ΔΟΜΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ a-si/μc-si ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΑΛΛΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ» ΕΙΔΙΚΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΔΟΜΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ a-si/μc-si ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΑΛΛΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΚΟΥΤΣΟΥΡΑΚΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ (Α.Μ. 376) ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΓΙΑΝΝΟΥΛΗΣ 1

2 2

3 Περίληψη Η τεχνολογία φωτοβολταϊκών λεπτών φιλμ πυριτίου συνδυάζει χαμηλό κόστος παραγωγής, μικρό χρόνο ενεργειακής απόσβεσης και χαμηλές απαιτήσεις σε πρώτες ύλες. Ωστόσο, μειονεκτήματα όπως η χαμηλή απόδοση και η φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση του άμορφου πυριτίου καθιστουν την τεχνολογία αυτή λιγότερο ανταγωνιστική σε σχέση με τα φωτοβολταϊκά κρυσταλλικού πυριτίου. Για να αυξηθεί η απόδοση χρησιμοποιούνται περισσσότερα ενεργά στρώματα οδηγώντας σε φωτοβολταϊκά πολυεπαφών. Συνδυάζοντας άμορφο και μικροκρυσταλλικό πυρίτιο, με ενεργειακό χάσμα περίπου 1.7eV και 1.1eV αντίστοιχα προκύπτει η διάταξη a-si/μc-si. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται εκτενώς το φωτοβολταϊκό a-si/μc-si, το οποίο αναφέρεται και ως micromorph. Μελετώνται τα χαρακτηριστικά των ενεργών υλικών από τα οποία αποτελείται και οι ιδιότητες εκείνες που απαιτούνται για υψηλής ποιότητας επιστρώσεις. Παρουσιάζονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της τεχνολογίας φωτοφολταϊκών λεπτών φιλμ πυριτίου και οι διαφορές της με τις υπόλοιπες τεχνολογίες. Μελετάται επίσης η δομή της διάταξης a-si/μc-si και η έρευνα που αφορά τις τεχνικές βελτιστοποίησής της και την αύξηση της απόδοσης. Στη συνέχεια γίνεται πειραματική μελέτη για τις επιδόσεις ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου a-si/μc-si σε συνθήκες εξωτερικού χώρου, σε σύγκριση με φωτοβολταϊκά πλαίσια άλλων τεχνολογιών πυριτίου, ενός μονοκρυσταλλικού και ενός άμορφου. Το πλαίσιο a-si/μc-si της εταιρείας Heliosphera που μελετήθηκε έχει υποστεί την αναμενόμενη φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση και η απόδοσή του σε πρότυπες συνθήκες βρέθηκε ίση με 8.14% με μια μείωση 8.5% από την αρχική απόδοση. Μελετήθηκε η εξάρτηση της επίδοσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων από την μεταβολή της γωνίας πρόσπτωσης, τη θερμοκρασία και την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Επιβεβαιώθηκε πειραματικά η μείωση της απόδοσης του πλαισίου a- Si/μc-Si με την αύξηση της αέριας μάζας, κάτι που παρατηρήθηκε και για το πλαίσιο αμόρφου πυριτίου. Η μελέτη φωτοβολταϊκών πλαισίων σε συνθήκες εξωτερικού χώρου θα οδηγήσει στην κατανόηση των διαφορών μεταξύ διαφορετικών τεχνολογιών και στη σημασία των κλιματολογικών συνθηκών ενός τόπου στην επιλογή των φωτοβολταϊκών πλαισίων για κάποια εγκατάσταση. 3

4 4

5 Abstract Thin film silicon photovoltaic technology combines low production cost, short energy payback time and low demands of raw materials. However, drawbacks as low efficiency and light induced degradation make this technology less competitive in regard to crystalline silicon solar cells. In order to increase the efficiency, more active layers are used leading to multijuction photovoltaics. Combining amorphous and microcrystalline silicon with energy bandgap of 1.7eV and 1.1eV correspondingly, results in the device a-si/μc-si.. In this work a-si/μc-si, which is also referred as micromorph, is thoroughly presented. The characteristics of its active materials and the properties required for device quality layers are studied. The specific properties of thin film silicon photovoltaics are presented along with the differences with other technologies. The structure of the a-si/μc-si device and the research for its optimization techniques and efficiency increase are also studied. An experimental study takes place for the performance of an a-si/μc-si photovoltaic module in outdoor conditions, in comparison with other silicon photovoltaic technologies, as monocrystalline and amorphous silicon. The module a-si/μc-si of the company Heliosphera that was studied has undertaken the prospective light induced degragation and its efficiency in standard conditions was 8.14% with a reduction of 8.5% from the initial efficiency. The performance of the photovoltaic modules was studied under the effect of shifts in the angle of incidence, temperature changes and changes in the solar irradiation intensity. The reduction in the efficiency of the a-si/μc-si module with the increase of the air mass was experimentally confirmed and was also verified for the amorphous silicon module. The study of photovoltaic modules in outdoor conditions will lead in better understanding the differences among various technologies and the effect of the climate conditions of a location on the choice of the photovoltaic modules for an installation. 5

6 Ευχαριστώ ιδιαιτέρως τον επιβλέποντα καθηγητή Παναγιώτη Γιαννούλη για την καθοδήγησή του, την αψογη συνεργασία και τις σημαντικές υποδείξεις κατά τη διάρκεια της παρούσας ερευνητικής εργασίας. Επιπλέον ευχαριστώ τα υπόλοιπα μέλη της τριμελής επιτροπής για τις χρήσιμες υποδείξεις τους. Τέλος ευχαριστώ την υποψήφια διδάκτωρα Ελένα Κουμπλή για την βοήθειά της κατά τη διάρκεια των μετρήσεων και τον μεταδιδακτορικό ερευνητή Γιώργο Συρροκώστα για την βοήθειά του κατά τη χρήση του εξοπλισμού του εργαστηρίου. 6

7 Περιεχόμενα Εισαγωγή Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών στη σύγχρονη εποχή Ιστορική Αναδρομή Κόστος και προβλέψεις για το μέλλον Φυσική των φωτοβολταϊκών Ημιαγωγοί Επαφή p-n Οπτική απορρόφηση Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Χαρακτηριστικά Φωτοβολταϊκών Στοιχείων Άμορφο πυρίτιο Δομή Ενεργειακό χάσμα Αγωγιμότητα και προσμίξεις Φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση (Light Induced Degradation) Μικροκρυσταλλικό πυρίτιο (μc-si:h) Δομή Οπτική απορρόφηση, ενεργειακό χάσμα και ατέλειες, Ρόλος του υποστρώματος του μc-si:h Νόθευση Μη επιθυμιτές προσμίξεις Λειτουργία φωτοβολταϊκών στοιχείων λεπτών φιλμ πυριτίου Εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο Φβ στοιχείων λεπτών φιλμ πυριτίου Επανασύνδεση και συλλογή φορέων Προβλήματα βραχυκυκλωμάτων (Shunts) Αντίσταση σε σειρά (series resistance) Παγίδευση φωτός (light trapping) Φωτοβολταϊκά στοιχεία a-si:h/μc-si:h (Micromorph Hybrid solar cells) Διάταξη Το στρώμα a-si:h Intermediate reflector Το στρώμα μc-si:h

8 6.5 Εμπρός και πίσω επαφές Επίδοση σε εξωτερικές συνθήκες Μαζική παραγωγή Πειραματική διαδικασία Εισαγωγή Εξοπλισμός Αξιολόγηση μεθοδολογιών μέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας Υπολογισμός αέριας μάζας Μετρήσεις κοντά στις πρότυπες συνθήκες μετρήσεων (STC) Μετρήσεις με μεταβαλλόμενη γωνία πρόσπτωσης Μετρήσεις με μεταβαλλόμενη θερμοκρασία Επίδραση της έντασης της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας Μετρήσεις με μεταβαλλόμενη αέρια μάζα Επίλογος Συμπεράσματα Προοπτικές Βιβλιογραφία Παράρτημα

9 Εισαγωγή Η τεχνολογία λεπτών φιλμ πυριτίου αποτελεί μια υποσχόμενη εναλλακτική λύση για την περαιτέρω μείωση του κόστους των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Οι απαιτήσεις σε πρώτη ύλη είναι λογικές, καθώς δεν χρησιμοποιούνται σπάνια ή τοξικά υλικά ενώ επιτυγχάνεται γρηγορότερη ενεργειακή απόσβεση. Για να είναι τα φωτοβολταϊκά πλαίσια λεπτών φιλμ πυριτίου ανταγωνιστικά, εκτός από χαμηλό κόστος κατασκευής, πρέπει να επιτευχθούν και υψηλότερες σταθεροποιημένες αποδόσεις μετατροπής της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σε ρεύμα. Το φωτοβολταϊκό πλαίσιο a-si/μc-si που έχει αναπτυχθεί την τελευταία δεκαετία έιναι σύμφωνα με τους κατασκευαστές του μια υποσχόμενη τεχνολογία για αυξημένη απόδοση και χαμηλό κόστος. Έχουν επιτευχθεί αποδόσεις για πλαίσια πάνω από 10% και γίνεται σημαντική έρευνα ώστε η τεχνολογία να καταστεί εμπορικά βιώσιμη. Αν και η τεχνολογία δεν είναι απόλυτα ώριμη, η μαζική παραγωγή έχει ξεκινήσει από κάποιες εταιρείες και το προϊόν είναι διαθέσιμο στο εμπόριο. Στο παρόν σύγγραμμα μελετώνται οι επιδόσεις της εν λόγω τεχνολογίας σε πραγματικές συνθήκες. Η απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων σε πραγματικές συνθήκες επηρεάζεται από περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, η θερμοκρασία του πλαισίου καθώς και οι μεταβολές του ηλιακού φάσματος. Υπάρχουν λίγες αναφορές στη βιβλιογραφία για τις επιδόσεις των πλαισίων a-si/μc-si σε πραγματικές συνθήκες. Παράλληλα μελετώνται οι επιδόσεις ενός πλαισίου κρυσταλλικού πυριτίου και ενός άμορφου πυριτίου, ώστε να γίνει μια σύγκριση μεταξύ διαφορετικών τεχνολογιών. Μετά από μια εισαγωγή του αναγνώστη στη φυσική των φωτοβολταϊκών, μελετώνται οι ιδιότητες των υλικών a-si και μc-si αντίστοιχα, δηλαδή των ενεργών υλικών του φωτοβολταϊκού πλαισίου a-si/μc-si. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών λεπτών φιλμ πυριτίου, οι διαφορές με τις άλλες τεχνολογίες, οι περιορισμοί και τα κύρια χαρακτηριστικά. Στο 6 ο κεφάλαιο γίνεται μια εκτενής μελέτη για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία a-si/μc-si, τα οποία στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρονται και ως micromorph η hybrid. Παρουσιάζεται η διάταξή τους, τα διάφορα στρώματα από τα οποία αποτελούνται καθώς και η διαδικασίες παραγωγής τους. Το πειραματικό μέρος αφορά μετρήσεις εξωτερικού χώρου με το φωτοβολταϊκό πλαίσιο a-si/μc-si της ελληνικής εταιρείας Heliosphera, καθώς και με δύο ακόμη πλαίσια διαφορετικών τεχνολογιών, ώστε να γίνει σύγκριση. Αφού τα φωτοβολταϊκά πλαισια αξιολογήθηκαν, μελετήθηκε η εξάρτηση των παραμέτρων τους από περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως η θερμοκρασία και η ένταση και το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας με εκτενείς μετρήσεις εξωτερικού χώρου. 9

10 10

11 1 Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών στη σύγχρονη εποχή Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών απεικονίζει ένα μέλλον βασισμένο σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Για αυτό το λόγο δαπανούνται σημαντικά ποσά παγκοσμίως στην έρευνα, την ανάπτυξη και την επίδειξη της τεχνολογίας αυτής. Αρκετές κυβερνήσεις δημιουργούν προγράμματα εισαγωγής των φωτοβολταϊκών στην αγορά και η βιομηχανία επενδύει σε εγκαταστάσεις μεγαλύτερης παραγωγής. Ωστόσο, την ίδια στιγμή η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών θεωρείται ιδιαίτερα ακριβή συγκρινόμενη με το ρεύμα του δικτύου. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια είναι συσκευές στερεάς κατάστασης που μετατρέπουν το φως του ήλιου, την πιο άφθονη ενεργειακή πηγή, σε ηλεκτρισμό. Απαιτούν ελάχιστη συντήρηση, έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και κατά τη λειτουργία τους δεν εκπέμπουν ρύπους. Επιπλέον μπορούν να κατασκευαστούν φωτοβολταϊκά συστήματα από miliwatt έως megawatt. Τα φωτοβολταϊκά έχουν στόχο δύο πεδία εφαρμογής. Την παροχή ενέργειας σε αυτόνομα (εκτός δικτύου) συστήματα και συσκευές, όπως τηλεπικοινωνιακός εξοπλισμός ή οικιακά ηλιακά συστήματα, καθώς και την μεγάλης κλίμακας παραγωγή ηλεκτρισμού σαν υποκατάστατο των σημερινών μη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. 1.1 Ιστορική Αναδρομή Η ιστορία των φωτοβολταϊκών πάει πίσω στον 19 ο αιώνα, όταν το 1873 όταν ο Smith ανακάλυψε τη φωτοαγωγιμότητα του στερεού Σεληνίου (Se) [1]. Το πρώτο λειτουργικό και σκόπιμα κατασκευασμένο φωτοβολταϊκό στοιχείο επιτεύχθηκε από τον Fritts το Έλιωσε μια λεπτή στρώση Se πάνω σε ένα μεταλλικό υπόστρωμα και συμπίεσε πάνω σε αυτή ένα λεπτό φύλλο χρυσού (Au). Η σύγχρονη εποχή των φωτοβολταϊκών ξεκίνησε το 1954 όταν ερευνητές στα Bell Labs των Η.Π.Α. τυχαία ανακάλυψαν ότι οι δίοδοι επαφών p-n παρήγαγαν μια τάση όταν τα φώτα του δωματίου ήταν ανοιχτά. Ένα χρόνο αργότερα κατασκεύασαν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο πυριτίου (Si) με απόδοση 6%. Έως τη δεκαετία του 70 υπήρξε σημαντική έρευνα στο πεδίο των φωτοβολταϊκών και τα παραγόμενα φωτοβολταϊκά χρησιμοποιούνταν σε διαστημικές εφαρμογές, για να δώσουν ενέργεια σε δορυφόρους. Μάλιστα ο χρόνος ζωής τους ξεπέρασε κατά πολύ τις προσδοκίες των επιστημόνων. Πολύ σημαντικό ωστόσο γεγονός στην ιστορία των φωτοβολταϊκών ήταν η πετρελαϊκή κρίση του Η κρίση αυτή οδήγησε πολλές κυβερνήσεις ανά τον κόσμο, ιδιαίτερα στην Ευρώπη και στις 11

12 Η.Π.Α., να ερευνήσουν και άλλες πηγές ενέργειας εκτός από το πετρέλαιο και έτσι να στραφούν στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Τη δεκαετία του 80 η βιομηχανία των φωτοβολταϊκών άρχισε να ωριμάζει, καθώς έμφαση δόθηκε στις τεχνικές κατασκευής και στο κόστος. Εγκαταστάσεις παραγωγής φωτοβολταϊκών πλαισίων πυριτίου κατασκευάστηκαν στην Ευρώπη στις Η.Π.Α. και την Ιαπωνία και νέες τεχνολογίες αναπτύχθηκαν μέσα από πανεπιστημιακά και βιομηχανικά εργαστήρια. Την περίοδο αυτή αναπτύχθηκε και η τεχνολογία των λεπτών φιλμ σε μεγαλύτερη κλίμακα από διάφορες εταιρίες. Ωστόσο ήταν σαφές ότι η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών ήταν πολύ πιο περίπλοκη από ότι είχαν προβλέψει οι εταιρίες ενέργειας και πολλές από αυτές εγκατέλειψαν τα ερευνητικά προγράμματα πάνω στην κατασκευή φωτοβολταϊκών στοιχείων, ιδιαίτερα στις Η.Π.Α. Την δεκαετία του 90 ανακαλύφθηκαν νέες τεχνικές και έγιναν πολλές νέες βελτιώσεις στην τεχνολογία των φωτοβολταϊκών στοιχείων και πλαισίων: roll-to-roll τριπλής διεπαφής a-si (Canon), ribbon Si (Mobil Solar Energy), Laser-Grooved Buried-Grid (LGBG) φωτοβολταϊκά στοιχεία, συγκεντρωτικά φωτοβολταϊκά, κ.λ.π.. Πολλές πατέντες και μικρότερες εταιρίες που είχαν αναπτύξει την τεχνολογία των φωτοβολταϊκών πωλήθηκαν σε πολυεθνικές όπως η BP και η Shell. Παράλληλα με την τεχνολογία των φωτοβολταϊκών στοιχείων έπρεπε να αναπτυχθεί και η τεχνολογία των περιφερειακών συσκευών όπως μετατροπείς (inverters), ή ανιχνευτές ηλίου (solar trackers). Τέτοιες συσκευές είχαν μικρές εφαρμογές έως τώρα και υπήρχαν πολλά περιθώρια βελτίωσής τους. Επιπλέον μια εφαρμογή που βοήθησε τις εταιρίες φωτοβολταϊκών να αυξήσουν τις πωλήσεις τους και να συνεχίσουν την έρευνα ήταν οι μικρής κλίμακας καταναλωτικές συσκευές όπως κομπιουτεράκια τσέπης και εξωτερικός φωτισμός. Μια άλλη εφαρμογή ήταν η ηλεκτροδότηση απομακρυσμένων χωριών σε μια προσπάθεια περισσότεροι άνθρωποι να αποκτήσουν πρόσβαση στο φωτισμό και την επικοινωνία. Οι περισσότερες από αυτές τις εγκαταστάσεις γίνονταν με χρηματοδότηση κάποιου παγκόσμιου οργανισμού και ήταν της τάξης των 10 με 40W. Ωστόσο τα προγράμματα αυτά είχαν μεγάλα ποσοστά αποτυχίας αλλά σχεδόν ποτέ λόγω αστοχίας των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Στο αντίθετο άκρο της κλίμακας την δεκαετία του 80 κατασκευάστηκαν φωτοβολταϊκά πάρκα της τάξης των MW στις ανεπτυγμένες χώρες για να ερευνηθεί και να αξιολογηθεί η δυναμική τέτοιων εφαρμογών. Πολύ αργότερα στα τέλη της δεκαετίας του 90 φωτοβολταϊκά πλαίσια ενσωματώθηκαν σε κτίρια, ιδιαίτερα σε χώρες όπου το παραγόμενο με αυτό τον τρόπο ρεύμα αγοραζόταν από το δημόσιο δίκτυο σε πολύ υψηλή τιμή. Η επιδότηση αυτή των φωτοβολταϊκών στα κτίρια έδωσε μεγάλη ώθηση στην τεχνολογία των φωτοβολταϊκών και ακόμα και πολύ 12

13 αργότερα όταν οι επιδοτήσεις στις περισσότερες χώρες μειώθηκαν αρκετά, το ενδιαφέρον στα συστήματα αυτά συνέχισε να αυξάνεται. 1.2 Κόστος και προβλέψεις για το μέλλον Στις αρχικές μέρες των φωτοβολταϊκών, πριν από 50 χρόνια, η ενέργεια που απαιτείτο για να παραχθεί ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο ήταν περισσότερη από την ενέργεια που το πλαίσιο θα παρήγαγε σε όλη τη διάρκεια ζωής του. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών ωστόσο, έχουν γίνει σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση και τις τεχνικές κατασκευής. Επίσης έχουν γίνει πολλές μελέτες για να διαπιστωθεί αν τελικά υπάρχει ενεργειακό κέρδος με την παραγωγή ηλεκτρισμού με φωτοβολταϊκά. Τελικά, μετά τον χρόνο απόσβεσης του συστήματος, ότι ενέργεια παράγεται είναι ενεργειακό κέρδος Εικόνα 1.1 Το κόστος των φωτοβολταϊκών πλαισίων c-si που παρασκευάζονται στην Κίνα ($/W). Από το 2008 και μετά υπάρχει σημαντική πτώση στις τιμές.[20] Η παραγωγή ηλεκτρισμού μέσω ηλιακής ενέργειας έχει τετραπλασιαστεί από το 2000 έως το 2009 [2]. Την ανάπτυξη των φωτοβολταϊκών παγκοσμίως την προωθούν ιδιαίτερα χώρες με επιθετική πολιτική πάνω στα θέματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η Γερμανία, η Ισπανία, η Ιαπωνία όπως και κάποιες πολιτείες των Η.Π.Α. Η χώρα με τη μεγαλύτερη παραγωγή φωτοβολταϊκών είναι η 13

14 Κίνα, αφού κατέχει το 40% της παγκόσμιας παραγωγής. Ωστόσο από πλευρά εγκαταστάσεων, η Ευρώπη είναι στην πρώτη θέση με εγκαταστάσεις που έως το τέλος του 2011 ήταν 39GW [24]. Μέχρι πρόσφατα πρόσφατα το κόστος των φωτοβολταϊκών ήταν περίπου $2.5/W P, ωστόσο πρόσφατα οι τιμές έχουν πέσει μέχρι και στο $1/W P. Η μείωση αυτή οφείλεται κυρίως στην μείωση της τιμής της πρώτης ύλης και της ανάπτυξης νέων τεχνικών για την παραγωγή της [20]. Επιπλέον λόγω της επιβράδυνσης της παγκόσμιας οικονομίας η ζήτηση για την τεχνολογία των φωτοβολταϊκών μειώθηκε τα τελευταία έτη, οπότε και οι τιμές μειώθηκαν. Εικόνα 1.2. Η ετήσια εγκατάσταση φωτοβολταϊκών συστημάτων για διάφορες χώρες [7] Το κόστος μπορεί να μειωθεί με διάφορους τρόπους. Τα συστήματα που βασίζονται σε λεπτά υμένια υλικών, όπως το άμορφο πυρίτιο ή το τελουριούχο κάδμιο, είναι πολλά υποσχόμενα, καθώς υπάρχουν τεχνικές μαζικής παραγωγής τους και επιπλέον η ποσότητα των ενεργών υλικών που χρησιμοποιείται είναι πολύ μικρή. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτών φιλμ είναι 100 φορές λεπτότερα από τα συνήθη c-si στοιχεία (wafers) και μπορούν να εναποτεθούν σε μια μεγάλη ποικιλία υποστρωμάτων χαμηλού κόστους, όπως γυαλί, πλαστικό ή μεταλλικά φύλλα. Επιπλέον κατασκευάζονται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και μπορούν να αντέξουν περισσότερες προσμίξεις. Από την άλλη οι αποδόσεις τους δεν μπορούν να ανταγωνιστούν ακόμα αυτές των κρυσταλλικών φωτοβολταϊκών πλαισίων πυριτίου ενώ οι διαδικασίες παραγωγής περιλαμβάνουν ορισμένες φορές τοξικά αέρια που απαιτούν προσεκτικούς χειρισμούς. 14

