EFEKT FOTOWOLTAICZNY

Półprzewodnik - substancje zachowujące się w pewnych warunkach jak dielektryk, a w innych jak przewodnik; krzem, german, arsenek galu ; Nośnikami ładunków w półprzewodnikach są elektrony i dziury (puste miejsca po elektronach)

Własności półprzewodników:

• rezystywność w temperaturze pokojowej zawarta w obszarze pośrednim między metalami i izolatorami.

• Czysty półprzewodnik w stanie podstawowym (zapełnione pasmo walencyjne i puste pasmo przewodnictwa) zachowuje się jak izolator, natomiast w stanie wzbudzonym (np. po absorpcji światła widzialnego) jak metal.

• półprzewodnik w stanie „czystym" (niedomieszkowany, samoistny) wykazuje w pewnym obszarze zmian temperatury wykładniczą zależność przewodnictwa od temperatury

• w wyniku domieszkowania właściwości półprzewodników zmieniają się(maleje rezystancja)

• przewodnictwo półprzewodnika zmienia się (na ogół rośnie) w wyniku oświetlenia, naświetlenia cząstkami jądrowymi czy wysokoenergetycznymi elektronami, „wstrzyknięcia" nośników poprzez odpowiedni kontakt elektryczny. 

• mają małą szerokość pasma wzbronionego.

Złącze p-n - styk obszarów o różnym typie przewodnictwa wytworzony w obrębie tego samego materiału półprzewodnikowego

Powstawanie złącz p-n: powstaje z połączenia warstwy półprzewodnika typu p z warstwą półprzewodnika typu n. Jeżeli do takiego złącza nie jest przyłożone zewnętrzne napięcie, to elektrony dyfundują do obszaru p i ulegają rekombinacji z dziurami (obydwa typy ładunków zobojętniają się). W podobny sposób dziury dyfundują do obszaru n i ulegają rekombinacji z elektronami. W obszarze p, przy granicy obu warstw powstaje nadmiar nośników ujemnych, zaś  w obszarze n – dodatnich. W obszarze złącza powstaje więc pole elektryczne przeciwdziałające dalszej dyfuzji, które powoduje powstanie warstwy zaporowej.

Domieszkowanie- zastąpienie atomu w sieci krystalicznej obcym atomem; zaburzenie sieci w obrębie jednego atomu

Półprzewodnik zawierający domieszki podstawieniowe nazywamy półprzewodnikiem domieszkowym. W większości przypadków idealny kryształ półprzewodnikowy (bez defektów) nie nadaje się do żadnych zastosowań w elektronice klasycznej. Domieszki podstawieniowe możemy podzielić na trzy grupy:

• donorowe (D): atom o większej liczbie elektronów walencyjnych, zastępuje atom sieci macierzystej;

• akceptorowe (A): atom o mniejszej liczbie elektronów walencyjnych zastępuje atom sieci macierzystej;

• domieszka izowalencyjna (I): atom innego pierwiastka o tej samej walencyjności zastępuje atom sieci macierzystej;

Domieszki donorowe i akceptorowe mają szczególnie istotny wpływ na własności elektryczne materiałów półprzewodnikowych. Pozwalają one na otrzymanie dodatnich i ujemnych nośników ładunku o zadanej koncentracji.

Domieszkowanie można wykonać poprzez:

• Epitaksję - wzrostu nowych warstw monokryształu na istniejącym podłożu krystalicznym, która powiela układ istniejącej sieci krystalicznej podłoża.

• Dyfuzję - przemieszczaniu się domieszki wskutek ruchów cieplnych.

• Implantację – jony są wbijane w strukturę półprzewodnika

Krzem domieszkowany fosforem nazywa się typu n (typ negatywny), ponieważ domieszkowanie zwiększa liczbę negatywnych wolnych ładunków (elektronów).

  Krzem domieszkowany borem jest znany jako krzem typu p (typ pozytywnego).

Ogniwa krzemowe:

• monokrystaliczne - wykonane z jednego monolitycznego kryształu krzemu. Charakteryzuje się wysoką sprawnością zazwyczaj 18-22% oraz wysoką ceną. Posiadają charakterystyczny ciemny kolor.

• polikrystaliczne - wykonane z wykrystalizowanego krzemu. Charakteryzują się sprawnością w przedziale 14-18% oraz umiarkowaną ceną. Zazwyczaj posiadają charakterystyczny niebieski kolor i wyraźnie zarysowane kryształy krzemu.

