Laboratorium z Alternatywnych Źródeł Energii dla studentów IV roku EiT 1. Analiza roli parametrów bazy i emitera dla sprawności ogniw fotowoltaicznych symulacja PC1D Laboratorium 309, C-3, III piętro (ćwiczenie realizowane na dwóch zajęciach 4h) Opracowała: dr inż. Barbara Swatowska
Alternatywne Źródła Energii laboratorium Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z możliwościami programu symulacyjnego PC1D (producent: University of New South Wales) oraz jego obsługą. Znając startowe parametry materiału bazowego ogniw słonecznych można tak manipulować parametrami bazy i emitera, aby uzyskać jak najwyższą sprawność ogniw słonecznych i zarazem optymalizować rozwiązania konstrukcyjne tego typu urządzeń. W laboratorium realizacja ćwiczenia odbywa się w trzech etapach: I. Przyjmując jako stałe, parametry określające warunki pracy ogniw (oświetlenie, temperatura) wyznaczamy charakterystykę I-V dla przykładowej struktury ogniwa IIA. Analizujemy wpływ parametrów bazy na parametry pracy ogniwa IIB. Analizujemy wpływ parametrów emitera na parametry pracy ogniwa, ze szczególnym zwróceniem uwagi na optymalizację jego konstrukcji, na określonym podłożu. Zaliczenie ćwiczenia na podstawie obecności na ćwiczeniach oraz pisemnego sprawozdania z laboratorium. Sprawozdanie należy dostarczyć do pokoju 301, C-1, III piętro w ciągu 7 dni od wykonania ćwiczenia, finalnie w terminie nie przekraczającym 3 tygodni od wykonania ćwiczenia. Opóźnienie w dostarczeniu sprawozdania będzie miało odzwierciedlenie w obniżeniu oceny. Literatura: 1. Strona internetowa: http://pvcdrom.pveducation.org/charact/pc1d.htm 2. Strona internetowa: http://www.pv.unsw.edu.au/links/products/pc1d.asp 3. Strona internetowa: Fotowoltaika Polska, www.pv.pl 4. A.D. Clugston, P.A. Basowe, PC1D version 5: 32-bit solar cell modeling on personal computers, 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Anaheim 1997, str. 207-210 5. Z.M. Jarzębski, Energia Słoneczna. Konwersja Fotowoltaiczna, PWN, Warszawa 1990 6. E. Klugmann, E. Klugmann-Radziemska, Alternatywne źródła energii, energetyka fotowoltaiczna, wyd. Białystok: Wydaw. Ekonomia i Środowisko, 1999 7. J. Hofstetter, C. del Cañizo, S. Ponce-Alcántara, A. Luque, Application of Optimized SiN x :H Double Layer Anti-Reflection Coatings on Multicrystalline Silicon Solar Cells, 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milan 2007 8. A. Rohatgi et. al., High efficiency screen-printed solar cells on textured mono-crystalline silicon, 15th International Photovolaic Science and Engineering Conference, Shanghai 2005 9. V. Meemongkolkiat et. al., Resistivity and LifetimeVariation along Commercially Grown Ga- and B Doped Czochralski Si Ingots and Its effect on Light- Induced Degradation and Performance of Solar Cells, Prog. Photovolt: Res. Appl., vol. 14, 2006, str. 125 134 10. S. Smoliński, Fotowoltaiczne źródła energii i ich zastosowania, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 1998 11. J. Tauc, Zjawiska fotoelektryczne i termoelektryczne w półprzewodnikach, PWN, Warszawa 1966 12. Strona internetowa: http://www.eetimes.com/news/semi/showarticle.jhtml?articleid=175801721
Część I Wyznaczanie przykładowych parametrów ogniwa 1. Otworzyć plik PVCELL.prm. 2. Zapisać go pod swoją nazwą. 3. Zapoznać się z zawartością sekcji DEVICE oraz REGION 1 definiowana jest tutaj konstrukcja ogniwa oraz parametry materiałowe poszczególnych warstw. Na początku większość załadowanych wartości przyjmujemy jako domyślne. 4. Uruchomić program dla wartości domyślnych (klawisz F5 lub menu Compute/Run lub ikona z biegnącym ludzikiem) 5. Przejść do sekcji RESULTS i zanotować wyliczone parametry: napięcie obwodu otwartego U oc, prąd zwarcia I sc oraz maksymalną moc P max. 6. Na podstawie znajomości powierzchni ogniwa, wartości mocy promieniowania oraz obliczonej mocy maksymalnej P max (sekcja RESULTS) wyliczyć sprawność ogniwa η. 7. Przejść na wykres prąd napięcie I V oraz moc-napięcie P-V. Zaobserwować wartości U oc, I sc oraz P max, porównać z wartościami z sekcji RESULTS. Zapisać dane, umożliwiające odtworzenie charakterystyki I-V w sprawozdaniu. Znaleźć wartości I m oraz U m odpowiadające punktowi mocy maksymalnej. 