Fotowoltaika i sensory w proekologicznym rozwoju Małopolski Photovoltaic and Sensors in Environmental Development of Malopolska Region ZWIĘKSZANIE WYDAJNOŚCI SYSTEMÓW FOTOWOLTAICZNYCH Plan prezentacji 1. Znaczenie krzemowych ogniw słonecznych 2. Konstrukcja krzemowego ogniwa słonecznego z uwzględnieniem warstwy ARC 3. Rola warstwy antyrefleksyjnej i jej najważniejsze parametry 4. Ocena jakości ogniw słonecznych charakterystyki prądowo-napięciowe 5. Ciekawe aplikacje systemów fotowoltaicznych na świecie
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. http://sunbird.jrc.it/refsys/pdf/pv_statusreport_2007.pdf Udział ogniw z krzemu krystalicznego w porównaniu do ogniw cienkowarstwowych w produkcji energii na świecie od 2006 r. 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 Sprawność ogniwa stosunek maksymalnej mocy elektrycznej P m, uzyskiwanej z ogniwa, do mocy promieniowania słonecznego padającego na ogniwo P i : P m η = P Ze względu na czynnik spektralny traci się w ogniwie około 55% energii słonecznej. Warstwa antyrefleksyjna znacznie redukuje ilość odbitego światła. i
Co to jest nanometr? Przedrostek nanos : z greckiego krasnal 1 nanometr jest miliardową cząstką jednego metra (10-9 m lub 0,000 000 001m) http://www.biuletyn.agh.edu.pl/archiwum_bip/ _2006/ _158/05_01_158.html Wytworzenie warstw antyrefleksyjnych wymaga zastosowania tzw. nanotechnologii. Nanotechnologia cienkich warstw antyrefleksyjnych ARC Związki chemiczne wykorzystywane do wytwarzania warstw ARC: silan, metan, amoniak z udziałem wodoru. Skład chemiczny warstw ARC: a-si:c:h a-si:n:h Wybór metody technologicznej ze względu na możliwość kontroli: grubości warstwy, właściwości optycznych i mechanicznych. System PECVD (Elettrorava) WIMiC AGH Urządzenie do produkcji na skalę laboratoryjną.
Rola warstwy antyrefleksyjnej Istotne parametry warstw ARC: grubość d (60 100 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 Współczynnik załamania światła w warstwie antyrefleksyjnej http://www.optyczne.pl/90-słownik-załamanie_światła.html Miarą prędkości światła w różnych ośrodkach i parametrem opisującym załamanie światła jest współczynnik załamania. Sposób załamania światła opisuje prawo Snella, które wiąże kat 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.
Współczynnik odbicia warstwy antyrefleksyjnej Animacja wpływu warstwy ARC na całkowite odbicie światła na powierzchni ogniw Współczynnik efektywnego odbicia światła (z warstwą i bez warstwy ARC) 50 Odbicie całkowite [%] 40 30 20 10 R eff =11% R eff =13% R eff =35,5% 0 400 600 800 1000 λ [nm] Badania optyczne potwierdziły dużą skuteczność warstw ARC w minimalizowaniu wartości współczynnika odbicia światła od powierzchni ogniw krzemowych.
Struktura powierzchni krzemu multikrystalicznego Zdjęcie powierzchni krzemu multikrystalicznego wykonane mikroskopem sił atomowych AFM Skład chemiczny warstw sprzyja zmniejszeniu ilości defektów strukturalnych w krzemie. Zdjęcie powierzchni krzemu multikrystalicznego wykonane mikroskopem skaningowym SEM Ocena jakości ogniw słonecznych Aparatura do pomiaru charakterystyk prądowonapięciowych ogniw słonecznych wraz z oprogramowaniem I-V Curve Traser for Solar Cells Qualification, v. 4.1.1 Profesjonalne urządzenie do badania parametrów elektrycznych ogniw słonecznych, jedno z nielicznych w Europie. Możliwość analizowania ogniw o powierzchni od 25 cm 2 do 400 cm 2.
Przykłady krzemowych ogniw słonecznych Na bazie krzemu monokrystalicznego Na bazie krzemu multikrystalicznego Charakterystyki I-V ogniw bez i z warstwą ARC 0,7 I [A] 0,5 I SC 0,3 0,1 FF Krzemowe ogniwo multikrystaliczne podczas pomiaru charakterystyki I-V -0,5-0,3-0,1-0,1 0,1 0,3 0,5-0,3 U OC U [V] Przykładowe charakterystyki prądowo-napięciowe I-V ogniw mc-si Ogniwo + warstwa ARC = wzrost sprawności ogniwa (nawet o 25%), współczynnika wypełnienia, prądu zwarcia oraz napięcia obwodu otwartego.
Ciekawe aplikacje systemów fotowoltaicznych na świecie http://www.ecofriend.org/entry/ nanotechnology-helps-betterthe-color-and-cost-of-solarcells/ Solar Ark Słoneczna arka (Japonia), 315 m długości, najwyższy punkt 37,1 m, wydajność 630 kwh http://sunbird.jrc.it/refsys/pdf/pv _StatusReport_2007.pdf Systemy fotowoltaiczne jako element dekoracyjny infrastruktury Instytut Fraunhofera w Monachium http://designflute.wordpress.com /2008/02/02/designer-solarpanels/ Dziękuję za uwagę