II Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna EKOLOGIA W ELEKTRONICE Przemysłowy Instytut Elektroniki Warszawa, 5-6.12.2002 EKOLOGICZNE ŹRÓDŁA ENERGII Włodzimierz MOCNY Przemysłowy Instytut Elektroniki 00-241 Warszawa, ul. Długa 44/50, 831-52-21 w. 270, wmocny@pie.edu.pl W artykule zostały omówione zagadnienia związane z przetwarzaniem energii słonecznej w energią elektryczną. Omówiony został również system pomiarowy przeznaczony do określania jakości materiałów używanych przy produkcji ogniw słonecznych. Badana próbka jest oświetlana światłem monochromatycznym. Dla różnych długości fali promieniowania padającego mierzony jest prąd zwarcia fotoogniwa. Na tej podstawie wyliczana jest droga dyfuzji. Metoda pozwala ocenić gęstość defektów i poziom zanieczyszczeń w badanej próbce. 1. POZYSKIWANIE ENERGII SŁONECZNEJ Rozwój społeczny i gospodarczy każdego państwa wiąże się ze zwiększonym zapotrzebowaniem na energię elektryczną. Z tego powodu światowa produkcja surowców energetycznych systematycznie wzrasta. W krajach wysoko rozwiniętych udało się utrzymać zużycie energii na tym samym poziomie. Było to możliwe dzięki oszczędzaniu energii i polepszaniu współczynnika sprawności przy jej wytwarzaniu. Według przewidywań do pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną wybieranych będzie wiele dróg: umocni się korzystanie z kopalnych źródeł energii, w coraz szerszym zakresie korzystać się będzie z alternatywnych źródeł energii. Klasyczne źródła ropy naftowej wystarczą na 100 lat. Złoża ropy w piaskach i łupkach wystarczą na kolejne 100 lat. Złoża węgla kamiennego mogą być eksploatowane przez 1000 lat. Do tej pory do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystywano głównie energię powstającą podczas spalanie węgla. Dziś wiemy, że istnieją inne źródła energii, z których możemy korzystać. 82
Perspektywy wyczerpania się zapasów paliw kopalnych oraz obawy o stan środowiska naturalnego człowieka znacznie zwiększyły zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii. Światowe zużycie energii Światowe złoża gazu Światowe złoża ropy Światowe złoża uranu Światowe złoża węgla Energia słoneczna Zużyta w fotosyntezie Rys. 1. Światowe zasoby energetyczne W konsekwencji nastąpił poważny wzrostu ich zastosowań w wielu krajach. Od roku 1990 ilość energii (ciepła i energii elektrycznej) wytwarzanej z energii promieniowania słonecznego wzrosła ponad dwukrotnie, a z energii wiatru czterokrotnie. Po podpisaniu Protokołu z Kioto w grudniu 1997 roku odnawialne źródła energii weszły w nowy i ważny etap rozwoju. Technologie odnawialnych źródeł energii rozwinęły się już do takiego stopnia, że mogą konkurować z konwencjonalnymi systemami energetycznymi. Odnawialne źródła energii są źródłami lokalnymi. Mogą one: - zwiększyć poziom bezpieczeństwa energetycznego zmniejszając eksport paliw kopalnych, - stworzyć nowe miejsca pracy, szczególnie w małych i średnich przedsiębiorstwach, - promować rozwój regionalny. Modułowy charakter większości technologii odnawialnych źródeł energii pozwala na ich stopniową rozbudowę w miarę potrzeb, co ułatwia ich finansowanie. Pamiętać należy również o olbrzymich korzyściach dla środowiska naturalnego człowieka płynących ze stosowania tych technologii. Moduł Układy regulacji Falownik Bateria akumulatorów Ogniwo Zespół modułów Sieć energetyczna Licznik Gniazdo zasilające Rys. 2. Przykładowe rozwiązanie systemu fotowoltaicznego System fotowoltaiczny składa się z modułów fotowoltaicznych, oraz elementów dostosowujących wytwarzany w fotoogniwach prąd stały do potrzeb zasilanych urządzeń. Jeżeli system jest przewidziany do dostarczania energii elektrycznej w nocy, 83