15 Χώρες με τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη ισχύ σε MW (2012) MW Γερμανία 9785 Ισπανία 3386 Ιαπωνία 2633 Η.Π.Α Ιταλία 1167 Τσεχία 465 Βέλγιο 363 Κίνα 305 Γαλλία 272 Ινδία 120 Εικόνα 1.3 Χώρες με τη μεγαλύτερη εγκατεστημενη ισχύ έως το 2012 [22] Ο στόχοι της έρευνας και κατασκευής των φωτοβολταϊκών στοιχείων για το μέλλον βασίζονται κυρίως στην καλύτερη διαχείριση υλικών. Γίνεται προσπάθεια για μείωση των ενεργών υλικών και χρήση λιγότερο ακριβών υλικών τα οποία τείνουν να έχουν υψηλότερα όρια προσμίξεων και ατελειών. Ακόμα και με οικονομικότερα και λιγότερο καθαρά υλικά στόχος είναι ελάχιστα στοιχεία να απορρίπτονται από τους έλεγχους ποιότητας καθώς και να μένει αχρησιμοποίητο λιγότερο υλικό. Επίσης ερευνώνται τα συγκεντρωτικά συστήματα και ερευνάται η βελτιστοποίησης της απορροφητικότητας του ηλιακού φάσματος. Προωθούνται τεχνικές μαζικής παραγωγής που τείνουν να πρέπει να είναι ταχύτερες αλλά και απλούστερες για να μειωθεί το κόστος. Στο παρακάτω σχήματα φαίνονται οι υψηλότερες αποδόσεις που έχουν επιτευχθεί την τελευταία εικοσαετία για φωτοβολταϊκά στοιχεία σε εργαστήρια. Οι τεχνολογίες που επιτυγχάνουν υψηλές αποδόσεις είναι ιδιαίτερα ακριβές και περίπλοκες και χρησιμοποιούνται κυρίως σε διαστημικές εφαρμογές.. Η παραγωγή ενέργειας μέσω φωτοβολταϊκών στην αγορά στηρίζεται κυρίως σε φωτοβολταϊκά πυριτίου. Για το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο (pc-si) οι αποδόσεις των εμπορικών μοντέλων είναι γύρω στο 10-14% ενώ για το άμορφο περίπου 7-10%. Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνεται και η αυξανόμενη τάση που παρουσιάζει η απόδοση της κάθε τεχνολογίας. 15

16 Εικόνα 1.4 Οι υψηλότερες αποδόσεις που έχουν επιτευχθεί σε εργαστηριακό επίπεδο για δίαφορες τεχνολογίες [23] Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών είναι ακόμα μια σχετικά ακριβή τεχνολογία αν συγκριθεί με τον ηλεκτρισμό του δικτύου. Ωστόσο, η τεχνολογία αυτή έχει αρχίσει να γίνεται ανταγωνιστική, ακόμα εξελίσσεται και υπάρχουν προσδοκίες για περαιτέρω μείωση των τιμών με την βοήθεια νέων τεχνικών κατασκευής και με την εξάπλωση της αγοράς των φωτοβολταϊκών πλαισίων. 16

17 2 Φυσική των φωτοβολταϊκών 2.1 Ημιαγωγοί Οι ημιαγωγοί έχουν την ιδιότητα να απορροφούν το φως και να μεταφέρουν ένα μέρος της ενέργειας των απορροφούμενων φωτονίων στους φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος, στα ηλεκτρόνια και στις οπές. Μια δίοδος ημιαγωγού ξεχωρίζει και συλλέγει τους φορείς και άγει το παραγόμενο ρεύμα προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Μια ημιαγώγιμη δίοδος κατασκευάζεται όταν ένας ημιαγωγός τύπουn και ένας ημιαγωγός τύπου-p ενώνονται και προκύπτει μια επαφή pn. Αυτό επιτυγχάνεται με διάχυση ή εμφύτευση συγκεκριμένων προσμίξεων μέσα στον ημιαγωγό. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία κατασκευάζονται από ημιαγώγιμα υλικά και συνηθέστερα από πυρίτιο(si) κρυσταλλικό, πολυκρυσταλλικό και άμορφο. Μερικά επιπλέον υλικά κατασκευής είναι GaAs, GaInP, Cu(InGa)Se 2, ή και CdTe. Τα υλικά κατασκευής επιλέγονται με βάση τα χαρακτηριστικά απορρόφησης του ηλιακού φάσματος και το κόστος κατασκευής. Το πυρίτιο είναι το πιο διαδεδομένο υλικό καθώς τα χαρακτηριστικά απορρόφησης είναι σε αρκετά καλή αντιστοιχία με το ηλιακό φάσμα και η τεχνολογία του πυριτίου είναι ιδιαίτερα ανεπτυγμένη μιας και χρησιμοποιείται και στη βιομηχανία της ηλεκτρονικής. Οι ημιαγωγοί που χρησιμοποιούνται στην ηλεκτρονική είναι ιδιαίτερα καθαρά κρυσταλλικά υλικά. Η περιοδικότητα της δομής τους μαζί με τις ατομικές ιδιότητες των επιμέρους στοιχείων τους είναι αυτό που προσδίδει στους ημιαγωγούς τις πολύ χρήσιμες ηλεκτρονικές ιδιότητες. Το πυρίτιο που ανήκει στην στήλη IV του περιοδικού πίνακα έχει τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους που σημαίνει ότι αυτά τα τέσσερα ηλεκτρόνια μοιράζονται με γειτονικά άτομα και σχηματίζουν δεσμούς. Στο κρυσταλλικό πυρίτιο τα άτομα διατάσσονται στη δομή του αδάμαντα, με τέσσερις δεσμούς για κάθε άτομο με γωνία ο ανάμεσα σε οποιουσδήποτε δύο δεσμούς. Η διάταξη αυτή μπορεί να αναπαρασταθεί με δύο αλληλοδιεισδύοντες εδροκεντρωμένες κυβικές κυψελίδες μετατοπισμένες η μία προς την άλλη κατά μήκος της κύριας διαγωνίου της κυβικής κυψελίδας κατά το ένα τέταρτο του μήκους της διαγωνίου. Η σταθερά πλέγματος l, είναι το μήκος των ακμών της κυβικής κυψελίδας. Ολόκληρο το πλέγμα μπορεί κατασκευαστεί στοιβάζοντας αυτές τις κυψελίδες. 17

18 Εικόνα 2.1. Συντομευμένος περιοδικός πίνακας.[1] Μια παρόμοια διάταξη, η δομή του θειούχου ψευδαργύρου (zincblende) συναντάται σε πολλούς ημιαγωγούς III-V και II-VI όπως ο GaAs( III-V) και ο CdTe (II- VI) [3]. Η δομή αυτή είναι ίδια με του αδάμαντα με τη διαφορά ότι η βάση αποτελείται από δύο διαφορετικά άτομα (π.χ. Zn και S). Το μέσο σθένος είναι τέσσερα για κάθε συστατικό ώστε να σχηματίζονται τέσσερις δεσμοί γύρω από κάθε άτομο με κάθε δεσμό να περιλαμβάνει δύο ηλεκτρόνια σθένους [60]. Μερικές ιδιότητες των ημιαγωγών εξαρτώνται από την κατεύθυνση του κρυστάλλου και αναλύοντας την κρυσταλλική δομή σε κυψελίδες είναι ευκολότερο να αναγνωρίσουμε τον προσανατολισμό μέσω των δεικτών Miller. 2.2 Επαφή p-n Επαφή p-n ή ένωση p-n δημιουργείται στην επιφάνεια επαφής ενός ημιαγωγού τύπου-p με έναν ημιαγωγό τύπου-n. Δίοδος p-n ή κρυσταλλοδίοδος είναι το ηλεκτρονικό εξάρτημα που προκύπτει από την ένωση ενός ημιαγωγού-p με έναν ημιαγωγό-n. Κατά την υλοποίηση της επαφής p-n, σημειώνεται μετακίνηση ηλεκτρονίων από τον ημιαγωγό τύπου-n προς τον ημιαγωγό τύπου-p, προς επανασύνδεση με τις παραπλήσιες οπές. Αποτέλεσμα αυτής της δράσης είναι η αλληλοεξουδετέρωση των φορέων και η δημιουργία εκατέρωθεν της επαφής δύο τμημάτων «απογυμνωμένων» από τους φορείς τους, δηλαδή ένα τμήμα στον ημιαγωγό τύπου-n με θετικά ιόντα μόνο, χωρίς ηλεκτρόνια και ένα τμήμα στον ημιαγωγό τύπου-p με αρνητικά ιόντα μόνο, χωρίς οπές. Η περιοχή αυτή των δύο απογυμνωμένων τμημάτων λέγεται ζώνη απογύμνωσης. Η ζώνη απογύμνωσης δημιουργεί φραγμό στη μετακίνηση ηλεκτρονίων διαμέσου αυτής. Το ελάχιστο δυναμικό V 0 που πρέπει να επιβληθεί για να υπερπηδηθεί η ζώνη απογύμνωσης από τα ηλεκτρόνια ονομάζεται δυναμικό φραγμού. Η δίοδος p- n υλοποιείται με σύνδεση των άκρων των δύο ημιαγώγιμων τμημάτων p και n με μεταλλικές επαφές. 18

19 Εικόνα 2.2. Οι διάφορες περιοχές σε μια επαφή p-n [5]. 2.3 Οπτική απορρόφηση Ένα φωτόνιο που έχει ενέργεια hν μεγαλύτερη του ενεργειακού χάσματος ενός ημιαγωγού, μπορεί να απορροφηθεί από τον ημιαγωγό, προκαλώντας έτσι τη διέγερση ενός ηλεκτρονίου και τη μετάβασή του από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Έτσι στον ημιαγωγό δημιουργείται ένα ζεύγος ηλεκτρονίου οπής. Αν υποθέσουμε ότι η ένταση της ακτινοβολίας που προσπίπτει σε έναν ημιαγωγό ανά μονάδα επιφανείας και ανά μονάδα χρόνου είναι Ι 0 και Γ φωτ η φωτεινή ροή τότε [4]: I hv 0 φωτ Όταν η ενέργεια του φωτονίου είναι μεγαλύτερη από E g τότε τα φωτόνια της ακτινοβολίας θα απορροφώνται από τον ημιαγωγό. Η απορρόφηση των φωτονίων προϋποθέτει τη διέγερση ηλεκτρονίων της ζώνης σθένους, αυτό δε που έχει σημασία είναι το πλήθος των ηλεκτρονίων (της ζώνης σθένους) με την κατάλληλη ενέργεια. 19

20 Εικόνα 2.3 Διαδικασίες απορρόφησης φωτονίων από ημιαγωγό [5]. Η απορρόφηση εξαρτάται από το πάχος του ημιαγωγού. Έστω ότι η ένταση του φωτός στη θέση x είναι Ι(x) και η μεταβολή της έντασης του φωτός στον μικρό στοιχειώδη όγκο δx στη θέση x που οφείλεται στην απορρόφηση του φωτός είναι δι. Ισχύει: δ α δx Όπου α μια σταθερά αναλογίας, η οποία εξαρτάται από την ενέργεια του φωτονίου και επομένως από το μήκος κύματος λ. Η σταθερά α ονομάζεται σταθερά απορρόφησης. Ολοκληρώνοντας την παραπάνω σχέση καταλήγουμε στη σχέση Beer-Lambert, όπου η ένταση φθίνει εκθετικά με το πάχος του ημιαγωγού. ( x) exp( αx) 0 Μετά από απόσταση x=1/α η ένταση του φωτός μειώνεται κατά 63%. Η απόσταση δ=1/α ονομάζεται βάθος διείσδυσης. Σε ημιαγωγούς άμεσου ενεργειακού διάκενου η απορρόφηση ενός φωτονίου με ενέργεια μεγαλύτερη από E g έχει ως άμεση συνέπεια τη διέγερση ενός ηλεκτρονίου από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Η διαδικασία είναι απολύτως ανάλογη με την άμεση επανασύνδεση ενός ηλεκτρονίου και μιας οπής, που έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή ενός φωτονίου. Σε έναν ημιαγωγό έμμεσου ενεργειακού χάσματος δεν είναι δυνατή η άμεση επανασύνδεση μιας οπής και ενός ηλεκτρονίου οπότε και η διέγερση ενός ηλεκτρονίου που βρίσκεται στις καταστάσεις στο όριο της ζώνης σθένους και η μετάβασή του στη ζώνη αγωγιμότητας πρέπει να 20

21 συνοδεύεται από την εκπομπή ή απορρόφηση πλεγματικών ταλαντώσεων. Για το λόγο αυτό η απορρόφηση είναι λιγότερο αποτελεσματική. Εικόνα 2.4. Απορρόφηση φωτονίων σε ημιαγωγούς με άμεσο και έμμεσο ενεργειακό χάσμα [5]. 2.4 Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Θεωρούμε μια επαφή p-n με πολύ λεπτή και έντονα νοθευμένη περιοχή n. Η ακτινοβόληση γίνεται από τη μεριά της λεπτής n-περιοχής. Η περιοχή απογύμνωσης W εκτείνεται κατά κύριο λόγο στην p-περιοχή. Στην περιοχή απογύμνωσης υπάρχει ένα εσωτερικό πεδίο Ε0. Αφού η n περιοχή είναι λεπτή, τα πιο πολλά φωτόνια απορροφώνται εντός της περιοχής απογύμνωσης και της ουδέτερης p-περιοχής και έτσι στις περιοχές αυτές δημιουργούνται, λόγω της φωτοδημιουργίας, ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών. Τα ζεύγη αυτά διαχωρίζονται αμέσως λόγω της επίδρασης του εσωτερικού πεδίου Ε0. Το ηλεκτρόνιο ολισθαίνει και φτάνει στην n-περιοχή καθιστώντας την αρνητική κατά ένα ποσό φορτίου e, ενώ η οπή ολισθαίνει και φτάνει στην p-περιοχή καθιστώντας την θετικά φορτισμένη. Έτσι δημιουργείται μια τάση ανοιχτού κυκλώματος ανάμεσα στους ακροδέκτες της διάταξης, και η p-περιοχή είναι θετικά φορτισμένη σχετικά με την n-περιοχή. Αν συνδέσουμε ένα εξωτερικό φόρτο, τότε τα επιπλέον ηλεκτρόνια που έχουν καταφτάσει στην n-περιοχή μπορούν, καταναλώνοντας έργο, να μετακινηθούν δια μέσω του εξωτερικού κυκλώματος και να φτάσουν στην pπεριοχή, όπου επανασυνδέονται με τις επιπλέον οπές που βρίσκονται εκεί. 21

22 Εικόνα 2.5. Η αρχή λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου [4]. Τα ζεύγη οπών ηλεκτρονίων δημιουργούμενα λόγω φωτοδιέγερσης που προκαλείται από φωτόνια μεγάλου μήκους κύματος που απορροφώνται στην ουδέτερη p-περιοχή, διαχέονται στην περιοχή αυτή, αφού δεν υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο. Αν ο χρόνος επανασύνδεσης των ηλεκτρονίων είναι τe, τότε το ηλεκτρόνιο διαχέεται μια μέση απόσταση Le Deτe, όπου De είναι ο συντελεστής διάχυσης στην p-περιοχή [4]. Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε απόσταση Le από την περιοχή απογύμνωσης μπορούν εύκολα να διαχυθούν μέχρι εκεί και μετά να ολισθήσουν λόγω του πεδίου Ε0 και να μεταβούν στην n-περιοχή. Επομένως, μόνο τα φωτοδημιουργούμενα ζεύγη οπών ηλεκτρονίων που βρίσκονται σε απόσταση μήκους διάχυσης Le των φορέων μειονότητας από τη ζώνη απογύμνωσης συνεισφέρουν στο φωτοβολταικό φαινόμενο. Μόλις ένα ηλεκτρόνιο διαχυθεί μέχρι την ζώνη απογύμνωσης μεταφέρεται μέχρι την n-περιοχή από το πεδίο Ε0 δίνοντας εκέι ένα επιπλέον αρνητικό φορτίο. Οι οπές που παραμένουν στην p-περιοχή δημιουργούν ένα συνολικό θετικό φορτίο στην περιοχή. Τα ζεύγη ηλεκτρονίων οπών που δημιουργούνται σε απόσταση από τη ζώνη απογύμνωσης μεγαλύτερη του μήκους διάχυσης Le χάνονται λόγω επανασύνδεσης. Οι ίδιες αρχές ισχύουν και για τα ζεύγη οπών ηλεκτρονίων που δημιουργούνται στην n-περιοχή λόγω της απορρόφησης φωτονίων μικρού μήκους κύματος. Οι οπές που δημιουργούνται εντός απόστασης μικρότερης του μήκους διάχυσης Lh μπορούν να φτάσουν μέχρι το στρώμα απογύμνωσης απ όπου και μεταφέρονται στην p 22

23 περιοχή. Επομένως η φωτοδιέγερση των ζευγών οπών ηλεκτρονίων που συνεισφέρει στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο λαμβάνει χώρα στην περιοχή μήκους (L h + L e +W). Εικόνα 2.6 Οι φορείς που φωτοδιεγείρονται εντός της περιοχής μήκους L h + L e +W δημιουργούν το φωτορεύμα Ι ph. Απεικονίζεται επίσης η διακύμανση της συγκέντρωσης των φωτοδιεγερμένων ζευγών ηλεκτρονίων οπών (ΖΗΟ) με την απόσταση [4]. Αν οι ακροδέκτες της διάταξης είναι βραχυκυκλωμένοι, τότε τα επιπλέον ηλεκτρόνια της n-περιοχής μπορούν να ρεύσουν μέσω του εξωτερικού κυκλώματος και να εξουδετερώσουν τις οπές στην p-περιοχή. Το ρεύμα που οφείλεται στη ροή των φωτοδιεγερμένων φορέων ονομάζεται φωτορεύμα. Υπό συνθήκες λειτουργίας στάσιμης κατάστασης, δεν είναι δυνατό να υπάρχει ρεύμα όταν το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι ανοιχτοκυκλωμένο. Αυτό σημαίνει ότι το φωτορεύμα εντός της διάταξης που οφείλεται στην ροή των φωτοδιεγερμένων φορέων εξισορροπείται από τη ροή φορέων προς την αντίθετη κατεύθυνση. Τα ζεύγη οπών ηλεκτρονίων που φωτοδιεγείρονται λόγω της απορρόφησης των ενεργητικών φωτονίων στην n-περιοχή κοντά στην επιφάνεια ή εκτός της περιοχής που απέχει από την περιοχή απογύμνωσης απόσταση μικρότερη του μήκους διάχυσης, L h, χάνονται λόγω επανασύνδεσης, αφού ο χρόνος ζωής στην n-περιοχή είναι εν γένει πολύ μικρός (λόγω της έντονης νόθευσης). Για το λόγο αυτό η n- περιοχή κατασκευάζεται πολύ λεπτή. Το μήκος της n-περιοχής μπορεί να είναι ακόμα και μικρότερο από το μήκος διάχυσης των οπών L h. Τα ζεύγη οπών ηλεκτρονίων όμως που φωτοδημιουργούνται πολύ κοντά στην επιφάνεια της n- περιοχής εξαφανίζονται λόγω επανασύνδεσης επειδή πολλές επιφανειακές ατέλειες λειτουργούν ως κέντρα επανασύνδεσης. 23

24 2.5 Χαρακτηριστικά Φωτοβολταϊκών Στοιχείων Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι κατασκευασμένα από ημιαγώγιμα υλικά (επαφές p-n) έτσι ώστε να δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο με τη θετική πλευρά στη μια πλευρά (backside) και την αρνητική στην άλλη, προς τον ήλιο. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει στο ενεργό υλικό του φωτοβολταϊκού δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίων οπών [61]. Αν συνδέσουμε ηλεκτρικούς αγωγούς στις δύο πλευρές του φωτοβολταϊκού σχηματίζοντας ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, τότε προκύπτει ηλεκτρικό ρεύμα που ονομάζεται φωτορεύμα I ph. Όπως είναι προφανές, απουσία φωτός το ηλιακό στοιχείο δεν είναι ενεργό και λειτουργεί σαν δίοδος, αφού μια επαφή p-n δεν παράγει ρεύμα. Ωστόσο, αν συνδεθεί με μια εξωτερική μεγάλη τάση παράγεται ρεύμα που ονομάζεται σκοτορεύμα I D. Ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο συνήθως παριστάνεται σαν ένα ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα μιας διόδου. Εικόνα 2.7 Ισοδύναμο κύκλωμα ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου. [6] Το κύκλωμα αποτελείται όπως φαίνεται παραπάνω από το φωτορεύμα I ph, μία δίοδο και μια αντίσταση σε σειρά, η οποία αντιπροσωπεύει την εσωτερική αντίσταση του κάθε φωτοβολταϊκού στοιχείου. Η δίοδος έχει επίσης μια εσωτερική αντίσταση (shunt resistance). Το ρεύμα του κυκλώματος είναι τελικά η διαφορά μεταξύ του φωτορεύματος I ph και του ρεύματος της διόδου I D. Να σημειωθεί ότι η shunt αντίσταση είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερη από την αντίσταση του φορτίου καθώς επίσης και η αντίσταση σε σειρά είναι πολύ μικρότερη από την αντίσταση του φορτίου. Αγνοώντας τις δύο αυτές αντιστάσεις κατά προσέγγιση το ρεύμα δίνεται από την σχέση[6]: ev I I ph I D I ph I0 exp 1 ktc Όπου k = σταθερά αερίων Boltzmann = 1.381*10-23 J/K. T C = θερμοκρασία φωτοβολταϊκού (Κ). 24

