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 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
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.
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
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 Εξάρτηση της θεωρητικής μέγιστης απόδοσης για την παραγωγή υδρογόνου (STH) από το Eg του ημιαγωγού Όσο μικρότερο το Eg, τόσο μεγαλύτερο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας χρησιμοποιείται
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 πλειοωότητας. 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
Απορρόφηση φωτονίων από μια φ/β κυψελίδα πυριτίου (Si) Φωτόνια διαφορετικής ενέργειας απορροφώνται σε διαφορετικό βάθος Η περιοχή τύπου p έχει μεγαλύτερο πάχος γιατί τα e - έχουν μεγαλύτερο μήκος διάχυσης από τις οπές. Επομένως η απορρόφηση των φωτονίων μεγάλου μήκους πρέπει να γίνεται στην περιοχή p, ώστε να φθάνουν στην επαφή p n χωρίς επανασύνδεση. Διαφορετικά μικρό πάχος επαφής n (οπές δυσκίνητες), μεγάλο πάχος επαφής p (e - ευκίνητα) Ομοίως πρώτα η επαφή n και μετά η επαφή - p
Αρχή λειτουργίας φ/β κυψελίδων 3 ης γενιάς Ευαισθητοποιημένες φ/β κυψελίδες 1) Απορρόφηση φωτός : o S hs * 2) Έκχυση ηλεκτρονίων : * t = 10-12 10-13 s S S e TiO 2 2S 3I 2S I 3 3) Αναγέννηση χρωστικής : o t = 10-6 s 4) Αναγωγή ιόντων τριωδιδίου: I 2e Pt 3I 3 Συνολική διεργασία: e Pt h e TiO 2 Συρροκώστας Γ. Ανάπτυξη και μελέτη ημιαγώγιμων και μεταλλικών νανοδομών για εφαρμογή σε φ/β κυψελίδες και φωτοηλεκτροχρωμικές διατάξεις Διδακτορική διατριβή, Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Πατρών, 2013
Αρχή λειτουργίας φ/β κυψελίδων 3 ης γενιάς Οργανικά φ/β Διαφορετικές μορφές της διεπιφάνειας δότη - αποδέκτη 1) Απορρόφηση του φωτός από το δότη, που οδηγεί στη δημιουργία εξιτονίου (δέσμια κατάσταση ηλεκτρονίου οπής) 2) Διάχυση του εξιτονίου στη διεπιφάνεια δότη αποδέκτη 3) Διάσπαση του εξιτονίου 4) Συλλογή ελεύθερων φορέων στα ηλεκτρόδια ΗΟΜΟ: το υψηλότερο κατειλλημένο μοριακό τροχιακό (αντίστοιχο της ζώνης σθένους) LUMO: το χαμηλότερο μη κατειλλημένο μοριακό τροχιακό (αντίστοιχο της ζώνης αγωγιμότητας)
Ι R p ή R sh www.pveducation.org/pvcdrom
Ισοδύναμο κύκλωμα ΦΒ (2) 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 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