•  amorficzne - wykonane z amorficznego, bezpostaciowego niewykrystalizowanego krzemu. Charakteryzują się niską sprawnością w przedziale 6-10% oraz niską ceną. Zazwyczaj posiadają charakterystyczny lekko bordowy kolor i brak widocznych kryształów krzemu.

Ogniwo fotowoltaiczne - jest to element półprzewodnikowy, który służy do zamiany energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną w trakcie procesu zwanego konwersją fotowoltaiczną.

Ogniwo składa się z płytki półprzewodnikowej wykonanej z krzemu, wewnątrz której uformowana została bariera potencjału w postaci złącza P-N. Padające na złącze promieniowanie słoneczne powoduje powstawanie par nośników o przeciwnych ładunkach elektrycznych(elektron-dziura), które na skutek obecności złącza PN zostają rozdzielone. Elektrony trafiają do złącza N, a dziury do złącza P, przez co w ogniwie powstaje napięcie elektryczne. Wystarczy do ogniwa podłączyć urządzenie pobierające energię i następuje przepływ prądu elektrycznego.

TERMOGENERATOR

Generatory termoelektryczne wytwarza się głównie w oparciu o półprzewodniki. Związane jest to z silną zależnością koncentracji elektronów i dziur w półprzewodnikach, oraz ich ruchliwości i średniej energii kinetycznej od temperatury (w metalach zależność ta jest znikoma). Powoduje to powstawanie w generatorach półprzewodnikowych sił termoelektrycznych do 2 rzędów wyższych, niż w metalach.

Efekt Thomsona- polega na wydzielaniu się lub pochłanianiu ciepła podczas przepływu prądu elektrycznego (tzw. ciepła Thomsona) w jednorodnym przewodniku, w którym istnieje gradient temperatury. Ilość wydzielonego lub pochłoniętego ciepła (w zależności od kierunku prądu) zależy od rodzaju przewodnika i jest proporcjonalna do gradientu temperatury, natężenia prądu płynącego w przewodniku i czasu jego przepływu

Zjawisko Seebecka – zjawisko termoelektryczne polegające na powstawaniu siły elektromotorycznej i w konsekwecji tego przepływie prądu elektrycznego w miejscu styku dwóch metali lub półprzewodników o różnych temperaturach, w zamkniętym obwodzie termoelektrycznym. (wykorzystane w termoparze)

Termogenerator może być użyty do demonstrowania dwu ważnych uzupełniających się efektów fizycznych; efektu Seebecka i efektu Peltiera. W wyniku efektu Seebecka, termogenerator wytwarza napięcie gdy utrzymywana jest różnica temperatur. Przeciwnie, jeżeli zostanie doprowadzone zewnętrzne napięcie do urządzenia to będzie ono funkcjonować jako pompa ciepła.

Jak zostało zaznaczone wyżej, termogenerator działa na zasadzie zjawiska Seebecka, czyli powstania siły termoelektrycznej na skutek przyłożonej różnicy temperatur. Jedną z najważniejszych cech jest to, że jedna strona termopary jest elementem chłodzącym/grzewczym, co pozwala odzyskiwać prąd z jedynego źródła ciepła/chłodu. Ważne jest także to, że przedstawiony termogenerator może pracować w temperaturach z zakresu od -100 do +800 °C w różnych warunkach i nawet pod wodą lub w innym płynie. Kolejną z ciekawych własności danego wynalazku jest możliwość występowania odwrotnego efektu czyli występowania różnicy temperatur na końcach termopar na skutek przyłożonego prądu. Zjawisko to ma nazwę zjawisko Petiera i jest odwrotnym do zjawiska Seebecka. Przedstawione powyżej cechy mogą być bardzo przydatne dla wielu potencjalnych zastosowań.

OGNIWO PALIWOWE

Ogniwo paliwowe - urządzenie elektrochemiczne zamieniające energię chemiczną paliw (wodór, metan, butan, metanol a nawet benzyna) na energię elektryczną. Ogniwa paliwowe są ogniwami elektrochemicznymi, tj. składają się z dwóch elektrod zanurzonych w elektrolicie. Ogniwo paliwowe teoretycznie nie ulega rozładowaniu.
W rzeczywistości degradacja lub niesprawność komponentów ograniczają żywotność ogniwa paliwowego.

Podstawowe typy ogniw paliwowych i zakresy ich sprawności oraz mocy osiąganej:

.

