Anna Pietnoczka
Stan zaporowy Jeżeli do złącza n-pprzyłożymy zewnętrzne napięcie U< 0, spowoduje to odsunięcie nośników ładunku od warstwy dipolowej i powiększenie bariery potencjału. Uniemożliwia to przepływ prądu. Mówimy, że złącze znajduje się w stanie zaporowym. U bp U p n Złącze p-n U < 0
Zasada pracy fotodetektorów w Silne pole elektryczne obecne w warstwie zubożonej powoduje rozseparowanie foto-generowanych nośników. Powstaje prąd. Prąd płynie w obwodzie zewnętrznym- fotoprąd. 3
Zasada pracy fotodetektorów 4
Ogniwa słoneczne Anna Pietnoczka
Fotowoltaika Fotowoltaika to dziedzina nauki zajmująca się konwersją energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Konwersja odbywa się w półprzewodnikach, w których zachodzi efekt fotowoltaiczny. Podstawowym elementem fotowoltaicznym jest cienkowarstwowe ogniwo słoneczne zbudowane z półprzewodnika, w którym podstawowym procesem jest efekt fotoelektryczny. W chwili obecnej, fotowoltaika jest trzecim najważniejszym odnawialnym źródłem energii obok elektrowni wodnej i wiatrowej. Produkcja fotoogniw w latach 2001-2010.
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 Węgiel - 417 lat Olej - 43 lata Gaz - 167 lat Spadek cen odnawialnych źródeł energii Ekologia
Przyszłość odnawialnych źródeł energii 300 ExaJ 200 100 0 2060 2040 2020 1999 węgiel ropa gaz e. jądrowa biomasa woda wiatr Słońce Geo 1exaJ=10 18 J Źródło: Royal Dutch Shell Group
Promieniowanie słoneczne
Promieniowanie słoneczna -dlaczego jest to atrakcyjne źródło energii? Niewyczerpalne źródło energii Niezawodna Nie wymaga zasilania nie konsumuje paliwa Systemy fotowoltaiczne są łatwe w obsłudze i konserwacji Modularność
Energia słoneczna roczne światowe zużycie energii ok. 15 TW energia słoneczna docierająca do Ziemi w ciągu roku średnio 86 000 TW energia wiatrowa 870 TW energia geotermalna 32 TW
Odległość Ziemi od Słońca Średnia wartość rocznego natężenia promieniowania (stała słoneczna)wynosi 1367±7 W/m 2 w zależności od odległości Słońce -Ziemia, która zmienia się w ciągu roku od 147 mln km w grudniu do 152 mln km w czerwcu.
NASA NASA Największy potencjał energii solarnej
Nasłonecznienie odpowiadające różnym lokalizacjom lokalizacja roczne nasłonecznienie [kwhm -2 /rok] Sahara 2200 Izrael 2000 Freiburg, płd Niemcy 1200 Hamburg, płn Niemcy 1000
Roczny rozkład energii promieniowania słonecznego odpowiadający różnym lokalizacjom średnia dzienna ene ergia nasłon. kwh/m 2 /d 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Freiburg, Niemcy Chartum/Sudan 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 miesiąc
Mapa nasłonecznienia
Promieniowanie słoneczne AM - ilość masy powietrza, przez którą przechodzi światło AMO - stała słoneczna 1.37 KW/m 2 AMX=AM1/cos φ
Promieniowanie słoneczne po przejściu przez atmosferę
Wpływ warunków pogodowych. niebo pogoda czyste niebo promieniowanie globalne część dyfuzyjna promieniowania zamglenie, lekkie zachmurzenie słońce widoczne jako biaława tarcza ciężkie zachmurzenie 600 1000 Wm -2 200 400 Wm - 2 50 150 Wm - 2 10 20 % 20 80 % 80 100 %
Promieniowanie ciała doskonale czarnego Wyjaśnienie obserwowanego rozkładu wymagało założenia skwantowania energii promieniowania E = hν = hc λ Rozkład Planck a: u(λ,t) = λ 5 [e 2πhc 2 hc λkt 1] CDC -Ciało całkowicie pochłaniające promieniowanie Słońce ciało doskonale czarne o temperaturze 5800 K
Promieniowanie słoneczne
Zasada działania ogniw słonecznych
Historia 1839 efekt PV zaobserwowany przez Becquerela. 1870 fotoogniwo selenowe 2% -Hertz. 1905 wyjaśnienie zewnętrznego efektu fotoelektrycznego przez A. Einsteina. 1930 pierwszy miernik światła (fotoogniwo na bazie tlenku miedzi bądź selenu); zastosowanie w fotografice 1954 fotoogniwo krzemowe (4%)-Bell Laboratories 1958 fotoogniwo w kosmosie (satelitau.s. Vanguard).
