Bateria słoneczna
Fotodioda vs bateria słoneczna -dla fotodiody interesujący jest tylko zakres długości fal l w pobliżu piku czułości; -dla baterii 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 powinna mieć dużą powierzchnię aby duża ilość fotonów docierała do złącza; -dla fotodiody najważniejszym parametrem jest wydajność kwantowa; -dla baterii sprawność baterii.
R i = Parametry użytkowe fotodiody Wydajność kwantowa fotodiody: Czułość prądowa fotodiody: Czułość napięciowa fotodiody: R i R V I P I p hc qpl ql hc R i R D lqr hc Przy pracy fotodiody bez polaryzacji zewnętrznej dominuje szum Johnsona Nyquista i detekcyjność wyraża się wzorem: D D* l q l 2hc R D kt A 2 R V A ktr D
Fotodioda p-i-n InP E g =1.29eV GaInAs E g =0.75eV
Fotodioda M-S.
Rodzaje fotodiod Fotodiody na heterozłączach. Fotodiody lawinowe
Kopaliny konwencjonalne źródła energii Zasoby kopalin (optymistyczne prognozy) (Oil & Gas Journal, World Oil) przy obecnym poziomie konsumpcji energii, wystarczą na: Węgiel - 417 lat Olej - 43 lata Gaz - 167 lat Ze względu na rosnącą konsumpcję, przewiduje się, że każde z w.w źródeł energii wyczerpie się szybciej. Według teorii Hubberta, zależność wykorzystania źródeł w funkcji czasu podlega krzywej dzwonowej.
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 Spadek cen odnawialnych źródeł energii Ekologia
Ewolucja światowych zasobów oleju według teorii Hubberta
Konsumpcja energii
Instalacje solarne w USA
węgiel ropa gaz e. jądrowa biomasa woda wiatr Słońce Geo ExaJ Przyszłość odnawialnych źródeł energii 300 200 100 0 2060 2040 2020 1999 1exaJ=10 18 J Źródło: Royal Dutch Shell Group
Fotowoltaika Jest to metoda wytwarzania energii elektrycznej poprzez konwersję promieniowania słonecznego bezpośrednio na prąd elektryczny. Konwersja odbywa się w półprzewodnikach, w których zachodzi efekt fotowoltaiczny. Podstawowym elementem fotowoltaicznym jest ogniwo, z którego wykonuje się panele (zestaw wielu ogniw) i matryce paneli. Fotowoltaika rozwija się dynamicznie. Moc generowana przy pomocy ogniw fotowoltaicznych pod koniec roku 2011 wynosiła 69 GW. Całkowita energia wytwarzana w ciągu roku jest równa ok. 80 miliardów kwh. Jest to energia wystarczająca do pokrycia rocznego zapotrzebowania 20 millionów gospodarstw domowych. W chwili obecnej, fotowoltaika jest trzecim najważniejszym odnawialnym źródłem energii obok elektrowni wodnej i wiatrowej. Ponad 100 krajów stosuje fotowoltaiczne źródła energii. Instalacje fotowoltaiczne są montowane bądź w gruncie bądź na dachach. http://accendo.ro/res/solar_demo.htm
Produkcja fotoogniw w latach 2001-2010 14
Ekonomia Cena ogniw z krzemu krystalicznego spadła z $76.67/W w r. 1977 do ok. $0.74/W w r. 2013. Prawo Swansona (założyciela firmy produkującej ogniwa słoneczne SunPower Corporation): każde podwojenie zdolności produkcyjnych przemysłu solarnego powoduje spadek ceny ogniw o 20%
Dlaczego energia słoneczna? Konwersja energii słonecznej z 1% obszaru Ziemi, z 10% wydajnością wystarczy na zaspokojenie zapotrzebowania energetycznego w ilości dwukrotnie większej niż konsumowane obecnie!
Zorza polarna Norwegia 09.01.2014 Efekt protuberancji Słońca, która miała miejsce dwa dni wcześniej
Słońce strefa konwekcji w strefie konwekcji energia jest transport. na zewnątrz hel wodór strefa reakcji termojądr. energia produkowana w rdzeniu jest transport. na zewnątrz przez fotony w jądrze zachodzą reakcje termojądrowe strefa radiacyjna
Równowaga hydrostatyczna Siła ciśnienia termicznego skierowana na zewnątrz jest równoważona przez siłę grawitacji
Cykl p-p Synteza termojądrowa na Słońcu 1 1 2 1 1 1 1 1 2 1 H H H Q 144. MeV H+ H He + Q 55. MeV 2 3 2 3 2 3 2 4 1 1 1 1 e He+ He He+ H+ H Q 12. 9 MeV
Energia słoneczna Synteza 1 kg wodoru daje 7.1 grama masy zamienionej na energię: E = mc 2 = 0.0071 kg x (3x10 8 m/s) 2 = 6.4x10 14 J Jasność Słońca 3.83x10 26 W, W każdej sekundzie 675 milionów ton H jest zamieniane na 653 milionów ton He z równoczesną zamianą około 22 milionów ton materii na energię.
