ΥΛΙΚΑ ΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

Transcript

1 ΥΛΙΚΑ ΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 3ο Μάθημα Διδάσκων: Επ. Καθηγητής Ε. Αμανατίδης ΤΡΙΤΗ 28/3/2017 Τμήμα Χημικών Μηχανικών Πανεπιστήμιο Πατρών

2 Περίληψη Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο Ημιαγωγοί και απορρόφηση φωτονίων Η επαφή p-n Διαχωρισμός φορτίου και παραγωγή ρεύματος Φωτοβολταϊκές κυψέλες και πλαίσια Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικά ΦΒ κελιών Ημιαγωγοί και διαφορετικές τεχνολογίες ΦΒ πλαισίων Μέθοδοι παρασκευής φωτοβολταϊκών πλαισίων Παραγωγή Ενέργειας Βασικές Ιδιότητες ΦΒ πλαισίων Σύγκριση διαφορετικών τεχνολογιών

3 Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Το Φωτοβολταϊκό φαινόμενο περιγράφεται ως η πόλωση των ηλεκτρικών φορτίων που συμβαίνει σε συγκεκριμένα υλικά όταν αυτά εκτεθούν σε φωτεινή ακτινοβολία. Κάτι τέτοιο παρατηρείται στα φυσικά στοιχεία που ανήκουν στην ομάδα των ημιαγωγών καθώς και στις τεχνητές ημιαγωγικές διατάξεις. Η πόλωση των ηλεκτρικών φορτίων μεταφράζεται ως δημιουργία διαφοράς δυναμικού μεταξύ των δημιουργούμενων πόλων, δηλαδή έχουμε μια υποτυπώδη ηλεκτρική γεννήτρια Ανακαλύφθηκε το 1839 από τον Alexander Becquerel

4 Ημιαγωγοί Ημιαγωγός είναι κάθε υλικό, όπως το γερμάνιο ή το πυρίτιο, που επιτρέπει τη ροή ηλεκτρικού φορτίου υπό κάποιες προϋποθέσεις, όπως είναι αύξηση της θερμοκρασίας ή η πρόσπτωση φωτός. Ένας ημιαγωγός, όπως το πυρίτιο, στην καθαρή κρυσταλλική του μορφή, είναι καλός μονωτής. Ωστόσο, όταν έστω και ένα άτομο μέσα σε εκατομμύρια αντικατασταθεί από μία πρόσμιξη που προσθέτει ή αφαιρεί ένα ηλεκτρόνιο τότε η αγωγιμότητά τους αυξάνεται θεαματικά. Στην πρώτη περίπτωση, προκύπτει ημιαγωγός τύπου n (negative) καθώς έχουμε παραπάνω ηλεκτρόνια και στη δεύτερη τύπου p (positive) καθώς έχουμε επιπλέον οπές που δηλώνουν απουσία ηλεκτρονίων. Αυτός ο τρόπος πρόσμιξης ονομάζεται doping

5 Κατηγορίες Ημιαγωγών Στοιχειακοί: Si, Ge Διαδικές ενώσεις: GaAs, InP, AlAs (III-V) Τριαδικά κράματα (ternary alloys): Al x Ga 1-x As, Ga x In 1-x P (III-V) Τετραδικά κράματα : Ga x In 1-x As y P 1-y, (III-V) CuIn x Ga 1-x Se 2 (I-III-VI) Ημιαγωγοί ευρέως χάσματος : ZnSe, CdTe (II- VI), GaN, InN, AlN (III-V) κλπ Συντελεστής απορρόφησης σα συνάρτηση του μήκους κύματος ακτινοβολίας

