Transcript Přednáška 2
Fotovoltaické články – základní struktura a
parametry
A5M13FVS-2
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
Solar Thermal – generace tepla
• interakce s vázanými elektrony - může dojít k uvolnění elektronu
z vazby, vznik volných nosičů náboje
Může dojít k vytvoření rozdílu potenciálu – Fotovoltaický jev
Absorpce světla matriálem
Polovodiče
W
n0 N c exp F
kT
V termodynamické rovnováze
(neosvětlený polovodič)
Wg
n0 p0 ni BT exp
kT
2
photon
Si
3
Wg
N c N v exp
kT
bonded electron
Si
Si
free electron
Si
Si
Si
hole
Po interakci s fotony s h > Wg
Si
Si
Si
n = n0 + Δn ,
p = p0 + Δp np > ni2
Δn, Δp
koncentrace nerovnovážných nosičů
(není termodynamická rovnováha)
(Δn = Δp, jsou generovány páry elektron-díra )
h Wg
W
W
Generace
nerovnovážných
nosičů náboje
W2
Wc
Wg
Wv
1 h
ttermalizace
Wc
zakázaný
pás
Wg
Wv
valenční
pás
Wc
Wg
W1
k
vodivostní
pás
1
h
2
Wv
k
krystalický
Křemík
W
1
Wc
Wg
h
2
Wv
k
amorfní
h (eV)
(nm)
Generace nerovnovážných nosičů
dn
G(; x)
( ) ( )(; x)
dt
gen
( ) ( ) 0 ( ) exp ( ) x
Celková generace
0
0
Gtot ( x) G(; x)d ( ) ( )(; x)d
Účinnost generace nosičů závisí na šířce
zakázaného pásu
Vhodné materiály
Si (c/Si, a:Si)
GaAs
CuInSe2
amorfní SiGe
CdTe/CdS
Rekombinace
nerovnovážných nosičů
n
dn
dt
rec
τ je doba života
nerovnovážných nosičů
r
zářivá rekombinace
A
Augerova rekombinace
1
C An N D2
t
rekombinace pomocí lokálních center
Výsledná doba života nosičů
1
1
r
1
Cr N
1
A
1
t
1
Ct N t
Koncentrace nerovnovážných nosičů
S gradientem koncentrace nosičů je spojen difúzní proud
J ndif eD n
dn
dx
Dn = kTμn/e
J pdif eD p
dp
dx
Dp = kTμp/e
Rovnice kontinuity
n
n 1 d
Gn
Jn
t
n e dx
p
p 1 d
Gp
Jp
t
p e dx
Obvykle je τn = τp = τ
V dynamické rovnováze
n
0
t
d 2 p p G ( ; x)
2
2
Dp
dx
Lp
d 2 n n G(; x)
2
2
Dn
dx
Ln
Ln Dn
difúzní délka elektronů
Lp
D p
difúzní délka děr
Rozložení koncentrace nosičů je mono stanovit řešením rovnice kontinuity
za vhodných okrajových podmínek
V homogenním polovodiči je elektrická neutralita
nevzniká rozdíl potenciálů
n p G
K separaci nosičů a vytvoření rozdílu potenciálu je
třeba silné vnitřní elektrické pole
WFn
W
WFp
Polovodičové fotovoltaické články
Junction
p-type
Pro vytvoření potřebného
rozdílu potenciálu je
možno využít struktury
s vestavěným elektrickým
polem
Vhodné struktury jsou:
• přechod PN
• heteropřechod (kontakt
dvou různých materiálů)
• struktura PIN
Radiation
n-type
Wc
Wg
WF
Wv
Ln
SCL
Lp
Princip funkce fotovoltaického článku
V ozářené oblasti jsou generovány nerovnovážné nosiče, které difundují směrem k
přechodu PN. Hustota proudu JPV je tvořena nosiči které byly zachyceny oblastí
prostorového náboje
J PV ( ) J PVN ( ) J PVP ( ) J OPN ( )
• v oblasti typu N
• v oblasti typu P
xj
xj
0
p
0
J PVN ( ) e G( )dx e
J PVP ( ) e
H
G( )dx e
x j d
• v oblasti prostorového náboje přechodu PN
p
H
x j d
dx J sr (0)
n
n
J OPN ( ) e
dx J sr ( H )
x j d j
G( )dx e
xj
x j d j
xj
n
dx
Podrobnější informace
je možno získat
řešením rovnice
kontinuity
Jp – hustota proudu
generovaná ve vrstvě
typu N
Jn - hustota proudu
generovaná ve vrstvě
typu P
JOPN- hustota proudu
generovaná v OPN
e in 1 R L p
dp
Jp eDp n
2 2
dx
α
L
1
xj
p
S pτ p
S pτ p
xj
xj
αL p exp αx j
cosh
sinh
Lp
Lp
Lp
Lp
αL p exp αxj
S
τ
x
x
p p
sinh j cosh j
Lp
Lp
Lp
dn
e in 1 R α Ln
Jn eDn p
exp α x j d opn
2 2
dx
α
L
1
n
xj dopn
H
H
Sn τ n
cosh
exp
αH
sinh
αL
n
exp
αH
Ln
Ln
Ln
αL n
S
τ
H
H
n
n
sinh cosh
Ln
Ln
Ln
JOPN
ein 1 R exp αxj 1 exp αd opn