konieczne jest stosowanie odpowiedniego układu magazynowania energii (akumulatory) wyprodukowanej w ciągu dnia. Jeżeli system zasila urządzenie stałoprądowe potrzebny jest kontroler napięcia. Do zasilania z systemu fotowoltaicznego urządzeń zmiennoprądowych konieczne jest użycie falownika. Najpowszechniejszym materiałem używanym do produkcji ogniw słonecznych jest krzem. Największe sprawności przetwarzania promieniowania słonecznego (do 30 %) uzyskuje się z ogniw wytworzonych z arsenku galu (GaAs), ale jednocześnie ogniwa te są najdroższe. Typowe fotoogniwo to płytka półprzewodnikowa z krzemu krystalicznego lub polikrystalicznego. W materiale płytki uformowana jest bariera potencjału w postaci złącza p-n. Grubość płytek zawiera się w granicach 200-400 mikrometrów. Na przednią i tylną stronę płytki naniesione są metaliczne połączenia. Stanowią kontakty przewodzące prąd wytworzony w fotoogniwie. a) b) Rys. 3. Płytka fotoogniwa a) krzem monokrystaliczny b) krzem polikrystaliczny Ogniwa z krzemu monokrystalicznego wykonywane są z płytek o kształcie okrągłym, a następnie przycinane na kwadraty dla zwiększenia upakowania na powierzchni modułu. Monokrystaliczne fotoogniwa wykazują najwyższe sprawności przetwarzania energii ze wszystkich ogniw krzemowych. Są jednak najdroższe w produkcji. W badaniach laboratoryjnych pojedyncze ogniwa osiągają sprawności rzędu 24%. Ogniwa produkowane na skalę masową mają sprawności około 17%. Polikrystaliczne fotoogniwa krzemowe wykonane są z dużych prostopadłościennych bloków krzemu o dużych ziarnach. Bloki te są cięte na prostokątne płytki, w których również formowana jest bariera potencjału. Polikrystaliczne fotoogniwa są mniej wydajne niż monokrystaliczne, jednak ich koszt produkcji jest niższy. Podstawowymi zaletami technologii wykorzystującej krzem są: możliwość wykorzystania doświadczeń przemysłu półprzewodnikowego, relatywnie wysokie sprawności przetwarzania promieniowania słonecznego, prostota i bardzo dobra stabilność pracy. Ich wady to duże zużycie dużo drogiego materiału w produkcji. Mają też ograniczoną wielkość i muszą być łączone w moduły. Przewiduje się, że następna generacja fotoogniw będzie się opierać na technologiach cienkowarstwowych. Dzięki stosowaniu jedynie bardzo cienkich warstw (grubości pojedynczych mikrometrów) drogiego materiału półprzewodnikowego na tanich podłożach o dużej powierzchni można będzie znacznie zredukować całkowity koszt fotoogniwa. Ogniwa cienkowarstwowe są wprawdzie mniej sprawne od najlepszych ogniw z krzemu krystalicznego, ale oczekuje się, że w przyszłości, przy produkcji na skalę masową, będą one znacznie tańsze. Obecnie najbardziej zaawansowane ogniwa cienkowarstwowe wykonywane są z krzemu amorficznego (a-si) i jego stopów (a-sige, a-sic). Technologia pojedynczych, podwójnych i potrójnych ogniw jest dobrze rozwinięta. Ogniwa potrójne osiągnęły w 84
skali laboratoryjnej sprawność 13%. Ogniwa z krzemu amorficznego są powszechnie używane w produktach wymagających małej mocy zasilania (kalkulatory kieszonkowe, zegarki, itp.). Zaletami ogniw wytworzonych z krzemu amorficznego są: mały koszt materiału, niewielkie zużycie energii przy produkcji, możliwość osadzania na giętkich podłożach, zintegrowane połączenia i możliwość uzyskania dużych powierzchni ogniw. Fotoogniwo jest podstawowym elementem systemu fotowoltaicznego. Pojedyncze ogniwo produkuje zazwyczaj pomiędzy 1 a 2 W mocy elektrycznej co jest niewystarczające dla większości zastosowań. Dla uzyskania większych napięć lub prądów ogniwa łączone są szeregowo lub równolegle tworząc moduł fotowoltaiczny. Moc takich modułów (dostępne na rynku maja powierzchnię od 0,3 do 1 m 2 ) wyrażana jest w watach mocy szczytowej zdefiniowanych jako moc dostarczana przez nie w warunkach standardowych (STC), tj. przy promieniowaniu słonecznym AM1.5 o mocy 1000 W/m2 i temperaturze otoczenia 25 C i zwykle kształtuje się pomiędzy 30 a 120 Wp. Moduły są hermetyzowane, aby uchronić je przed korozją, wilgocią, zanieczyszczeniami i