ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ. Γ. Λευθεριώτης Επικ. καθηγητής

Transcript

1 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ Γ. Λευθεριώτης Επικ. καθηγητής

2 Αγωγοί- μονωτές- ημιαγωγοί Ενεργειακά διαγράμματα ημιαγωγού Ηλεκτρόνια (ΖΑ) Οπές (ΖΣ)

3 Ενεργειακό χάσμα και απορρόφηση hc 1,24 Eg h Eg ev m max max Χρειάζονται ημιαγωγοί μικρού Ενεργειακού χάσματος (~ 1,5 ev) Οι ευρέως χάσματος (>3 ev) είναι διαφανείς στο ορατό- υπέρυθρο. Άμεσο- έμμεσο ενεργειακό χάσμα

4 Νόμος του Beer για την απορρόφηση I( x) I e 0 ax Άμεσο E g Απότομη αύξηση της α, μεγάλες τιμές Έμμεσο E g Σταδιακή αύξηση της α, μικρότερες τιμές 0 C 25 C 50 C 80 C 100 C 150 C 200 C 250 C Μέγιστες αποδόσεις ημιαγωγών για χρήση σε ΦΒ Όριο Shockley Queisser 31% Εξάρτηση από E g Μείωση της απόδοσης με τη θερμοκρασία Μείωση του E g με τη θερμοκρασία Επιλέγεται το πυρίτιο για οικονομικούς και περιβαλλοντικούς λόγους

5 Ημιαγωγοί με προσμίξεις τύπου p και n N N AD, Si cm 22 3 cm

6 Η επαφή pn 1. Διάχυση φορέων πλειοψηφίας εκατέρωθεν της επαφής 2. Δημιουργία περιοχής έλλειψης φορέων (ή απογύμνωσης) 3. Φορτίο χώρου- δυναμικό επαφής 4. Διέλευση φορέων με «ολίσθηση» (ευνοείται η διέλευση φορέων μειοψηφίας)

7 Λειτουργία της επαφής ως διόδου Ορθή και ανάστροφη πόλωση Ορθή πόλωση: Μειώνεται το δυναμικό επαφής, διευκολύνεται η διάχυση φορέων πλειοψηφίας. Η δίοδος «άγει» Ανάστροφη πόλωση: Αυξάνεται το δυναμικό επαφής, εμποδίζεται η διέλευση φορέων πλειοψηφίας. Η δίοδος δεν «άγει», παρατηρείται μόνο διαρροή, «ρεύμα κόρου» Ι 0

8 Λειτουργία της επαφής ως ΦΒ Ανοικτό και κλειστό κύκλωμα Όταν η επαφή φωτίζεται, δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίου-οπής. Οι φορείς μειοψηφίας διέρχονται από την επαφή και «διαχωρίζονται» Βραχυκύκλωμα: Φωτόρρευμα αρνητικής φοράς, ανάλογο της έντασης ακτινοβολίας Ανοικτό κύκλωμα: Ισορροπία φωτορρεύματος και ρεύματος διόδου. Τάση ανοικτού κυκλώματος (ορθή πόλωση) Σύνδεση καταναλωτή (R L ): Ρεύμα αρνητικής φοράς, τάση θετικής φοράς. R L

9 I I 0 V V OC I SC

10

11 Ι R p ή R sh

12 Μέθοδος Czochralski για παρασκευή κρυσταλλικού πυριτίου SiO2 C Si CO2

13 Πρώιμο ΦΒ κρυσταλλικού πυριτίου για διαστημικές εφαρμογές λ=0,55 μm λ=1,00 μm Βάθος επαφής pn: ~1μm. Προκύπτει από το νόμο BEER για απορρόφηση του 50% της ακτινοβολίας με λ= 0,55μm ax I( x) ax ln(0,5) I( x) I0 e 0,5 e x I a 0 για λ= 0,55μm, α=7000 cm -1 και x=0,99μm Πάχος κυψελίδας: για απορρόφηση 99% σε λ= 1,0 μm, α=100 cm -1 προκύπτει x=460μm. Συνήθως μm για οικονομικούς-κατασκευαστικούς λόγους

14 Γιατί η περιοχή p έχει πολύ μεγαλύτερο πάχος από την περιοχή n; Διότι το μήκος διάχυσης των ηλεκτρονίων είναι πολύ μεγαλύτερο εκείνου των οπών. Επομένως η απορρόφηση των φωτονίων μεγάλου μήκους πρέπει να γίνεται στην περιοχή p ώστε να «φτάνουν» τα φωτο-ηλεκτρόνια στην επαφή p-n χωρίς επανασύνδεση.

