Podstawy fotowoltaicznej konwersji

energii słonecznej

• Wstęp
• Efekt fotowoltaiczny w półprzewodnikach
• Podstawowe parametry ogniw
• Wymagania materiałowe
• Główne materiały i typy ogniw

Wzrost wykorzystania odnawialnych

źródeł energii

lata 1990-97

Fotowoltaika - 33%
rocznego wzrostu w
latach 90-tych

Źródło energii

Średni

roczny %

wzrostu

Wiatr

25,7

Energia

słoneczna

16,8

Biomasa

11,0

Energia

geotermiczna

3,0

Gaz ziemny

2,1

Hydroelektrownie

1,6

Ropa naftowa

1,4

Węgiel

1,2

Energia atomowa

0,6

Źródło: Worldwatch Institute, www.pv.pl

udział w bilansie energetycznym:
Szwecja 25%, Austria 24%, Portugalia 16%

Fotowoltaiczna konwersja energii słonecznej

- niewyczerpalne źródło energii
- czysta
- niezawodna
- systemy fotowoltaiczne łatwe w

obsłudze i konserwacji

- modularna (od kalkulatora do

elektrowni słonecznej Sacramento
2,4 MW)

- mała gęstość energii
- wysokie koszty instalacji
- problemy z

magazynowaniem

ale

do 2002 wyprodukowano moduły o łącznej mocy 2000 MWp
(odpowiada jednej elektrowni konwencjonalnej o mocy 500 MW)

• sprzedaż ogniw słonecznych w 2000 ponad 1 mld USD

(Siemens, BP, Kyocera)

• cena 2 - 4 USD/Wp (ok. 0,25 USD za 1 kWh)
• programy miliona słonecznych dachów w Unii Europejskiej i

USA do 2010

• Niemcy 100 000 słonecznych dachów
• Holandia 5.5 MWp w sieci energetycznej

szkoła w Wawrze 1 kWp

750 kWh/ kWp

Nasłonecznienie

Widmo słoneczne

AM0 (1.35 kW/m

2

)

AM1.5 (0.83 kW/m

2

)

AMm

r

(Air mass)

m

r

=1/cos

ϕ

ϕ

atmosfera

pow. Ziemi

AM0

ϕ ≈ 48°

Fotowoltaika -

krótka historia

•1834 - Becquerel

elektrolit

•1877 - Adams i Day

selen

•1883 - Fritts pierwsze ogniwo

Au/Se

•1954 - Chapin, Fuller, Pearson

Si pn 6%, Cu

2

S/CdS 6%

•1958 - Satelita Vanguard 1
•1970 - Alferov, Andreev - złącze

AlGaAs/GaAs

•1973 - rok przełomu w fotowoltaice,

Si 13.5 % (violet cell)

Efekt fotowoltaiczny

fotogeneracja par nośników

potrzebne pole elektryczne rozdzielające pary

nośników przeciwnego znaku

złącza półprzewodnikowe:

• homozłącze p-n
• złącze p-i-n
• heterozłącze
• złącze metal-półprzewodnik (Schottky)

inny mechanizm w ogniwach

organicznych

Ogniwo półprzewodnikowe

światło

+

półprzewodnik

elektroda

elektroda metalowa

warstwa

antyodbiciowa

R

Efekt fotowoltaiczny w złączu

p-n

e

-

h

ν>E

g

typ p

typ n

+e

E

g

2

3

1

1. absorpcja
2. dyfuzja
3. dryf

E

[

]

1

)

AkT

/

qV

exp(

I

I

0

−

=

A - czynnik doskonałości diody

zależny od mechanizmu
transportu

A=1 (iniekcja + dyfuzja)
A

≈2 (rekombinacja w obszarze

zubożonym)

[

]

L

0

I

1

)

AkT

/

qV

exp(

I

I

−

−

=

jasna

ciemna

η

Q

- wydajność kwantowa (

≤ 1)

( )

∫

∞

Φ

η

=

g

E

Q

L

dE

E

)

E

(

q

I

ogniwo idealne

• I

L

nie zależy od V

• jasna charakterystyka I(V) jest

przesuniętą charakterystyką
ciemną (zasada superpozycji)

I

sc

= I

L

I

sc

- prąd zwarcia ogniwa (short circuit)

V

oc

- napięcie w obwodzie otwartym (open

c

ircuit)

V

I

sc

V

oc

I

0

[

]

0

L

0

I)

V

,

(

H

1

)

AkT

/

qV

exp(

I

I

λ

−

−

=

I

L

H(

λ,V) - funkcja zbierania (<1)

V)h(V)

,

g(

)

H(

λ

=

λ

Absorpcja i

rekombinacja w

objętości

Rekombinacja w

obszarze zubożonym

I

sc

V

oc

I

nat

ęż

enie (

A

)

0

napięcie (V)