Jednostki energetyczne Strumień fotonów: = liczba fotonów s m 2 Gęstość mocy fotonów o określonej długości fali: H W hc = m2 l H W m 2 = q 1. 24 l(μm) H W = q E(eV) m2 Spektralna gęstość promieniowania (irradiancja widmowa) F l = qe 1 l ( W ) H W = F l d m 2 μm m 2 0 l
Irradiancja widmowa F l = q 1.24 l(μm) 1 l ( W ) m 2 μm
Prawo odwrotnych kwadratów H 0 = R sun 2 (1A. U. ) 2 H sun = 1333 W m 2
Atmosfera
Promieniowanie słoneczne AM - ilość masy powietrza, przez którą przechodzi światło AMO - stała słoneczna 1.37 KW/m 2 AMX=AM1/cos φ Słońce jest najważniejszym źródłem energii na Ziemi: do powierzchni atmosfery w południe na równiku dociera H=1,37 kw/m 2 stała słoneczna. Energia promieniowania słonecznego jest częściowo absorbowana przez atmosferę, tak więc do powierzchni dociera ok. 73 % (A.M. 1). Na naszej szerokości geograficznej za standard przyjmuje się wartość H odpowiadającą ok. AM 1.5G = 1000 W/m 2. Wydajności ogniw słonecznych są podawane właśnie dla tej standardowej wartości H. Na obszarze Polski całkowita wartość energii słonecznej docierającej średnio w ciągu roku wynosi ok. 1000 kwh/m 2. Zapotrzebowanie na energię elektryczną przeciętnego gospodarstwa domowego w Polsce wynosi ok. 2 150 kwh
Oprócz całkowitej mocy, ważnym parametrem promieniowania słonecznego, który trzeba uwzględniać projektując urządzenie do jego wykorzystywania, jest rozkład spektralny. Maksimum tego rozkładu znajduje się dla długości fali λ = 550 nm, ok. 90% fotonów zawiera się w obszarze energii odpowiadającym długościom fali pomiędzy 250 a 1540 nm, a sam rozkład dosyć dobrze można przybliżyć rozkładem promieniowania Plancka ciała doskonale czarnego w T=5520 K.
Bateria słoneczna - dlaczego jest to atrakcyjne źródło energii? Nie wymaga zasilania nie konsumuje paliwa Nie degraduje środowiska Posiada wysoki wskaźnik mocy do wagi
Bateria słoneczna Urządzenie, które zamienia energię słoneczną w energię elektryczną. P I V 0 Jest podobne do baterii, bo dostarcza mocy prądu stałego. Różni się od baterii, bo napięcie które wytwarza zależy od oporności obciążenia.
Promieniowanie słoneczne Światło widzialne długość fali 0.38mm < l 0.76mm fala E B strumień fotonów
Historia 1839 efekt PV zaobserwowany przez Becquerela. 1870s fotoogniwo selenowe 2% - Hertz. 1905 wyjaśnienie zewnętrznego efektu fotoelektrycznego przez A. Einsteina. 1930s pierwszy miernik światła (fotoogniwo na bazie tlenku miedzi bądź selenu); zastosowanie w fotografice 1954 fotoogniwo krzemowe (4%) - Bell Laboratories 1958 fotoogniwo w kosmosie (satelita U.S. Vanguard).