25 e = φορτίο ηλεκτρονίου. V = τάση στα άκρα του φ/β στοιχείου. I 0 = σκοτορεύμα κορεσμού, το οποίο εξαρτάται από την θερμοκρασία. Το ρεύμα ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου εξαρτάται από την εξωτερική τάση που εφαρμόζεται και την ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνειά του. Όταν το κύκλωμα είναι βραχυκυκλωμένο, το ρεύμα παίρνει τη μέγιστη τιμή του (shortcircuit current, I SC ) και η τάση είναι μηδέν. Όταν το κύκλωμα είναι ανοιχτό, η τάση παίρνει τη μέγιστη τιμή (open-circuit voltage, V OC ) και το ρεύμα είναι μηδέν. Η ισχύς P και στις δύο παραπάνω περιπτώσεις είναι μηδέν. Η τυπική καμπύλη ρεύματος τάσης που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζει και το εύρος των συνδυασμών ρεύματος και τάσης. Εικόνα 2.8 Η χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος τάσης (I-V) ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου[6]. Αν τα άκρα του φ/β στοιχείου είναι συνδεδεμένα σε μια αντίσταση R, το σημείο λειτουργίας καθορίζεται από την τομή των καμπύλων I-V του φ/β στοιχείου και του φορτίου. Η χαρακτηριστική του φορτίου είναι μια ευθεία γραμμή με κλίση Ι/V=1/R. Η ισχύς μπορεί να υπολογιστεί με το γινόμενο του ρεύματος και της τάσης. Στο μέγιστο σημείο ισχύος η αντίσταση έχει τη βέλτιστη τιμή R opt, και η ισχύς στο φορτίο είναι μέγιστη και δίνεται από τη σχέση: Pmax Imax Vmax Στο σημείο μέγιστης ισχύος, το οποίο είναι το σημείο λειτουργίας με P max, I max, V max η ισχύς μεγιστοποιείται. Με δεδομένη την P max, μπορεί να υπολογιστεί και μια επιπλέον παράμετρος που ονομάζεται παράγοντας πλήρωσης FF (Fill Factor), και υπολογίζεται από τη σχέση: Pmax ISC VOC FF 25

26 ή P I V FF I V I V max max max SC OC SC OC Ο παράγοντας πλήρωσης (Fill Factor) είναι ένας δείκτης της πραγματικής χαρακτηριστικής I-V. Για ποιοτικά φωτοβολταϊκά στοιχεία η τιμή του είναι μεγαλύτερη από 0.7. Ο παράγοντας πλήρωσης φθίνει με την άνοδο της θερμοκρασίας. Μια επίσης σημαντική παράμετρος ενός φ/β στοιχείου είναι η απόδοση (efficiency). Η απόδοση ορίζεται σαν η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς προς την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία. Η απόδοση συνήθως αναφέρεται για θερμοκρασία του Φβ στοιχείου ή πλαισίου στους 25 ο C και προσπίπτουσα ακτινοβολία 1000W/m 2 με φάσμα κοντά στο ηλιακό του μεσημεριού. Η βελτίωση της απόδοσης σχετίζεται άμεσα με στη μείωση του κόστους του φωτοβολταϊκού. Η μέγιστη απόδοση είναι ο λόγος μεταξύ της μέγιστης ισχύς και της προσπίπτουσας ακτινοβολίας [6]: n max P I V P A G max max max in t Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η επίδραση των μεταβολών της θερμοκρασίας του φ/β και της ισχύος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στην χαρακτηριστική I-V. Η τάση ανοιχτού κυκλώματος αυξάνεται λογαριθμικά με την αύξηση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας ενώ το ρεύμα κλειστού κυκλώματος αυξάνεται γραμμικά. Η σημαντικότερη συνέπεια της αύξησης της θερμοκρασίας του Φβ είναι η γραμμική μείωση της τάσης ανοιχτού κυκλώματος. Εικόνα 2.9 Επίδραση της αύξησης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (a) και της θερμοκρασίας (b) στην λειτουργία του φ/β στοιχείου [6]. 26

27 Στην πραγματικότητα η χαρακτηριστική I-V ενός Φβ στοιχείου διαφέρει από την ιδανική καμπύλη. Ένα μοντέλο δύο διόδων χρησιμοποιείται συνήθως για να περιγραφεί η παρατηρούμενη καμπύλη, με την δεύτερη δίοδο να περιλαμβάνει ένα «παράγοντα ιδανικότητας» με τιμή 2 στον παρονομαστή του κλάσματος του εκθετικού [7]. Εικόνα2.10. Ισοδύναμο κύκλωμα ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, λαμβάνοντας υπόψη τις αντιστάσεις. [7] Το φωτοβολταϊκό στοιχείο μπορεί να περιλαμβάνει και αντίσταση σε σειρά (R S ) ή παράλληλη (shunt, R SH ) οπότε προκύπτει η σχέση: V IR V IR V IR I I ph I exp I exp 1 S S S kbt 2kBT RP Όπου το φωτορεύμα I ph μπορεί να εξαρτάται και από την τάση. Οι επιδράσεις των αντιστάσεων φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Εικόνα 2.11 Οι επιδράσεις των αντιστάσεων στην χαρακτηριστική I-V ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου.[7] 27

28 28

29 3 Άμορφο πυρίτιο Οι οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες του άμορφου πυριτίου επηρεάζονται από πολλές παραμέτρους με την κυριότερη να είναι οι συνθήκες εναπόθεσης μέσω της εναπόθεσης πλάσματος, plasma enhanced chemical vapor deposition PECVD. Παρακάτω θα δούμε τις συνθήκες εναπόθεσης, τις ηλεκτρονικές ιδιότητες και την φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση (light induced degradation) που επηρεάζει την απόδοση των στοιχείων a-si:h. 3.1 Δομή Στη δομή του κρυσταλλικού πυριτίου κάθε άτομο πυριτίου είναι συνδεδεμένο με τέσσερα γειτονικά άτομα πυριτίου και η γωνία μεταξύ δύο δεσμών είναι 109 ο 28 και παραμένει σταθερή σε όλο τον κρύσταλλο [7]. Ωστόσο στο άμορφο πυρίτιο και το μήκος του δεσμού και η γωνία μεταξύ δεσμών έχουν μεγαλύτερο εύρος τιμών. Οι γωνίες μεταξύ δεσμών είναι κατανεμημένες γύρω από την τιμή 109 ο 28 με μια διασπορά 6 ο με 9 ο. Αν το στρώμα άμορφου πυριτίου έχει χαμηλή τιμή αταξίας (amount of disorder), οι κατανομές για τα μήκη των δεσμών και τις γωνίες μεταξύ δεσμών θα είναι χαμηλές. Σε αυτήν την περίπτωση το υλικό είναι υψηλής ποιότητας (device quality) με ικανοποιητικές ηλεκτρονικές ιδιότητες. Αν αυξάνεται η αταξία στο υλικό, αυξάνονται και οι κατανομές και τελικά οι ηλεκτρονικές ιδιότητες του υλικού δεν είναι οι επιθυμητές. Τα υμένια άμορφου πυριτίου παρουσιάζουν μερική μικρού εύρους τάξη, αφού σε κάθε άτομο τα κοντινότερα άτομα βρίσκονται σχεδόν στις ίδιες θέσεις. Σε μεγαλύτερο εύρος όμως δεν υπάρχει καμία τάξη και λόγω της αταξίας στο υλικό, κάθε ένα στα 10 4 άτομο πυριτίου δεν έχει τέσσερις συνήθεις δεσμούς με τα γειτονικά άτομα. Ένας δεσμός μπορεί να είναι «σπασμένος» ή «ελεύθερος» (dangling bond αιωρούμενος δεσμός). Αυτοί οι ελεύθεροι δεσμοί λειτουργούν σαν ενδιάμεσες καταστάσεις (midgap states) που λειτουργούν σαν κέντρα επανασύνδεσης. Στο υδρογονοποιημένο άμορφο πυρίτιο οι δεσμοί αυτοί (όχι όλοι) αδρανοποιούνται με ένα άτομο υδρογόνου και έτσι δεν λειτουργούν όλοι σαν κέντρα επανασύνδεσης. Η πυκνότητα των μη αδρανοποιημένων δεσμών σε υψηλής ποιότητας a-si:h είναι μεταξύ και cm -3, με την τιμή να αναφέρεται σε a-si:h της υψηλότερης ποιότητας. Κάτω από την επίδραση του φωτός υπάρχει σημαντική αύξηση μη αδρανοποιημένων δεσμών και η ποιότητα του υλικού υποβαθμίζεται, το φαινόμενο αυτό ονομάζεται επίδραση Staebler Wronski. Μετά από 1000 ώρες έκθεσης σε ηλιακό φως η πυκνότητα των ελεύθερων δεσμών συγκλίνει σε μια μεγαλύτερη τιμή. Ειδικότερα αν υπάρχουν πολλά άτομα πυριτίου 29

30 με δύο άτομα υδρογόνου να αδρανοποιούν το δεσμό (SiH 2 ) είναι ευκολότερο να σπάσει ο δεσμός αυτός και η επίδραση Staebler - Wronski εντονότερη. Ειδικότερα όταν το υλικό είναι πορώδες προκύπτει μεγάλη πυκνότητα μικροκενών (microvoids). Τα μικροκενά δημιουργούνται από τη σώρευση ελεύθερων δεσμών σε μια μικρή περιοχή. Εικόνα 3.1. Α) άτομο πυριτίου με ελεύθερο δεσμό. Β) άτομο πυριτίου με αδρανοποιημένο με υδρογόνο δεσμό. Γ) άτομο πυριτίου με δύο αδρανοποιημένους με υδρογόνο δεσμούς [7]. Η μικρόδομή του άμορφου πυριτίου είναι μια σημαντική παράμετρος που επηρεάζει έντονα την φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση του υλικού (light induced degradation). Ακόμα και σε στρώματα άμορφου πυριτίου με εξαιρετικές αρχικές ιδιότητες, μετά από εκατοντάδες ώρες έκθεσης σε ηλιακό φως δείχνουν να επηρεάζονται σημαντικά και να μειώνεται η ποιότητά τους. Ακόμα και σήμερα δεν είναι πλήρης η κατανόηση του φαινομένου. Πειραματικά έχουν γίνει οι εξής παρατηρήσεις: Η φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση μπορεί να μειωθεί χρησιμοποιώντας διάλυμα υδρογόνου κατά την εναπόθεση πλάσματος και αυξημένες θερμοκρασίες εναπόθεσης. Υμένια με μεγάλη πυκνότητα μικροκενών ή με μεγάλη πυκνότητα μη επιθυμητών προσμίξεων όπως οξυγόνο (περισσότερο από 2x10 19 cm -1 ) και άζωτο τείνουν να έχουν ακόμη υψηλότερη φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση. Υμένια που έχουν εναποτεθεί με υψηλούς ρυθμούς εναπόθεσης τείνουν να έχουν αυξημένη φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση. Για λόγους κόστους η εναπόθεση του άμορφου πυριτίου γίνεται με τους υψηλότερους δυνατούς ρυθμούς, με το όριο να καθορίζεται από την αναμενόμενη υποβάθμιση. Για τυπικές διαδικασίες PECVD με συχνότητα διέγερσης MHz, οι ρυθμοί εναπόθεσης περιορίζονται σε 0.1 nm/s. Με τη χρήση τροποποιημένων τεχνικών PECVD όπως εναποθέσεις σε υψηλές συχνότητες (από 60 MHz και πάνω) ρυθμοί εναπόθεσης μεγαλύτεροι από 1 nm/s έχουν καταγραφεί χωρίς σημαντική φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση του υλικού. Μετά από ένα χρονικό διάστημα συνεχής έκθεσης σε ηλιακή ακτινοβολία υπάρχει κορεσμός στο φαινόμενο της υποβάθμισης και η απόδοση σταθεροποιείται σε χαμηλότερη τιμή. 30

31 Οι οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες των φιλμ άμορφου πυριτίου εξαρτώνται ισχυρά από την μικροδομή και την ανάπτυξή της κατά την εναπόθεση. Επειδή οι δεσμοί με το υδρογόνο είναι πολύ ευαίσθητοι στις συνθήκες εναπόθεσης, η αυξημένη παρουσία υδρογόνου στο πλάσμα συνδέεται με την ποιότητα του υλικού καθώς το υδρογόνο όχι μόνο αδρανοποιεί τους ελεύθερους δεσμούς, αλλά είναι υπεύθυνο και για την τελική μικροδομή του υλικού αφού επηρεάζει τη δομή κατά την ανάπτυξη του εναποτιθέμενου φιλμ. Με χαμηλή περιεκτικότητα σε υδρογόνο, η ανάπτυξη των a- Si:H φιλμ γίνεται εξαρτώμενη όχι μόνο από την φύση του υποστρώματος άλλα και από το πάχος του φιλμ. Έτσι ακόμα και αν το αρχικό υλικό που εναποτίθεται είναι άμορφο, στη συνέχεια μπορεί με την αύξηση του πάχους να προκύπτει μικροκρυσταλλική δομή. Η περιεκτικότητα κάθε στοιχείου στο διάλυμα του αερίου πλάσματος είναι μια κρίσιμη παράμετρος για τον έλεγχο της μικροδομής. Εικόνα 3.2 Πάχος του φιλμ όπου διαφορετικές φάσεις προκύπτουν κατά την ανάπτυξη του φιλμ πυριτίου, συναρτήσει της περιεκτικότητας του διαλύματος σε υδρογόνο R [7]. 31

32 3.2 Ενεργειακό χάσμα Αντίθετα με τους κρυσταλλικούς ημιαγωγούς όπου το ενεργειακό χάσμα είναι καλά καθορισμένο, στους άμορφους ημιαγωγούς όπως το a-si:h υπάρχει μια συνεχής ζώνη καταστάσεων παρά ενεργειακό χάσμα, αν και οι ζώνες σθένους και αγωγιμότητας είναι ακόμα ευδιάκριτες. Οι τελευταίες έχουν μη εντοπισμένες ηλεκτρονικές καταστάσεις και οι φορείς στις ζώνες σθένους και αγωγιμότητας μπορούν να κινούνται με πολύ χαμηλότερες τιμές κινητικότητας από ότι σε κρυσταλλικούς ημιαγωγούς. Έτσι τα όρια των ζωνών καθορίζονται από τις άκρες του χάσματος κινητικότητας. Εικόνα 3.3 Πυκνότητα καταστάσεων άμορφου πυριτίου. Οι καταστάσεις μεταξύ E V και E C είναι εντοπισμένες καταστάσεις. Οι καταστάσεις στις ζώνες σθένους και αγωγιμότητας είναι μη εντοπισμένες καταστάσεις. Οι ουρές των ζωνών λειτουργούν σας «παγίδες» φορέων. Οι καταστάσεις μεσοδιάκενου σχετίζονται με τους ελεύθερους δεσμούς του άμορφου πυριτίου. Η πυκνότητά τους αυξάνεται με την επίδραση της επίδρασης Staebler - Wronski [7]. Πάνω από μια ενέργεια E V η πυκνότητα καταστάσεων μειώνεται εκθετικά. Οι καταστάσεις στην ουρά της ζώνης σθένους δεν παίζουν το ρόλο κέντρων επανασύνδεσης αλλά λειτουργούν ως παγίδες για ελεύθερες οπές. Για κάθε ελεύθερη οπή υπάρχουν 100 με 1000 παγιδευμένες οπές στις καταστάσεις της ουράς της ζώνης σθένους. Αυτές οι οπές δημιουργούν ένα θετικό ηλεκτρικό φορτίο που παραμορφώνει και μειώνει το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο στην ενδογενή περιοχή i, σε φωτοβολταϊκά στοιχεία p-i-n. Η ουρά της ζώνης αγωγιμότητας είναι πολύ μικρότερη από την αντίστοιχη της ζώνης σθένους και δεν παίζει σημαντικό 32

33 ρόλο στην παραμόρφωση του εσωτερικού πεδίου σε εφαρμογές ηλιακής ενέργειας, αφού για κάθε ελεύθερο ηλεκτρόνιο στην ζώνη αγωγιμότητας υπάρχουν 10 παγιδευμένα ηλεκτρόνια στην ουρά. Αν το φως εισέρχεται σε ένα Φβ στοιχείο τύπου p-i-n από την μεριά τύπου p, οι πλειοψηφία των φωτοπαραγόμενων οπών έχουν μικρότερη απόσταση να ταξιδέψουν από ότι αν το φως εισερχόταν από την n περιοχή. Στην πρώτη περίπτωση παράγονται κυρίως κοντά στην διεπιφάνεια p-i ενώ στην δεύτερη κοντά στην n-i, Επομένως η παραμόρφωση του εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου είναι μικρότερη σε a-si:h p-i-n στοιχεία όταν το φως εισέρχεται από την p περιοχή. Πάνω από την ουρά της ζώνης σθένους υπάρχει μια ζώνη με καταστάσεις μεσοδιάκενου (midgap states) οι οποίες παρέχονται από τους ελεύθερους δεσμούς του άμορφου πυριτίου. Οι καταστάσεις αυτές λειτουργούν σαν κέντρα επανασύνδεσης και μειώνουν την συλλογή φωτοπαραγόμενων φορέων. Η επίδραση Staebler Wronski αυξάνει την πυκνότητα των καταστάσεων αυτών κατά ένα παράγοντα 10 2 με Αντίθετα οι ουρές των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας δεν επηρεάζονται από την φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση του υλικού. Συνεπώς αντί για ένα πραγματικό ενεργειακό χάσμα όπως στους κρυσταλλικούς ημιαγωγούς, στο άμορφο πυρίτιο έχουμε ένα χάσμα κινητικότητας (E V - E C ). Δεν είναι απλό να μετρηθεί αυτό το χάσμα κινητικότητας και έτσι είναι απλούστερο να μετρηθεί το οπτικό χάσμα μέσω της μέτρησης του συντελεστή οπτικής απορρόφησης. Τελικά το οπτικό χάσμα είναι 1.6eV με 1,85eV και είναι περίπου 100meV μικρότερο από το χάσμα κινητικότητας. Οι τιμές του ενεργειακού χάσματος του a-si:h ποικίλουν ανάλογα με τις συνθήκες εναπόθεσης. Υμένια που εναποτίθενται σε υψηλότερες θερμοκρασίες έχουν μικρότερες τιμές ενεργειακού χάσματος. Επιπλέον με υψηλότερες τιμές διαλυμένης ποσότητας υδρογόνου προκύπτουν μεγαλύτερες τιμές ενεργειακού χάσματος, αρκεί το υλικό να παραμένει άμορφο και να μην γίνεται μικροκρυσταλλικό. Με υψηλές τιμές υδρογόνου και παραμένοντας στην περιοχή του άμορφου πυριτίου, προκύπτει το λεγόμενο πρωτοκρυσταλλικό πυρίτιο (protocrystalline) με ενεργειακό χάσμα 1,9 με 2.0 ev. 3.3 Αγωγιμότητα και προσμίξεις Λόγω της υψηλής τιμής του ενεργειακού χάσματος, η αγωγιμότητα του ενδογενούς άμορφου πυριτίου στο σκοτάδι σ dark είναι πολύ μικρή, μεταξύ 10-8 και (Ω -1 cm -1 ). Η τιμή (Ω -1 cm -1 ) αντιστοιχεί σε στρώματα a-si:h με πολύ μικρή περιεκτικότητα σε άτομα οξυγόνου και άλλες προσμίξεις [7]. Κάτω από την επίδραση του φωτός 33

34 ωστόσο η αγωγιμότητα αυξάνεται και για υψηλής ποιότητας επιστρώσεις παίρνει τιμές μεταξύ (Ω -1 cm -1 ). Όσο λιγότερες είναι οι ατέλειες (ελεύθεροι δεσμοί) τόσο μεγαλύτερη είναι και η φωτοαγωγιμότητα. Επίσης, προσμίξεις όπως το οξυγόνο σε κάποιο βαθμό αυξάνουν την φωτοαγωγιμότητα. Έτσι τελικά μια παράμετρος που καθορίζει την ποιότητα του υλικού είναι η φωτοευαισθησία (photosensitivity: σ photo /σ dark ), η οποία πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 10 5 για υψηλής ποιότητας επιστρώσεις, ακόμα και μετά την φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση. Αν στο θάλαμο εναπόθεσης PECVD μαζί με τα συνήθη αέρια προσθέσουμε και PH 3 (phosphine) προκύπτουν υμένια τύπου-n με μεγαλύτερη σκοτεινή αγωγιμότητα και με αυξημένη περιεκτικότητα σε ελεύθερους δεσμούς. Από την άλλη, αν προσθέσουμε B 2 H 6 (diborane) ή B(CH 3 ) 3 (trimethlyboron) προκύπτουν p-τύπου υμένια με επίσης αυξημένη σκοτεινή αγωγιμότητα και αυξημένο αριθμό ελεύθερων δεσμών. Ωστόσο δεν είναι εύκολο να γίνει νόθευση του a-si:h ώστε το επίπεδο Fermi E F να πλησιάσει αρκετά το όριο των ζωνών σθένους ή αγωγιμότητας. Αυτό οφείλεται στις μεσοδιάκενες καταστάσεις των ελεύθερων δεσμών και στις ουρές των ζωνών σθένους ή αγωγιμότητας. Λόγω αυτής της δυσκολίας στη νόθευση τα φβ στοιχεία a-si:h παρουσιάζουν χαμηλότερη τιμή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος από ότι προβλέπεται από το θεωρητικό όριο. Επίσης είναι σημαντικό το γεγονός ότι ακόμα και σε εναποθέσεις με καθαρό σιλάνιο (silane) χωρίς αέρια προσμίξεων, τα υμένια παρουσιάζουν ακόμα ελαφρώς χαρακτήρα n-τύπου. Έτσι για να παραχθούν υμένια πραγματικά ενδογενή χρειάζεται μια μικρή ποσότητα αερίου πρόσμιξης p-τύπου (N B2H6 /N SiH ). Αυτό οφείλεται στις μη ηθελημένες προσμίξεις οξυγόνου. Αν η περιεκτικότητα σε οξυγόνο μείνει κάτω από 2x10-18 cm 3 χρησιμοποιώντας αέρια υψηλής καθαρότητας καθώς και άλλα προληπτικά μέτρα, τότε μπορούν να παραχθούν πραγματικά ενδογενή υμένια a-si:h. 3.4 Φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση (Light Induced Degradation) Οι Staebler και Wronski (1977) πρωτοανέφεραν ότι η φωτοαγωγιμότητα και η σκοτεινή αγωγιμότητα των φιλμ άμορφου πυριτίου εμφανίζουν σημαντικές αλλαγές μετά από έκθεση στο φως. Το φαινόμενο που ονομάστηκε επίδραση Staebler Wronski είναι αναστρέψιμο, καθώς με θέρμανση στους 150 ο C για μια ώρα επανέρχεται το υλικό στις αρχικές ιδιότητές του. Οι αλλαγές στις ιδιότητες του 34

