Transcript Přednáška 5
Fotovoltaický jev, fotovoltaické články a jejich charakteristiky A5M13VSO-5 1. Absorbce světla a generace nosičů náboje Absorpce je způsobena interakcí světla s částicemi hmoty (elektrony a jádry) Je-li energie částice před interakcí W1, po absorpci fotonu je energie W1+ h • interakce s mřížkou – nízkoenergetické fotony, následkem je zvýšení teploty • interakce s volnými elektrony – zvýšení teploty • interakce s vázanými elektrony - může dojít k uvolnění elektronu z vazby, vznik volných nosičů náboje Generace volných nosičů náboje v materiálech s kovalentní vazbou Ve vzdálenosti x pod povrchem je generováno za G ( x) G(; x)d ( ) ( ) exp ( )x d tot 0 0 0 jednotku času Gtot párů elektron-díra Je-li koncentrace nerovnovážných nosičů Dn, za jednotku čau rekombinuje R párů elektron-díra V ustáleném stavu je dynamická rovnováha Dn dDn R dt rec Dn G Polovodičové fotovoltaické články Pro vytvoření potřebného rozdílu potenciálu je možno využít struktury s vestavěným elektrickým polem • PN přechod • heteropřechod (kontakt různých materiálů). • struktura PIN Konstrukce článku musí zajistit Maximální generaci nosičů Antireflexní vrstva Minimální ztráty • optické • rekombinací • elektrické V-A charakteristika fotovoltaických článků V-A charakteristika přechodu PN eU j J J 01 exp kT eU j 1 J exp 1 02 2kT D 1 D 1 J 01 ni2 e n p L p n p0 Lp nn0 J 02 Rs eni d sc Paralelní odpor Rp I Sériový odpor RS Aill – ozářená plocha IPV D Rp U RL A - celková plocha Napětí na článku U = Uj- RsI U Rs I U Rs I U Rs I I Aill J PV I 01 exp e 1 I exp 02 e 1 kT Rp 2kT V-A charakteristika fotovoltaického článku a její důležité body Parametry závisejí na intenzitě dopadajícího záření Parametry UOC, ISC, Ump, Imp, Pm= UmpImp ( STC: 25°C , 1 kW/m2, AM= 1,5) Činitel plnění U mp I mp Pin FF U mp I mp U OC I SC účinnost článku Vliv parazitních odporů (Rs a Rp) I SC Aill J PV Rs I SC Rs I SC Rs I SC I 01 exp e 1 I 02 exp e 1 kT 2 kT Rp Pokud Rp je vysoký Pokud U 0C 2 2kT I 02 I 02 4I 01( I 02 I 01 Aill J PV ) ln e 2I 01 Aill J PV I PV I 01 I 02 U U OC kT I PV ln e I 01 U Sériový odpor ovlivňuje závislost účinnosti na intenzitě záření I Vliv teploty na VA charakteristiku U OC kT I PV ln e I 01 Wg kT I01 ~ ni 2 BT 3 exp Je proto U OC 0 T (A) U(m V) Pm Pro c-Si fotovoltaické články pokles UOC je okolo 0.4%/K Rs roste s rostoucí teplotou (W) Rp klesá s rostoucí teplotou teplota (°C) Činitel plnění FF a účinnost s rostoucí FF teplotou klesají 0 0 T T 1 0.5% K-1 V případě c-Si T 10 Příklady závislostí účinnosti FV článku na teplotě a intenzitě dopadajícího záření (AM 1,5) FV článek (modul) s nízkým Rs krystalický Si FV článek (modul) s vysokým Rs modul CIS 11 Základní typy článků Krystalický Si Tenkovrstvé články CuInSe2 amorfní křemík amorfní SiGe CdTe/CdS 12 Materiály a technologie pro fotovoltaické články 13 Technologie fotovoltaických článků z krystalického křemíku Výchozí materiál – Si typu P (solar grade- 6N) -monokrystalický Si -průměr až 450 mm -hmotnost až 300 kg - multikrystalický Si bloky o hmotnosti až 250 kg jsou rozřezány na ingoty (hranoly) Rozřezání ingotu na destičky o tloušťce cca 200 mm a hraně 100 až 200 mm Při řezání se ztrácí 40% (i více) materiálu (Si) Snižování spotřeby křemíku – snižování tloušťky Si destiček a prořezu V současné době se používají destičky o tloušťce 150 mm Výroba fotovoltaických článků (c-Si) • textura povrchu leptáním • difúze fosforu • SiN(H) antireflexní vrstva a pasivace • kontakty realizovány pomocí sítotisku (Ag a Al/Ag pasty) 15% 17% FV článek……~0.5 V, ~30 mA/cm2 Pro praktické použití je třeba články spojovat do série do modulů FV moduly musí být odolné proti vlhkosti, větru, dešti, krupobití (kroupy o průměru 25 mm), teplotním změnám (od -40 do +85°C) písku a mechanickému namáhání. Odolnost vůči napětí > 600 V Požadovaná životnost: 20 – 30 let Životnost modulů - doba do poklesu účinnosti na 80% původní hodnoty Sériově zapojené FV články: všemi články teče stejný proud Rs Rs Rp Rs Rs Rp Rp Rp Optimální situace: Všechny články mají stejný Imp Zjednodušený model modulu (řetězce) I I PV Pokud články mají různý Imp, pracují mimo bod maximálního výkonu a účinost klesá U Rs' I U Rs' I U Rs' I 1 1 I 02 exp e I 01 exp e Rsh m kT m n2 kT 18 Technologie modulů z c-Si pájení těsnění Al rám krycí folie (tedlar) krycí folie (tedlar) tvrzené sklo EVA FV články tvrzené sklo EVA Provozní teplota FV článků a modulů Provozní teplota FV článků v modulu závisí na teplotě okolí, intenzitě dopadajícího záření a na konstrukci modulu NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) je definována jako teplota článků Tc při teplotě okolí Ta´= 20°C. intenzitě slunečního záření G = 0.8 kWm−2 a rychlosti větru 1 ms−1. Tc Ta rthcaGab rthcab db b 1 hb rthcaf df f 1 hf Na zadní straně modulu je možno měřit teplotu modulu Tmod rthca rthcaf rthcab rthcaf rthcab Tc Tmod DT G GSCT Tenkovrstvé články CIS CdTe/CdS Amorfní Si Velmi důležitý je kontakt pomocí průhledného vodivého oxidu – TCO (SnO2, ITO, ZnO) Nutný pro dosažení přijatelné hodnoty Rs Technologie tenkovrstvých článků Články z amorfního (mikrokrystalického) Si depozice křemíku průhledný substrát (sklo) TCO a-Si:H p+ vrstva (20 - 30 nm) a-Si:H nedotovaný ( 250 nm) a-Si:H n+ vrstva (20 nm) TCO (difúzní bariéra) Ag nebo Al SiH4 → Si + 2H2. Tandemové články kov (kontakt) Wg1> Wg2 dopadající záření Tenkovrstvé moduly na skleněném substrátu TCO sklo Rozměr pracovní komory depozičního zařízení musí odpovídat rozměrům modulu (maximální dosažená plocha 5 m2) Tenkovrstvé FV články na pružném substrátu „Roll to roll“ technologie Po rozčlenění pásu se jednotlivé články spojí do modulu a zapouzdří polymery 7% Vývoj podílu jednotlivých technologií na produkci PV modulů