Ogniwa fotowoltaiczne - najnowsze rozwiązania Trendy rozwojowe współczesnych ogniw fotowoltaicznych mgr inż. Szymon Witoszek www.emiter.net.pl
KOSZT WYGENEROWANIA ENERGII ZE ZDEFINIOWANEGO ŹRÓDŁA KRYTERIA EKONOMICZNE czyli: ile to kosztuje? Model mikroekonomiczny Rozłożony koszt produkcji energii w zde niowanym czasie + X PLN/kW REGULACJE inwestycja LCOE = eksploatacja kredyt zysk całkowity koszt w cyklu życia zysk jako koszt! [PLN/kWh] całkowita produkcja energii w cyklu życia utrata wydajności w czasie poziom nasłonecznienia + X PLN/kWh ile trzeba zapłacić za energię, żeby pokryć koszty konkurencyjności źródła wynika z porównania kosztów porównanie powinno uwzględniać systemy wsparcia zrzutka podatników (nieproporcjonalna)
LCOE TRENDY ROZWOJOWE redukcja kosztów koszt materiałów [g/wp] koszt procesu wytwórczego koszt wdrożenia koszt magazynowania koszt transportu koszt instalacji poprawa wydajności sprawność konwersji ph-e wsp. absorpcji wydajność kwantowa czułość widmowa straty wewnętrzne straty zewnętrzne wydłużenie cyklu stabilność parametrów optycznych elektrycznych mechanicznych uni kacja trwałości kontekst: LCOE uwzględnia rynkowy sens wdrażania zmian
GRANICE SPRAWNOŚCI (jeden materiał - jedno złącze p-n) sprawność konwersji [%] 40 30 AM 1,5 Si 20 CIS Ge 10 0,5 GaAs InP AM 0 CdTe a-si:h CuGaSe 2 1,5 2,0 1,0 szerokość przerwy energetycznej Eg [ev] CdS 2,5
MATERIAŁY Względny udział pierwiastków w skorupie ziemskiej liczba atomów przypadających na 106 atomów krzemu wytłuszczone: podstawowe materiały przemysłowe 10 na czerwono: materiały stosowane w przemyśle PV Si 6 Al na zielono: materiały rokujące dla PV Fe Mg 10 3 Ti Mn S Cu Cr Ni 1 Zn Ga Pb Sn Er As Ge Ta Cd Ag In 10 10-3 Te Pt -6 10 20 30 40 50 60 Liczba atomowa 70 80 90
KRYSTALICZNE OGNIWA KRZEMOWE wysoka dostępność surowca nieoczyszczonego (kwarc) ogniwo krzemowe polikrystaliczne wysoka dostępność surowca wstępnie oczyszczonego (MG-Si) znaczny koszt uzyskania materiału podłoży wysokiej czystość (EG-Si) proces jest długotrwały i energochłonny (metoda Siemensa) niewielka przepustowość chwilowe zagrożenie ciągłości dostaw ogniwa c-si wymagają znacznej ilość materiału bazowego wrażliwość na gwałtowne zmiany popytu (bezwładność podażowa) ryzyko tymczasowego wzrostu cen przełożenie na koszt pojedynczego urządzenia dominujący udział i długotrwała obecność na rynku największy kapitał badawczy najlepiej poznane właściwości materiału wypracowane standardy jakościowe skomplikowany i rozproszony proces technologiczny ogniwo krzemowe monokrystaliczne
KRZEM - ROZWIĄZANIA znaczny koszt uzyskania materiału podłoży wysokiej czystość (EG-Si) ~99,9999% nowe metody oczyszczania, wyższa tolerancja zanieczyszczeń kategoria SG-Si (Solar Grade Silicon) ~ 99,99% ługowanie, oczyszczanie gazami reaktywnymi, żużlowanie redukcja metalami i tlenkami metali, oczyszczanie strefowe (temperaturowe), oczyszczanie mieszane, oczyszczanie poprzez kontrolowany wzrost kryształów. ogniwa c-si wymagają znacznej ilość materiału bazowego nowe metody uzyskiwania cienkich podłoży wyciąganie lub przeciskanie (EFG) wstęg krzemowych (ribbons) drutowe cięcie elektroerozyjne WEDM wygrzewanie warstw multikrystalicznych osadzanie cienkich warstw metodami epitaksjalnymi skomplikowany i rozproszony proces technologiczny Redukcja etapów procesu technologicznego nowe warstwy ARC, np. PS (krzem porowaty) z właściwościami pasywującymi implementowanie metod pozyskiwanie krzemu SG w ramach jednego procesu technologicznego, bieżący recykling odpadów