35 υλικού κάτω από έκθεση στο φως επηρεάζουν την απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Η επίδραση Staebler Wronski έχει κάποια συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Η πυκνότητα των ουδέτερων ελεύθερων δεσμών αυξάνεται μετά από έκθεση στο φως και ατέλειες μπορεί να δημιουργηθούν και από έγχυση φορέων [12]. Η έκθεση στο φως μειώνει την απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου, με τον FF να είναι το χαρακτηριστικό που επηρεάζεται περισσότερο. Για αποτελεσματικότερη απορρόφηση του φωτός χρειάζονται παχύτερα φιλμ, ωστόσο όσο μεγαλώνει το πάχος τόσο μεγαλύτερη είναι η φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση. Καθώς νέες ατέλειες δημιουργούνται, κάποια στιγμή υπάρχει κορεσμός και η υποβάθμιση σταματά. Η επίδραση Staebler Wronski σχετίζεται με τη μικροδομή του υλικού και τους δεσμούς του πυριτίου με το υδρογόνο. Η υποβάθμιση είναι επίσης μικρότερη σε υψηλές θερμοκρασίες. Εικόνα 3.4 Φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση φιλμ αμόρφου πυριτίου για διάφορα πάχη [12] Έχει προταθεί [62] ότι οι ατέλειες δημιουργούνται από μη ακτινοβολούσα επανασύνδεση ζευγών οπών ηλεκτρονίων σε καταστάσεις που σχετίζονται με τις ουρές του ενεργειακού χάσματος και αντιστοιχούν σε ασθενείς δεσμούς Si Si. Η επανασύνδεση απελευθερώνει ενέργεια περίπου 1.5 ev που σπάζει έναν ασθενή δεσμό και δημιουργεί μια ατέλεια. Για να αποφευχθεί η επανασύνδεση δύο γειτονικών δεσμών, ένα άτομο υδρογόνου μετακινείται ανάμεσά τους για να διαχωρίσει τους ελεύθερους δεσμούς (dangling bonds). Υπάρχουν πολλά ανοιχτά 35

36 ερωτηματικά για την φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση του άμορφου πυριτίου και νέα μοντέλα έχουν προταθεί. Η διάλυση με υδρογόνο είναι η πιο αποδοτική μέθοδος για την βελτίωση της φωτοεπαγόμενης υποβάθμισης. Αφού η διάλυση με υδρογόνο βελτιώνει την τάξη στο υλικό, και η επίδραση Staebler Wronski παρατηρείται μόνο στα άμορφα υλικά, είναι λογικό να υποθέτει κανείς ότι η διάλυση με υδρογόνο θα μειώνει την υποβάθμιση του υλικού. 36

37 4 Μικροκρυσταλλικό πυρίτιο (μc-si:h) Τα χαρακτηριστικά ενός Φβ στοιχείου δομής p-i-n αναφέρθηκαν για πρώτη φορά από το πανεπιστήμιο Neuchatel. Αντίθετα με το άμορφο πυρίτιο, το μικροκρυσταλλικό πυρίτιο δεν υποβαθμίζεται όταν εκτίθεται στο φως. Οι πρώτες αναφορές στα χαρακτηριστικά ενός n-i-p στοιχείου έγιναν από τον ερευνητικό τομέα της Kaneka PV. Τα φβ αυτά στοιχεία είχαν απόδοση 10.1% για πάχος φιλμ 2μm (1cm 2 ). 4.1 Δομή Το υδρογονοποιημένο μικροκρυσταλλικό πυρίτιο όπως εναποτίθεται με PECVD με ένα μίγμα σιλανίου και υδρογόνου είναι ένα υλικό μικτής φάσης που περιέχει κρυσταλλικό πυρίτιο (με συμπλέγματα μικρών μικροκρυστάλλων), άμορφο πυρίτιο και κενούς χώρους (voids) που στην πραγματικότητα είναι περιοχές με μικρότερη πυκνότητα. Μεταβάλλοντας την περιεκτικότητα σε υδρογόνο σε σχέση με το σιλάνιο R=[H 2 ]/[SiH 4 ] κατά την εναπόθεση πλάσματος, μπορούν να προκύψουν αρκετοί διαφορετικοί τύποι υλικού: Για μικρές τιμές R προκύπτει φιλμ άμορφου πυριτίου. Για λίγο μεγαλύτερες τιμές του R προκύπτουν υμένια με κυρίως άμορφο χαρακτήρα αλλά και με μικρή συγκέντρωση μικροσκοπικών κρυσταλλιτών Αυξάνοντας περαιτέρω την περιεκτικότητα σε υδρογόνο προκύπτουν φιλμ πυριτίου με 50% μικροκρυσταλλικό χαρακτήρα και 50% άμορφο Για πολύ υψηλές τιμές της παραμέτρου R οι επιστρώσεις έχουν κρυσταλλικό χαρακτήρα και μεγάλη συγκέντρωση κενών και ατελειών, δηλαδή προκύπτει κρυσταλλικό πορώδες υλικό. Η τιμή R στην οποία ξεκινά η εναπόθεση μικροκρυσταλλικού πυριτίου εξαρτάται από τις παραμέτρους εναπόθεσης όπως η συχνότητα πλάσματος, η θερμοκρασία του υποστρώματος και η πίεση μέσα στον θάλαμο. Οι περισσότερες ατέλειες, που λειτουργούν σαν κέντρα επανασύνδεσης βρίσκονται στα σύνορα μεταξύ μικροκρυστάλλων και συμπλεγμάτων κρυσταλλιτών. Επίσης υποστηρίζεται ότι οι ατέλειες αυτές αδρανοποιούνται με την άμορφη φάση του πυριτίου. Για αυτό το λόγο στα ενδογενή στρώματα των p-i-n ή n-i-p φβ μc-si:h αποτελούνται μόνο κατά 50% από μικροκρυσταλλική φάση. Στο φιλμ μικροκρυσταλλικού πυριτίου δεν υπάρχει ομοιογένεια στην κατεύθυνση ανάπτυξης του υλικού, όπως παρατηρείται από εικόνες TEM και AFM (Atomic Force Microscopy). Η ανάπτυξη ξεκινά με μια άμορφη ζώνη, που ακολουθείται από ένα 37

38 στρώμα με ανάμικτη άμορφη και μικροκρυσταλλική φάση. Τέλος εμφανίζονται δομές κωνικού σχήματος που περιέχουν μεγάλο αριθμό νανοκρυσταλλιτών. Όσο αυξάνεται το πάχος του φιλμ μεγαλώνει και το μέγεθος των μικροκρυστάλλων. Εικόνα 4.1 Σχηματική αναπαράσταση της ανάπτυξης του στρώματος μc-si:h με διαφορετικές τιμές διάλυσης με υδρογόνο του αρχικού αερίου. Οι σκιασμένες περιοχές είναι οι κρυσταλλίτες. [9] Ο πιο βολικός τρόπος για να μελετηθεί η κρυσταλλικότητα των μc-si:h. υμενίων είναι η φασματοσκοπία Raman. Με αυτήν την τεχνική ερευνάται η δομή του υλικού όσον αφορά τους δεσμούς αφού μελετάται η αλληλεπίδραση μονοχρωματικής εισερχόμενης ακτινοβολίας με τις ταλαντώσεις των φωνονίων του υλικού. Έτσι η ενέργεια των εισερχόμενων φωτονίων μεταβάλλεται από τις ταλαντώσεις των φωνονίων που παίρνουν μέρος την αλληλεπίδραση. Το πλάτος του σκεδαζόμενου φωτός μετράται σαν συνάρτηση αυτής της «μετακίνησης» της ενέργειας των φωτονίων. Έτσι χρησιμοποιείται σαν μονάδα μέτρησης ο κυματαριθμός ο οποίος είναι το αντίστροφο του μήκους κύματος. Η μετατροπή της ενέργειας Ε των φωτονίων, του μήκους κύματος λ, και του κυματαριθμού ν είναι: E[eV]=1.24/λ[μm]=1.24*10-4 *ν [cm -1 ] Το κρυσταλλικό πυρίτιο έχει μια λεπτή κορυφή στα 520 cm -1 και λόγω των ατελειών του υλικού υπάρχει και μια ουρά μεταξύ 500 με 510 cm -1. Το άμορφο πυρίτιο από την άλλη έχει ένα ευρύ σήμα Raman με κέντρο τα 480 cm -1. Με κατάλληλη ανάλυση του φάσματος Raman, μπορεί να προσδιοριστεί η ένταση του σήματος I C από τη συνεισφορά της κρυσταλλικής φάσης καθώς και η ένταση I A του σήματος λόγω της συνεισφοράς της άμορφης φάσης του υλικού. ο λόγος I C /(I C + I A ) είναι μια ένδειξη του κλάσματος του κρυσταλλικού υλικού και ονομάζεται κρυσταλλικότητα Raman. Είναι γενικά δύσκολο να καθοριστεί ο ακριβής όγκος της κρυσταλλικής ή άμορφης 38

39 φάσης του υλικού έτσι η κρυσταλλικότητα Raman χρησιμοποιείται γενικότερα για τη βελτιστοποίηση των μc-si:h υμενίων για τη χρήση τους σε φωτοβολταϊκά στοιχεία. Τα καλύτερα φβ στοιχεία προκύπτουν με τιμή της κρυσταλλικότητας Raman γύρω στο 50% με 60%. Εικόνα 4.2 Τυπικό φάσμα με συνήθες φασματόμετρο Raman που δείχνει την μετρούμενη παράμετρο σκέδασης ενός μικροκρυσταλλικού δείγματος.[10] 4.2 Οπτική απορρόφηση, ενεργειακό χάσμα και ατέλειες, Συγκρινόμενο με το ενδογενές άμορφο πυρίτιο, το ενδογενές μc-si:h έχει σημαντικές διαφορές. Το ενεργειακό χάσμα είναι 1.1eV, δηλαδή παρόμοιο με το κρυσταλλικό πυρίτιο, και σχετίζεται με την κρυσταλλική φάση του υλικού. Επιπλέον οι ουρές των ορίων των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας είναι πολύ ασθενέστερες από ότι στο άμορφο πυρίτιο και δεν παίζουν σημαντικό ρόλο οπότε Φβ στοιχεία p-in μπορούν να φωτιστούν και από τις δύο μεριές με παρόμοια αποτελέσματα. Είναι πολύ σημαντικό ότι στο μικροκρυσταλλικό πυρίτιο είναι πολύ ασθενέστερη η φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση που υπάρχει στο άμορφο πυρίτιο. Στα Φβ στοιχεία μc-si μετά από την καθιερωμένη διαδικασία έκθεσης στο φως (light soaking procedure) η σχετική υποβάθμιση της απόδοσης των μc-si:η φβ στοιχείων 0.5 μm πάχους είναι μόνο 5% ενώ για τα φβ άμορφου πυριτίου είναι 20%. Πολύ μικρότερη 39

40 είναι και η αύξηση των ατελειών μετά από αυτή την διαδικασία σε σχέση με το άμορφο πυρίτιο. Το μικροκρυσταλλικό πυρίτιο έχει έμμεσο ενεργειακό χάσμα, δηλαδή για την απορρόφηση ενός φωτονίου απαιτείται και ένα φωνόνιο. Σαν αποτέλεσμα λιγότερα φωτόνια απορροφούνται και λιγότερα ζεύγη οπών, ηλεκτρονίων δημιουργούνται. Από την άλλη στο άμορφο πυρίτιο ο κανόνας αυτός είναι λιγότερο αυστηρός λόγω της μεγάλης αταξίας στη δομή. Σαν αποτέλεσμα τα φιλμ μc-si:h πρέπει να είναι αρκετά παχύτερα από αυτά των a-si:h για να απορροφήσουν την προσπίπτουσα ακτινοβολία. Εικόνα 4.3 Ο συντελεστής απορρόφησης σε λογαριθμική κλίμακα συναρτήσει της ενέργειας του προσπίπτοντος φωτονίου για άμορφο, κρυσταλλικό και μικροκρυσταλλικό πυρίτιο. [11] Όπως παρατηρείται και στην παραπάνω γραφική παράσταση η καμπύλη απορρόφησης του μc-si:η είναι παρόμοια με αυτήν του c-si, με μια μετατόπιση προς τα πάνω. Η μετατόπιση αυτή οφείλεται κυρίως στην σκέδαση του φωτός πάνω στην τραχειά επιφάνεια του μc-si:η υμενίου και πιθανόν και στην απορρόφηση της άμορφης φάσης του υλικού, ιδίως στην περιοχή με E ph > 1.8eV. 40

41 4.3 Ρόλος του υποστρώματος του μc-si:h Όταν η εναπόθεση γίνεται πάνω σε γυαλί, το στρώμα μc-si:h ξεκινά με φάση άμορφου πυριτίου και στη συνέχεια ξεκινά ο σχηματισμός συμπλεγμάτων κρυσταλλιτών. Μέσα σε ένα Φβ στοιχείο μc-si:h η κατάσταση είναι ακόμα πιο περίπλοκη, αφού το ενδογενές μc-si:h εναποτίθεται πάνω σε τύπου-p ή τύπου-n μικροκρυσταλλικό στρώμα και το αρχικό αυτό στρώμα με τις προσμίξεις πάνω σε ένα τραχύ υπόστρωμα. Στην πραγματικότητα για να αποφεύγεται ο σχηματισμός άμορφης αρχικής φάσης, γεγονός το οποίο μειώνει την απόδοση του φβ στοιχείου, η εναπόθεση ξεκινά με μεγάλη περιεκτικότητα του αερίου σε υδρογόνο (μεγάλη τιμή της παραμέτρου R). Η χημική φύση του υποστρώματος μπορεί να παίξει ρόλο, αφού καθορίζει την εκκίνηση της πυρηνοποίησης, (nucleation) με την οποία ξεκινά η μετάβαση του υλικού από την άμορφη στην μικροκρυσταλλική φάση, και η κωνική ανάπτυξη των μικροκρυστάλλων [13]. Ωστόσο, η πυρηνοποίηση μπορεί να ελεγχθεί από τις συνθήκες εναπόθεσης και μειώνεται έτσι ο ρόλος της χημικής φύσης του υποστρώματος, αν και δεν εξαλείφεται τελείως. Εικόνα 4.4 Η ανάπτυξη μc-si:h με το φαινόμενο της πυρηνοποίησης. Στο αριστερό σχήμα οι γκρι περιοχές είναι η άμορφη φάση του υλικού, οι κουκίδες τα σημεία που ξεκινά η πυρηνοποίηση με την εκκίνηση της μικροκρυσταλλικής φάσης και στη συνέχεια στη λευκή περιοχή αναπτύσσονται οι κώνοι. Δεξια μια μικρογραφία ΤΕΜ μc-si:h που έχει εναποτεθεί πάνω σε ZNO.[13] Ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο παίζει η μορφολογία του υποστρώματος πάνω στο οποίο γίνεται η εναπόθεση. Για λόγους σωστής παγίδευσης του φωτός (light traping) το υπόστρωμα το οποίο είναι συνήθως κάποιο TCO (διαφανές αγώγιμο οξείδιο - Transparent Conductive Oxide και δεν έχει επίπεδη επιφάνεια αλλά μάλλον τραχύτερη. Το πόσο αυξημένη είναι η τραχύτητα όμως επηρεάζει στη συνέχεια τη δομή του μc-si:h που εναποτίθεται πάνω του και για πιο μεγάλες τιμές τραχύτητας 41

42 δημιουργούνται σημαντικές ατέλειες στο υλικό με τη μορφή λωρίδων χαμηλής πυκνότητας. Οι ατέλειες αυτές επηρεάζουν σημαντικά την ποιότητα του Φβ στοιχείου και ειδικότερα την V OC [14]. Οι ατέλειες δημιουργούν βραχυκυκλώσεις (shunt resistance) και είναι συνήθη αυτά τα προβλήματα τέτοιων ατελειών σε Φβ μc-si:h σε σχέση με άλλες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών. Αν ο FF και η V OC δείχνουν μια δραστική μείωση όταν η ένταση του φωτός είναι μειωμένη, αυτό είναι μια ένδειξη ότι υπάρχουν τέτοιες ατέλειες [11]. Εικόνα 4.5 Αριστερά εναπόθεση μc-si:h πάνω σε επιφάνεια με μεγάλη τραχύτητα, με ορατη την λωρίδα χαμηλής πυκνότητας. Δεξιά εναπόθεση πάνω σε επίπεδη επιφάνεια.[14] Τελικά γίνεται ένας συμβιβασμός για την τραχύτητα του υποστρώματος (TCO) ώστε το υλικό να μην έχει σημαντικές ατέλειες και η παγίδευση φωτός να είναι ικανοποιητική. Για να μην εμφανίζονται οι λωρίδες χαμηλής πυκνότητας στο μc-si:h έχει αποδειχτεί ότι οι γωνίες των ανοιγμάτων του υποστρώματος πρέπει να είναι μεγαλύτερες από 120 ο [14] για τα πιο συνηθισμένα υποστρώματα πάνω στα οποία εναποτίθεται το μc-si:h, όπως ZnO και SiO 2. Ωστόσο φυσικά σημαντικό ρόλο παίζουν πάντα και οι συνθήκες εναπόθεσης. Εικόνα 4.6 Συσχετισμός μεταξύ των γωνιών ανοίγματος της τραχείας επιφάνειας Ag/ZnO και του μήκους των λωρίδων χαμηλής πυκνότητας. [14] 42

43 4.4 Νόθευση Προσθέτοντας PH 4 (phosphine), B 2 H 6 (diborane) ή B(CH 3 ) 3 (trimethlyboron) στο σιλάνιο μαζί με υδρογόνο στο θάλαμο εναπόθεσης, τα στρώματα μc-si:h μπορούν να νοθευτούν με τον ίδιο τρόπο όπως τα στρώματα άμορφου πυριτίου [7]. Αντίθετα με το a-si:h όμως δεν παρατηρείται δημιουργία νέων ατελειών στις ενδιάμεσες καταστάσεις του χάσματος. Σαν αποτέλεσμα τα επίπεδα Fermi Ε F μπορούν να μετακινηθούν πολύ κοντά στις άκρες των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας ώστε να προκύψουν μεγαλύτερες τιμές αγωγιμότητας σε σχέση με τα στρώματα a-si:h. Έτσι τα καλύτερα φβ στοιχεία μc-si:h έχουν τιμές V OC μεγαλύτερες από 600mV, τιμή η οποία δεν απέχει πολύ από το θεωρητικό όριο. 4.5 Ανεπιθύμητες προσμίξεις Μη νοθευμένα στρώματα μc-si:h με συγκεντρώσεις οξυγόνου πάνω από cm -3 γενικά δείχνουν έντονο χαρακτήρα n-τύπου υλικού. Κάτω από συνήθεις συνθήκες εναπόθεσης η συγκέντρωση του οξυγόνου πρέπει να είναι κάτω από 2x10 18 cm -3 ώστε να προκύπτουν πραγματικά ενδογενή στρώματα [7]. Τα ενδογενή στρώματα με χαμηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο προσδίδουν στα φβ στοιχεία μc-si:h υψηλή απόδοση και ευρεία φασματική απόκριση. Η χαμηλή αυτή περιεκτικότητα σε οξυγόνο είναι αναγκαία για να βελτιώνεται η ποιότητα των φβ στοιχείων [12]. Για να προκύψουν φιλμ με χαμηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο πρέπει είτε να χρησιμοποιηθεί καθαριστής των αερίων (gas purifier) ή τα αρχικά αέρια να έχουν μεγάλη καθαρότητα. Όταν η εναπόθεση γίνεται σε χαμηλές θερμοκρασίες οι προσμίξεις οξυγόνου δεν έχουν τόσο ενεργό ρόλο, ωστόσο για την κατασκευή των ποιοτικότερων μc-si:h χρησιμοποιούνται υψηλές θερμοκρασίες, ιδιαίτερα στην περίπτωση κατασκευής των micromorph στοιχείων. Οι προσμίξεις αζώτου παίζουν τον ίδιο ρόλο με το οξυγόνο. 43

44 44

45 5 Λειτουργία φωτοβολταϊκών στοιχείων λεπτών φιλμ πυριτίου Αν και η κυριαρχούσα τεχνολογία φωτοβολταϊκών είναι το κρυσταλλικό πυρίτιο, η τεχνολογία των λεπτών φιλμ έχει τα τελευταία χρόνια αυξήσει το μερίδιό της στην αγορά έχοντας φτάσει περίπου το 10% της αγοράς. Η τεχνολογία των λεπτών φιλμ είχε ιδιαίτερα σημαντική αύξηση από το 2004 έως το 2009 όπου η παραγωγή πλαισίων από 68MW έφτασε το 2009 τα 2GW έχοντας καταλάβει το 18% της αγοράς [15]. Ωστόσο η πτώση των τιμών των φωτοβολταϊκών πλαισίων κρυσταλλικού πυριτίου από το 2010 περιόρισε την ανάπτυξη της τεχνολογίας των Φβ λεπτών φιλμ στο 10% το Από την άλλη, υπάρχει ακόμα σημαντικό ενδιαφέρον και ανάπτυξη στην τεχνολογία αυτή, μιας και το 2012 έγιναν συνολικές επενδύσεις ύψους $300 εκατομμυρίων και πολλές εταιρίες να σκοπεύουν να κάνουν νέες επενδύσεις στον τομέα αυτό. Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών λεπτών φιλμ έχει ορισμένα ιδιαίτερα σημαντικά πλεονεκτήματα. Η κατασκευή των πλαισίων απαιτεί σημαντικά μικρότερη ποσότητα πυριτίου από τα Φβ πλαίσια κρυσταλλικού πυριτίου. Αυτός είναι ο λόγος που η τεχνολογία των λεπτών φιλμ είχε ιδιαίτερη ανάπτυξη εως το 2010, μιας και η τιμή του πυριτίου για ηλιακές εφαρμογές είχε μια αύξηση την περίοδο εκείνη [16]. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των Φβ λεπτών φιλμ πυριτίου είναι ότι υπάρχει δυνατότητα να κατασκευάζονται τα φωτοβολταϊκά πλαίσια με μια μόνο γραμμή παραγωγής, χωρίς να μεσολαβούν άλλες διαδικασίες εκτός γραμμής. Η παραγωγή λεπτών φιλμ πυριτίου επίσης είναι λιγότερο ενεργοβόρα από τις συμβατικές τεχνολογίες. Η έρευνα πάνω σε αυτή την τεχνολογία αναμένεται να οδηγήσει και σε περαιτέρω μείωση του κόστους καθώς και στην μικρή αύξηση της απόδοσης ώστε η εν λόγω τεχνολογία να είναι ακόμα πιο ανταγωνιστική στην παγκόσμια αγορά. 5.1 Εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο Φβ στοιχείων λεπτών φιλμ πυριτίου Μεγάλη σημασία στη σωστή λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου έχει το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο [12]. Η μεγάλη πλειοψηφία των φωτοβολταϊκών διατάξεων βασίζονται σε μια επαφή p-n. Οι οπές και τα ηλεκτρόνια διαχωρίζονται όπως είδαμε παραπάνω από την επίδραση ενός εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται στην περιοχή απογύμνωσης. Οι φωτοεπαγόμενοι φορείς διαχέονται μέχρι την περιοχή απογύμνωσης, ανάμεσα από τις περιοχές τύπου p και τύπου n, 45

