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