6 Ημιαγωγοί n- και p- τύπου Περίσσεια e- Στο Ge ή Si προσθήκη στοιχείου V ομάδας π.χ αρσενικό (As) ή φώσφορος (P), τα 4 ηλεκτρόνια σθένους του As θα δημιουργήσουν με τα αντίστοιχα 4 των γειτονικών ατόμων του Ge ομοιοπολικούς δεσμούς και θα μείνει αδέσμευτο το 5 ο ηλεκτρόνιο του ατόμου του As. Το As ή ο P λέγονται δότες και ο ημιαγωγός n- τύπου Αντίθετα αν ένα τρισθενές στοιχείο, όπως π.χ το γάλλιο ή βόριο, εισαχθεί στον ημιαγωγό Si τότε τα τρία ηλεκτρόνια σθένους θα σχηματίσουν ομοιοπολικούς δεσμούς με Si και η θέση ηλεκτρονίου που λείπει οδηγεί στο σχηματισμό μιας οπής Το Ga ή Β λέγονται δέκτες και ο ημιαγωγός τύπου p

7 pn Επαφή Αν φέρουμε σε επαφή έναν ημιαγωγό p-τύπου με έναν ημιαγωγό n-τύπου Έχουμε τη δημιουργία 3-περιοχών: 2 ψευδοουδέτερων και μιας περιοχής με διαχωρισμό φορτίων και καθαρό φορτίο χώρου

8 pn Επαφή Χαρακτηριστικές καμπύλες VI Ορθή πόλωση διόδου αντίσταση 10Ω Ανάστροφη πόλωση διόδου αντίσταση10 ΜΩ Ορθή πόλωση, + γεννήτριας σε p- type Ανάστροφη πόλωση, + γεννήτριας σε n-type

9 pn Επαφή Χαρακτηριστικές καμπύλες VI Aνάστροφο ρεύμα κόρου Io I = I o exp ev γkt 1 Όπου V η τάση στα άκρα της διόδου, γ συντελεστής κατασκευής της διόδου (1-2), k σταθερά Boltzmann και T η θερμοκρασία

10 Φωτοβολταϊκά ως pn επαφές Απλοποιημένο σχήμα ΦΒ διάταξεις Απλοποιημένο κύκλωμα ΦΒ διάταξεις Ι φ = I o exp ev γkt 1 V oc = γkt e ln I φ Ι ο Μέγιστο Ρεύμα Φωτοβολταϊκού RL 0 Μέγιστη Τάση - Τάση ανοικτού κυκλώματος RL

11 Φωτοβολταϊκά- Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Σε συνθήκες βραχυκύκλωσης το ρεύμα βραχυκύκλωσης είναι: Ι sc = I φ Σε οποιαδήποτε άλλη κατάσταση το ρεύμα είναι: Ι L = Ι φ I o exp ei LR L γkt 1

12 Φωτοβολταϊκά- Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Συντελεστής πλήρωσης FF O συντελεστής πλήρωσης ορίζεται ως: FF = I mv m I sc V oc

13 Φωτοβολταϊκά- Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Φωτοβολταϊκά - Συντελεστής απόδοσης O συντελεστής απόδοσης ορίζεται ως: n = P m H x A = I mv m H x A = FF x I sc x V oc H x A Όπου H είναι η ένταση (πυκνότητα ισχύος) της ακτινοβολίας που δέχεται η επιφάνεια του ΦΒ, εμβαδού A. Αύξηση της απόδοσης φωτοβολταϊκού στοιχείου μπορεί να επιτευχθεί μέσω της αύξησης του FF, I sc ή/και V oc

14 Φωτοβολταϊκά- Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Φωτοβολταϊκά- Συντελεστής απόδοσης Επίδραση θερμοκρασίας Η μεταβολή του συντελεστή απόδοσης με τη θερμοκρασία: n θ = n x σ θ n ορίζεται η απόδοση στους 25 ο C σ θ o θερμοκρασιακός συντελεστής ισχύος

15 Φωτοβολταϊκά- Μέγιστή Ισχύ/Ρεύμα/Τάση Η τάση των φ/β μεταβάλλεται μη γραμμικά σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος. Για σταθερές συνθήκες ακτινοβολίας αλλά μεταβαλλόμενη αντίσταση κυκλώματος η τάση και η ένταση του ρεύματος παίρνουν ενδιάμεσες τιμές μεταξύ 0 - Voc και 0 Ιsc αντίστοιχα.