46 και στην συνέχεια διαχωρίζονται από το ηλεκτρικό πεδίο που επικρατεί εκεί. Όσο τα μήκη διάχυσης είναι επαρκώς υψηλά μεγαλύτερα από το πάχος του φβ στοιχείου οι απώλειες συλλογής των φορέων παραμένουν μικρές και το Φβ στοιχείο λειτουργεί φυσιολογικά. Στα Φβ στοιχεία λεπτών φιλμ ωστόσο τα μήκη διάχυσης είναι γενικά μικρά, μικρότερα ακόμα και από το πάχος των φιλμ. Επομένως η διάχυση δεν είναι επαρκής για να διασφαλιστεί η μεταφορά και συλλογή των φωτοεπαγόμενων φορέων. Επομένως είναι αναγκαίο να χρησιμοποιηθεί το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο για να βοηθήσει στην μεταφορά των φορέων. Αυτό είναι δυνατό με την διάταξη p-i-n (ή n-i-p) όπου το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο επεκτείνεται σε κάθε σημείο του ενδογενούς στρώματος i και ελέγχει τον διαχωρισμό και την μεταφορά των φορέων. Στο παρακάτω σχήμα μπορούμε να δούμε τη μορφή του εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου E(x) μιας διάταξης p-i-n σε σχέση με μια επαφή p-n. Λόγω της επίδρασης του εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου στην i περιοχή, η μεταφορά των φωτοεπαγόμενων φορέων βασίζεται στο μήκος επιτάχυνσης (drift length) L DRIFT και για τα ηλεκτρόνια και για τις οπές. Για τα λεπτά φιλμ πυριτίου ισχύει γενικά ότι για κάποια τιμή του εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου το μήκος κίνησης είναι περίπου ίδιο και για τα δύο είδη φορέων (ηλεκτρόνια και οπές). Επίσης, σε συνθήκες βραχυκυκλώματος το μήκος κίνησης (drift length) είναι περίπου 10 φορές μεγαλύτερο από το μήκος διάχυσης φορέων μειονότητας. Επομένως η διάταξη p-i-n είναι ιδανική για φιλμ a-si:h και μc-si:h. Στα υλικά αυτά το μήκος διάχυσης των φορέων μειονότητας θα ήταν πολύ μικρό, μικρότερο και από το πάχος της περιοχής i. Εικόνα 5.1 Εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο E int (x), για επαφές a) p-i-n τύπου και b) p-n τύπου. E int είναι το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο για μηδενική εξωτερική τάση, E ext το επιπλέον ηλεκτρικό πεδίο λόγω εξωτερικής εφαρμοζόμενης τάσης και DL είναι η περιοχή απογύμνωσης (depletion layer). Το ηλεκτρικό πεδίο διαχωρίζει τα ηλεκτρόνια από τις οπές και σπρώχνει τις οπές προς την p περιοχή και τα ηλεκτρόνια προς την n περιοχή, όπου συλλέγονται. [7] 46

47 Για την βέλτιστη επίδοση φβ στοιχείων a-si:h με διάταξη p-i-n η ακτινοβολία πρέπει να εισέρχεται από το στρώμα της p περιοχής του φιλμ. Αυτό ισχύει διότι (όπως είδαμε και σε προηγούμενο κεφάλαιο) το παγιδευμένο φορτίο το οποίο παραμορφώνει το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο στην ουρά της ζώνης σθένους του άμορφου πυριτίου μπορεί να παραμείνει επαρκώς μικρό. Στα Φβ στοιχεία μc-si:h θα ήταν δυνατό να εισέρχεται η απορροφούμενη ακτινοβολία από την n περιοχή. Ωστόσο το μc-si:h δεν χρησιμοποιείται μόνο του σαν υλικό για την κατασκευή Φβ στοιχείων αλλά σε συνδυασμό με a-si:h οπότε υιοθετείται και η ίδια διάταξη. Το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο στο i στρώμα μπορεί να παραμορφωθεί και να μειωθεί από επιπλέον φορτία τα οποία εμφανίζονται για περισσότερους από έναν λόγους. Στην i περιοχή μπορεί να υπάρχουν ιονισμένα άτομα από τα άτομα των προσμίξεων των περιοχών p και n (κυρίως άτομα προσμίξεων από το νοθευμένο στρώμα που εναποτίθεται πριν το ενδογενές στρώμα) π.χ. άτομα βορίου [17]. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να αποφευχθεί χρησιμοποιώντας συστήματα εναπόθεσης πολλαπλών θαλάμων ή άλλα προληπτικά μέτρα (καθαρισμός θαλάμου μετά την εναπόθεση των νοθευμένων στρωμάτων). Επίσης, ιδιαίτερα στην περίπτωση του μικροκρυσταλλικού πυριτίου, στην περιοχή i μπορεί να υπάρχουν ιονισμένα άτομα οξυγόνου ή αζώτου τα οποία λειτουργούν ως προσμίξεις και επίσης παραμορφώνουν το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο. Παράγοντες παραμόρφωσης είναι επίσης ιονισμένοι ελεύθεροι δεσμοί αμόρφου πυριτίου (dangling bonds) και παγιδευμένα φορτία στις ουρές του ενεργειακού χάσματος άμορφου πυριτίου (κυρίως οπές στην ουρά της ζώνης σθένους). Για όλες τις διατάξεις Φβ λεπτών φιλμ πυριτίου είναι ιδιαίτερα σημαντικό να υπάρχει ένα ισχυρό εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο και να αποφεύγεται όσο είναι δυνατόν η μείωσή του και η παραμόρφωσή του. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δίνεται στην διαδικασία εναπόθεσης των φιλμ και γενικά στην κατασκευή των φωτοβολταϊκών στοιχείων λεπτών φιλμ πυριτίου ώστε να αποφεύγονται όσο είναι δυνατόν οι αρνητικοί παράγοντες που περιγράφησαν παραπάνω. 5.2 Επανασύνδεση και συλλογή φορέων Στα φωτοβολταϊκά στοιχεία αμόρφου πυριτίου, ένα μεγάλο κομμάτι της επανασύνδεσης λαμβάνει χώρα στο στρώμα της i περιοχής λόγω των ελεύθερων δεσμών που δρουν σαν κέντρα επανασύνδεσης και σε αυτή την επανασύνδεση παίρνουν κυρίως μέρος οι ουδέτεροι ελεύθεροι δεσμοί. Το ίδιο ισχύει περίπου και 47

48 για το μικροκρυσταλλικό πυρίτιο. Σημαντικό ρόλο και στα δύο υλικά παίζει και η επανασύνδεση φορέων στις διεπιφάνειες p-i και i-n, αφού σε αυτήν την περίπτωση στην επανασύνδεση παίρνουν μέρος και φορτισμένοι (ιονισμένοι) ελεύθεροι δεσμοί. Η πυκνότητά τους στις διεπιφάνειες μπορεί να είναι σημαντικά μεγαλύτερη σε σχέση με αυτή των ελεύθερων δεσμών στην i περιοχή. Στην περίπτωση του a-si:h τέτοια προβλήματα διεπιφανειων προκύπτουν κυρίων από άτομα προσμίξεων των νοθευμένων περιοχών που διαχέονται στο μέρος της i περιοχής κατά την διαδικασία εναπόθεσης. Για το μικροκρυσταλλικό πυρίτιο υπάρχει και το επιπλέον πρόβλημα της ανάπτυξης της κρυσταλλικής δομής κατά την εναπόθεση. Στην αρχή της εναπόθεσης το υλικό είναι χαμηλής ποιότητας και σε ακραίες περιπτώσεις μπορεί να τείνει να είναι και άμορφο. Για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία a-si:h η πυκνότητα των ελεύθερων δεσμών αυξάνεται σημαντικά από την φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση (φαινόμενο Staebler Wronski). Αν το πάχος της i περιοχής διατηρηθεί πολύ μικρό (200 με 300nm) καθώς και με κάποιες επιπλέον προληπτικές ενέργειες που είδαμε σε προηγούμενο κεφάλαιο, μπορούν να μπορεί να διατηρηθεί χαμηλή η φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση. Εν τέλει, μπορούν να κατασκευαστούν φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου με απώλειες απόδοσης μόνο 10% με 20%. Αν το φαινόμενο της επανασύνδεσης στα φβ στοιχείο λεπτών φιλμ είναι εκτενές, η μη αποδοτική λειτουργία στην συλλογή φορέων μπορεί να ανιχνευθεί από τον μειωμένο παράγοντα πλήρωσης (Fill Factor) και από την καμπύλη φασματικής απόκρισης/κβαντικής απόδοσης (EQE) η οποία θα απέχει από την βέλτιστη. Είναι ιδιαίτερα εποικοδομητικό να γίνει σύγκριση μεταξύ δύο διαφορετιών καμπύλων κβαντικής απόδοσης: η πρώτη καμπύλη χωρίς εφαρμοζόμενη τάση και η δεύτερη με μια μικρή εφαρμοζόμενη ανάστροφη τάση -1 με -2 V στο φβ στοιχείο. Αν οι καμπύλες δεν διαφέρουν σημαντικά, το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο είναι επαρκές για την συλλογή σχεδόν όλων των φωτοεπαγόμενων φορέων. Αν ωστόσο οι καμπύλες διαφέρουν, τότε υπάρχουν προβλήματα συλλογής των φορέων και το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο πρέπει να αυξηθεί για να βελτιωθεί η συλλογή των φορέων. Αν οι διαφορές εντοπίζονται στα μικρά μήκη κύματος, αυτό σημαίνει ότι το πρόβλημα υπάρχει στην περιοχή της διεπιφάνειας p-i, δηλαδή στην πλευρά από όπου εισέρχεται η ακτινοβολία. Αν διαφορές παρατηρούνται στα μεγαλύτερα μήκη κύματος, τότε το πρόβλημα εντοπίζεται στο κύριο μέρος της περιοχής του i στρώματος. Ένα παράδειγμα διάγνωσης προβλημάτων συλλογής φορέων για ένα Φβ στοιχείο μc-si:h φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα. Οι μετρήσεις φασματικής απόκρισης και κβαντικής απόδοσης είναι ένα σημαντικό εργαλείο διάγνωσης προβλημάτων των φβ στοιχείων λεπτών φιλμ. 48

49 Εικόνα 5.2 Καμπύλες κβαντικής απόδοσης μικροκρυσταλλικού πυριτίου με προβλήματα συλλογής φορέων [7]. 5.3 Προβλήματα βραχυκυκλωμάτων (Shunts) Στα φωτοβολταϊκά στοιχεία και πλαίσια λεπτών φιλμ, τα βραχυκυκλώματα εντός του υλικού (shunts) είναι ένα συχνό πρόβλημα. Αυτά τα μικροβραχυκυκλώματα έχουν σαν αποτέλεσμα την μείωση του Fill Factor ακόμη και στις πρότυπες συνθήκες των 1000 W/m 2. Για να ξεχωρίσουμε τα παραπάνω προβλήματα από προβλήματα συλλογής φορέων πρέπει να γίνουν μετρήσεις της χαρακτηριστικής καμπύλης J-V του στοιχείου ή πλαισίου σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού. Αν υπάρχει σημαντική περαιτέρω μείωση του FF καθώς η προσπίπτουσα ακτινοβολία μειώνεται σε κάτω από 100 W/m 2 τότε αντιμετωπίζουμε πρόβλημα βραχυκυκλώματος και όχι επανασύνδεσης φορέων [11]. Τα προβλήματα βραχυκυκλωμάτων στα φβ στοιχεία λεπτών φιλμ προέρχονται από τη διαδικασία κατασκευής. Σωματίδια μπορεί να έχουν εναποτεθεί πάνω στο υπόστρωμα ή μέσα στο ίδιο το φιλμ κατα τη διάρκεια της εναπόθεσης, λόγω μη απόλυτα καθαρού περιβάλλοντος ή λόγω δημιουργίας σκόνης (powder) κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης (απότέλεσμα χημικών αντιδράσεων μέσα στο θάλαμο εναπόθεσης). Όταν στη συνέχεια τα σωματίδια αυτά απομακρύνονται, στη θέση τους μένει ένα κενό το οποίο θα έχει ως αποτέλεσμα ένα σημείο βραχυλύκλωσης όταν θα εναποτεθεί το τελικό στρώμα, το οποίο όμως θα βρίσκεται σε επαφή με το υπόστρωμα σε αυτό το σημείο. Βραχυκυκλώματα προκύπτουν και κατά της μηχανικές διαδικασίες της γραμμής παραγωγής (όπως η κοπή των στοιχείων) καθώς και κατά της χάραξη με laser για να τοποθετηθούν τα ηλεκτρόδια. Επίσης, κατά την εναπόθεση μικροκρυσταλλικού 49

50 πυριτίου είναι σύνηθες πρόβλημα να δημιουργούνται ρωγμές στο υλικό (cracks) οι οποίες οδηγούν σε βραχυκυκλώματα [18]. Όπως είδαμε σε προηγούμενο κεφάλαιο, οι ρωγμές προκύπτουν όταν το υπόστρωμα είναι ιδιαίτερα τραχύ (όπως στο παρακάτω σχήμα) ή οι παράμετροι της εναπόθεσης δεν είναι σωστοί. Εικόνα 5.3 Ρωγμές σε στρώμα μικροκρυσταλλικού πυριτίου το οποίο έχει εναποτεθεί σε επιφάνεια με κοιλάδες σε σχήμα V. Οι ρωγμές αυτές δημιουργούν βραχυκυκλώματα (shunts) στο φωτοβολταϊκό στοιχείο. [18] 5.4 Αντίσταση σε σειρά (series resistance) Στα φωτοβολταϊκά στοιχεία και πλαίσια λεπτών φιλμ οι ηλεκτρικές επαφές κατασκευάζονται στο μπροστά και στο πίσω στρώμα. Γενικά η επαφή στην μπροστινή πλευρά (στην πλευρά από όπου εισέρχεται η ακτινοβολία) γίνεται με κάποιον διαφανή αγωγό (TCO). Έτσι πρέπει να ερευνηθεί ένας συμβιβασμός μεταξύ οπτικών και ηλεκτρικών απαιτήσεων. Αν το στρώμα TCO κατασκευαστεί αρκετά λεπτό για να υπάρχει μικρή οπτική απορρόφηση, τότε θα έχει επίσης υψηλή αντίσταση και θα συνεισφέρει σημαντικά στην συνολική αντίσταση σε σειρά. Αν το στρώμα TCO είναι αρκετά παχύ, τότε θα έχει μεγάλη οπτική απορρόφηση που σημαίνει λιγότεροι φωτοεπαγόμενοι φορείς. Το πάχος του στρώματος της επαφής της πίσω πλευράς της διάταξης δεν παίζει τόσο σημαντικό ρόλο μιας και τις περισσότερες φορές είναι στρώματα μετάλλων υψηλής αγωγιμότητας ή στρώματα TCO μεγαλύτερου πάχους για χαμηλή αντίσταση, με επιπλέον ανακλαστικά στρώματα [7]. 50

51 Για να διατηρηθεί σε χαμηλά επίπεδα η αντίσταση σε σειρά πρέπει για αρχή να χρησιμοποιηθεί ένα στρώμα TCO με χαμηλή τιμή εσωτερικής αντίστασης. Επίσης το πλάτος μεταξύ του κάθε στοιχείου στο πλαίσιο πρέπει να διατηρηθεί ιδιαίτερα μικρό για να διατηρηθεί χαμηλή και η αντίσταση. Ωστόσο και εδώ γίνεται ένας συμβιβασμός μεταξύ απώλειας ενεργής επιφάνειας και ηλεκτρικών απωλειών που καταλήγει στο βέλτιστο πλάτος ώστε οι συνολικές απώλειες να είναι ελάχιστες. Για Φβ στοιχεία με υψηλή τιμή ρεύματος και χαμηλή τιμή τάσης (π.χ. μικροκρυσταλλικού πυριτίου) η σχετική απώλεια ισχύος θα είναι μεγαλύτερη λόγω αντίστασης σε σειρά. Αντίθετα, στα Φβ πολυεπαφών οι απώλειες είναι μικρότερες μιας και η σύνδεση των αντιστάσεων του κάθε στρώματος σε σειρά οδηγεί σε μεγαλύτερη τιμή τάσης και χαμηλότερη τιμή ρεύματος. Υπάρχουν επίσης και άλλοι λόγοι υψηλής τιμής της αντίστασης σε σειρά στα φβ στοιχεία λεπτών φιλμ. Τέτοιοι μπορεί να είναι η μη σωστή νόθευση των στρωμάτων p και n, προβλήματα επαφής μεταξύ του στρώματος TCO (το οποίο είναι συνήθως n τύπου) και του παρακείμενου p στρώματος. Αν το Φβ στοιχείο ή πλαίσιο είναι σωστά σχεδιασμένο και κατασκευασμένο η αντίσταση σε σειρά δεν θα επηρεάζει σημαντικά τον FF. Ωστόσο αν καθώς μειώνεται η ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας αυξάνεται ο FF, τότε η αντίσταση σε σειρά παίζει σημαντικότερο ρόλο στις απώλειες. 5.5 Παγίδευση φωτός (light trapping) Στα φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτών φιλμ πυριτίου είναι σημαντικό να περιοριστεί το πάχος του στρώματος i (και γενικά του φιλμ) ώστε να διατηρείται αρκετά υψηλό το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο για αποτελεσματική συλλογή φορέων. Αν το πάχος του στοιχείου ήταν μεγαλύτερο η απορρόφηση θα ήταν επίσης μεγαλύτερη όμως θα υπήρχαν σημαντικά μειονεκτήματα. Στο άμορφο πυρίτιο θα ήταν μεγαλύτερη η φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση ενώ στο μικροκρυσταλλικό πυρίτιο θα έπρεπε να αυξηθεί ο χρόνος εναπόθεσης και συνεπώς το κόστος παραγωγής. Για να απορροφήσει επομένως ένα λεπτό φιλμ πυριτίου επαρκή ποσότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας πρέπει να αυξηθεί ο οπτικός δρόμος μέσα στο στρώμα i. Με τη χρήση ενός ανακλαστικού στρώματος στην πίσω επιφάνεια της διάταξης (back reflector) μπορούμε να διπλασιάσουμε τον οπτικό δρόμο. Με ανεπτυγμένες τεχνικές σκέδασης της ακτινοβολίας (πολλαπλές ανακλάσεις μέσα στο υλικό) μπορούμε να αυξήσουμε ακόμα περισσότερο τον οπτικό δρόμο, έως και να τον δεκαπλασιάσουμε. 51

52 Εικόνα 5.4 Στα φβ στοιχεία λεπτών φιλμ χρησιμοποιούνται τρaχείες διεπιφάνειες γιa αποτελεσματική παγίδευση φωτός. Ο οπτικός δρόμος αυξάνεται αφού οι δέσμες θα υποστούν πολλαπλες ανακλάσεις στις διεπιφάνειες έως να απορροφηθούν. [19] Στις διατάξεις p-i-n αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας στρώματα TCO με τραχεία επιφάνεια (randomly textured). Αν η ίδια διαδικασία υιοθετηθεί τόσο για το στρώμα TCO στην εμπρός επιφάνεια όσο και για το ανακλαστικό στρώμα στην πίσω μεριά της διάταξης (back reflector), η σκέδαση και οι ανακλάσεις της ακτινοβολίας αυξάνονται σημαντικά και έτσι επίσης αυξάνεται ο οπτικός δρόμος μέσα στο υλικό για τα μήκη κύματος που δεν απορροφούνται άμεσα. Βέβαια η τραχύτητα της επιφάνειας δεν είναι απόλυτα τυχαία καθώς πρέπει να τηρούνται κάποια όρια στην τραχύτητα και κάποιες προδιαγραφές για να μη δημιουργούνται ατέλειες στο υλικό, όπως είδαμε και για την εναπόθεση του μc-si σε προηγούμενο κεφάλαιο. Πολλά θέματα για την αποτελεσματικότερη παγίδευση της ακτινοβολίας μέσα στο υλικό ακόμα ερευνώνται, όπως για το ποια είναι η ιδανική μορφολογία της επιφάνειας του TCO για αποτελεσματικότερη παγίδευση φωτός καθώς και ποιο είναι το όριο για τον μέγιστο οπτικό δρόμο. Επίσης σημαντικό είναι η μορφολογία της επιφάνειας που θα επιλεγεί να μην οδηγεί σε ατέλειες στο ενεργό υλικό (π.χ. ρωγμές). Τέλος πρέπει να ελαχιστοποιούνται και οι απώλειες από απορρόφηση κατά τις ανακλάσεις στα διάφορα στρώματα. Ένα στρώμα TCO υψηλής ποιότητας δεν πρέπει να έχει αντίσταση μεγαλύτερη από 10Ω και η μέση απορρόφηση στα μήκη κύματος 400 με 1100nm δεν πρέπει να είναι πάνω από 6-7% [19]. Ένα υλικό που είναι πολύ κοντά με τις παραπάνω προδιαγραφές είναι το SnO 2 :F που έχει αναπτυχθεί κυρίως από την εταιρία Asahi Glass. SnO 2 :F κατασκευασμένο με CVD (Chemical Vapor Deposition) χρησιμοποιείται συχνά σε φβ λεπτών φιλμ πυριτίου, ωστόσο δεν έχει αναπτυχθεί ακόμα ένας 52