8. Wyliczyć z definicji współczynnik wypełnienia (Fill Factor FF). W podobny sposób dokonujemy obliczeń wybranych parametrów w dalszej części ćwiczenia. W celu skopiowania wartości z wykresu do schowka przechodzimy na wykres i wybieramy Graph > Copy Graph Data (albo CTRL C). Dane te można wkleić do arkusza kalkulacyjnego pojawi się tabela z wartościami, na podstawie których można wykreślić odpowiednie charakterystyki. Część IIA Badanie wpływu parametrów bazy na parametry pracy ogniwa. 1. Dla ustalonych wartości oświetlenia i temperatury, a także z uwzględnieniem warstwy antyrefleksyjnej (Exterior Front Reflectance, R=6%; n=1,9; d= 80 nm), modyfikacji poddajemy kolejno: a. R s : rezystancję szeregową (Series resistance) z zakresu od 8 Ωcm 2 do 0,5 Ωcm 2, b. R b : rezystancję bocznikującą (Shunt resistance) z zakresu od 300 Ωcm 2 do 80 kωcm 2, Każdy z wymienionych parametrów należy zmienić co najmniej 4-krotnie. Wartości te wprowadzamy w sekcji DEVICE oraz REGION1. Tabela 1. Wpływ rezystancji szeregowej Wyniki zebrać w następujących tabelach: R s [Ωcm 2 ] U OC [mv] J SC [ma/cm 2 ] FF η [%] Tabela 2. Wpływ rezystancji bocznikującej R b [Ωcm 2 ] U OC [mv] J SC [ma/cm 2 ] FF η [%]
Część IIB Badanie wpływu parametrów emitera na parametry pracy ogniwa, ze szczególnym zwróceniem uwagi na optymalizację jego konstrukcji, na określonym podłożu. 1. Dla ustalonych wartości oświetlenia i temperatury, a także z uwzględnieniem warstwy antyrefleksyjnej (Exterior Front Reflectance, R=6%; n=1,9; d= 80 nm), a także z uwzględnieniem optymalnie dobranych parametrów z części IIA, modyfikacji poddajemy kolejno: a. τ bulk : czas życia nośników mniejszościowych (minority carrier lifetime) z zakresu od 5 do 250 µs, b. prędkość rekombinacji w obszarze płaszczyzny dolnej (BSRV- Back Surface Recombination Velocity) z zakresu od BSRV=150000 [cm/s] do BSRV=50 [cm/s], współczynniku odbicia spodniej elektrody (BSR) na poziomie 90%, c. prędkość rekombinacji powierzchniowej (FSRV) z zakresu od 1000000 na 1000 [cm/s], d. domieszkowanie obszaru typu n (emitera) zmiana koncentracji domieszek z zakresu od 2,89*10 20 1/cm 3 do 1,11*10 20 1/cm 3. Każdy z wymienionych parametrów należy zmienić co najmniej 4-krotnie. Wartości te wprowadzamy w sekcji DEVICE oraz REGION1. Tabela 3. Wpływ czas życia nośników mniejszościowych τ bulk τ b u l k [µs] U OC [mv] J SC [ma/cm 2 ] FF η [%] Tabela 4. Wpływ prędkości rekombinacji w obszarze elektrody (płaszczyzny) dolnej BSRV [cm/s] U OC [mv] J SC [ma/cm 2 ] FF η [%] Tabela 5. Wpływ prędkości rekombinacji powierzchniowej FSRV [cm/s] U OC [mv] J SC [ma/cm 2 ] FF η [%] Tabela 6. Wpływ domieszkowania obszaru typu n (emitera) N D [1/cm 3 ] U OC [mv] J SC [ma/cm 2 ] FF η [%]
Po dokonaniu zadań z części I, IIA oraz IIB, należy dokonać interpretacji uzyskanych wyników i je skomentować: co to jest rezystancja szeregowa i jak wpływa na sprawność ogniw, co to jest rezystancja bocznikująca i na jaki parametr ogniwa wpływa w istotny sposób, o czym mówi czas życia nośników mniejszościowych τ bulk i na co wpływa (dlaczego mniejszościowych, a nie większościowych), o czym informuje prędkość rekombinacji w obszarze płaszczyzny dolnej (BSRV Back Surface Recombination Velocity) oraz czy ma bezpośredni wpływ na sprawność ogniw, co wpływa na zmiany prędkości rekombinacji powierzchniowej (FSRV) i jak przekłada się to na sprawność ogniw, czym skutkuje zmiana domieszkowania obszaru typu n (emitera) oraz czy wpływa to na finalną sprawność ogniw? Który z wymienionych powyżej parametrów ma największy wpływ na sprawność ogniw słonecznych? Odpowiedź poprzeć wartościami liczbowymi.