15 Αντιανακλαστικές επιστρώσεις Ο δείκτης διάθλασης του πυριτίου είναι 3,4 και η ανακλαστικότητά του ως προς τον αέρα είναι: 2 (3,4 1) R 0,297 ~ 30% 2 (3,4 1) Για το λόγο αυτό είναι απαραίτητη η χρήση αντιανακλαστικών επιστρώσεων δηλαδή λεπτών υμενίων με κατάλληλο δείκτη διάθλασης (μεταξύ Si και αέρα) και κατάλληλο πάχος. Κατάλληλα υλικά SiO 2 (n=1,5), CeO 2 (n=2,0). Πλακίδιο λ/4. nd=λ/4 n nsin έ 1,84 ΟΙ δύο ανακλώμενες ακτίνες είναι ίσης έντασης και αντίθετης φάσης ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΝΟΝΤΑΙ SiO 2 Διηλεκτρικό Πυρίτιο Μέταλο

16 «Εμπορικά» ΦΒ κρυσταλλικού πυριτίου, η=11-15% «1 ης γενιάς» Αρχικό υλικό:sz wafers. Κόβονται «τετράγωνα» Δημιουργία «πυραμίδων» με NaOH (αντί για αντιανακλαστικό) τραχύτητα και στην πίσω επιφάνεια επαφές με τη μέθοδο της «εκτύπωσης με οθόνη».

17 ΦΒ κρυσταλλικού πυριτίου με «θαμμένη» επαφή, η=16-18%

18 ΦΒ κρυσταλλικού πυριτίου PERL, η=24% (28% θεωρητικό μέγιστο) Χρήση οξειδίου και στην περιοχή p για passivation

19 Απώλειες σε ΦΒ κρυσταλλικού πυριτίου Απώλειες ΦΒ στοιχείων (PV cells): Ανάκλαση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (Αντιανακλαστικές επιστρώσεις) Μη απορρόφηση φωτονίων με Ε<Εg (Πολλαπλές επαφές με διαφορετικά Eg) Θερμικές απώλειες για Ε>Εg Επανασύνδεση φορέων (Μονοκρύσταλλος Si υψηλής καθαρότητας) Σκίαση εξαιτίας των επαφών (Θαμμένες επαφές) Αντιστάσεις επαφής (Περιοχές n++, p++ με υψηλή συγκέντρωση προσμίξεων) Βραχυκυκλώσεις- pin holes (Υψηλή καθαρότητα Si) Απώλειες επιφανειών και άκρων (Χρήση οξειδίων-passivation) Επιπλέον απώλειες ΦΒ πλαισίων (PV modules): Ανάκλαση του καλύμματος (Αντιανακλαστικές επιστρώσεις) Ανομοιομορφίες των επιμέρους στοιχείων (Ποιότητα παραγωγής) Ηλεκτρική αντίσταση των εξωτερικών ηλεκτρικών συνδέσεων Ανομοιόμορφος φωτισμός λόγω σκιάσεων (Δίοδοι παράκαμψης)

20 Hot spots Δίοδοι παράκαμψης

21 52% reflection (5%) Max efficiency (28%)

22 Πολυκρυσταλλικό (η=10%) και άμορφο πυρίτιο (η= 5-8%)

23 Άμορφο πυρίτιο (η= 5-8%) Φωτο-επαγόμενη υποβάθμιση Φαινόμενο Staebler-Wronski Χρήση επαφής p-i-n λόγω πολύ μικρού μήκους διάχυσης ηλεκτρονίων. Η περιοχή i γίνεται περιοχή απογύμνωσης με ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο και οι φορείς ολισθαίνουν ως τις επαφές.

24 ΦΒ λεπτών υμενίων (η=10-20%) «2 ης γενιάς»

25 ΦΒ πολλαπλών επαφών (η=20-40%, 86% θεωρητικό μέγιστο)

26 ΦΒ πολλαπλών επαφών (η=20-40%)

27 Φωτο-ευαισθητοποιημένα ΦΒ (η~10%) «3 ης γενιάς»

28 Οργανικά ΦΒ με πολυμερή (η~10%) «3 ης γενιάς»

29

30

31