16 Φωτοβολταϊκά- Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Φωτοβολταϊκά- Μεταβαλλόμενες συνθήκες Μετατόπιση σημείων λειτουργίας ΦΒ στοιχείου και απομάκρυνση του σε σχέση με τα σημεία μέγιστης ισχύος της καμπύλης τάσης ρεύματος για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας

17 V(V) Φωτοβολταϊκά- Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά PV s in our roof, From specifications Voc=43 V, Isc=8.8 A I-V curves for p-si under different irradiation levels I(A) 320W/m2 427W/m2 565W/m2 703W/m2 798W/m2 899W/m2 1006W/m2 1037W/m2 1056W/m2 1006W/m2 934W/m2 893W/m2 682W/m2 546W/m2

18 P (W) Φωτοβολταϊκά- Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά PV s in our roof, From specifications P nom =260 Watt 300 P-Ι curves for p-si modules under different irradiation levels I (A)

19 Φωτοβολταϊκά Προδιαγραφές 3 μέθοδοι χαρακτηρισμού STC (Standard Test Conditions), H=1000 W/m2, T=25 o C NOCT (Nominal Operating Cell Temperature), H=800 W/m2, T = 46 o C Low irradiance, H=200 W/m2, T=25 o C Θερμοκρασιακοί συντελεστές δίνονται σε NOCT συνθήκες

20 Διαφορετικές Τεχνολογίες ΦΒ

21 Τεχνολογίες ΦΒ Πλαίσια ΦΒ μονοκρυσταλλικού και πολυκρυσταλλικού πυριτίου Πλαίσια ΦΒ λεπτών υμενίων ΦΒ αμόρφου πυριτίου ΦΒ πολλαπλών επαφών πυριτίου a-si:h/a-si:h, μc-si:h/a- Si:H ΦΒ λεπτών υμενίων CdTe ΦΒ λεπτών υμενίων CIGS Οργανικά φωτοβολταϊκά κελλιά

22 Αποδόσεις διαφορετικών τεχνολογιών Φωτοβολταϊκών

23 Τεχνολογίες Φωτοβολταϊκών c-si Thin films a-si, a-si/uc-si, CdTe, CIGS 3d generation solar cells Αποδόσεις 13 to 16 % Τιμές 0.7 to 1.4 /Wp Πλαίσια 100 Wp to 300 Wp Αποδόσεις 8 to 13 % Τιμές 0,5 to 1.2 /Wp Πλαίσια 40 Wp to 125 Wp Αποδόσεις >30 % Τιμές?? Ισχύς

24 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΦΒ ΠΟΛΥΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ

25 Πρωταρχικό στάδιο επεξεργασίας ΠΡΩΤΗ ΥΛΗ Si Από 1 η ύλη σε λεπτά δισκία πυριτίου ΚΑΛΟΥΠΙ (CRUCIBLE) ΤΟΥΒΛΑ Si (BRICKS) ΠΛΙΘΩΜΑ (INGOT) P-doped Ποιοτικός Έλεγχος Λεπτά δισκία p-doped Si

26 Αναλυτικά Βήματα 1 η ύλη ψεκάζεται με μείγμα από νιτρίδιο του πυριτίου και θερμαίνεται ώστε το μείγμα να σταθεροποιηθεί στην εσωτερική του επιφάνεια (καλούπι) Χώνευση πυριτίου και doping με βόριο (δημιουργία ημιαγωγού τύπoυ p πυρίτιο 4e στην εξωτερική στοιβάδα, βόριο 3e στην εξωτερική) Τοποθέτηση σε φούρνους => πλίνθωμα πολυκρυσταλλικού πυριτίου (ingot) Αφαίρεση crucible και καθαρισμός

