ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ Γ. Λευθεριώτης Αναπλ. Καθηγητής Γ. Συρροκώστας Μεταδιδακτορικός Ερευνητής
Αγωγοί- μονωτές- ημιαγωγοί Μέταλλα: Μία ζώνη μερικώς γεμάτη ή μία ζώνη επικαλύπτει την άλλη Τα ηλεκτρόνια μπορούν να μετακινηθούν εύκολα Τ η αντίσταση αυξάνεται Ημιαγωγοί: Η αγωγιμότητα εξαρτάται από τη θερμοκρασία, φως, πίεση, παρουσία αερίων ( π.χ. για Τ = 0 Κ μονωτής ) Τ η αντίσταση μειώνεται Μονωτές: Μεγάλο Eg με αποτέλεσμα να έχουμε πολύ μεγάλη αντίσταση (άδεια ζώνη αγωγιμότητας)
Ενεργειακό χάσμα και απορρόφηση Όταν για την ενέργεια του φωτονίου ισχύει: hv < E g τότε δεν εχουμε απορρόφηση hv = E g τότε έχουμε απορρόφηση χωρίς απώλειες ενέργειας hv > E g τότε έχουμε απορρόφηση, αλλά η επιπλέον ενέργεια χάνεται υπό μορφή θερμότητας (εκπομπή φωνονίου) hc 1,24 Eg h EgeV m max max Χρειάζονται επομένως ημιαγωγοί μικρού Ενεργειακού χάσματος (~ 1,5 ev) Οι ευρέως χάσματος (>3 ev) είναι διαφανείς στο ορατό- υπέρυθρο.
Εξάρτηση της θεωρητικής μέγιστης απόδοσης ημιαγωγών για χρήση σε Φ/Β από Eg και θερμοκρασία Όριο Shockley Queisser 31% Εξάρτηση από E g 0 C 25 C 50 C 80 C 100 C 150 C 200 C 250 C Μείωση της απόδοσης με τη θερμοκρασία Μείωση του E g με τη θερμοκρασία Επιλέγεται το πυρίτιο για οικονομικούς και περιβαλλοντικούς λόγους Παραδείγματα ακατάλληλων υλικών CdS: Μεγάλο E g (2.4 ev), δεν απορροφάται το μεγαλύτερο μέρος του ορατού και το υπέρυθρο Ge: Μικρό E g (0.6 ev), απορροφάται όλο σχεδόν το ηλιακό φάσμα, αλλά αξιοποιείται ηλεκτρικά πολύ μικρό μέρος, καθώς έχει μεγάλες θερμικές απώλειες. Ge CdS
Ενεργειακό χάσμα και απορρόφηση Άμεσο- έμμεσο ενεργειακό χάσμα Η ενέργεια του φωτονίου θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από το Eg Όταν το ελάχιστο της ζώνης αγωγιμότητας παρατηρείται στην ίδια τιμή ορμής (p = hk) ή κυματανύσματος με το μέγιστο της ζώνης σθένους τότε ο ημιαγωγός είναι άμεσου ενεργειακού χάσματος Όταν το ελάχιστο της ζώνης αγωγιμότητας παρατηρείται σε διαφορετική τιμή ορμής (p = hk) ή κυματανύσματος με το μέγιστο της ζώνης σθένους τότε ο ημιαγωγός είναι έμμεσου ενεργειακού χάσματος
I( x) I e Νόμος του Beer για την απορρόφηση: 0 Ας θυμηθούμε ότι: ax I0 0 OD log( ) OD ax loge I( x) I ( x) I e ax OD( y) y 1 AM ά 65 OD( x) x cos I (x) Άμεσο E g : Απότομη αύξηση της α, μεγάλες τιμές Έμμεσο E g :Σταδιακή αύξηση της α, μικρότερες τιμές Το βάθος διείσδυσης της ακτινοβολίας εξαρτάται από το μήκος κύματος
Ενεργειακά διαγράμματα ημιαγωγού (ενδογενούς) Ηλεκτρόνια (ΖΑ),Οπές (ΖΣ) Η συνάρτηση Fermi δείχνει την πιθανότητα μια κατάσταση να καταλειφθεί (1: κατειλλημένη, 0: άδεια) Η στάθμη Fermi (Fermi level) αντιστοιχεί σε εκείνη την ενεργειακή στάθμη, η οποία έχει 50% πιθανότητα να καταληφθεί για T > 0 K Σε ενδογενή κρύσταλλο ισχύει: Ε F = E g 2 Το συνολικό ρεύμα οφείλεται στην κίνηση των e - στη ζώνη αγωγιμότητας και των h + (οπών) στη ζώνη σθένους Όμως η συνολική αγωγιμότητα είναι μικρή, άρα οδηγούμαστε στη νόθευση (doping)