• wodorowo tlenowe (ang. PEM - Proton Exchange Membrane Fuel Cell) - elektrolit jest specjalną membraną przepuszczającą tylko jony dodatnie wodoru (protony) - membrana z materiału polimerowego np. nafion. η_max ≅ 65%, wydzielają małą ilość ciepła
  Temperatury pracy: 60-100°C (Dzięki niskiej temperaturze: dobra nadążność ogniwa w systemach poddawanych zmiennym obciążeniom oraz krótki czas rozruchu)

• stało-tlenkowe (ang. SOFC–solid oxide fuel cell) - jonem transportującym ładunek elektryczny jest jon tlenu O^2- , na anodzie tworzy się woda

Temperatury pracy: 600-1000°C, η_max ≅ 65%

zakres mocy: 2kW–25MW; gęstość mocy: 0,15–0,7 W/cm²

• zasadowe (ang. AFC–alkaline fuel cell) - jonem transportującym ładunek elektryczny jest jon hydroksylowy OH^- , na anodzie tworzy się woda

Temperatury pracy: 40-250°C, η_max ≅ 64%

zakres mocy: 300W–5kW; gęstość mocy: 0,1–0,3 W/cm²

• ze stopionym węglanem (ang. MCFC–molten carbonate fuel cell) - jonem transportującym ładunek elektryczny jest jon CO₃^2- , na anodzie tworzy się woda

Temperatury pracy 620-660°C, η_max ≅ 50%

zakres mocy: 10kW–2MW; gęstość mocy: 0,1–0,12 W/cm²

• z kwasem fosforowym (ang. PAFC–phosphoric acid fuel cell) - jonami transportującymi są protony H⁺ , woda tworzy się na katodzie, reakcje są

takie same jak w ogniwie typu PEM

Temperatury pracy 150-220°C , η_max ≅ 42%
zakres mocy: 50kW–200kW (głównie), jest instalacja 11MW; gęstość mocy: 0,14 W/cm²

• Bezpośrednie ogniwo metanolowe (ang. DMFC–direct methanol fuel cell) - jonami transportującymi są protony H⁺ , woda tworzy się na katodzie

Temperatury pracy 40-100°C, η_max ≅ 40%
zakres mocy: 1mW–100W; gęstość mocy: 0,18– 0,25 W/cm²

Zasada działania ogniwa paliwowego (wodorowo-tlenowego):

Ogniwa paliwowe PEM zasilane są czystym wodorem lub reformatem.

Ogniwo paliwowe zbudowane jest z dwóch elektrod: anody i katody. Elektrody odseparowane są poprzez elektrolit występujący w formie płynnej lub jako ciało stałe. Elektrolit umożliwia przepływ kationów, natomiast uniemożliwia przepływ elektronów.

Reakcja chemiczna zachodząca w ogniwie polega na rozbiciu wodoru na proton
i elektron na anodzie, a następnie na połączeniu substratów reakcji na katodzie. Procesom elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronu od anody do katody z pominięciem nieprzepuszczalnej membrany. W wyniku elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu powstaje prąd elektryczny, woda
i ciepło.

Paliwo - wodór w stanie czystym lub w mieszaninie z innymi gazami - jest doprowadzany w sposób ciągły do anody,
a utleniacz - tlen w stanie czystym lub mieszaninie (powietrze) - podawany jest w sposób ciągły do katody. Ogniwo paliwowe teoretycznie nie ulega ono rozładowaniu. W rzeczywistości degradacja lub niesprawność komponentów ograniczają żywotność ogniwa paliwowego.

Ogólne reakcje chemiczne zachodzące w ogniwie paliwowym (PEM):

1. Gazowy wodór wprowadzany jest w obszar porowatej anody, gdzie ulega utlenieniu (oddaje elektrony, e⁻),
w wyniku czego powstają kationy wodorowe (protony), H⁺:

2. Na katodzie tlen reaguje z elektronami, redukując się do O²⁻:



3. Następnie jony wodorowe H+ są zobojętnianie zjonizowanym tlenem:
Końcowy produktu to H₂O czyli woda w postaci ciekłej lub para.


Elektrony z anody docierają do katody poprzez obwód elektryczny, wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie urządzeń.

Stała Faradaya - stała fizyczna, która oznacza ładunek elektryczny przypadający na jeden mol elektronów .

F = N_{A ∙} e wielkość stałej Faradaya wyrażona w kulombach na mol wynosi: F = 9,64853365(21)∙ 10⁴ C/mol

N_A - stała Avogadra
e - ładunek elektronu

Zalety ogniw paliwowych:

• duża niezawodność , wysoka jakość dostarczanej energii

• wysoka sprawność do 50%, w kogeneracji nawet do 85%

• mniejsze i lżejsze od innych źródeł energii o porównywalnej mocy

• różnego rodzaju paliwa stosowane

• produkują 25 razy mniej zanieczyszczeń w porównaniu z generatorami spalinowymi