V

m

, I

m

- punkt

pracy ogniwa

czynnik wypełnienia (fill factor)

oc

sc

m

m

V

I

V

I

FF

=

wydajność

in

oc

sc

in

m

m

P

FF

V

I

P

V

I

=

=

η

I

sc

= 20 - 50 mA/cm

2

V

oc

= 0.5 - 0.8 V

FF = 0.6 - 0.8
η= 10 - 20 %

Obwód zastępczy ogniwa rzeczywistego

(

)

[

]

{

}

L

p

s

s

0

I

R

/

)

IR

V

(

1

AkT

/

IR

V

q

exp

I

I

−

−

+

−

−

=

Wpływ oporu szeregowego i równoległego

)

R

R

1

(

P

P

char

s

0

max

max

−

=

)

R

R

1

(

P

P

p

char

0

max

max

−

=

utrata mocy

R

s

≤0.5 Ωcm

2

R

p

> 500

Ωcm

2

Ogniwa heterozłączowe

okno (E

g2)

absorber (E

g1

)

okno

E

g2

absorber

E

g1

transport nośników
kontrolowany przez stany na
międzypowierzchni (interface)

W porównaniu z homozłączami:

- nośniki generowane w obszarze zubożonym
- brak rekombinacji powierzchniowej na

powierzchni elektroda-półprzewodnik

- elastyczność w doborze materiałów
- technologie cienkowarstwowe

elektroda

przezroczysta

Konfiguracje ogniw heterozłączowych

Widmo słoneczne

E

g

=2.5 eV

E

g

=1.5 eV

gęstość spektralna
strumienia fotonów

Φ(E)

(Fahrenbruch)

∫

∞

Φ

=

E

dE

)

E

(

e

)

E

(

F

maksymalny I

sc

(dla

η

Q

=1)

Fahrenbruch, „Fundamentals...”

maksymalna teoretyczna wydajność

mniejsze E

g

- większy I

sc

ale mniejsze V

oc

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

1

I

I

ln

q

AkT

V

o

sc

oc

I

o

rośnie dla

malejącej E

g

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

5

10

15

20

25

30

CdTe

GaAs

Si

η(

%

)

E

g

(eV)

maksimum wydajności

dla E

g

= 1,4 -1,5 eV

STRATY W OGNIWIE

E

g

=1.1 eV

h

ν < E

g

18.8 %

h

ν > E

g

29.2 %

η

Q

= 0.9 4.5 %

E

g

> qV

oc

19.2 %

FF<1 (0.75) 4.8%

η = 16.5%

elektroda (4 %)

odbicie + straty

absorpcyjne (3 %)

wydajność kwantowa < 1

P

in

= 100 %

Rodzaj przerwy energetycznej

wielkość współczynnika absorpcji

α

E(k)

c

h

ν

E

g

v

k

h

ν

E(k)

E

g

c

v

k

przejścia proste
α

max

= 10

5

-10

6

cm

-1

przejścia skośne
α

max

= 10

3

- 10

4

cm

-1

d

≥ 100 µm

np. Si

d = 2 - 3

µm

np. CdTe

długość drogi dyfuzji nośników mniejszościowych

2

1

)

(

L

µτ

∝

µ

e

>

µ

h

absorber powinien być typu p (nośniki

mniejszościowe - elektrony)

Wymagania materiałowe

absorber

• prosta przerwa energetyczna E

g

≈ 1.4 eV

• przewodnictwo elektryczne typu p
• duża wysokość bariery dyfuzyjnej
• duża długość drogi dyfuzji elektronów

okno

• duża przerwa energetyczna
• niska oporność elektryczna

• niskooporowe kontakty omowe
• dobre dopasowanie sieciowe
• odpowiednie powinowactwa elektronowe
• stabilne złącza
• dostępność i niski koszt materiałów i technologii
• mała toksyczność materiałów

niewiele półprzewodników pozwala na uzyskanie

wydajności ogniw powyżej 10%

Główne materiały fotowoltaiczne

• Si krystaliczny (mono- i

polikryształy)

90%

• Si amorficzny

9%

• GaAs i inne III-V
• CuInSe

2

i pochodne

1%

• CdTe

Materiał

E

g

(eV)

η

(%)

c-Si

1,15

24,4

a-Si:H

1,4-2,0

13,2

GaAs

1,4

27

Cu(In,Ga)Se

2

1,11

19,2

CdTe

1,50

15,8

pojedyńcze
ogniwa

inne materiały

• Mg/p-Zn

3

P

2

ok. 6%

• Al/p-WSe

2

• TiO

2

• polimery i materiały organiczne

Wydajność ogniw

:

Krzem krystaliczny

PEARL cell (Passivated Emiter, Rear
Locally-Difused)

η

= 24,4 %

mikroelektronika

200

µm

standard

η

= 15 - 20 %

c-Si

krzem polikrystaliczny:

multicrystalline (ziarno cm)
microcrystalline (ziarno

µm)

proces odlewania

η

= 18,6%

technologie typu ribbon growth

η

= 17%

Edge-defined Film-fed Growth (EFG)
ASE Americas
polikryształ ziarno ok. 1 cm

Φ 50 cm

100

µm

a-Si:H

duża liczba defektów
typu wiszące wiązania
pasywowana wodorem

10

6

a-Si

c-Si

10

5

0,8

0,6 0,4

λ(µm)