27 Αναλυτικά Βήματα Απόριψη εξωτερικής επιφάνειας ingot και δημιουργία bricks Ποιοτικός έλεγχος bricks - έλεγχος διάρκειας ζωής - ατέλειες Κόψιμο bricks και δημιουργία λεπτών ~10 μm δισκίων p- doped πυριτίου

28 Κατασκευή φωτοβολταϊκού κελιού N-doping + μη ανακλαστική επίστρωση ΦΒ κελί Wafer Επιμετάλλωση εμπρός και πίσω Συνδέσεις Ποιοτικός Έλεγχος Συναρμολόγηση ΦΒ Πλαίσια

29 Κατασκευή φωτοβολταϊκού κελιού Doping των wafers με φώσφορο (σε αυτό το σημείο δημιουργείται p-n junction φώσφορος έχει 5 e στην εξωτερική στοιβάδα) Ποιοτικός έλεγχος Εναπόθεση μη-ανακλαστικής επίστρωσης Επιμετάλλωση (Metallization) : επίστρωση αλουμινίου δημιουργία επαφής για ηλ. κύκλωμα Solar cell έλεγχος απόδοσης

30 Front end Processing

31 Back end Processing

32 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΦΒ ΛΕΠΤΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ

33 Τεχνολογίες ΦΒ λεπτών υμενίων a-si µc-si

34 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΦΒ ΛΕΠΤΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ

35 ΦΒ λεπτών υμενίων πυριτίου Efficiency theoretical limit

36 Παρασκευή ΦΒ λεπτών υμενίων πυριτίου Βήμα 1 Καθαρισμός Γυαλιού Clean TCO Laser PECVD Laser TCO Laser Assembly Glass substrate

37 Παρασκευή ΦΒ λεπτών υμενίων πυριτίου Βήμα 2 Εμπρός Επαφή Εναπόθεση αγώγιμου οξειδίου (ZnO) μέσω χημικής εναπόθεσης χαμηλής πίεσης Clean TCO Laser PECVD Laser TCO Laser Assembly FC TCO contact Glass substrate

38 Παρασκευή ΦΒ λεπτών υμενίων πυριτίου Βήμα 3 Εγχάραξη με Laser Clean TCO Laser PECVD Laser TCO Laser Assembly P1 TCO contact Glass substrate

39 Παρασκευή ΦΒ λεπτών υμενίων πυριτίου Βήμα 3 Καθαρισμός Clean TCO Laser PECVD Laser TCO Laser Assembly Clean TCO contact Glass substrate

40 Παρασκευή ΦΒ λεπτών υμενίων πυριτίου Βήμα 4 Εναπόθεση ενεργών στοιβάδων πυριτίου με πλάσμα Εναπόθεση p-στοιβάδων με πλάσμα B2H6/SiH4 Εναπόθεση ενδογενούς στοιβάδας με πλάσμα SiH4/H2 Εναπόθεση n-στοιβάδων με πλάσμα PH3/SiH4 Clean TCO Laser PECVD Laser TCO Laser Assembly asi/µc-si TF silicon TCO contact Glass substrate

41 Παρασκευή ΦΒ λεπτών υμενίων πυριτίου Βήμα 5 2 η Εγχάραξη με Laser Clean TCO Laser PECVD Laser TCO Laser Assembly P2 TF silicon TCO contact Glass substrate

42 Παρασκευή ΦΒ λεπτών υμενίων πυριτίου Βήμα 6 Πίσω Επαφή Εναπόθεση αγώγιμου οξειδίου (ZnO) μέσω χημικής εναπόθεσης ψαμηλής πίεσης Clean TCO Laser PECVD Laser TCO Laser Assembly BC Back contact TF silicon TCO contact Glass substrate

43 Παρασκευή ΦΒ λεπτών υμενίων πυριτίου Βήμα 7 3 η Εγχάραξη με Laser Clean TCO Laser PECVD Laser Back Contact Laser Assembly P3 Back contact TF silicon TCO contact Glass substrate