Półprzewodniki - elektrony i dziury W półprzewodnikach występuje absorpcja światła, gdy energia fotonu jest większa od przerwy wzbronionej półprzewodnika
Absorpcja światła w półprzewodnikach Występuje, gdy energia fotonu jest większa od przerwy wzbronionej półprzewodnika Absorpcja światła w półprzewodniku (CdS)
Złącze p-n dioda półprzewodnikowa Charakterystyka I-V - nieliniowa + + + + + + + p - - - + - + + + - n - - + + - + - - - - - - A Polaryzacja zaporowa Polaryzacja w kier. przewodzenia I V
Bateria to też złącze p-n Jak to działa? jest to złącze p-n światło jest absorbowane dla h E g tworzą się pary elektron-dziura, które są separowane przez pole w złączu i transportowane przez złącze
Efekt fotowoltaiczny Tak nazywa się efekt pojawiania się prądu/napięcia w oświetlonym złączu p-n - baterii słonecznej
Bateria słoneczna gdy powstaje złącze p-n, dziury z obszaru p dyfundują do obszaru typu n, elektrony z n do p; 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. P Dodatnie dziury +ujemnie naładowane nieruchome akceptory P dziury E - + N Ujemne elektrony + dodatnio naładowane nieruchome donory Tylko naładowane donory/akceptory (obszar zubożony) N elektrony
Warunki wystąpienia efektu fotowoltaicznego Pod wpływem promieniowania muszą być generowane w półprzewodniku nadmiarowe nośniki ładunku dodatniego i ujemnego E f E g Nośniki nadmiarowe o różnych znakach muszą być rozdzielone przez pewną elektrostatyczną niejednorodność; Generowany swobodny nośnik musi zachować swoją ruchliwość dostatecznie długo, tak aby zdążył dotrzeć do niejednorodności powodującej rozdzielenie ładunku.
Efekt fotowoltaiczny hf E g Światło jest absorbowane, tworzą się pary elektron-dziura, które są separowane przez pole w złączu i transportowane przez złącze gdy złącze jest zwarte - płynie prąd zwarcia, I sc. I D (A) E C E F E V hf E C V D (V) 0 E V - I sc I sc = q N ph (E g )~ P
liczby fotonów (mocy promieniowania); Od czego zależy prąd zwarcia? powierzchni ogniwa; aby uniezależnić się od tej wielkości zamiast prądu zwarcia podaje się gęstość prądu zwarcia (J sc w ma/cm 2 ); I spektrum padającego światła. Standardowo oświetla się ogniwa spektrum AM 1.5; własności optycznych (absorpcji i odbicia) ogniwa; V prawdopodobieństwa zbierania nośników ( zależy ono od pasywacji powierzchni i czasu życia nośników mniejszościowych).
) Złącze rozwarte E C I D (A) qv OC V oc E C E V V D (V) qv bi E V Gdy jest rozwarte pojawia się fotonapięcie, V oc. Temu napięciu towarzyszy prąd: I d = I o [exp(ev oc /kt)-1] Ten prąd równoważy w rozwartym oświetlonym złączu p-n maksymalny prąd fotogeneracji, czyli I sc : I sc I d = 0
Złącze rozwarte Po przekształceniu: I sc = I d = I o [exp(ev oc /kt)-1] V oc kt Isc kt I ln( 1) ln q I q I o sc o Ponieważ I sc ~P, to V oc ~ ln P
Od czego zależy napięcie rozwarcia? Im mniejsza rekombinacja (mniejszy prąd nasycenia ogniwa), tym wyższe napięcie rozwarcia I V
Rekombinacja i V oc V oc jest napięciem, przy którym prąd dyfuzyjny jest równy prądowi zwarcia. Im większa rekombinacja, tym większy prąd ciemny i mniejsze napięcie rozwarcia. Prąd, który jest prądem rekombinacji w kierunku przewodzenia to prąd nasycenia. Prąd rekombinacji zależy od koncentracji nośników na krawędzi złącza, jak szybko odpływają od złącza i jak szybko rekombinują. Zatem V oc można zwiększyć poprzez: Domieszkowanie, które powoduje, że koncentracja nośników mniejszościowych jest mniejsza od koncentracji nośników większościowych; Zwiększanie długości drogi dyfuzji nośników mniejszościowych; ten sposób pozostaje w sprzeczności z poprzednim konieczny kompromis; Pasywacja powierzchni, aby zmniejszyć rekombinację powierzchniową
Podniesienie sprawności poprzez ograniczenie procesów rekombinacji Tlenek krzemu pasywuje powierzchnię i redukuje rekombinację powierzchniową Silne domieszkowanie pod kontaktami powoduje, że nośniki mniejszościowe są odpychane od obszaru przypowierzchniowego, ograniczając rekombinację powierzchniową Silne domieszkowanie w tylnej części powoduje, że nośniki mniejszościowe (tym razem elektrony) są odpychane od obszaru przypowierzchniowego, ograniczając rekombinację powierzchniową
Charakterystyka I-V Światło generuje parę elektron-dziura Pole elektryczne porusza nośniki: elektrony w stronę n a dziury w stronę p Zatem przez opornik płynie prąd wsteczny I L Ten prąd powoduje pojawienie sią spadku napięcia V na oporze R L. Napięcie V polaryzuje złącze w kierunku przewodzenia: pojawia się więc prąd I F Całkowity prąd:
Bateria obciążona oporem RL
Parametry Współczynnik wypełnienia FF Sprawność IV m I V sc m oc I V sc oc FF P I m i V m prąd i napięcie odpowiadające punktowi mocy maksymalnej, I sc i V oc prąd zwarcia i napięcie rozwarcia W IV ćwiartce charakterystyki jest generowana moc:
Oporność szeregowa Rzeczywista charakterystyka I V baterii słonecznej. R s oporność szeregowa.