53 οικονομικά συμφέρον τρόπος να γίνει η εναπόθεση υψηλής ποιότητας υλικού σε μεγάλες επιφάνειες. Οι εταιρείες κατασκευής Φβ λεπτών φιλμ που χρησιμοποιούν αυτό το TCO συνήθως αγοράζουν έτοιμες τις γυάλινες επιφάνειες με SnO 2 :F (Kglass). Ένα εναλλακτικό υλικό που κερδίζει έδαφος είναι το ZnO. Το ZnO δρα σαν προστατευτικό φράγμα για τη διάχυση μη επιθυμητών προσμίξεων μεταξύ των επιστρώσεων. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι η εναπόθεσή του είναι εύκολη και σε χαμηλότερη θερμοκρασία από το SnO 2. Η εναπόθεση μπορεί να γίνει με δύο τρόπους. Αυτοί είναι είτε με sputtering είτε με LPCVD (Low Pressure Chemical Vapour Deposition). Στην περίπτωση του sputtering τα στρώματα είναι νοθευμένα με Al για μεγαλύτερη αγωγιμότητα και η επιφάνεια που προκύπτει είναι λεία και πρέπει να υποστεί χημική επεξεργασία για αποτελεσματικότερη παγίδευση φωτός. Με τη διαδικασία LPCVD έχουμε άμεσα επιφάνειες με ιδανική μορφολογία για παγίδευση του φωτός και χρησιμοποιούνται προσμίξεις βορίου για αύξηση της αγωγιμότητας. Για να μην είναι ωστόσο αναγκαίοι περισσότεροι θάλαμοι εναπόθεσης χρησιμοποιείται τελευταία SiO x, το οποίο εναποτίθεται μέσα στον ίδιο θάλαμο με το ενεργό υλικό [57]. Κυρίως χρησιμοποιείται n-τύπου μc-sio x :H το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως TCO της πίσω επαφής, ως ενδιάμεσο στρώμα (Intermediate Layer) ανάμεσα στα ενεργά υλικά που θα παίζει και το ρόλο του tunnel junction. Με την χρήση SnO 2 :F έτοιμης επίστρωσης για το μπροστά TCO και SiO x για την ενδιάμεση και πίσω επίστρωση μπορεί να παραλειφθεί η διαδικασία LPCVD και η εναπόθεση ZnO με σημαντική μείωση του κόστους [58]. 53

54 54

55 6 Φωτοβολταϊκά στοιχεία a-si:h/μc-si:h (Micromorph Hybrid solar cells) Μια από τις πιο υποσχόμενες διατάξεις φωτοβολταϊκών στοιχείων λεπτών φιλμ είναι η διάταξη a-si:h/μc-si:h που αποκαλείται από κάποιους κατασκευαστές «micromorph» ή «hybrid-υβριδικά» φωτοβολταϊκά στοιχεία. Η διάταξη a-si:h/μc- Si:H παρουσιάστηκε αρχικά από την ομάδα IMT Neuchatel με την ονομασία micromorph το 1994 και σταθεροποιημένες αποδόσεις εργαστηριακού φωτοβολταϊκού στοιχείου πάνω από 10% αναφέρονται από το 1997 [25]. Σημερα οι σταθεροποιημένες αποδόσεις τέτοιων Φβ στοιχείων κυμαίνονται μεταξύ 10 και 12% (Oerlikon Solar), ενώ η εταιρία Kaneka Corp. (Ιαπωνία) έχει ανακοινώσει μέγιστη σταθερή απόδοση 11.7%. Τα φβ στοιχεία a-si:h/μc-si:h έχουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον καθώς ο συνδυασμός του ενεργειακού χάσματος των δύο υλικών a-si:h μc-si:h είναι περίπου 1.75eV/1.1eV το οποίο αντιστοιχεί θεωρητικά σε έναν ιδανικό συνδυασμό για φωτοβολταϊκά πολυεπαφών (multijunction) για μεγάλη απορρόφηση του ηλιακού φάσματος. Ωστόσο, όπως θα δούμε υπάρχουν κάποιοι περιορισμοί στην απόδοση των παραπάνω διατάξεων. Εικόνα 6.1 Φασματική απόκριση ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου a-si:h/μc-si:h με την απορρόφηση των επιμέρους στρωμάτων [4] 55

56 6.1 Διάταξη Η διάταξη των φβ στοιχείων a-si:h/μc-si:h φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, στην περίπτωση της διάταξης p-i-n όπου η εναπόθεση ξεκινά πάνω στην επιφάνεια από όπου εισέρχεται η ακτινοβολία (superstrate p-i-n sequence). Αρχικά εναποτίθεται ένας διαφανής ημιαγωγός (TCO) που θα παίζει το ρόλο του μπροστά ηλεκτροδίου (front contact) πάνω σε γυαλί. Στη συνέχεια ακολουθεί η εναπόθεση του στρώματος a-si:h με διάταξη p-i-n δηλαδή το p στρώμα εναποτίθεται πρώτο για να είναι το στρώμα από το οποίο εισέρχεται η ακτινοβολία. Ανάμεσα στις εναποθέσεις των ενεργών υλικών a-si:h και μc-si:h μεσολαβεί ένα ενδιάμεσο ανακλαστικό στρώμα που αποτελείται πάλι από κάποιο υλικό TCO. Το στρώμα αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό όπως θα δούμε παρακάτω για τη βελτιστοποίηση της διάταξης. Ακολουθούν τα στρώματα p-i-n του μc-si:h και τέλος η διάταξη κλείνει πάλι με μια επίστρωση TCO που παίζει το ρόλο της πίσω επαφής (back contact), καθώς και με μια προστατευτική πίσω επιφάνεια. Επίσης ερευνάται και η ανάπτυξη των a-si:h/μc-si:h υμενίων πάνω σε ελαστικά υποστρώματα όπως πλαστικό. Το υπόστρωμα είναι αυτή τη φορά η πίσω επιφάνεια της διάταξης και η εναπόθεση γίνεται με τη σειρά n-i-p για τα ενεργά στρώματα ώστε η ακτινοβολία να εισέρχεται πάλι από την p περιοχή των στρωμάτων a-si:h και μc-si:h (substrate n-i-p sequence) [26]. Εικόνα 6.2 Η διάταξη των φωτοβολταϊκών στοιχείων micromorph με τα διάφορα στρώματα να φαίνονται αναλυτικά. [25] ] 56

57 Τα φβ στοιχεία a-si:h/μc-si:h δεν είναι απλές διατάξεις και πολλές παράμετροι ακόμα ερευνώνται ώστε να βελτιστοποιηθεί η απόδοση της διάταξης. Το πάχος του στρώματος άμορφου πυριτίου πρέπει να διατηρηθεί όσο μικρότερο γίνεται για να είναι μειωμένη και η φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση. Το πάχος του μc-si:h στρώματος πρέπει επίσης να διατηρείται όσο γίνεται μικρότερο κυρίως λόγω κόστους. Έτσι είναι φανερό ότι η διάταξη πρέπει να βελτιστοποιεί την παγίδευση φωτός ώστε να αυξάνεται ο οπτικός δρόμος για την ακτινοβολία που δεν απορροφάται άμεσα και τα πάχη των επιστρώσεων να έχουν τη μικρότερη δυνατή τιμή. Εικόνα 6.3 Διατομή ενός φβ στοιχείου a-si:h/μc-si:h με υπόστρωμα πολυμερές. Φαίνεται επίσης καθαρά το ενδιάμεσο ανακλαστικό στρώμα από ZnO. [26] 6.2 Το στρώμα a-si:h Μια υψηλής ποιότητας επίστρωση a-si:h σε μεγάλη επιφάνεια για μαζική παραγωγή φωτοβολταϊκών πλαισίων a-si ή υβριδικών (micromorph) εναποτίθεται με την μέθοδο Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition PECVD διαλύοντας H 2 (10%) στο αέριο σιλάνιο SiH 4 [42]. Τυπικές τιμές ρυθμού εναπόθεσης για τέτοιες επιστρώσεις κυμαίνονται στο εύρος 2 5 Å/s. Μεταβάλλοντας τις παραμέτρους της PECVD εναπόθεσης όπως την πίεση του θαλάμου εναπόθεσης, την ισχύ RF, ή το λόγο SiH 4 /H 2, μπορούμε να επηρεάσουμε τις ιδιότητες του στρώματος a-si:h οπότε και την απόδοσή του [28]. Ειδικότερα επηρεάζεται η ποιότητα του υλικού καθώς και υπάρχει δυνατότητα να μεταβληθεί ελαφρώς την τιμή του ενεργειακού χάσματος. Η ποιότητα ενός στρώματος a-si:h περιγράφεται από δύο παραμέτρους: το Η που περιέχεται μέσα στο υλικό και τον παράγοντα ποιότητας ή παράγοντα μικροδομής. 57

58 Ο παράγοντας ποιότητας είναι ένα μέτρο των μικροκενών που μπορεί να υπάρχουν μέσα στο υλικό, όπως είδαμε και σε προηγούμενο κεφάλαιο. Η βελτιωμένη ποιότητα του υλικού οδηγεί σε μικρότερη φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση στη συνέχεια. Το πάχος του στρώματος a-si:h στα φωτοβολταϊκά στοιχεία a-si:h/μc-si:h πρέπει να διατηρείται επαρκώς μικρό ώστε να ελαχιστοποιείται η επίδραση της φωτοεπαγόμενης υποβάθμισης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η τιμή του ρεύματος να είναι χαμηλή και έτσι περιορίζεται συνήθως το ρεύμα ολόκληρης της διάταξης από αυτό το πάνω στρώμα a-si:h. Η λύση του προβλήματος είναι ένα ενδιάμεσο στρώμα διαφανούς ημιαγωγού (intermediate TCO layer) που θα ανακλά τα μικρά μήκη κύματος πίσω στο a-si στρώμα ώστε να αυξηθεί το ρεύμα του στρώματος. Επίσης υπάρχει πιθανότητα σε πραγματικές εξωτερικές συνθήκες όπου το ηλιακό φάσμα δεν είναι σταθερό, το στρώμα a-si:h να μην έχει σταθερή απόδοση κατά τη διάρκεια της ημέρας. Ειδικότερα τις απογευματινές ώρες όπου το φάσμα μετακινείται προς το κόκκινο, είναι πιθανό το μειωμένο ρεύμα του πάνω στρώματος να περιορίζει το ρεύμα ολόκληρης της διάταξης. 6.3 Intermediate reflector Σαν αποτέλεσμα της σύνδεσης σε σειρά, το ρεύμα βραχυκύκλωσης J SC της διάταξης περιορίζεται από τη μικρότερη τιμή ρεύματος είτε είναι του πάνω (J SC-a-Si ) είτε του κάτω στρώματος (J SC-μc-Si ) [30]. Ωστόσο όπως είδαμε παραπάνω, λόγω της φωτοεπαγόμενης υποβάθμισης, το στρώμα a-si:h πρέπει να παραμείνει λεπτό (< 300nm) ώστε να ελαχιστοποιηθεί η επίδραση αυτή και να περιοριστούν οι απώλειες συλλογής φορέων. Επιπλέον λεπτότερα στρώματα είναι επιθυμητά για μικρότερο κόστος παραγωγής. Για να αυξηθεί η τιμή του ρεύματος στο στρώμα a-si:h η λύση είναι ένα ενδιάμεσο ανακλαστικό στρώμα (intermediate reflector IR) ανάμεσα στο a-si:h και στο μc-si:h έτσι ώστε τα μικρά μήκη κύματος να ανακλώνται πίσω στο πάνω στρώμα και τα μεγάλα μήκη κύματος να το διαπερνούν ώστε να απορροφηθούν στο κάτω στρώμα (μc-si:h) [29]. Σαν IR χρειάζεται ένα υλικό TCO με μικρό συντελεστή διάθλασης (μικρότερο από τον συντελεστή του άμορφου και του μικροκρυσταλλικού πυριτίου ο οποίος είναι περίπου 4) ώστε ένας μεγάλος αριθμός φωτονίων να ανακλάται από τη διεπιφάνεια a-si και ενδιάμεσου ανακλαστικού στρώματος. Ένα στρώμα ZnO (TCO) έχει ιδανικές ιδιότητες για να παίξει αυτό το ρόλο με συντελεστή διάθλασης περίπου ίσο με 2 [7]. Εργαστηριακά φωτοβολταϊκά στοιχεία με IR ZnO έδειξαν αυξημένη τιμή ρεύματος για το πάνω στρώμα και μεγαλύτερη 58

59 σταθερότητα στην φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση [29]. Στρώματα ZnO χρησιμοποιούνται και για εμπρός και πίσω επαφές μιας και έχουν και την ιδιότητα να παίζουν το ρόλο του «φράγματος» απέναντι στη διάχυση μη επιθυμητών προσμίξεων. Ωστόσο η χρήση του σαν IR δεν βολεύει κατά τη διαδικασία κατασκευής μιας και απαιτείται ξεχωριστός θάλαμος για την εναπόθεσή του και ο χρόνος οπότε και το κόστος κατασκευής πλαισίων με ZnO σαν IR αυξάνεται. Εικόνα 6.4 Κβαντική απόδοση ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου a-si:h/μc-si:h με και χωρίς ενδιάμεσο στρώμα ZnO. Σαν εναλλακτικό υλικό χρησιμοποιείται πλέον νοθευμένο οξείδιο του πυριτίου SiO x. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα είναι ότι το στρώμα αυτό εναποτίθεται εύκολα μέσα στο ίδιο θάλαμο εναπόθεσης με PECVD όπως και τα στρώματα a-si:h και μc- Si:H. Ωστόσο, το σημαντικότερο μειονέκτημα είναι η χαμηλή τιμή του ρυθμού εναπόθεσης ο οποίος στις περισσότερες περιπτώσεις είναι μικρότερος από 1Å/s, ενώ η εναπόθεση ZnO με LPCVD (Low Pressure CVD) έχει τιμές εναπόθεσης πάνω από 1nm/s [30]. Επιπλέον είναι σημαντικό να μην υπαρχει διάχυση O 2 στην i περιοχή των στρωμάτων a-si:h και μc-si:h μιας και στην περίπτωση αυτή θα έχουμε μειωμένη συλλογή φορέων από την παραμόρφωση του εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου (ειδικότερα στην περίπτωση του μc-si:h) [7]. Αυξάνοντας το πάχος του του IR η τιμή του J SC του πάνω στρώματος (a-si:h) αυξάνεται, ενώ παράλληλα το J SC του κάτω στρώματος μc-si:h μειώνεται, έως το πάχος των περίπου 100nm όπου υπάρχει κορεσμός. Το υμένιο SiO x που χρησιμοποιείται ευρέως σαν IR είναι ουσιαστικά μc-siο x :H με νόθευση τύπου n ή και τύπου p, αναλόγως τη διάταξη των στρωμάτων [31]. Οι ιδιότητες του μικροκρυσταλλικού αυτού στρώματος επηρεάζονται από την 59

60 διαδικασία εναπόθεσης και κυρίως από την περιεκτικότητα σε οξυγόνο και το βαθμό νόθευσης. Το ενεργειακό χάσμα, η αγωγιμότητα, ο δείκτης διάθλασης και η κρυσταλλικότητα μπορούν να μεταβληθούν σε ένα μεγάλο εύρος τιμών κατά την εναπόθεση. Ουσιαστικά το υλικό είναι μικτής φάσης με μc-siο x :H μέσα σε a-siο x :H, με την νόθευση να επηρεάζει κυρίως την μικροκρυσταλλική φάση [32]. Το στρώμα αυτό λειτουργεί επίσης και σαν στρώμα πυρηνοποίησης για το μc-si:h που εναποτίθεται στη συνέχεια, και έτσι το ενεργό υλικό που προκύπτει είναι υψηλότερης ποιότητας και κρυσταλλικότητας. Σε σχέση με το ZnO, το υμένιο SiO x σαν IR επιτρέπει μεγαλύτερη ανάκλαση χάρη στον μικρότερο συντελεστή διάθλασης ο οποίος κυμαίνεται μεταξύ n ~ 1.7 έως 1.9 με n ~ 2 για το ZnO στα 600nm [33]. Επιπλέον παρουσιάζει μικρότερη απορρόφηση στα μήκη κύματος στο κοντινό υπέρυθρο κάτι το οποίο είναι επίσης επιθυμητό. Επίσης το υμένιο SiO x μπορεί να κατασκευαστεί έτσι ώστε να έχει μικρή παράλληλη αγωγιμότητα και μεγαλύτερη κάθετη αγωγιμότητα, ώστε να αποφεύγονται μικροβραχυκυκλώσεις (shunts) και η διάταξη να έχει βελτιωμένη απόδοση σε συνθήκες χαμηλής τιμής προσπίπτουσας ακτινοβολίας [33]. Αν και οι ρυθμοί εναπόθεσης είναι μικρότεροι από το ZnO, η εναπόθεση γίνεται στον ίδιο θάλαμο PECVD με όπου αναπτύσσονται και τα στρώματα a-si:h και μc-si:h, κάτι ιδιαίτερα σημαντικό για την βιομηχανική παραγωγή των πλαισίων a-si:h/μc-si:h. Τα υμένια SiO x εναποτίθενται από ένα μίγμα αερίων CO2, SiH4, H2 και PH3 (για αύξηση της αγωγιμότητας). Εικόνα 6.5 Συντελεστής διάθλασης και απορρόφησης για ενδιάμεσα στρώματα ανάκλασης ZnO και SiO x [33]. 60

61 Εκτός από μικρή τιμή του συντελεστή απορρόφησης και μικρότερη τιμή συντελεστή διάθλασης από το πυρίτιο, σημαντικά χαρακτηριστικά ενός στρώματος IR είναι η παράλληλη και κάθετη αγωγιμότητα. Η κάθετη αγωγιμότητα (σ ) πρέπει να παραμένει αρκετά μεγάλη ώστε να αποφεύγεται η σημαντική αύξηση της αντίστασης σε σειρά της διάταξης. Αντιθέτως, η παράλληλη αγωγιμότητα (σ ǁ ) του IR στρώματος πρέπει να διατηρείται επαρκώς μικρή για να περιορίζει τις βραχυκυκλώσεις (shunts) της σύνδεσης σε σειρά της διάταξης του πάνω ή κάτω στρώματος, οι οποίες οδηγούν σε μείωση του FF και της V OC. Άλλο ένα πλεονέκτημα της μικρής παράλληλης αγωγιμότητας σ ǁ είναι ότι το ρεύμα διαρροής από το ενδιάμεσο στρώμα IR στο πίσω ηλεκτρόδιο είναι μικρό και μπορεί να αποφευχθεί η τέταρτη χάραξη (laser scribing) επομένως δεν αυξάνεται η μη ενεργή επιφάνεια του πλαισίου, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Εικόνα 6.6 Πάνω: Συμβατική διασύνδεση φωτοβολταϊκού στοιχείου a-si:h/μc-si:h με IR ZnO με τρεις χαραγές (laser scribing) όπου ίσως υπάρχει ρεύμα διαρροής από το ενδιάμεσο στρώμα στο πίσω ηλεκτρόδιο. Κάτω: με 4 χαραγές με laser scribing απομονώνεται το ενδιάμεσο στρώμα, ωστόσο αυξάνεται η μη ενεργή επιφάνεια. [30] Όπως είδαμε μπορούμε μεταβάλλοντας το πάχος του ενδιάμεσου στρώματος TCO να διαμορφώσουμε την ισορροπία του ρεύματος ανάμεσα στο πάνω και κάτω ενεργό στρώμα της διάταξης και έτσι να επηρεάσουμε τον FF και την γενική επίδοση του πλαισίου. Ωστόσο ακόμα είναι υπό συζήτηση ποιου στρώματος το ρεύμα πρέπει να αυξάνει περισσότερο το ενδιάμεσο στρώμα, μιας και πρέπει να ληφθούν υπόψη κι άλλες παράμετροι όπως το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας (το οποίο επίσης μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της ημέρας), η επίδραση της θερμοκρασίας στη διάταξη a-si:h/μc-si:h καθώς και οι ιδιότητας του κάθε ενεργού στρώματος ξεχωριστά. 61

62 6.4 Το στρώμα μc-si:h Κατά την συνήθη διάταξη p-i-n με την εναπόθεση των φιλμ να ξεκινά πάνω σε γυαλί, το μc-si:h εναποτίθεται πάνω στο ενδιάμεσο στρώμα, το οποίο συνήθως είναι SiO x. Η σημαντικότερη παράμετρος όσον αφορά το κόστος των πλαισίων a- Si:H/μc-Si:H είναι ο χρόνος εναπόθεσης μιας και οι μεγάλοι χρόνοι εναπόθεσης με PECVD αυξάνουν το κόστος κατασκευής [11]. Η εναπόθεση του μc-si:h δεν μπορεί να φτάσει υψηλούς ρυθμούς εναπόθεσης όπως το a-si:h χωρίς να έχουμε μείωση της ποιότητας του υλικού. Επειδή επίσης το στρώμα μc-si:h είναι σημαντικά παχύτερο (~ 2 3 μm) από το στρώμα a-si:h (~ 300 nm) ο ρυθμός εναπόθεσης είναι μια κρίσιμη παράμετρος για τη μείωση του κόστους του πλαισίου a-si:h/μc-si:h (εικόνα 6). Εικόνα 6.7 Χρόνος εναπόθεσης για φιλμ μc-si:h συναρτήσει του ρυθμού εναπόθεσης. Η σκιασμένη περιοχή είναι το πεδίο ενδιαφέροντος για παραγωγή πλαισίων a-si:h/μc-si:h [11]. Στην πραγματικότητα οι επιθυμητές τιμές για τον χρόνο εναπόθεσης είναι μεταξύ λεπτά ή και ακόμα μικρότερες. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί αν οι ρυθμοί εναπόθεσης είναι πάνω από 10 Å/s με βελτιωμένες συνθήκες εναπόθεσης και παράλληλα το πάχος του στρώματος μc-si:h να μειωθεί στο μm, βελτιστοποιώντας την παγίδευση φωτός. Ωστόσο με τη μείωση του πάχους, είναι πιθανό να περιορίζεται και το ρεύμα του στρώματος, με αποτέλεσμα να περιορίζεται το ρεύμα ολόκληρου του πλαισίου. Έτσι είναι πράγματι σημαντική η χρήση τεχνικών αύξησης του οπτικού δρόμου (light trapping). 62

63 Το στρώμα μc-si:h στα φωτοβολταϊκά στοιχεία a-si:h/μc-si:h εναποτίθεται πάνω στο ενδιάμεσο στρώμα ανάκλασης (intermediate reflector) κατά την συνήθη διάταξη p-i-n. Όταν για το στρώμα IR χρησιμοποιείται νοθευμένο μc-siο x :H, το μc- Si:H που εναποτίθεται είναι καλύτερης ποιότητας με μεγαλύτερη κρυσταλλικότητα μιας και το ενδιάμεσο στρώμα IR παίζει και το ρόλο του στρώματος πυρηνοποίησης. Όπως είδαμε και σε προηγούμενο κεφάλαιο, το υπόστρωμα πάνω στο οποίο γίνεται η εναπόθεση παίζει σημαντικό ρόλο στην κρυσταλλικότητα και ποιότητα του μc- Si:H. Κατά την διάταξη n-i-p με την εναπόθεση των στρωμάτων να ξεκινά από την πίσω επαφή, στρώμα μc-si:h εναποτίθεται πάνω στο TCO της πίσω επαφής, το οποίο είναι ZnO. Για να προκύψει υλικό επαρκούς ποιότητας, το υπόστρωμα πρέπει να έχει και την κατάλληλη μορφολογία. Για επαρκής παγίδευση φωτός, η επιφάνεια του υποστρώματος πάνω στο οποίο γίνεται η εναπόθεση δεν είναι λεία αλλά έχει μια τραχύτητα. Όπως είδαμε και σε προηγούμενο κεφάλαιο, για μεγάλες τιμές τραχύτητας το στρώμα μc-si:h που προκύπτει παρουσιάζει ρωγμές οι οποίες οδηγούν σε βραχυκυκλώματα (shunts) [35]. Έτσι για υψηλής ποιότητας υλικό απαιτείται το υπόστρωμα να έχει περιορισμένη τραχύτητα, όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα 6.8 Εικόνες ΤΕΜ μc-si:h σε υποστρώματα με διαφορετικές τραχύτητες, με τις ρωγμές στο υλικό να είναι εμφανείς στις εναποθέσεις σε υποστρώματα με αυξημένη τραχύτητα [34]. 63