44 Παρασκευή ΦΒ λεπτών υμενίων πυριτίου Βήμα 8 Απλό ΦΒ κελί Clean TCO Laser PECVD Laser Back Contact Laser Assembly Single Cell Back contact TF silicon TCO contact Current Flow Glass substrate Sunlight

45 Παρασκευή ΦΒ λεπτών υμενίων πυριτίου Η διεργασία εγχάραξης παίζει πολυ σημαντικό ρόλο στη όλη διεργασία παρασκευής πρέπει να είναι σύντομη, προσαρμοσμένη στη κάθε στοιβάδα και ακριβής Clean TCO Laser PECVD Laser Back Contact Laser Assembly Single Cell P1 P2 P3 Back contact TF silicon TCO contact Glass substrate Ενεργή επιφάνεια Νεκρή ζώνη

46 Παρασκευή ΦΒ λεπτών υμενίων πυριτίου Circuit Diagram Clean TCO Laser PECVD Laser Back Contact Laser Assembly current Ρεύμαδιόδου Φωτόρεύμα Σε σειρά αντίσταση electron flow + Παράλληλη αντίσταση voltage

47 Τελική Μορφή 1.4 m 2

48 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΦΒ ΛΕΠΤΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ CIGS και CdTe

49 Δομή ΦΒ λεπτών υμενίων CdTe και CIGS CdTe module CIS module CdTe CIGS

50 Βήματα παρασκευής ΦΒ λεπτών υμενίων CdTe και CIGS Καθαρισμός γυαλιού Εναπόθεση TCO Εγχάραξη με laser Εναπόθεση CIGS ή CdTe ή CdS, CsS Ηλεκτρική επαφή Εγχάραξη Μηχανική εγχάραξη Ενεργοποίηση Μηχανική εγχάραξη Σύνδεση ηλεκτροδίων Εξωτερικό περίβλημα Τοποθέτηση Καλωδίων Τελικές δοκιμές

51 Σύστηματα εναπόθεσης CdTe και CIGS Εξάχνωση Ή σκαφάκι Cd και Te

52 Αποδόσεις ΦΒ υμενίων CdTe και CIGS Area (cm 2 ) CIGSe Area (cm 2 ) V OC (V) J SC (ma/cm 2 ) 35.1 FF (%) Efficiency (%) 19.5 Comments CIGSe/CdS/Cell NREL, 3-stage process CIGSe CIGSe/ZnS (O,OH) NREL, Nakada et al CIGS Cu(In,Ga)S 2 /CdS Dhere, FSEC CIAS Cu(In,Al)Se 2 /CdS IEC, Eg = 1.15eV CdTe CTO/ZTO/CdS/CdTe NREL, CSS CdTe SnO 2 /Ga 2 O 3 /CdS/CdTe IEC, VTD CdTe ZnO/CdS/CdTe/Metal U. of Toledo, sputtered

53 Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Τεχνολογιών Πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο Πλεονεκτήματα Υψηλές αποδόσεις Ώριμη Τεχνολογία Ευκολία Παρασκευής Μειονεκτήματα Υψηλό Κόστος παρασκευής Υψηλή Κατανάλωση Ενέργειας Υψηλή κατανάλωση πρώτων υλών Λεπτών υμενίων Πυριτίου Πλεονεκτήματα Χαμηλό Κόστος Μικρή κατανάλωση πρώτων υλών - ενέργειας Μειονεκτήματα Χαμηλές αποδόσεις ΦΒ πλαίσια μικρής ισχύος Πτώση απόδοσης κατά τον κύκλο ζωής του Υψηλό κόστος απόκτησης εξοπλισμού Λεπτών υμενίων CdTe και CIGS Πλεονεκτήματα Μικρή κατανάλωση πρώτων υλών Υψηλές αποδόσεις - σταθερότητα Μειονεκτήματα Χρήση τοξικών υλικών Υψηλή κατανάλωση ενέργειας