Fotodioda vs bateria słoneczna

Podobne dokumenty
Złącze p-n. Stan zaporowy

IA. Fotodioda. Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody.

Energia emitowana przez Słońce

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

EFEKT FOTOWOLTAICZNY OGNIWO SŁONECZNE

Część 1. Wprowadzenie. Przegląd funkcji, układów i zagadnień

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Teoria pasmowa ciał stałych Zastosowanie półprzewodników

Wykład VIII. Detektory fotonowe

Ćwiczenie E17 BADANIE CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH MODUŁU OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH I SPRAWNOŚCI KONWERSJI ENERGII PADAJĄCEGO PROMIENIOWANIA

1 Źródła i detektory. V. Fotodioda i diody LED Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody i diod LED.

BADANIA MODELOWE OGNIW SŁONECZNYCH

V. Fotodioda i diody LED

Skończona studnia potencjału

Fotodetektory. Fotodetektor to przyrząd, który mierzy strumień fotonów bądź moc optyczną przetwarzając energię fotonów na inny użyteczny sygnał

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

Projektowanie systemów PV. Produkcja modułu fotowoltaicznego (PV)

ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNE

Sprawozdanie z laboratorium proekologicznych źródeł energii

Rys.2. Schemat działania fotoogniwa.

Ćwiczenie 134. Ogniwo słoneczne

IV. Wyznaczenie parametrów ogniwa słonecznego

1. Właściwości materiałów półprzewodnikowych 2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane 3. Złącze pn 4. Polaryzacja złącza

Ogniwa fotowoltaiczne

Fotowoltaika i sensory w proekologicznym rozwoju Małopolski

Ciała stałe. Literatura: Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 42 Orear, t. 2, rozdz. 28 Young, Friedman, rozdz

zasada działania, prawidłowy dobór wielkości instalacji, usytuowanie instalacji, produkcja energii w cyklu rocznym dr inż. Andrzej Wiszniewski

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Wpływ oświetlenia na półprzewodnik oraz na złącze p-n

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

Urządzenia półprzewodnikowe

Produkcja modułu fotowoltaicznego (PV)

Złącza p-n, zastosowania. Własności złącza p-n Dioda LED Fotodioda Dioda laserowa Tranzystor MOSFET

Wykład 7. Złącza półprzewodnikowe - przyrządy półprzewodnikowe

LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Wprowadzenie do energii słonecznej i fotowoltaiki

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Z POMIARU CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH. Irena Jankowska-Sumara, Magdalena Krupska

Przejścia promieniste

Aleksandra Banaś Dagmara Zemła WPPT/OPTOMETRIA

Fotoelementy. Symbole graficzne półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych: a) fotoogniwo b) fotorezystor

E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Widmo promieniowania elektromagnetycznego Czułość oka człowieka

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

IX Lubelskie Targi Energetyczne ENERGETICS 2016 Lublin, dnia 16 listopada 2016 roku

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

SOLARNA. Moduły fotowoltaiczne oraz kompletne systemy przetwarzające energię słoneczną. EKOSERW BIS Sp. j. Mirosław Jedrzejewski, Zbigniew Majchrzak

!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

WPŁYW POSTĘPU TECHNICZNEGO NA WYDAJNOŚĆ SYSTEMÓW FOTOWOLTAICZNYCH ML SYSTEM S.A.

I. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

Wzrost pseudomorficzny. Optyka nanostruktur. Mody wzrostu. Ekscyton. Sebastian Maćkowski

Równanie Shockley a. Potencjał wbudowany

Instalacje fotowoltaiczne

Badanie ogniwa fotowoltaicznego

Produkcja energii z OZE w Polsce

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

Fizyka i technologia złącza PN. Adam Drózd r.

IX. DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE Janusz Adamowski

Badanie ogniw fotowoltaicznych

Repeta z wykładu nr 8. Detekcja światła. Przypomnienie. Efekt fotoelektryczny

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych.

Struktura pasmowa ciał stałych

E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa

Elektryczne własności ciał stałych

Złącze p-n powstaje wtedy, gdy w krysztale półprzewodnika wytworzone zostaną dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa p i n. Nośniki większościowe

Wykład V Złącze P-N 1

Repeta z wykładu nr 4. Detekcja światła. Dygresja. Plan na dzisiaj

Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystanie w OZE

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

Półprzewodniki. złącza p n oraz m s

Ć W I C Z E N I E N R E-19

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Część 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

NOWE TECHNOLOGIE w FOTOWOLTAICE

W książce tej przedstawiono:

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

Spis treści. Wykaz ważniejszych oznaczeń i jednostek 13 Przedmowa 17 Wstęp Odnawialne źródła energii 72

Złącze p-n: dioda. Przewodnictwo półprzewodników. Dioda: element nieliniowy

Elektryczne własności ciał stałych

Elementy optoelektroniczne. Przygotował: Witold Skowroński

Pomiary fotometryczne - badanie właściwości fizycznych fotoogniw

Marek Lipiński WPŁYW WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNYCH WARSTW I OBSZARÓW PRZYPOWIERZCHNIOWYCH NA PARAMETRY UŻYTKOWE KRZEMOWEGO OGNIWA SŁONECZNEGO

Ćwiczenie 1 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

SYMBOLE GRAFICZNE. Tyrystory. Struktura Charakterystyka Opis

Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych

MINIELEKTROWNIE SŁONECZNE NA DACHACH SZKÓŁ W GM. GUBIN I BRODY

Elementy optoelektroniczne. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

Zaawansowane systemy fotowoltaiczne. Wprowadzenie do energii słonecznej i fotowoltaiki

Czym jest prąd elektryczny

Co to jest fotowoltaika? Okiem praktyka.

Ćwiczenie 3 WPŁYW NASŁONECZNIENIA I TECHNOLOGII PRODUKCJI KRZEMOWYCH OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH NA ICH WŁASNOŚCI EKSPLOATACYJNE

EUROPEJSKIE SŁONECZNE DNI ENERGIA SŁOŃCA FOTOWOLTAIKA TECHNOLOGIE, OPŁACALNOSĆ, REALIZACJE Olsztyn 9 MAJA 2013 R.

Przewodność elektryczna półprzewodników

Badanie baterii słonecznych w zależności od natężenia światła

INSTRUKCJA LABORATORYJNA 11-FR. OBSŁUGA APLIKACJI ZINTEGROWANEJ Z INSTALACJĄ FOTOWOLTAICZNĄ O MOCY 2 kwp

Organiczne ogniwa słonecznes. Ogniwa półprzewodnikowe. p przewodnikowe zasada ania. Charakterystyki fotoogniwa

Zakres wykładu. Detekcja światła. Zakres wykładu. Zakres wykładu

Transkrypt:

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