Přednáška 2

download report

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
 dn 
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
 dn 




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


ein  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