10

4

α(cm

-1

)

10

3

struktura typu p-i-n

fotogeneracja metastabilnych
defektów – spadek wydajności
(efekt Staeblera-Wronskiego)

ogniwa wielozłączowe

stopy a- Si:Ge:H, a- Si:C:H

Półprzewodniki III - V

struktura wielozłączowa

(tandem cell)

η= 32,3 %

dla struktury GaInP/GaAs/Ge

dla światła skoncentrowanego o natężeniu 566 S

Ge

GaAs

GaInP

µ

Solar Flux

(10

21

photons/sec/m

2

/

µm)

Ga content in

In

1-x

Ga

x

N alloy

Literature

LBNL, 2002

In

1-x

Ga

x

N (E

g

= 0.7 – 3.4 eV)

Energy

(eV)

Energy

(eV)

W. Walukiewicz, Lawrence Berkeley Lab

Struktura wielozłączowa na

In

1-x

Ga

x

N

może mieć wydajność do 50%

Ogniwa polikrystaliczne cienkowarstwowe

W porównaniu z ogniwami monokrystalicznymi:

1. łatwa kontrola grubości
2. zużycie materiału tworzącego warstwę

absorbera ok. 200 razy mniejsze

3. możliwość zmiany własności w funkcji

grubości (np. skład chemiczny) i łatwość
tworzenia złożonych heterostruktur.

granice ziaren

- miejsca rekombinacji
- bariery dla transportu ładunku
- dyfuzja i segregacja domieszek

Ogniwa

n-CdS / p-CdTe

elektroda

CdTe 2

µm

CdS 0,2

µm

szkło

TCO

podstawowa konfiguracja
frontwall (superstrate)

• przerwa prosta E

g

= 1.5 eV

wysokie wartości współczynnika
absorpcji,

α = 10

5

cm

-1

• materiał można otrzymywać

zarówno z przewodnictwem typu n
jak i p (niewielki deficyt Cd - typ
p);

• możliwość tworzenia roztworów

stałych np. Cd

1-x

Zn

x

Te;

• istnieje dużo metod otrzymywania

w postaci cienkich warstw

problem:
kontakt omowy do

p-CdTe

Ogniwa ZnO/CdS/Cu(In,Ga)Se

2

• najwyższa wydajność wśród ogniw cienkowarstwowych

η = 19% (moduły 12%)

• bardzo dobra stabilność
• odporność na promieniowanie jonizujące

CuInSe

2

(CIS)

E

g

= 1,04 eV

Cu(In,Ga)Se

2

(CIGS)

E

g

= 1,15 - 1,20 eV

szkło sodowe

Mo

CuIn

1-x

Ga

x

Se

2

(2-3

µm)

CdS (50 nm)

ZnO (0.2

µm)

V

oc

= 0.65 V I

sc

= 35.8 mA/cm

2

FF=0.76

η=17.6 %

ZnO

- sputtering

CdS

- osadzanie chemiczne CBD (chemical bath deposition)

Cu(In,Ga)Se

2

- naparowanie z trzech źródeł (co-evaporation)
- selenizacja warstw metalicznych w parach Se lub H

2

Se

Mo

- RF sputtering

ZnO

CdS

Cu(In,Ga)Se

2

Mo

szkło sodowe

Technologia

CuInSe

2

fenomen wśród półprzewodników

zwykle:

CuInSe

2

trudno znaleźć materiał dający kontakt omowy
do półprzewodnika typu p

molibden

półprzewodniki polikrystaliczne mają gorsze
własności elektronowe aniżeli monokryształy

pasywacja granic

ziaren

półprzewodniki są bardzo czułe na zawartość
domieszek (O, Na -niepożądane)

samokompensacja;

O i Na - konieczne

CuInSe

2

•dopuszczalne duże odstępstwa od stechiometrii
•własności elektryczne kontrolowane przez defekty samoistne
•ruchliwe jony Cu

+

Inne typy ogniw

czyli nie tylko złącze p-n

- ogniwa organiczne

- ogniwa uczulone barwnikiem (

dye-sensitized cells)

Ogniwa typu dye-sensitized

nanokrystaliczny TiO

2

Barwnik – ruthenium bipyridil, ale

też naturalnie występujące soki!

1. absorpcja fotonu przez molekułę barwnika

2. iniekcja elektronu do TiO

2

i jego transport do

przezroczystej elektrody

3. redukcja molekuły barwnika przez elektrolit (I/I

3

redox

elektrolit)

.

Fraunhofer ISE

ok. 10% wydajności

PV - nie tylko energia słoneczna

laser beaming

η>50%

„Photovoltaics - the Eternal Spring”

Henry Brandhorst 1984

2 mld ludzi nie używa prądu elektrycznego

2000

-2000

0

zu

ży

cie paliw

kopalny

ch

Czas (lata)

krzywa Hubberta