τύπου p τύπου n Ενεργειακά διαγράμματα ημιαγωγού με προσμείξεις (εξωγενής) Φορείς πλειονότητας Φορείς μειονότητας Φορείς μειονότητας N N AD, Si 10 10 510 16 19 3 cm 22 3 cm Φορείς πλειονότητας
Η επαφή pn 1. Διάχυση φορέων πλειονότητας εκατέρωθεν της επαφής (λόγω διαφορετικής συγκέντρωσης) 2. Δημιουργία περιοχής έλλειψης φορέων (ή απογύμνωσης) 3. Φορτίο χώρου- δυναμικό επαφής 4. Διέλευση φορέων με «ολίσθηση» (ευνοείται η διέλευση φορέων μειονότητας) Ακίνητα αρνητικά ιόντα αποδεκτών Ακίνητα θετικά ιόντα δοτών Ηλεκτρικό πεδίο Διάχυση οπών Διάχυση ηλεκτρονίων Δύναμη ηλεκτρικού πεδίου στις οπές Δύναμη ηλεκτρικού πεδίου στα ηλεκτρόνια
Η επαφή pn Κατανομή φορτίου για N D = 2N A Ενεργειακή εικόνα Ισχύει ότι: x p N A = x n N D x p = 2x n Μέγιστη τιμή στην επαφή pn Η στάθμη Fermi πρέπει να είναι κοινή στην κατάσταση ισορροπίας Η δημιουργία φραγμού δυναμικής ενέργειας εμποδίζει την κίνηση των φορέων πλειονότητας, αλλά ευνοεί την κίνηση των φορέων μειονότητας
Λειτουργία της επαφής ως διόδου Ορθή και ανάστροφη πόλωση Ορθή πόλωση: Μειώνεται το δυναμικό επαφής, διευκολύνεται η διάχυση φορέων πλειονότητας. Η δίοδος «άγει» Ανάστροφη πόλωση: Αυξάνεται το δυναμικό επαφής, εμποδίζεται η διάχυση φορέων πλειονότητας. Η δίοδος δεν «άγει», παρατηρείται μόνο διαρροή, «ρεύμα κόρου» Ι 0 (ρεύμα φορέων μειονότητας) Ορθή πόλωση Ανάστροφη πόλωση
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: Φωτόρευμα αρνητικής φοράς, ανάλογο της έντασης ακτινοβολίας Ανοικτό κύκλωμα: Ορθή πόλωση της διόδου. Όταν το ρεύμα της διόδου εξισωθεί με το φωτόρευμα, τότε αποκαθίσταται ισορροπία (Ιολ = 0) και η διαφορά δυναμικού στα άκρα της επαφής ονομάζεται τάση ανοικτού κυκλώματος (Voc) Σύνδεση καταναλωτή (R L ): Ρεύμα αρνητικής φοράς, τάση θετικής φοράς. R L
I I 0 V V OC I SC
Ι R p ή R sh www.pveducation.org/pvcdrom
Ισοδύναμο κύκλωμα ΦΒ (2) I ph Χαρακτηριστική της διόδου qv ( kt I 1) d I0 e Φωτόρευμα I q N ~ G ph ph T qv ( kt I I 1) ph Id I ph I0 e V kt q Iph I ln 1 I0 Συνθήκες ανοικτού κυκλώματος, Ι=0 V OC kt Iph kt Iph ln 1 ln q I q I 0 0 διότι I ph >>I 0. Συνθήκες κλειστού κυκλώματος, V=0, I d =0, I SC I ph
I(A) Επίδραση έντασης ακτινοβολίας στην I-V ISC ~ GT VOC ~ lngt 5.0 4.5 4.0 3.5 GT=200W/m^2 GT=400W/m^2 GT=600W/m^2 GT=800W/m^2 GT=1000W/m^2 GT=1200W/m^2 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 V(V)
V OC kt I ph ln q I 0 0 E g I qce kt όπου E g το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού V OC Eg kt C ln q q N ph
Πραγματικό (μη ιδανικό) Φ/Β Ιδανικό ΦΒ I I L I ph qv V ( kt I 1) L I I ph I0 e R p V R V V I R kt I ln I 1 I R ph L L s L s q I0 p
I (A) P (W) Απόδοση φωτοβολταϊκού 3,5 3 I IL P PL 120 100 Ηλεκτρική Ισχύς (Μέγιστη) P I V m m m 2,5 2 1,5 1 0,5 0 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 V (Volt) Απόδοση P AG m m m T I I V AG Παράγοντας Κάλυψης (Fill Factor) V m m FF I SC V OC T FF I V FF J V SC OC SC OC ή όπου J η πυκνότητα ρεύματος AG T G T