwalifikowanych.) 97 Dziękuję za uwagę