wpływami atmosfery. Obudowy ogniw muszą być trwałe, ponieważ od modułów fotowoltaicznych oczekuje się czasów życia przynajmniej 20-30 lat. Na rynku znajduje się szeroki wachlarz modułów o różnej wielkości pokrywający zapotrzebowanie na szybko rosnącą ilość zastosowań fotowoltaicznych. Wytwarza się specjalne moduły, które są zintegrowane z dachami lub fasadami budynków. Produkowane są również moduły szczególnie odporne na korozję wywołaną słoną wodą morską. Znajdują one zastosowanie na łodziach żaglowych, znakach nawigacyjnych i latarniach morskich. Czas zwrotu kosztów energii waha się od 2 do 6 lat w zależności od regionu i klimatu. Cienkowarstwowe moduły fotowoltaiczne są tańsze, przy produkcji masowej, niż moduły z krzemu krystalicznego, ale mają niższe wydajności. Większość dostępnych obecnie na rynku modułów z krzemu amorficznego ma sprawności pomiędzy 4 % a 8 %. Zwrot kosztów energii szacowany jest na 1 do 3 lat. Rys. 4. Przykłady modułów fotowoltaicznych Nie istnieją praktycznie żadne ograniczenia w zastosowaniu modułów fotowoltaicznych. Mogą być instalowane w dowolnej ilości i konfiguracji. Instalacja może dostarczać zarówno prąd stały jak i przemienny. Może być podłączona do sieci energetycznej (sprzedając wyprodukowaną energię) lub też być zupełnie autonomiczną. Moduły fotowoltaiczne mogą mieć następujące zastosowania: w domach mieszkalnych i domkach letniskowych - zasilanie całości lub części obiektu, do zasilanie pomp obiegowych do kolektorów słonecznych, przy zasilaniu nadajników radiowych, telewizyjnych, telekomunikacyjnych, BTSów, itp., 85
w instalacjach oświetleniowych, w tym w oświetleniu pasów startowych na lotniskach, w instalacjach alarmowych i TV przemysłowej - jako pewne i niezależne źródło zasilania, w reklamach świetlnych i oświetleniu tablic reklamowych - jest to często tańsze niż podłączenie do sieci, do zasilania urządzeń na łodziach i statkach oraz w samochodach kempingowych, jako niezależne źródło energii dla pomp, przepompowni i linii produkcyjnych, jako jedyne źródło energii dla stacji meteorologicznych i innej aparatury badawczo - pomiarowej, w miejscach trudnodostępnych, gdzie nie ma sieci energetycznej, do produkcji prądu w elektrowniach słonecznych, 2. KONTROLA MATERIAŁÓW DO PRODUKCJI FOTOOGNIW Aby zapewnić możliwie wysoką sprawność produkowanych fotoogniw niezmiernie ważne jest posiadanie możliwości oceny materiałów używanych do ich produkcji. W ostatnich latach zaczęto stosować do badań defektów w krzemie oprócz metody EBIC (Elektron Beam Induced Current) metodę indukcji fotoprądów wiązką światła. Nosi ona nazwę LBIC (Light Beam Induced Current). Pomiar prądu indukowanego wiązką światła pozwala wyznaczyć długość drogi dyfuzji nośników mniejszościowych L oraz gęstość rekombinacji defektowej krzemu γ. Wartości L i γ silnie zależą od gęstości defektów lub poziomu zanieczyszczeń. Nie jest możliwe bezpośrednie wyznaczanie tych wartości z danych pomiarowych. Zwykle do analizy LBIC używa się danych pomiarowych określonych zależnością (1): C ( I I ) / I = (1) o gdzie: I o prąd podłoża, I def prąd mierzony w obszarze defektu. Według modelu matematycznego przedstawionego w pracy [2] współczynnik C dla idealnego defektu można określić wg zależności (2): 86 def o C = f ( γ ) g( w, L) (2) gdzie: w - szerokość warstwy zubożonej, L droga dyfuzji nośników mniejszościowych. Znajomość rozkładu przestrzennego L(x, y) w obszarze defektu pozwala na prawidłową ocenę gęstości rekombinacji defektowej. Mapa L(x, y) zawiera informację o aktywności rekombinacji i jej rozkładzie przestrzennym na płytce. 2.1. Zasady pracy systemu Cechą charakterystyczną próbek, które są badane przy pomocy omawianego stanowiska jest duża wartość rezystancji szeregowej. Uniemożliwia to praktycznie zapełnienie głębokich poziomów za pomocą skokowej zmiany polaryzacji złącza.