Oporność upływu Wpływ oporności upływu R sh na charakterystykę I-V baterii słonecznej
Rzeczywista charakterystyka I V q( V IRs) q( V IRs) sc s1 kt s2 2kT I I I ( e 1) I ( e 1) V R IR sh s V oc Eg (0) kt BT ( T) ln( ) q q I sc
Wydajność kwantowa Wydajność kwantowa (QE) Długość fali
Odpowiedź spektralna Idealne ogniwo Mierzone ogniwo S R ( A W ) = QE l nm 1239.8 S R ( A W ) = QE l μm 1.2398
Straty sprawności w ogniwach 1 termalizacja 2 i 3 - straty na złączu i na kontaktach 4 - straty na rekombinację 55
Shockley-Queisser limit
Jak podnieść sprawność ogniw i obejść limit Shockley a-queissera? Czarne pole limit Shockley a-queissera; Różowe pole energia fotonów mniejsza od przerwy wzbronionej; Zielony obszar strata energii na termalizację nośników; Niebieski obszar straty na rekombinację, w wyniku których napięcie rozwarcia jest małe. Ogniwa, które mają większą sprawność aniżeli wynika to z limitu Shockley a- Queissera korzystają z jednego z wymienionych obszarów.
Straty sprawności w ogniwach 1 - termalizacja 1 A A cb pb N ph ( E ) E g E g 100% N ph jest liczbą fotonów o energii równej E g. 2 i 3 - straty na złączu i na kontaktach 4 2,3 ev E oc 4 - straty na rekombinację FF g IU m I V sc m oc 1 2,3 4
Straty optyczne Straty związane z odbiciem Przedni kontakt zasłania część ogniwa Straty związane z odbiciem Pokrycia antyrefleksyjne DLRAC podwójna warstwa antyrefleksyjna
Pokrycia antyrefleksyjne Optymalna grubość warstwy dla interferencji destruktywnej: Optymalne współczynniki załamania:
Warstwy antyrefleksyjne Krzem monokrystaliczny Warstwy antyrefleksyjne z tlenku krzemu odbijają więcej światła ultrafioletowego i niebieskiego niż czerwonego, dlatego mają niebieskie zabarwienie. Jeśli warstwa antyrefleksyjna jest wykonana z azotku krzemu, może mieć inną barwę.
DLARC i teksturyzacja powierzchni Powietrze - n 0
Grubość ogniwa i pułapkowanie światła Aby światło padające na ogniwo krzemowe zostało całkowicie zaabsorbowane potrzebny jest materiał o grubości ok. 1mm; Materiał o grubości 1mm absorbuje ok. 30% światła fotony światła pomarańczowego i czerwonego są tracone; Jeśli światło pada pod odpowiednim kątem na powierzchnię, to może odbijać się od przedniej i tylnej powierzchni tak, że efektywnie wielokrotnie przebędzie drogę w materiale wywołując fotoefekt
Fotoefekt zielona dioda świecąca jest jednocześnie fotodiodą czułą na światło zielone (lub mające większą energię niebieskie i fioletowe)
Krzem polikrystaliczny monokrystaliczny Średnica 300 mm, długość 1.5 m (bez stożkowych zakończeń) i waga 275 kg.
za: Ogniwa I generacji: krzem krystaliczny i polikrystaliczny Wysoka sprawność (14-25%) Opanowana technologia Stabilny przeciw: Droga produkcja Niski współczynnik absorpcji Potrzeba dużej ilości drogiego surowca wysokiej jakości (ok. 0.25mm aby zaabsorbować większość światła)
Materiały stosowane na ogniwa Współczynnik absorpcji w funkcji długości fali dla krzemu krystalicznego i amorficznego i innych materiałów stosowanych na baterie słoneczne.
Ogniwo krzemowe na złączu p-n. Górny rysunek widok z góry; dolny przekrój poprzeczny przez złącze.