Efekt fotoelektryczny Nobel 1921
1954 Bell Labs 1954 - Chapin, Fuller i Pearson pierwsze ogniwo słoneczne oparte o Si 4.5 % wydajności
1958 Hoffman Electronics Panele fotowoltaiczne Si, 100 cm 2, wydajność 10 % wykorzystane do zasilania satelity komunikacyjnego Vanguard 1
Półprzewodniki -elektrony i dziury W półprzewodnikach występuje absorpcja światła, gdy energia fotonu jest większa od przerwy wzbronionej półprzewodnika
Złącze p-n Stan zaporowy złącza p -n Jeżeli do złącza n-pprzyłożymy zewnętrzne napięcie U< 0, spowoduje to odsunięcie nośników ładunku od warstwy dipolowej i powiększenie bariery potencjału; 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; U bp U U < 0 p n
hf E g Wewnętrzny efekt fotoelektryczny ogniwo słoneczne
Fotodioda vsbateria słoneczna Dla fotodiody interesujący jest tylko zakres długości fal λw pobliżu piku czułości; Dla baterii słonecznej 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 słonecznapowinna mieć dużą powierzchnię aby duża ilość fotonów docierała do złącza; Dla fotodiody najważniejszym parametrem jest wydajność kwantowa; Dla baterii słonecznej sprawność baterii.
Charakterystyka I-V
Sprawność: P η = max P in = I mp P V in mp I mp i V mp prąd i napięcie odpowiadające punktowi mocy maksymalnej, I sc i V oc prąd zwarcia i napięcie rozwarcia Współczynnik wypełnienia FF = I I mp SC V V mp OC η = FFI SC P in V OC więcej zaabsorbowanych fotonów większy I sc większa przerwa energetyczna (E g ) większe V oc
Ogniwa fotowoltaiczne Zwiększanie sprawności. Absorpcja szerokiego pasma promieniowania Problem termalizacji Problem odbicia Problem rekombinacji Problem kontaktów
Straty sprawności w ogniwach optymalna przerwa energetyczna η = FFI P SC in V OC Teoretyczna zależność maksymalnej wydajności ogniwa od przerwy absorbera, otrzymana przy założeniu, że tylko rekombinacja radiacyjna jest źródłem strat energii.
Straty sprawności w ogniwach optymalna przerwa energetyczna
Straty sprawności w ogniwach optymalna przerwa energetyczna
Straty sprawności w ogniwach optymalna przerwa energetyczna Współczynnik absorpcji w funkcji długości fali dla różnych materiałów stosowanych w fotowoltaice
Straty sprawności w ogniwach optymalna przerwa energetyczna Współczynnik absorpcji w funkcji długości fali dla różnych materiałów stosowanych w fotowoltaice
Straty sprawności w ogniwach optymalna przerwa energetyczna Współczynnik absorpcji w funkcji długości fali dla różnych materiałów stosowanych w fotowoltaice
Straty sprawności w ogniwach procesy odbicia i absorpcji w ogniwie Wykorzystanie powłoki antyrefleksyjnej
Straty sprawności w ogniwach 1 termalizacja 2 i 3 - straty na złączu i na kontaktach 4 - straty na rekombinację
Straty sprawności w ogniwach Możliwe procesy rekombinacji w ogniwie homozłączowym.
Cienkowarstwowe ogniwo słoneczne Absorber: przerwa energetyczna poniżej 1.5 ev absorber: CdTe Cu(In,Ga)Se 2 bufor: CdS Zn(O,S) In 2 S 3 okno: ZnO ITO typ p domieszkowanie ~10 16 cm -3 wysoka absorpcja Okno i bufor szeroka przerwa energetyczna (przezroczyste) dobre dopasowanie krystaliczne do absorbera typ n domieszkowanie 10 17-10 18 cm -3 43
Rozwój.