64 6.5 Εμπρός και πίσω επαφές Στα φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτών υμενίων το εμπρός στρώμα διαφανούς αγώγιμού οξειδίου πρέπει να παρουσιάζει μεγάλη διαπερατότητα στην χρήσιμη περιοχή του ηλιακού φάσματος ώστε να ελαχιστοποιούνται οι οπτικές απώλειες από ανάκλαση και απορρόφηση. Επιπλέον είναι αναγκαία η επαρκώς υψηλή τιμή της αγωγιμότητας ώστε να περιορίζεται η αντίσταση σε σειρά του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Στην αλληλουχία p-i-n, το εμπρός TCO πρέπει να έχει επαρκή επιφανειακή τραχύτητα για βελτιωμένη παγίδευση του φωτός στο άνω ενεργό στρώμα (a-si:h). Επίσης χάρη στη διαβάθμιση του δείκτη διάθλασης μεταξύ των δύο επιφανειών μειώνεται η ανάκλαση στην διεπιφάνεια TCO/p-στρώμα ενώ χάρη στην αυξημένη διάχυση της ακτινοβολίας αυξάνεται ο οπτικός δρόμος των εισερχομένων φωτονίων στο Φβ στοιχείο. Στην πράξη, για Φβ στοιχεία λεπτών φιλμ με διάταξη p-i-n τα TCO που χρησιμοποιούνται για την εμπρός επαφή είναι οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO) και νοθευμένο με φθόριο οξείδιο του κασσιτέρου (SnO 2 :F) [33]. Το ZnO εναποτίθεται πάνω στο γυαλί με sputtering ή με LP CVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition), με προσμίξεις αλουμινίου και B 2 H 6 για αύξηση της αγωγιμότητας. Η μορφολογία της επιφάνειας εξαρτάται από τη διαδικασία της εναπόθεσης, καθώς το υμένιο ZnO που εναποτίθεται με sputtering είναι ιδιαίτερα λείο και χρειάζεται επιπλέον επεξεργασία για αύξηση της τραχύτητας. Αντιθέτως, με LPCVD προκύπτει υλικό με αυξημένη τραχύτητα και η διαδικασία είναι εύκολο να ενσωματωθεί σε μια γραμμή παραγωγής φωτοβολταϊκών πλαισίων a-si:h/μc-si:h. Από την άλλη κάποιες εταιρείες κατασκευής φωτοβολταϊκών λεπτών φιλμ παραγγέλνουν τις γυάλινες επιφάνειες πάνω στις οποίες γίνονται οι εναποθέσεις μαζί με τα υμένια SnO 2 (K-glass). Λόγω του μεγαλύτερου ενεργειακού χάσματος το SnO 2 παρουσιάζει μεγαλύτερη διαπερατότητα στα μικρά μήκη κύματος ενώ πάνω από τα 550nm έχει παρόμοια συμπεριφορά με την επίστρωση ZnO [35]. Ωστόσο στο διάχυτο μέρος της οπτικής διαπερατότητας υπαρχει σημαντική βελτίωση με την επίστρωση ZnO στο εύρος nm. Επιπλέον τα φβ στοιχεία a-si:h/μc-si:h έχουν μειωμένη ανάκλαση όταν χρησιμοποιείται ZnO από ότι όταν χρησιμοποιείται SnO 2 σαν εμπρός TCO. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από την μεγαλύτερη τραχύτητα της επιφάνειας των εναποτιθέμενων υμενίων ZnO καθώς και στην καλύτερη σχέση του συντελεστή διάθλασης του ZnO με αυτόν του πυριτίου. 64

65 Εικόνα 6.9 Πάνω αριστερά: συνολική και διάχυτη διαπερατότητα γυαλιού/sno 2 :F και γυαλιού/zno. Πάνω δεξιά: ανακλαστικότητα γυαλιού/sno 2 και γυαλιού/zno. Κάτω αριστερά: ανακλαστικότητα του στοιχείων a-si:h/μc-si:h πάνω σε SnO 2 και ZnO. κάτω δεξιά: φασματική απόκριση στοιχείων a-si:h/μc-si:h με εμπρός επιστρώσεις SnO 2 και ZnO [35]. Συγκριτικές μετρήσεις φασματικής απόκρισης στοιχείων a-si:h/μc-si:h με εμπρός επαφές ZnO και SnO 2 έδειξαν επίσης ότι στην περίπτωση του ZnO η παγίδευση του φωτός (light trapping) είναι αποτελεσματικότερη (εικόνα 6.9) [35]. Ενώ το στρώμα a-si:h έχει παρόμοια συμπεριφορά και στις δύο περιπτώσεις, η αυξημένη ικανότητα διάχυσης της ακτινοβολίας του ZnO έχει σημαντική επίδραση στα μεγαλύτερα μήκη κύματος και συνεπώς στο ρεύμα του στρώματος μc-si:h. Έτσι αν χρησιμοποιηθεί η επίστρωση SnO 2 σαν εμπρός TCO, το πάχος του στρώματος μc-si:h θα πρέπει να αυξηθεί κατά περίπου 1μm ώστε να παράγει το ρεύμα που παράγεται όταν χρησιμοποιείται LP-CVD ZnO. Για αποτελεσματική παγίδευση φωτός, η πίσω επαφή (Back reflector) πρέπει να είναι ιδιαίτερα ανακλαστική ώστε τα φωτόνια να ανακλώνται πολλές φορές από την πίσω πλευρά του Φβ στοιχείου πίσω στα ενεργά στρώματα. Για να εξασφαλίζονται οι απαραίτητες οπτικές ιδιότητες μαζί με υψηλή αγωγιμότητα, αλουμίνιο ή άργυρος 65

66 χρησιμοποιούνται για την πίσω επαφή. Το αλουμίνιο προτιμάται και χρησιμοποιείται συχνότερα στη βιομηχανική παραγωγή λόγω της χαμηλότερης τιμής. Εισάγοντας ένα στρώμα TCO μεταξύ των στρωμάτων του πυριτίου και της πίσω επαφής αυξάνεται η ανακλαστικότητα της πίσω επιφάνειας. Εικόνα 6.10 Σχήμα ενός φβ στοιχείου p-i-n a-si:h/μc-si:h με τραχείες διεπιφάνειες. Στο σχήμα φαίνεται και η αποτελεσματική παγίδευση του φωτός. Έχει παραληφθεί το ενδιάμεσο ανακλαστικό στρώμα (intermediate reflector) [36]. Όταν οι αρχικές επιστρώσεις έχουν επιφανειακή τραχύτητα, τότε και τα υπόλοιπα εναποτιθέμενα στρώματα αποκτούν αυτήν την τραχύτητα οπότε το ίδιο συμβαίνει και με την πίσω ανακλαστική επιφάνεια, της οποίας η τραχύτητα εξαρτάται από την τραχύτητα της εμπρός επαφής. Αρχικά γινόταν χρήση μόνο κάποιας μεταλλικής επίστρωσης για την πίσω επαφή ωστόσο υπήρχε το μειονέκτημα της απορρόφησης ενός μέρους της ακτινοβολίας από το μεταλλικό αυτό υμένιο. Συγκεκριμένα στην διεπιφάνεια πυριτίου μετάλλου η απορρόφηση της ακτινοβολίας είναι σημαντική λόγω πλασμονικών φαινομένων [45]. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η απόδοση του στρώματος μc-si να είναι μειωμένη. Για αποτελεσματικότερη παγίδευση φωτός και μικρότερη απορρόφηση ανάμεσα στα στρώματα πυριτίου και μεταλλικής πίσω επιφάνειας τοποθετείται μια επίστρωση TCO. Το TCO που χρησιμοποιείται είναι είτε ZnO με προσμίξεις Al ή Ag για αύξηση της αγωγιμότητας είτε n-τύπου SiO x. Η χρήση SiO x προτιμάται τελευταία μιας και μειώνεται σημαντικά το κόστος αφού η εναπόθεση του SiO x γίνεται στον θάλαμο PECVD που εναποτίθενται και τα ενεργά υλικά [58]. Η απορρόφηση της ακτινοβολίας στην διεπιφάνεια TCO και μετάλλου είναι ακόμα υπαρκτή αλλά σημαντικά μειωμένη [45]. Η διεπιφάνεια πυριτίου TCO αντανακλά σημαντικό μέρος 66

67 της ακτινοβολίας πίσω στο στρώμα μc-si, μιας και η τραχύτητα των προηγουμένων στρωμάτων συμβάλει στο γεγονός ότι οι γωνίες πρόσπτωσης στη διεπιφάνεια είναι μεγαλύτερες του μηδενός. Λόγω του μεγαλύτερου συντελεστή διάθλασης του TCO σε πολλές περιπτώσεις υπάρχει και ολική ανάκλαση. Μια λύση αποφυγής της απορρόφησης από το μέταλλο θα ήταν η παράλειψή του και η χρησιμοποίηση κάποιου διηλεκτρικού υλικού υψηλής ανακλαστικότητας, το οποίο θα είναι και οικονομικότερο, με το νοθευμένο TCO να παίζει το ρόλο της πίσω επαφής [36]. Ήδη χρησιμοποιούνται τέτοιες τεχνικές σε βιομηχανικό επίπεδο (White Foil Heliosfera). 6.6 Επίδοση σε εξωτερικές συνθήκες Υπάρχουν αρκετοί παράγοντες που επηρεάζουν την επίδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων σε πραγματικές εξωτερικές συνθήκες. Οι σημαντικότεροι από αυτούς τους παράγοντες είναι το φάσμα και η ένταση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας, η γωνία πρόσπτωσης, και η εξάρτηση της απόδοσης από τη θερμοκρασία του πλαισίου. Το φάσμα της ακτινοβολίας αλλάζει κατά τη διάρκεια της ημέρας, με μια μετακίνηση προς το κόκκινο τις πρωινές και τις απογευματινές ώρες. Αυτό οφείλεται κυρίως από την μεταβολή στην αέρια μάζα (ΑΜ). Επίσης αλλαγές στο φάσμα προκύπτουν σε διαφορετικές κλιματικές (συννεφιά, βροχή, κ.λ.π.) και γεωγραφικές συνθήκες με μετακίνηση προς το μπλε σε χιονισμένες περιοχές ή κοντά σε επιφάνειες με νερό. Με την αύξηση της αέριας μάζας και της μετακίνησης του φάσματος προς το κόκκινο τα πλαίσια άμορφου πυριτίου εμφανίζουν μείωση της απόδοσής τους, ιδιαίτερα σε σχέση με τα πλαίσια κρυσταλλικού πυριτίου [37]. Ωστόσο έχει παρατηρηθεί αύξηση της απόδοσης όταν το φάσμα της ακτινοβολίας παρουσιάζει μετακίνηση προς μπλε. Τα πλαίσια a-si:h/μc-si:h είναι πιο ευαίσθητα στις μεταβολές του φάσματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (όπως όλα τα φωτοβολταϊκά πλαίσια πολυεπαφών) και απαιτείται προσεκτικός σχεδιασμός για ικανοποιητική απόδοση σε πραγματικές συνθήκες. Οι περιορισμοί του στρώματος άμορφου πυριτίου και οι μεταβολές στην απόδοσή του με τις μεταβολές του φάσματος αναμένεται να επηρεάζουν την απόδοση ολόκληρου του Φβ πλαισίου a- Si:H/μc-Si:H. Η ένταση της ακτινοβολίας σε πραγματικές συνθήκες μεταβάλλεται σε ένα εύρος τιμών και δεν είναι σταθερή όπως σε μετρήσεις σε πρότυπες συνθήκες (

68 W/m 2 ). Καθώς η τιμή της έντασης της ακτινοβολίας μειώνεται σημαντικά, η απόδοση των πλαισίων πιθανόν να μειώνεται. Η μείωση αυτή εξαρτάται κυρίως από την παράλληλη αντίσταση του πλαισίου (Shunt Ressistance, R shunt ), η οποία εξαρτάται από τις συνθήκες και την ποιότητα κατασκευής. Χαμηλή τιμή της R shunt υποδεικνύει ελαττώματα στη διαδικασία παραγωγής. Σύμφωνα με τους κατασκευαστές, τα φωτοβολταϊκά πλαίσια a-si αλλά και τα a-si:h/μc-si:h κατασκευάζονται με διαδικασίες παραγωγής υψηλών προδιαγραφών και έτσι παρουσιάζουν σταθερή απόδοση και σε συνθήκες χαμηλής τιμής της έντασης ακτινοβολίας. Αυτός είναι και ένας λόγος που τα στοιχεία a-si χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές εσωτερικού χώρου (κομπιουτεράκια). Εικόνα 6.11 Απόδοση συναρτήσει της αέριας μάζας σε συνθήκες σταθερής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας, για διάφορες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών πλαισίων [37]. Εκτός από το εύρος του φάσματος της ακτινοβολίας που δέχεται ένα πλαίσιο σε πραγματικές συνθήκες, στην περίπτωση σταθερά εγκατεστημένων πλαισίων η ακτινοβολία προσπίπτει υπό ένα εύρος διαφορετικών γωνιών. Η επίδραση της γωνίας πρόσπτωσης εξαρτάται από την σχεδίαση του πλαισίου και ειδικότερα από τα πρώτα αντιανακλαστικά στρώματα. Ωστόσο η ανάκλαση λόγω αλλαγής της γωνίας πρόσπτωσης είναι μικρή και δεν επηρεάζει σημαντικά την απόδοση για γωνίες έως 30 ο, εξαιτίας και της διάθλασης στο γυαλί [38]. Ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες μείωσης της απόδοσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων σε πραγματικές συνθήκες είναι η υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας των πλαισίων. Η απόδοση των πλαισίων mono-si και pc-si 68

69 επηρεάζονται ιδιαίτερα από τις θερμοκρασιακές μεταβολές ενώ τα πλαίσια λεπτών φιλμ πυριτίου έχουν μεγαλύτερη σταθερότητα στις θερμοκρασιακές μεταβολές [7]. Στις περισσότερες εφαρμογές στις μεσογειακές χώρες, τα φωτοβολταϊκά πλαίσια τους καλοκαιρινούς μήνες λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες (60 ο C 80 o C). Επομένως η σταθερότερη απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες είναι ένα σημαντικό πλεονέκτημα των φωτοβολταϊκών λεπτών φιλμ πυριτίου έναντι των συμβατικών πλαισίων κρυσταλλικού πυριτίου. Τα πλαίσια a-si:h/μc-si:h επηρεάζονται περισσότερο από τις θερμοκρασιακές μεταβολές από τα πλαίσια a-si:h (εικόνα), αλλά και πάλι παρουσιάζουν καλύτερη συμπεριφορά από άλλες τεχνολογίες. Αναφέρεται στη βιβλιογραφία ότι η θερμοκρασιακή σταθερά της απόδοσης των πλαισίων a-si:h/μc-si:h είναι περίπου %/C o [39]. Η θέρμανση του a-si σε υψηλές θερμοκρασίες οδηγεί σε αντιστροφή του φαινομένου φωτοεπαγόμενης υποβάθμισης. Έχει παρατηρηθεί ότι σε μεσογειακά κλίματα κατά τους καλοκαιρινούς μήνες βελτιώνεται η απόδοση των πλαισίων a-si ενώ στη συνέχεια τους χειμερινούς μήνες λόγω της υποβάθμισης η απόδοση μειώνεται και πάλι [59]. Εικόνα 6.12 Επίδραση της θερμοκρασίας λειτουργίας στην απόδοση, κανονικοποιημένη στην απόδοση σε πρότυπες συνθήκες (STC). a,b,c = διαφορετικού τύπου φβ πλαίσια κρυσταλλικού πυριτίου (wafer-based); d = πλαίσιο άμορφου πυριτίου; e = πλαίσιο a- Si:H/μc-Si:H ; f = πλαίσιο CdTe; h, g = πλαίσια CIGS [7]. Επειδή οι πραγματικές συνθήκες εξωτερικού διαφέρουν σημαντικά από τις εσωτερικές συνθήκες χαρακτηρισμού, η αυξανόμενη εμπειρία οδηγεί στον σχεδιασμό των φωτοβολταϊκών πλαισίων για τις συγκεκριμένες συνθήκες που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν [44]. Για παράδειγμα τα Φβ λεπτών φιλμ πυριτίου 69

70 μπορούν να σχεδιάζονται για κλίματα με υψηλές μέσες θερμοκρασίες, όπου τα συμβατικά κρυσταλλικά Φβ πλαίσια θα είχαν σημαντική μείωση στην απόδοση. Επιπλέον οι ιδιαίτερα υψηλές θερμοκρασίες θα είχαν αντίστροφα αποτελέσματα στην φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση, με την συνολική ενέργεια ανά έτος να είναι αυξημένη σε σχέση με την εγκατάσταση σε μια ψυχρότερη περιοχή. Αυτή η σχεδίαση ανάλογα με τα γεωγραφικά στοιχεία της κάθε περιοχής δεν έχει εφαρμοστεί ακόμη από τους κατασκευαστές των Φβ λεπτών φιλμ, ωστόσο αναμένεται στο μέλλον να βοηθήσει στο μέλλον την εν λόγω τεχνολογία. 6.7 Μαζική παραγωγή Στην τεχνολογία φωτοβολταϊκών λεπτών φιλμ πυριτίου το κύριο μέρος της διαδικασίας κατασκευής είναι η εναπόθεση των ενεργών υλικών a-si:h και μc-si:h. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται από όλους τους κατασκευαστές έως τώρα είναι η PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition - Χημική εναπόθεση ατμών υποβοηθούμενη με πλάσμα). Για την εναπόθεση των ενδογενών στρωμάτων χρησιμοποιείται ένα μείγμα σιλανίου (SH 4 ) και υδρογόνο. Για την εναπόθεση των λεπτών νοθευμένων στρωμάτων στι μίγμα προστίθεται Β 2 Η 6 (diborane) ή B(CH 3 ) 3 (trimethylborane) για τα στρώματα τύπου p και PH 3 (phosphine) για τα στρώματα τύπου n [7]. Η εναπόθεση του ενδογενούς στρώματος είναι η διαδικασία που έχει το μεγαλύτερο μερίδιο στο κόστος κατασκευής των πλαισίων [54]. Επιπλέον είναι και ένα από τα πιο καθοριστικά βήματα για την ποιότητα κατασκευής. Το μεγάλο κόστος προέρχεται από δύο παράγοντες. Ο πρώτος είναι το μεγάλο κόστος επένδυσης για των εξοπλισμό της μεθόδου PECVD. Ο δεύτερος παράγοντας είναι η κατανάλωση των αερίων SiH 4 και H 2. Για να μειωθεί το κόστος παραγωγής τα ενεργά στρώματα είναι όσο είναι δυνατόν λεπτότερα και η εναπόθεση γίνεται με επαρκώς υψηλούς ρυθμούς εναπόθεσης, αρκεί να μην επηρεάζεται η ποιότητα του υλικού. 70

71 Εικόνα Θάλαμος εναπόθεσης πλάσματος (PECVD). Ενας θάλαμος εναπόθεσης πλάσματος, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, κατά τη διαδικασία εναπόθεσης περιέχει ουδέτερα μόρια, κάποια από τα οποία είναι αυτά που συμβάλλουν στην αναπτυσσόμενη επίστρωση, ηλεκτρόνια και θετικά φορτισμένα ιόντα. Αυξάνοντας την ηλεκτρική ισχύ στο σύστημα εναπόθεσης, αυξάνεται και ο ρυθμός εναπόθεσης. Αυτό γίνεται διότι από τη μια αυξάνονται τα μόρια που βοηθούν στην εναπόθεση, από την άλλη βελτιώνεται ο βομβαρδισμός ιόντων στην εναποτιθόμενη επιφάνεια πυριτίου. Ωστόσο βομβαρδισμός ιόντων υψηλής ενέργειας οδηγεί στη δημιουργία ατελειών στο εναποτιθέμενο στρώμα και έτσι πρέπει να αποφεύγεται. Για την αποφυγή της δημιουργίας ατελειών χρησιμοποιούνται δύο κύριες μέθοδοι. Η μια είναι η αύξηση της συχνότητας πλάσματος από MHz όπου είναι η συνηθισμένη συχνότητα πλάσματος κατά την εναπόθεση, σε πολύ υψηλές συχνότητες, συνήθως σε συχνότητες μεταξύ 60 και 100 MHz [56]. Στις συχνότητες αυτές η περιοχή ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου γύρω από το κάθε ηλεκτρόδιο γίνεται λεπτότερη και τα θετικά ιόντα που βομβαρδίζουν την αναπτυσσόμενη επιφάνεια δεν επιταχύνονται τόσο όσο πριν. Ωστόσο η σχεδίαση συστημάτων εναπόθεσης μεγάλων επιφανειών είναι δυσκολότερη σε υψηλές συχνότητες μιας και η εναπόθεση τείνει να είναι μη ομοιόμορφη. Σε τόσο υψηλές συχνότητες πλάσματος χρησιμοποιούνται ηλεκτρόδια με διαφορετικό σχεδιασμό, ώστε η εναπόθεση να γίνεται ομοιόμορφα [55]. Οι υψηλές τιμές της συχνότητας πλάσματος βοηθούν επίσης και στην αποφυγή σχηματισμού σκόνης (powder) λόγω πρόωρων χημικών αντιδράσεων των αερίων (πολυμερισμός πλάσματος). Για επιστρώσεις υψηλής ποιότητας εκτός από υψηλές συχνότητες πλάσματος απαιτούνται και υψηλότερες τιμές της πίεσης κατά την εναπόθεση [56]. Σε μεγαλύτερες τιμές πίεσης, οι συγκρούσεις μεταξύ των μορίων είναι περισσότερες, μειώνοντας έτσι τις ενέργειες των ιόντων που χτυπούν την αναπτυσσόμενη 71

