Fotowoltaika - jak zamienić fotony na prąd? Jacek.Szczytko@fuw.edu.pl Wydział Fizyki UW
Przerwa energetyczna http://www.rpi.edu/~schubert/light-emitting-diodes-dot-org/chap11/f11-04-r.jpg 2013-12-27 2
Bandgap engineering Valence band offset 2013-12-27 3
Studnia Kwantowa AlGaAs GaAs AlGaAs E g1 E g2 E g1 2013-12-27 4
Studnia Kwantowa AlGaAs GaAs AlGaAs AlGaAs GaAs AlGaAs E g1 E g2 E g1 2013-12-27 5
Studnia Kwantowa AlGaAs GaAs AlGaAs 2013-12-27 6
Studnia Kwantowa 2013-12-27 7
Studnia Kwantowa elektrony dziury 2013-12-27 8
Studnia Kwantowa elektrony hn dziury 2013-12-27 9
Studnia Kwantowa elektrony hn dziury 2013-12-27 10
Studnia Kwantowa elektrony U hn dziury 2013-12-27 11
Fotowoltaika 2013-12-27 12
Źródła energii German Advisory Council on Global Change 2013-12-27 13
Źródła energii Ziemskie źródła ropy naftowej są szacowne na 3 tryliony baryłek i zawierają 1.7 10 22 J energii, którą Słońce dostarcza do Ziemi w 1,5 dnia. Ilość energii, którą ludzkość zużywa rocznie wynosi około 4.6 10 20 J, Słońce dostarcza ją w ciągu godziny. Moc, która Słońce dostarcza ciągle do Ziemi, 1.2 10 5 TW, jest znacznie większa od wszystkich innych form energii. 2020: Szacowane potrzeby ludzkości to 20 TW! Prof. M. Kamińska 2013-12-27 14
Źródła energii Słońce: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:solar_spectrum.png 2013-12-27 15
Źródła energii Obszar potrzebny do produkcji 20 TW w samej PV: 6 miejsc, każde 250 x 250 km 2 produkujące 3.3 TW Prof. M. Kamińska 2013-12-27 16
Źródła energii Obszar potrzebny do produkcji 20 TW w samej PV: 6 miejsc, każde 250 x 250 km 2 produkujące 3.3 TW Prof. M. Kamińska 2013-12-27 17
Źródła energii Moc wytwórcza zainstalowanych urządzeń fotowoltaicznych na całym świecie do 2010 r. Całkowita moc osiągnęła 40 GW w 2010 r. ŹRÓDŁO: European Photonics Industry Consortium (EPIC) report, 2011. Prof. M. Kamińska 2013-12-27 18
Fotowoltaika Prof. M. Kamińska 2013-12-27 19
Fotowoltaika Pierwsze złącze komercyjne 20% Mono-Si(100cm²) Prawo dla energii odnawialnych, Niemcy Program dachowy dla domków prywatnych, Japonia 1990: 1/3 thin-film, c-si, mc-si 2007: > 90% c-si & mc-si! Pierwsze złącze laboratoryjne 20% Mono- Si (4cm²) Prof. M. Kamińska 2013-12-27 20
Fotowoltaika Krzywa cen modułów PV z krystalicznego krzemu Prof. M. Kamińska 2013-12-27 21
http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg
http://people.seas.harvard.edu/~jones/es154/lectures/lecture_2/materials/materials.html http://www.sehmy.com/product/abtwafers.htm Metoda Czochralskiego 2013-12-27 23
http://www.sehmy.com/product/abtwafers.htm Metoda Czochralskiego 2013-12-27 24
Fotowoltaika 2013-12-27 25
Fotowoltaika 2013-12-27 26
Fotowoltaika Metallurgical grade silicon is commercially prepared by the reaction of high-purity silica with wood, charcoal, and coal in an electric arc furnace using carbon electrodes. At temperatures over 1,900 o C, the carbon in the aforementioned materials and the silicon undergo the chemical reaction: SiO 2 + 2 C Si + 2 CO. 2013-12-27 27
Fotowoltaika Komórka fotowoltaiczna z monokrystalicznego Si 2013-12-27 28
Fotowoltaika http://microtec-career.com/wp-content/uploads/2012/10/prof.-dr.-eicke-weber-the-fraunhofer-institute-for-solar-energy-systems-ise.pdf 2013-12-27 29
Fotowoltaika http://microtec-career.com/wp-content/uploads/2012/10/prof.-dr.-eicke-weber-the-fraunhofer-institute-for-solar-energy-systems-ise.pdf 2013-12-27 30
Fotowoltaika http://photonics.com/article.aspx?aid=35235 2013-12-27 31
Fotowoltaika Solar-cell-efficiency enhancement using nanostructures http://spie.org/x41195.xml 2013-12-27 32
Plazmonika The Lycurgus Cup (glass; British Museum; 4th century A. D.) Au hydrosols prepared by M. Faraday, 1857, Royal Institution. Working monk, 1480, Norwich, Anglie. 2013-12-27 33
Plazmonika G. Walters et al., J. Mater. Chem.2009 2013-12-27 34
Plazmonika Jiří Pfleger Institute of Macromolecular Chemistry AS CR Prague, Czech Republic 2013-12-27 35
Energia http://www.daystartech.com/lightfoil.cfm Cu(In,Ga)Se 2 (also called CIGS) compound semiconductor solar electricity conversion efficiency of 12.8% http://www.tfp.ethz.ch/hesc/hesc.html 2013-12-27 36
Energia http://tessant.wpengine.netdna-cdn.com/wpcontent/uploads/2013/01/cigs-flexible.jpg 2013-12-27 37
Koncentratory słoneczne Concentrator receivers from Solar Systems Pty. Ltd. of Hawthorn, Australia, are designed for utility application at 400 to 500. Courtesy of Solar Systems Pty. Ltd., Australia. 2013-12-27 38