OGNIWA CIENKOWARSTWOWE niewielki koszt procesu nanoszenia warstw o znacznych powierzchniach (PVD, CVD) niewielki zużycie materiałów w odniesieniu do jednostkowej mocy ogniwa [g/wp] proces technologiczny jest szybki i nie jest rozproszony moduły mogą być elastyczne, a ogniwa dowolnie sekcjonowane niektóre związki i pierwiastki są toksyczne (Cd) - recykling? ograniczona dostępność niektórych pierwiastków (Te, In, Cd) może drastycznie wpłynąć na ceny przy wyższym udziale technik TF w rynku nadal badane są efekty długotrwałej eksploatacji metody nanoszenie i obróbki wielowarstw bardzo wysokiej czystości są kosztowne podłoże szkalne TCO CdS-n CdTe-p ZnTe/Cu elektroda dolna
CIENKIE WARSTWY - ROZWIĄZANIA niektóre związki i pierwiastki są toksyczne (Cd) - recykling? Zastąpienie kadmu innym pierwiastkiem Gwarancja recyklingu ograniczona dostępność niektórych pierwiastków (Te, In, Cd) Nowe rozwiązania oparte o nietoksyczne i dostępne materiały np. kryształy mieszane miedzi, cyny, cynku i siarki (CZTS) nadal badane są efekty długotrwałej eksploatacji dalsze badanie stabilność parametrów w czasie, analiza odwracalności negatywnych efektów (np. SWE)
PROJEKCJA - OGNIWA NA BAZIE KRZEMU implementowane rozwiązania - wzrost monokrystalicznych cienkich warstw na macierzystym podłożu c-si + mechanizm łuszczenia (ogniwa o grubości 25-30 um) - zastosowanie warstw antyre eksyjnych wykonanych na bazie krzemu porowatego o zmiennym współczynniku załamania światła prognostyka cenowa: 2010-2015 2010 2011 2012 2013 2014 2015 wsad polikrzemowy EUR Wp 0,31 0,26 0,17 0,13 0,11 0,09 podłoża krzemowe EUR Wp 0,23 0,19 0,17 0,16 0,15 0,13 struktura ogniw EUR Wp 0,16 0,14 0,11 0,13 0,12 0,10 złożenie modułu EUR Wp 0,24 0,21 0,19 0,18 0,17 0,15 EUR Wp 0,94 0,79 0,66 0,59 0,53 0,48 zsumowany koszt modułu
PROJEKCJA - OGNIWA NA BAZIE KRZEMU Elastyczne ogniwa cienkowarstwowe z krzemu krystalicznego (krzem staje się elastyczny poniżej 50 um grubości) Ag ITO PECVD p+ a-si i-a-si c-si (p) sprawność: 15-22 % FF: 77-80% n+ c-si Si3N4 UOC: 550-600 mv elektroda JSC: 33-36 ma/cm2 Cena ~ 0,20 EUR/Wp (zależy od skali produkcji)
PROJEKCJA - OGNIWA NA BAZIE KRZEMU Krzemowe ogniwa monolityczne z nanowarstwą krzemu porowatego. Krzem porowaty uzyskiwany w procesie trawienia elektrochemicznego krzemowego podłoża jako warstwa pasywacyjna - ogranicza rekombinację powierzchniową właściwości okna optycznego - Eg ~ % porowatości (1,1-1,9 ev) jako warstwa aktywna - poprawia współczynnik absorpcji dla krótkich fal jako warstwa aktywna - poprawia czułość spektralną dla krótkich fal jako warstwa antyre eksyjna - wsp. załamania ~ 1/% porowatości gradientowa zmiana wsp. załamania szyba-ps-emiter poprawa sprawności ~1-3% ograniczenie średnich strat odbiciowych < 6% można wykonać na std. strukurach ogniw mono i poli-si dopasowanie sieciowe Si i SiO2 (nieznaczne defekty przejścia) prosty proces technologiczny (wytrawianie elektrochemiczne) upraszcza proces technologiczny (mniej energii i niższa cena)
Dziękuję za uwagę www.emiter.net.pl