72 επιφάνεια. Επομένως για μεγάλους ρυθμούς εναπόθεσης υψηλές πιέσεις εναπόθεσης συνδυάζονται με υψηλές τιμές συχνότητας πλάσματος. Οι θάλαμοι εναπόθεσης πρέπει ανά τακτές περιόδους να καθαρίζονται ώστε να αποφεύγεται οι συσσώρευση σκόνης (powder) στο σύστημα. Αυτό γίνεται συνήθως με καθαρισμό με χρήση πλάσματος, με τα συνήθη αέρια καθαρισμού να είναι SF 6 και NF 3. Ωστόσο, επειδή τα αέρια αυτά είναι αέρια θερμοκηπίου, η χρήση της αποφεύγεται σταδιακά και χρησιμοποιούνται εναλλακτικά αέρια όπως φθόριο ή μηχανικές μέθοδοι καθαρισμού. Το πλαίσιο που χρησιμοποιούμε στην πειραματική διαδικασία παρήχθη από την εταιρεία Heliosfera με εξοπλισμό μαζικής παραγωγής της εταιρείας Oerlikon. Το σύστημα αποτελείται δύο πύργους εναπόθεσης PECVD, δύο θαλάμους φόρτωσης ξεφόρτωσης, έναν θάλαμο μεταφοράς και ένα εξωτερικό ρομποτικό μηχάνημα για φόρτωση και ξεφόρτωση των πλαισίων [40]. Η εναπόθεση πάνω στα πλαίσια γίνεται σε δύο στήλες με χωρητικότητα 10 πλαίσια η καθεμία. Πρόσφατα έχουν γίνει πολλές βελτιώσεις σε τέτοιες διατάξεις, οδηγώντας το κόστος παραγωγής σε μόλις 0.5 /W p. Εικόνα 6.13 Το σύστημα KAI εναπόθεσης PECVD για την παραγωγή πλαισίων a- Si:H και a-si:h/μc-si:h [40]. Ένα από τα σημαντικά πλεονεκτήματα των φβ πλαισίων a-si:h/μc-si:h είναι το ότι από μια μόνο γραμμή παραγωγής προκύπτουν ολοκληρωμένα Φβ πλαίσια έτοιμα προς χρήση. Η διαδικασία κατασκευής δεν περιλαμβάνει μόνο την εναπόθεση PECVD άλλα ξεκινά με τον έλεγχο και τον καθαρισμό των γυάλινων πλαισίων πάνω 72

73 στα οποία γίνεται η εναπόθεση [41]. Στη συνέχεια εναποτίθεται το στρώμα TCO, (νοθευμένο ZnO) σε θαλάμους LP-CVD (Low Pressure CVD), ακολουθεί η χάραξη με laser (laser scribing) και τα γυάλινα πλαίσια οδηγούνται στο θάλαμο PECVD. Μετά από την εναπόθεση των ενεργών υλικών ακολουθεί πάλι χάραξη με laser, εναπόθεση του στρώματος ZnO της πίσω επαφής και τελικά ο αεροστεγής εγκλεισμός της διάταξης. Εικόνα 6.14 Γραμμή παραγωγής των πλαισίων a-si:h/μc-si:h [41]. 73

74 74

75 7 Πειραματική διαδικασία 7.1 Εισαγωγή Η πειραματική διαδικασία περιλαμβάνει μετρήσεις εξωτερικού χώρου για το πλαίσιο a-si/μc-si και σύγκρισή της συμπεριφοράς του σε πραγματικές συνθήκες με ένα πλαίσιο μονοκρυσταλλικού πυριτίου καθώς και με ένα πλαίσιο a-si. Το πλαίσιο a-si/μc-si αναμένεται να έχει καλύτερη επίδοση από το πλαίσιο a-si, όχι τόσο καλή ωστόσο όσο το πλαίσιο mono-si. Η αξιολόγηση θα γίνει υπό διάφορες συνθήκες όπως ηλιοφάνεια, αυξημένη συννεφιά, πρόσπτωση της ακτινοβολίας υπό μεταβαλλόμενες γωνίες, σε μεταβολές της θερμοκρασίας καθώς και σε διάφορες ώρες της ημέρας. Αρχικά θα αξιολογηθούν οι μέθοδοι μέτρησης της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας, η οποία μετράται με πυρανόμετρο και ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο αναφοράς. Θα παρουσιαστούν μετρήσεις σε συνθήκες κοντά στις πρότυπες και στη συνέχεια θα μελετηθεί πως επηρεάζεται το κάθε πλαίσιο από τις μεταβολές της θερμοκρασίας, της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας, της αέριας μάζας και τις γωνίας πρόπτωσης. Θα γίνει παρατήρηση των επιδόσεων των φωτοβολταϊκών πλαισίων κατά τη διάρκεια της ημέρας, όπου μεταβάλλονται όλοι οι παραπάνω παράγοντες. 7.2 Εξοπλισμός Το πλαίσιο a-si/μc-si που αξιολογήθηκε είναι της ελληνικής εταιρείας Heliosfera και έχει ονομαστική απόδοση 120W P κατασκευής 2010 (κατασκευάζεται στην Τρίπολη). Το φωτοβολταϊκό αυτό πλαίσιο έχει συνολική επιφάνεια 1.347m 2 (1.066mx1.264m) με ενεργή επιφάνεια 1.335m 2. Το πλαίσιο έχει υποστεί την αναμενόμενη φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση και η απόδοσή του έχει σταθεροποιηθεί, μιας και είναι τοποθετημένο σε εξωτερικό χώρο, εκτεθειμένο στην ηλιακή ακτινοβολία για πάνω από ένα έτος. Το πλαίσιο είναι τοποθετημένο πάνω σε βάση η οποία μπορεί να περιστρέφεται αζιμουθιακά καθώς και να μεταβάλλεται και η γωνία κλίσης. 75

76 Εικόνα 7.1. Το πλαίσιο a-si/μc-si που χρησιμοποιούμε έχει 1.066m πλάτος και 1.264m ύψος. Πίνακας 7.1. Ονομαστικά Χαρακτηριστικά πλαισίου a-si/μc-si της εταιρείας Heliosfera Τύπος πλαισίου I mpp (A) I sc (A) V mpp (V) V oc (V) P pk (W) a-si:h/μc-si:h Για να αξιολογήσουμε την απόδοση του Φβ πλαισίου a-si/μc-si θα το συγκρίνουμε με Φβ πλαίσια διαφορετικής τεχνολογίας που διαθέτει το εργαστήριο. Θα χρησιμοποιήσουμε λοιπόν και ένα Φβ πλαίσιο μονοκρυσταλλικού πυριτίου και ένα Φβ πλαίσιο άμορφου πυριτίου. Το Φβ πλαίσιο mono-si που χρησιμοποιήθηκε είναι της εταιρείας Luxor κατασκευής 2006 και ονομαστικής ισχύος 80W P έχει επιφάνεια 0.643m 2 (ενεργή επιφάνεια 0.464). αποτελείται από 36 Φβ στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου εμβαδού m 2. Εικόνα 7.2. Το c-si πλαίσιο της εταιρείας Luxor επιφάνειας m 2. 76

77 Πίνακας 7.2. Ονομαστικά χαρακτηριστικά πλαισίου mono-si της εταιρείας Luxor Τύπος πλαισίου I mpp (A) I sc (A) V mpp (V) V oc (V) P pk (W) mono-si Χρησιμοποιήσαμε επίσης και ένα Φβ πλαίσιο a-si που διέθετε το εργαστήριο, για το οποίο δεν διαθέταμε στοιχεία του κατασκευαστή. Ωστόσο το αξιολογήσαμε ώστε να το χρησιμοποιήσουμε στην πειραματική διαδικασία. Το πλαίσιο είναι της εταιρίας Chronar κατασκευασμένο πριν από το Αν και πολλών ετών είναι σε άριστη κατάσταση και το συμπεριλάβαμε στην πειραματική διαδικασία για να συγκρίνουμε την τεχνολογία άμορφου πυριτίου με το Φβ πλαίσιο a-si/μc-si. Το πλαίσιο έχει επιφάνεια 0.283m 2. Εικόνα7.3. Το Φβ πλαίσιο a-si της εταιρίας Chronar επιφάνειας 0.283m 2. Για τις μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε η συσκευή PVPM 2540C η οποία καταγράφει τις χαρακτηριστικές καμπύλες I V των φωτοβολταϊκών πλαισίων και περιλαμβάνει και ένα reference cell c-si. Η συσκευή έχει τη δυνατότητα να μετασχηματίζει τις μετρήσεις στις πρότυπες συνθήκες μέτρησης με την βοήθεια των μεγεθών που καταγράφει το reference cell (θερμοκρασία, ένταση ακτινοβολίας). Οι μετασχηματισμοί αυτοί ωστόσο αφορούν πλαίσια μονοκρυσταλλικού πυριτίου και όχι πλαίσια λεπτών φιλμ πυριτίου επομένως αυτή η λειτουργία αυτή δεν θα χρησιμοποιηθεί. Η μέτρηση της έντασης της ακτινοβολίας εκτός από το φωτοβολταϊκό στοιχείο αναφοράς θα γίνεται κυρίως με πυρανόμετρο για μεγαλύτερη ακρίβεια, ενώ η θερμοκρασία θα μετράται με θερμοζεύγη συνδεδεμένα στο πίσω μέρος των πλαισίων. 77

78 Εικόνα 7.4 Τα όργανα μέτρησης που χρησιμοποιούμε. Από αριστερά προς τα δεξιά: η συσκευή PVPM 2540C, το πυρανόμετρο και το φωτοβολταϊκό στοιχείο αναφοράς Για να γίνουν ακριβείς μετρήσεις κατασκευάστηκε στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας μια επιπλέον βάση στήριξης για το πλαίσιο mono-si, η οποία συνδέθηκε με τη βάση του πλαισίου a-si/μc-si ώστε η γωνία πρόσπτωσης της ακτινοβολίας στα πλαίσια να είναι ακριβώς η ίδια. Με αυτόν τον τρόπο σύνδεσης των βάσεων μπορούμε να μεταβάλλουμε κατά τον ίδιο τρόπο τη γωνία πρόσπτωσης της ακτινοβολίας στα δύο πλαίσια κατά τη διάρκεια των μετρήσεων (εικόνα 7.5). Η κλίση των πλαισίων ρυθμίστηκε σταθερή στις 45 ο και κατά τη διάρκεια των πειραμάτων η αζιμούθια γωνία ήταν αυτή που μεταβαλλόταν. Η κλίση των 45 ο επιλέχθηκε ώστε να υπάρχει κάθετη πρόσπτωση της ακτινοβολίας στα Φβ πλαίσια όταν ο ήλιος βρίσκεται στο υψηλότερο σημείο, μιας και οι μετρήσεις έγιναν κατά τους χειμερινούς μήνες. Η βέλτιστη κλίση είναι μικρότερη για μεγαλύτερη επίδοση μιας εγκατάστασης φωτοβολταϊκών πλαισίων σε όλη τη διάρκεια του χρόνου, ωστόσο η χαμηλότερη θέση του ήλιου το χειμώνα μας ώθησε στη ρύθμιση στις 45 ο. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε και ένας διακόπτης ώστε κάθε φορά να επιλέγεται σε ποιο φωτοβολταϊκό πλαίσιο θα γίνει η μέτρηση. Ο διακόπτης έχει δύο θέσεις, στις οποίες συνδέουμε τα δύο πλαίσια, επιλέγοντας κάθε φορά ένα από τα δύο πλαίσια να είναι συνδεδεμένο με τη συσκευή PVPM 2540C ώστε να μετρηθεί η χαρακτηριστική καμπύλη I-V. Σαν αποτέλεσμα οι μετρήσεις την κάθε στιγμή δεν είναι ταυτόχρονες για τα δύο πλαίσια άλλα υπάρχει μεταξύ τους ένας χρόνος μερικών δευτερολέπτων. Για αυτό το λόγο κάθε φορά που γίνεται μια μέτρηση καταγράφονται πάντα όλες οι παράμετροι (ώρα, ένταση ακτινοβολίας, θερμοκρασία) 78

79 Εικόνα 7.5 Αριστερά: Σχηματική αναπαράσταση της διάταξης με το προσανατολισμό και τις σημαντικές γωνίες. Δεξιά: φωτογραφία της διάταξης. 7.3 Αξιολόγηση μεθοδολογιών μέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας μετράται με δύο τρόπους: με πυρανόμετρο (CM6B Kipp & Zonnen) και με το φωτοβολταϊκό στοιχείο αναφοράς της συσκευής PVPM 2540C. Το φωτοβολταϊκό στοιχείο αναφοράς είναι μονοκρυσταλλικού πυριτίου επομένως έχει και την αντίστοιχη φασματική απόκριση. Δεν αναμένεται να υπάρχουν σημαντικές διαφορές στις μετρήσεις με κάθε τρόπο, ωστόσο θα δούμε πόσο επηρεάζονται οι δύο συσκευές μέτρησης από τις παραμέτρους του περιβάλλοντος. Στο παρακάτω σχήμα παρατηρούμε ότι οι ένδειξη που παίρνουμε σε κάθε μέτρηση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας με τις δύο συσκευές είναι περίπου ίδια. Τις μετρήσεις της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας επηρεάζουν η θερμοκρασία, ο η γωνία πρόσπτωσης, η μη σταθερή ένταση της ακτινοβολίας, ειδικά σε μετρήσεις με συννεφιά, καθώς και η βαθμονόμηση που έχει γίνει στα όργανα που χρησιμοποιούμε. Ο πιο σημαντικός παράγοντας που θα παρατηρήσουμε στην παρούσα πειραματική διαδικασία είναι η μη σταθερή τιμή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας. 79

80 Εικόνα 7.6. Σύγκριση μετρήσεων της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας με το φβ στοιχείο αναφοράς και το πυρανόμετρο. Στο εγχειρίδιο του πυρανόμετρου ο κατασκευαστής παρουσιάζει αναλυτικά τα σφάλματα λόγω των διαφόρων παραμέτρων [46]. Καταρχάς, λόγω μη γραμμικών φαινομένων υπάρχει ένα σφάλμα με μέγιστη τιμή περίπου 3%. Σε ιδιαίτερα υψηλές τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας (>1200W/m 2 ), αναμένεται μεγαλύτερο σφάλμα χωρίς να ξεπερνά το 5%. Επίσης όσο η θερμοκρασία περιβάλλοντος παραμένει μεταξύ -10 έως 40 ο C δεν αναμένονται σφάλματα μεγαλύτερα από 2%. Το σφάλμα μη κάθετης πρόσπτωσης δεν είναι ιδιαίτερα σημαντικό, καθώς είναι μικρότερο από 2% για γωνίες έως 20 ο και μικρότερο από 5% για γωνίες έως 60 ο. Το φασματικό εύρος του πυρανόμετρου είναι nm και περιορίζεται από τον γυάλινο θόλο (2mm) που περιβάλλει το ενεργό υλικό, περιλαμβάνει ωστόσο όλο το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας. Χρησιμοποιώντας το πυρανόμετρο η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας μετράται σε milivolt και για να γίνει ο μετασχηματισμός σε W/m 2 πολλαπλασιάζουμε με τη σταθερά W/mV m 2. Το ορικό σφάλμα της μέτρησης είναι το λιγότερο σημαντικό ψηφίο του βολτόμετρου που χρησιμοποιούμε. Σαν αποτέλεσμα σε κάθε μέτρηση υπάρχει σφάλμα περίπου 10 W/m 2. Σε εντάσεις ακτινοβολίας της τάξης των 1000 W/m 2 το σφάλμα αυτό είναι στο 1%, ωστόσο σε χαμηλές εντάσεις της ηλιακής ακτινοβολίας π.χ. 100 W/m 2 το σφάλμα φτάνει το 10% και οι μετρήσεις δεν έχουν μεγάλη ακρίβεια. 80

81 Εικόνα 7.7. Φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας και φασματική ευαισθησία του πυρανόμετρου Το φωτοβολταϊκό στοιχείο αναφοράς με το οποίο επίσης μετράται η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Η φασματική ευαισθησία του αναμένεται λοιπόν ίδια με ενός στοιχείου mono-si. Έτσι το όργανο αυτό δεν μετρά την πραγματική τιμή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας αλλά εκείνο μόνο το μέρος του φάσματος που χρησιμοποιείται από το φωτοβολταϊκό στοιχείο. Επομένως σε μετρήσεις για υπολογισμό της απόδοσης ενός Φβ πλαισίου, χρησιμοποιώντας το Φβ στοιχείο αναφοράς θα οδηγηθούμε σε υπερεκτίμηση της απόδοσης του υπό εξέταση πλαισίου. Εκτός από τον παραπάνω περιορισμό η ακρίβεια της μέτρησης με το Φβ στοιχείο αναφοράς περιορίζεται ακόμα περισσότερο και από άλλους παράγοντες. Όπως και τα φωτοβολταϊκά πλαίσια mono-si έτσι και το όργανο αυτό επηρεάζεται σημαντικά από τη θερμοκρασία. Επιπλέον σφάλματα εισέρχονται στις μετρήσεις όταν μεταβάλλεται η γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας. Ενώ το πυρανόμετρο επηρεάζεται ελάχιστα με την αύξηση της γωνίας πρόσπτωσης, το φωτοβολταϊκό στοιχείο αναφοράς επηρεάζεται σημαντικά, ιδιαίτερα σε μεγάλες γωνίες πρόσπτωσης. Σημαντικοί παράγοντες σφάλματος είναι και οι κλιματικές συνθήκες καθώς και οι μεταβολές του ηλιακού φάσματος κατά τη διάρκεια της ημέρας. Το Φβ στοιχείο αναφοράς δεν ανταποκρίνεται στις φασματικές μεταβολές της ηλιακής ακτινοβολίας που οφείλονται είτε σε συννεφιά είτε σε αύξηση της αέριας μάζας. Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων η θερμοκρασία περιβάλλοντος κυμαινόταν από 10 o C έως 20 o C. Μετρήσεις έγιναν με διάφορες τιμές ηλιακής ακτινοβολίας, αέριας μάζας, θερμοκρασίας και γωνίας πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας. Συστηματικά παρατηρήθηκε ότι με το πυρανόμετρο παίρναμε μεγαλύτερες ενδείξεις για την τιμή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας. Όπως βλέπουμε και στο παρακάτω σχήμα, ιδιαίτερα στις μετρήσεις με υψηλή ένταση της ακτινοβολίας 81

82 όπου έχουμε μεγαλύτερη ακρίβεια, τα πυρανόμετρο δίνει τιμές σταθερά πάνω από τις τιμές του φβ στοιχείου αναφοράς. Εικόνα 7.8. Η διαφορά στις τιμές που μετρά το πυρανόμετρο μείον τις τιμές που μετρά το φβ στοιχείο αναφοράς Για τους παραπάνω λόγους για την παρούσα πειραματική διαδικασία θα χρησιμοποιήσουμε πυρανόμετρο για την μέτρηση της έντασης της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Το σφάλμα σε κάθε μέτρηση καθορίζεται από τον παράγοντα που δημιουργεί το μεγαλύτερο σφάλμα. Σε υψηλές τιμές της ακτινοβολίας (~1000 W/m 2 ) το σφάλμα θα είναι 30 W/m 2 (3%), λόγω του παράγοντα μη γραμμικής βαθμονόμησης του πυρανόμετρου. Το σφάλμα ωστόσο δεν γίνεται να είναι κάτω από 10 W/m 2 λόγω του σφάλματος ένδειξης. Σε συνθήκες αραιής συννεφιάς η αβεβαιότητα αυξάνεται ακόμα περισσότερο. Η μεταβολή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας είναι συνεχής και ραγδαία, κάτι που κάνει τη μέτρησή της ιδιαίτερα δύσκολη. Η αραιή συννεφιά στις μετρήσεις μας αφορά ένα εύρος τιμών από 400 W/m 2 έως 800 W/m 2, όπου όπως παρατηρούμε υπάρχει και μεγαλύτερη διασποράς στις τιμές των μετρήσεων. Οι μετρήσεις παίρνονταν πάντα μετά από αναμονή σταθεροποίησης της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας, ωστόσο αυτό δεν ήταν πάντα εφικτό να διασφαλιστεί και το σφάλμα από τις μετρήσεις αυτές αναμένεται γύρω στα 20 W/m 2. 82

83 7.4 Υπολογισμός αέριας μάζας Η αέριος μάζα ορίζεται ως το πηλίκο του οπτικού πάχους της ατμόσφαιρας διαμέσου του οποίου περνά η άμεση ηλιακή ακτινοβολία, προς το οπτικό πάχος της ατμόσφαιρας όταν ο ήλιος βρίσκεται στο ζενίθ [49]. Αν υποθέσουμε ότι η γη δεν έχει εκκεντρότητα και η τροπόσφαιρα είναι απολύτως ομογενής και δεν περιέχει μικροσωματίδια (αεροζόλ) ή υδρατμούς, τότε η σχετική αέριος μάζα είναι AM=1/cosθ Ζ. Ο τύπος αυτός περιγράφει την σχετική απόσταση που ταξιδεύει το φως διαμέσου της ατμόσφαιρας σε έναν συγκεκριμένο τόπο. Στο όριο της ατμόσφαιρας η αέριος μάζα έχει προφανώς μηδενική τιμή, μιας και στην απόσταση από τον ήλιο έως τη γη δεν υπάρχει απόσβεση της ακτινοβολίας. Όταν ο ήλιος είναι σε γωνία θ Ζ =0 ο, η τιμή της αερίου μάζας είναι ίση με τη μονάδα στο επίπεδο της θάλασσας. Μια αντιπροσωπευτική μέση τιμή της αερίου μάζας είναι ΑΜ=1.5 για τις περισσότερες εφαρμογές ηλιακής ενέργειας και είναι και η τιμή που αντιστοιχεί στις πρότυπες συνθήκες χαρακτηρισμού των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Eικόνα 7.9. Η τιμή της αέρια μάζας εξαρτάται από την ζενίθια γωνία θ Ζ. [48] Στην πραγματικότητα ο παραπάνω τύπος για τον υπολογισμό της αέριας μάζας είναι έγκυρος για γωνίες θ Ζ <70 ο μιας και βασίζεται σε κάποιες υποθέσεις και προσεγγίσεις που αναφέραμε παραπάνω [50]. Για θ Ζ =90 ο η αέριος μάζα τείνει στο άπειρο ενώ προφανώς ο οπτικός δρόμος έχει μια πραγματική τιμή. Για μεγαλύτερη ακρίβεια, λαμβάνοντας υπόψιν την καμπυλότητα της γης έχουν προταθεί πολλοί τύποι στη βιβλιογραφία, εμείς θα χρησιμοποιήσουμε τον παρακάτω [51]. ΑΜ=(cos θ Ζ ( θ Ζ ) ) -1 83