OSC Organic Solar Cells Dr. C. Gravalidis Aristotle University of Thessaloniki 2013-12-27 39
OSC Organic Solar Cells Bilayer organic photovoltaic cells Problems The diffusion length of excitons in organic electronic materials is typically on the order of 10 nm. In order for most excitons to diffuse to the interface of layers and break up into carriers, the layer thickness should also be in the same range with the diffusion length. Dr. C. Gravalidis Aristotle University of Thessaloniki 2013-12-27 40
OSC Organic Solar Cells Bulk heterojunction photovoltaic cells Electrons move to the acceptor domains then were carried through the device and collected by one electrode, and holes were pulled in the opposite direction and collected at the other side Dr. C. Gravalidis Aristotle University of Thessaloniki 2013-12-27 41
OSC Organic Solar Cells W latach 1975-1978, w zimnej przestrzenie międzygwiezdnej odkryto molekuły opisane formułą HC 2n+1 N (n = 2, 3, 4 i 5) W 1985 r. Richard Smalley, Harry Kroto i Bob Curl odkryli fulereny (Nobel 1996) C 2n, n 16 60 Widmo masowe P. Yam Świat Nauki 11, 16, 1993 Paweł Tomasz Pęczkowski 2013-12-27 42
OSC Organic Solar Cells C 60 0,71 ± 0,007 nm 2013-12-27 43
OSC Organic Solar Cells Buckminster Fuller pour un exposition en 1967 à Montréal 2013-12-27 44
OSC Organic Solar Cells Roztwory w toluenie 2013-12-27 45
OSC Organic Solar Cells 2013-12-27 46
OSC Organic Solar Cells Dr. C. Gravalidis Aristotle University of Thessaloniki 2013-12-27 47
OSC Organic Solar Cells 2013-12-27 48
OSC Organic Solar Cells Bulk heterojunction photovoltaic cells Electrons move to the acceptor domains then were carried through the device and collected by one electrode, and holes were pulled in the opposite direction and collected at the other side Dr. C. Gravalidis Aristotle University of Thessaloniki 2013-12-27 49
OSC Organic Solar Cells Bulk heterojunction photovoltaic cells Electrons move to the acceptor domains then were carried through the device and collected by one electrode, and holes were pulled in the opposite direction and collected at the other side X. Chen, B. Gholamkhass, X. Han, G. Vamvounis, S. Holdcroft Macromol. Rapid Commun. 2007, 28, 1792 1797 Dr. C. Gravalidis Aristotle University of Thessaloniki 2013-12-27 50
OSC Organic Solar Cells X. Chen, B. Gholamkhass, X. Han, G. Vamvounis, S. Holdcroft Macromol. Rapid Commun. 2007, 28, 1792 1797 Dr. C. Gravalidis Aristotle University of Thessaloniki 2013-12-27 51
OPV Organic Photovoltaic 2013-12-27 52
OPV Organic Photovoltaic 2013-12-27 53
Printed electronics 2013-12-27 54
Koncentratory słoneczne http://www.mpifr-bonn.mpg.de/1192452/weber.pdf 2013-12-27 55
Koncentratory słoneczne http://www.solarcurator.com/2013/05/23/power-of-concentration/ 2013-12-27 56
Koncentratory słoneczne http://pl.wikipedia.org/wiki/silnik_stirlinga 2013-12-27 57
Zjawiska termoelektryczne Siła termoelektryczna α T = k B q ετ τ η Siła termoelektryczna (współczynnik Seebecka): dv 12 dt V 12 = = α ab = α a α b T 2 α ab T dt T 1 podczas pomiarów należy jeden materiał uznać za wzorcowy, i badać siłę termoelektryczną względem takiego wzorca (idealnie względem nadprzewodnika) znak siły termoelektrycznej zależy od rodzaju nośników: dla elektronów q < 0 i α > 0 (znak zimnego końca ujemny) metoda gorącej sondy k B e = 85 μv K siły termoelektryczne niezdegenerowanych półprzewodników są rzędu kilkuset μv/k 2013-12-27 58
http://en.wikipedia.org/wiki/thermoelectric_cooling Zjawiska termoelektryczne Efekt Peltier efekt Seebecka efekt Peltier efekt odwrotny do efektu Seebecka powstawanie różnicy temperatury pomiędzy złączami a b i b a dwóch różnych materiałów przez które przepuszczany jest prąd elektryczny: 2013-12-27 59
Zjawiska termomagnetyczne Przykład: poprzeczne i podłużne zjawisko Nernsta-Ettingshausena (pole magnetyczne + gradient temperatury) Istnieje szereg zjawisk termomagnetycznych (gradient temperatury, pole elektryczne, pole magnetyczne możliwe przepływy prądu i ciepła); szczegóły patrz np.: B.M. Askerov, Electron transport phenomena in semiconductors, World Scientific 1994 E y = 1 1 B dt dx dt dy = PI xb z poprzeczne podłużne podłużny (zmiana siły termoelektrycznej w polu B) i poprzeczny efekt Nernsta- Ettinghausena 2013-12-27 60
http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg