Ogniwa fotowoltaiczne

Efekt fotowoltaiczny: Ogniwo słoneczne Symulacja http://www.redarc.com.au/solar/about/solarpanels/

Historia 1839: Odkrycie efektu fotowoltaicznego przez francuza Alexandre-Edmond Becquerel. 1883: Zbudowanie pierwszego ogniwa prze Charlesa Frittsa na bazie selenu i złota, (efektywność 1% ). 1946: Russell Ohl patentuje nowoczesną baterię słoneczną wykonaną na bazie krzemu 1954: Początek ery baterii krzemowych w Bell Laboratories, wykonano eksperyment, który pokazał że domieszkowany krzem jest bardzo podatny na działanie światła Ogniwo słoneczne pełni dwie podstawowe funkcje: 1. Generuje nośniki w materiale pod wpływem światła (elektrony lub dziury) 2. nośniki te poprzez wytworzenie odprowadzenia tworzą prąd elektryczny, przesyłają energię elektryczną

Ważne fakty Ziemia otrzymuje od słońca w ciągu godziny tyle energii ile średnio jest zużywane w czasie roku Gdyby 1% powierzchni Ziemi wykorzystać jako farmy słoneczne wystarczyłby to na potrzeby energetyczne na całym świecie Moc szczytowa dostarczana przez słońce to 1020 Wat/m² na poziomie morza Szacowanie Efektywność 10% daje nam~100w/m 2

Spektrum światła słonecznego

Generacje ogniw słonecznych Pierwsza Generacja - monokrystaliczny krzem(c-si) Druga Generacja - Amorficzny krzem (a-si) - Polikrystaliczny krzem (poly-si) - Tellurek kadmu (CdTe) - Stopy (CIGS) Trzecia Generacja (Poszukiwania materiałów które zmniejszyłby koszty produkcji a zwiększyły wydajność ogniw) - Polimerowe baterii słoneczne - Nanokrystaliczne baterie - Hybrid- nieorganiczne kryształy w matrycy polimerowej - Wielozłączowe baterie słoneczne Multijuntion solar cells - Baterie z pośrednią przerwą energetyczną Intermediate bandgap solar cells

Efektywność baterii słonecznych

Złącze p-n Podstawa działania baterii słonecznej Charakterystyka Prądowo-napięciowa Symulacja

Current vs. open circuit voltage (V OC ) I S P max =I S V OC

Krzemowe baterie słoneczne Krzem 85% baterii jest produkowana na bazie krzemu Zasada działania jest bardzo dobrze znana i rozumiana Krzem jest dobrze rozpoznanym i zbadanym półprzewodnikiem! Dobrze znamy jego strukturę krystalograficzną Znamy właściwości optyczne i elektryczne Potrafimy wyhodować duży kryształ objętościowy Wiemy jak pasywować powierzchnię Pojedynczy element półprzewodnikowy=> stosunkowo łatwy do zrozumienia Ma wiele zastosowań komercyjnych.

Od Si do modułu PV

Efektywność ogniw krzemowych (Ogniw pierwszej generacji ) Source: National Renewable Laboratory

Straty Główne czynniki Termiczne : Foton o energii E jest absorbowany. Energia E-E g jest tracona w postaci ciepła Niezaabsorbowane światło: Światło o energii E<E g przechodzi przez panel Odbicie światła : Fotony odbijają się od powierzchni i nie są wchłonięte przez materiał Rekombinacja: fotony absorbowane są w głąb materiału generując parę elektron-dziura która w rezultacie zamiast przewodzić prąd rekombinuje Rekombinacja powierzchniowa: Przy powierzchni mogą powstać pary elektron-dziura które pod wpływem rekombinacji nie dają nośnika Rezystancja

Druga Generacja ogniw słonecznych Pierwsza Generacja - monokrystaliczny krzem(c-si) Druga Generacja - Amorficzny krzem (a-si) - Polikrystaliczny krzem (poly-si) - Tellurek kadmu (CdTe) - Stopy CIS / CIGS: warstwa półprzewodnika wykonywana z miedzi (Cu), indu (In), galu (Ga) i selenu (Se) Trzecia Generacja (Poszukiwania materiałów które zmniejszyłby koszty produkcji a zwiększyły wydajność ogniw) - Polimerowe baterii słoneczne - Nanokrystaliczne baterie - Hybrid - nieorganiczne kryształy w matrycy polimerowej - Wilozłączowe baterie słoneczne Multijuntion solar cells - Baterie z pośrednią przerwą energetyczną Intermediate bandgap solar cells

Produkcja baterii na bazie amorficznego krzemu Source: ULVAC Solar

Baterie słoneczne CIGS

Baterie słoneczne CIGS cykl produkcyjny Sources: pmc.org.tw, Ascent Solar

Efektywność baterii słonecznych drugiej generacji Source: National Renewable Laboratory

Trzecia generacja ogniw słonecznych Pierwsza Generacja - monokrystaliczny krzem(c-si) Druga Generacja - Amorficzny krzem (a-si) - Polikrystaliczny krzem (poly-si) - Tellurek kadmu (CdTe) -Stopy (CIGS) Trzecia Generacja (Poszukiwania materiałów które zmniejszyłby koszty produkcji a zwiększyły wydajność ogniw) - Polimerowe baterii słoneczne - Nanokrystaliczne baterie - Hybrid - nieorganiczne kryształy w matrycy polimerowej - Wilozłączowe baterie słoneczne Multijuntion solar cells - Baterie z pośrednią przerwą energetyczną Intermediate bandgap solar cells

Wielozłączowe baterie słoneczne Wytworzone metodą MBE lub MOCVD

Efektywność baterii trzeciej generacji Source: National Renewable Laboratory

Firma Solar Junction: =43.5% zbudowana na bazie materiałów rozrzedzanych azotem Solar Junction firma wyworząca się z Uniwesytetu Stanford

Ogniwa wielozłączowe i wielopasmowe junction3 I junction2 junction1 Ogniwo wielozłączowe Pojedyńcza przerwa (dwa pasma) każde złącze N junctions N absorptions Efektywność~30-40% Ogniwa wielopasmowe Pojedyńcze złącze N pasm N (N-1)/2 przerw N (N-1)/2 absorpcja Dodajemy 1 pasmo absorpcja N

Theoretical efficiency of Intermediate band solar cells E g CB E c E i IB cv ci qv 0 iv VB Intermediate Band Solar Cells can be very efficient Max. efficiency for a 3-band cell=63% Max. efficiency for a 4-band cell=72% In theory, better performance than any other ideal structure of similar complexity Luque et. al. PRL, 78, 5014 (1997).

Realization of intermediate band solar cells Bulk semiconductors with intermediate gap III-V-N (dilute nitrides) II-VI-O (dilute oxides) Science 315, 798 (2007).

R. Kudrawiec at al., Phys. Rev. Applied 1, 034007 (2014) GaNPAs alloy as a semiconductor with an intermediate gap Energy (ev) 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 GaN 0.02 P y As 0.98-y E + E - 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 P concentration, y GaPAs: point X point L point N-level GaNPAs: point X point L point Energy (ev) 3 2 1 0-1 -2 <111> GaN 0.02 P 0.40 As 0.58 E + N-level GaPAs-host E - HH LH SO 0.2 0.1 0.0 0.1 0.2 <001> Wavevector k (1/nm) CB IB VB Incorporation of nitrogen atoms into GaPAs with ~40% P seems to be very interesting since the nitrogen level lies just at the conduction band minimum! Such material conditions are very promising for creation a semiconductor material with an intermediate band.

Perspektywy Energia wytworzona ze słońca jest czystą ekologiczną formą energii Nie może jednak istnieć bez innych metod otrzymywania energii (tradycyjny) Kierunki rozwoju fotowoltaiki: miniaturyzacja (baterie w formie plastrów, farby fotowoltaiczne)