V ozářené oblasti přechodu PN:
Superpozice generovaného proudu a
proudu (neozářeného) přechodu PN
I
neozářený
I
intenzita záření
UOC
U
IPV
ozářený
ISC
U
V-A charakteristika fotovoltaického
článku a její důležité body
Parametry
UOC, ISC, Ump, Imp, Pm= UmpImp
( STC: 25°C , 1 kW/m2, AM= 1,5)
Činitel plnění
FF
Účinnost článku
U mp I mp
U OC I SC
U mp I mp
Pin
V-A charakteristika fotovoltaických článků
eU j
eU j
1
1 J 02 exp
J J 01 exp
2 kT
1kT
V-A charakteristika
neosvětleného přechodu PN
D 1
D 1
J 01 ni2 e n
p
L p
L
n
p
n0
n p0
J 02
eni d
diodové faktory 1 ≤ ς1 < 2,
sc
ς2 ≥ 2
Paralelní odpor Rp
Rs
I
Sériový odpor RS
Aill – ozářená plocha
IPV
D
Rp
U
RL
A - celková plocha
I01 = AJ01
I02 = AJ02
Napětí na článku U = Uj- RsI
I Aill J PV
U Rs I
U Rs I U Rs I
1 I 02 exp e
1
I 01 exp e
Rp
n1kT
n2 kT
Vliv parazitních odporů (Rs a Rp)
I SC Aill J PV
Rs I SC
I 01 exp e
n1kT
Pokud Rp je vysoký
Pokud
U 0C
Rs I SC
1 I 02 exp e
n2 kT
Rs I SC
1
Rp
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
19
Vliv teploty na VA charakteristiku
I
U OC
(A)
kT I PV
ln
e
I 01
Wg
kT
I01 ~ ni 2 BT 3 exp
Je proto
U OC
0
T
V(mV)
Pro c-Si fotovoltaické články pokles UOC
je okolo 0.4%/K
Pm
Rs roste s rostoucí teplotou
(W)
Rp klesá s rostoucí teplotou
Činitel plnění FF a účinnost s rostoucí
teplotou klesají
FF
0
0
T
T
V případě c-Si
1
0.5% K 1
T
temperature (°C)
FV článek (modul) s nízkým Rs
FV článek (modul) s vysokým Rs
21
K dosažení maximální hodnoty
JPV je třeba
• maximální generace G
• minimální ztráty
ztráty
optické
rekombinací
elektrické
• odrazem
• oblast emitoru
• sériový odpor
• zastíněním
• oblast báze
• paralelní odpor
•neabsorbované
záření
• povrch
22
Optimalizace pozice přechodu PN
N
Ln
P
hν
Lp
PN přechod sbírá nosiče generované jak
v oblasti typu P tak v oblasti typu N.
U článků z c-Si vzdálenost
přechodu PN od povrchu xj by
měla být menší, než 0.5 μm
(0.2 m je žádoucí).
x=0
d
xj xPN
xj+d
x=H
Antireflexní vrstva
V případě monochromatického
záření, minimální odraz Rmin
nastává je-li optická dráha rovna
čtvrtině vlnové délky
.
da
n0
da
n1
4n1
n2
(n12 + n0n2)2 Rmin = (n12 – n0n2)2
Je tedy třeba, aby
Rmin = 0
n1 n0 n2
Tenká vrstva s n1 2 je potřebná
pro články z c-Si (Si3N4 nebo TiO2,
d 75 nm).
Index lomu Si
Texturace povrchu
Má-li povrch pyramidovou
strukturu, je možné snížit
odrazivost na zhruba jednu
třetinu oproti rovinnému
povrchu.
Oba principy
(texturaci povrchu a
antireflexní vrstva)
mohou být
kombinovány
texturised
Ztráty rekombinací
Snížit koncentraci rekombinačních center
• čistota materiálu
• optimální teploty depozičních procesů
Snížit rychlost mezipásové rekombinace
• optimalizace koncentrace příměsí v silněji
dotovaných vrstvách
Snížit rychlost povrchové rekombinace
• pasivace povrchu
• pasivace hranic zrn (u multikrystalických materiálů)
Elektrické ztráty
Sériový odpor Rs ovlivňuje
silně paramety FV článku
Sériový odpor Rs sestává z:
·R1 – kontakt kov-polovodič na zadním kontaktu
·R2 – odpor materiálu báze
·R3 – laterální odpor vrstvy typu N
· R4 – kontakt kov-polovodič
·R5 – odpor „prstu“ sběrnice
·R6 – odpor hlavní sběrnice
R2 Si H / A
R3 ~
R5
M l
N d
xj
3bh
R6 ~
M lB
hbB
R3 – příčný odpor mezi dvěma
sběrnými kontakty
R3 ~
N d
xj
Snížení ρN je spojeno se zvýšenim ND Augerova rekombinace roste
Zmenšení vzdálenosti kontaktů d má za následek zmenšení ozařované plochy Aill
Optimalizace xj je důležitá i z hlediska elektrických ztrát
Základní typy článků:
Články z krystalického Si
Tenkovrstvé články