Krystaliczny krzem Amorficzny krzem
Ogniwa II generacji: krzem amorficzny za: Duży współczynnik absorpcji (nie trzeba dużej ilości materiału) Opanowana technologia Łatwo zintegrować z budynkiem Doskonały pod względem ekologicznym Tańszy od szkła, metalu lub plastiku, na którym jest osadzany przeciw: Niskie sprawności 7-10% Niestabilny ulega degradacji pod wpływem światła
Ogniwa II generacji: ogniwa cienkowarstwowe Krzem amorficzny Ogniwa tandemowe na krzemie amorficznym CIGS (CuInGaSe 2 ) lub CIS (CuInS) CdTe Rekord wydajności dla ogniwa na podłożu polimerowym: 20.4% - 01.2013
Ogniwo II generacji CdTe/CdS CdTe : Eg =1.5 ev; współczynnik absorpcji 10x większy niż dla Si CdS : Eg=2.5 ev; okno Ograniczenia : Zła jakość kontaktu do p-cdte (~ 0.1 Wcm 2 )
Odwrócone ogniwo cienkowarstwowe p-diament (Eg= 5.5 ev) okno n-cdte layer jako warstwa absorbcyjna
III generacja Ogniwa wielozłączowe Ogniwa polimerowe i organiczne (niska wydajność 5%) Na nanorurkach węglowych (b. duża powierzchnia) Z kropkami kwantowymi Na gorących nośnikach
Widmo wykorzystywane przez ogniwo Si
Ogniwo wielozłączowe sprawność > 40%!
III generacja -ogniwa DSSC Roztwór TiO 2 (półprzewodnik) jest nakładany na szkło Warstwa jest wygrzewana aby utworzyć pory Całość jest zanurzana w elektrolicie zawierającym fotoczuły barwnik (np. pochodna chlorofilu) Kropla elektrolitu I - jest wpuszczana w pory warstwy TiO 2, elektrolit dyfunduje. Barwnik jest zaadsorbowany przez nanocząstkę TiO 2. Na wierzchu nakładana jest platynowa elektroda zliczająca
Ewolucja rekordowych sprawności
Panele Z reguły na pojedynczym ogniwie napięcie rozwarcia nieznacznie przekracza 0,5V i 2W mocy, dlatego aby uzyskać bardziej użyteczne napięcie i większą moc ogniwa są łączone. Z połączenia od kilku do kilkunastu, a czasem nawet kilkudziesięciu ogniw uzyskujemy moduł (panel), którego napięcie wynosi 12V, a moc nie przekracza 80W. Coraz częściej spotyka się również panele o napięciu 24V i więcej, których moc może przekraczać nawet 200W (zdjęcie po prawej).
Jak podnieść sprawność ogniw? Koncentratory światła Systemy śledzące
Ogniwa wielopasmowe Środkowe pasmo tworzone jest przez poziomy domieszkowe. W procesie 3 biorą udział fonony Graniczna sprawność teoretyczna - 86.8%
Ogniwa wyżłobione Większa powierzchnia złącza Wyższa sprawność( > 20%)
Elektrownie słoneczne dziś Obecnie fotoogniwa wykorzystuje się do produkcji energii elektrycznej na coraz większą skalę. Na przykład, fotowoltaiczna elektrownia słoneczna w Beneixama (Hiszpania) ma moc 20 MW. Składa się ze 100 000 paneli z ogniwami z polikrystalicznego krzemu o łącznej powierzchni 50 ha. Aktualnie w Arizonie, w Gila Bend planowana jest elektrownia o mocy 280 MW (ok. 1000 ha).
Elektrownia słoneczna w Indiach
Alcatraz
Zastosowania Na Wyspach Kanaryjskich i w południowej Hiszpanii woda pitna jest uzyskiwana w procesie odsalania wody morskiej (odwrócona osmoza). Urządzenia odsalające pracują zasilane bateriami słonecznymi Latarki LED zasilane bateriami ładowanymi w ciągu dnia przy pomocy małego modułu fotowoltaicznego o mocy ~5W. Czas pracy 3h-8h Laptop
Solarny samochód i parking
Baza Nellis Air Force USA; panele śledzą trajektorię Słońca
Table: Solar simulator classification according to IEC 60904-9 Ed. 2.0. Class Spectral Match Irradiance inhomogeneity Temporal Instability Long Term A 0.75-1.25% 2% 0.5% 2% B 0.6-1.4% 5% 2% 5% C 0.4-2.0% 10% 10% 10% Short Term
Dziękuję za uwagę