Najlepszą metodą zapełnienia centrów defektowych jest w tej sytuacji użycie impulsowego przebiegu świetlnego i rejestracja zmian koncentracji nośników ładunków w próbce. Schemat blokowy systemu został przedstawiony na rysunku 5. W jego skład wchodzą następujące podsystemy przeznaczone do realizacji poszczególnych zadań: komputer sterujący, podsystem optyczny, podsystem pomiarowy, podsystem pozycjonowania. Źródło światła białego Zasilacz źródła światła Chopper Sterownik choppera RS 232 (1) RS 232 (2) Monochromator DataScan2 Moduł sterowania silnikami krokowymi optyka zwierciadlana Z Mikromanipulator ostrzowy WY X Wzmacniacz Lock-in WE Y Sygnał referencyjny Sterowanie choppera TTL Sterowanie silnikiem monochromatora Rys. 5. Schemat blokowy sytemu System umożliwia wyznaczenie drogi dyfuzji Ln w ogniwie słonecznym, poprzez pomiar fotoprądu wywołanego zmodulowanym światłem z zakresu 400 nm do 1100nm. Płytka ogniwa, w wybranym miejscu x i, y i, jest oświetlona światłem monochromatycznym zmodulowanym. Modulację światła monochromatycznego zapewnia chopper mechaniczny. Przebieg sterujący chopperem jest również sygnałem referencyjnym wzmacniacza Lock-in. Prąd zwarciowy jest przetwarzany na napięcie przez przetwornik elektrometryczny I/U. Napięcie proporcjonalne do prądu zwarciowego jest wzmacniane we wzmacniaczu Lock-in. Wyniki pomiaru są przetwarzane na wartość cyfrową przez moduł DataScan2. System jest wyposażony w stolik x, y (z silnikami krokowymi) umożliwiający skaning po powierzchni standardowych ogniw o wymiarach 50 mm x 50 mm. Blat stolika umożliwia również pomiar ogniw większych o rozmiarach do 100 mm x 100 mm. Minimalny skok stolika 1mm z rozdzielczością 0.1 mm, maksymalny krok do 10 mm, długość skoku jest programowana. 2.2. Oprogramowanie systemu Możliwe są dwa typy pomiarów: a. pomiar punktowy prądu zwarcia lub odpowiedzi widmowej SR(λ), b. pomiar rozkładu prądu zwarcia lub drogi dyfuzji L n (x, y). 87
Pomiar punktowy prądu zwarcia lub współczynnika SR(λ) Zakres zmian długości światła monochromatycznego: 400nm do 1100nm. Przy wyznaczaniu współczynnika SR(λ) pomiary badanego ogniwa są odnoszone do wyników ogniwa wzorcowego. Przykładowe charakterystyki prądu zwarcia ogniwa słonecznego wykonanego z krzemu monokrystalicznego pokazane są na rysunku 6. 9 8 I [µa] 7 6 5 4 3 2 1 λ [nm] 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 Rys. 6. Prąd zwarcia ogniwa dla różnych skoków λ Pomiar rozkładu prądu zwarcia lub drogi dyfuzji w funkcji współrzędnych x, y Zakres zmian długości światła monochromatycznego: 400 nm do 1100 nm. Do obliczenia Ln(x, y) konieczne jest wprowadzenie przez użytkownika współczynnika odbicia, dla każdej użytej długości fali światła, który jest niezbędny do wykonania obliczeń. Przy pomiarze prądu zwarcia mierzony jest prąd fotoogniwa. W obu wypadkach wyniki przetwarzania są przedstawione w postaci kolorowej mapy płaskiej. Przykładowe rozkłady prądu zwarcia pokazane są na rysunkach 7 i 8. Rys. 7. Rozkład prądu pomiar I Rys. 8. Rozkład prądu pomiar II Oprogramowanie systemu pracuje pod kontrolą systemu operacyjnego Windows98. Komunikacja urządzeń zewnętrznych jest realizowana za pośrednictwem 88
interfejsu RS232. Wymagane są dwa takie interfejsy. Jeden dla podsystemu pozycjonowania a drugi dla podsystemu pomiarowego. 3. WNIOSKI System został opracowany w Przemysłowym Instytucie Elektroniki. Został on uruchomiony we wrześniu 2001 w Laboratorium fotowoltaicznym PAN w Kozach i jest wykorzystywany do realizacji tematu "Rozwój fotowoltaiki celem uzyskiwania energii elektrycznej w warunkach krajowych. Dużą zaletą użytej metody jest bardzo dobra rozdzielczość przestrzenna, która umożliwia tworzenie dwuwymiarowych map elektrofizycznych właściwości płytek krzemowych służących do produkcji fotoogniw. LITERARURA 1. Stemmer M., Martinuzzi S.: Mapping of local minority carrier diffusion length applied to multicrystaline silicon cells. 11th EC Photovoltaic solar energy conference. 2. Emery K., Dunlavy D., Field H., Moriarty T.: Photovoltaic spectral responsivity measurements. Natinal Renevable Energy Laboratory. 3. Jaint S. C., Tsao J., Kerwin W. J.: The spectral response and efficiency of heavily doped emitters in silicon photovoltaic devices. Solid State Electronics Vol. 30 No. 9 pp 929-937, 1987. 4. Mills T. B.: The phase locked loop IC as a communication system building block. National Semicondactor Application Note 46. ECOLOGICAL SOURCES OF ENERGY In article became talked over problems connected with transformation of solar energy in electric energy. Talked over became also measuring - system intended to qualifying qualities of used materials at production of solar cell. Examined sample is lighted up monochrome - light. For different lengths of wave of radiation system measured current of short-circuit solar cell. On this to base enumerated way of diffusion. Method permits rate of thickness of defects and level of impurity in investigated examined sample. 89