Transcript badania i rozwój (Maciej Sibiński

Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne – badania
i rozwój
Maciej Sibiński
Plan prezentacji
•
•
•
•
Typy i właściwości ogniw słonecznych
Cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne
Badania prowadzone na Politechnice Łódzkiej
Trendy i kierunki dalszego rozwoju.
2
1839 - Edmund Becquerel zauważa zjawisko generacji
nośników prądu elektrycznego w niektórych
materiałach poddanych naświetlaniu
1954 - pierwsze ogniwo półprzewodnikowe,
monokrystaliczne (Si CdS) o
sprawności 6% -era zastosowań
kosmicznych
1975 - pierwsze zastosowania komercyjne
(kryzys paliwowy)
1990 - początek prac nad
tanimi, cienkowarstwowymi
ogniwami heterozłączowymi
Czas
3
Granica termodynamiczna 93%
ge
ne
ra
cj
a
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0,5 / Wp
0,2 / Wp
1 / Wp
3
Sprawnosc [ %]
0,1 / Wp
cja
ner a
2 ge
100
3,5 / Wp
cja
1ge nera
200
300
400
500
Koszt produkcji [$/m2 ]
K. Cathpole, M. Green “Third generation photovoltaics”. Optoelectronics and
Microelectronic Materials and Devices 2002, ss 59-65
4
Podstawowe bariery na drodze rozwoju ogniw
słonecznych
• Bariery technologiczne związane z parametrami ogniw
wynikającymi z ich budowy i praw fizyki (niska
sprawność, ograniczona liczba aplikacji)
• Bariery rynkowe dotyczące wprowadzenia zestawów
ogniw słonecznych do sprzedaży jako atrakcyjnego
produktu innowacyjnego (zbyt wysoka cena)
• Ograniczenia psycho-socjologiczne związane ze
zmianą sposobu myślenia o fotowoltaice w grupie
odbiorców
energii
elektrycznej
oraz
zmianą
uregulowań prawnych.
Prace z zakresu fotowoltaiki prowadzone w Katedrze
Przyrządów Półprzewodnikowych i
optoelektronicznych Politechniki Łódzkiej.
• Kostruowanie nowych typów cienkowarstwowych
ogniw słonecznych.
• Opracowanie technologii wytwarzania ogniw.
• Pomiary i optymalizacja parametrów
opotoelektroniczych ogniw.
• Badania eksploataycyjne instalacji fotowoltaicznej
modułów różnych typów.
Badania strukturalne, optymalizacja konstrukcji i symulacje
cienkowarstwowych ogniw słonecznych.
Zdjęcie AFM powierzchni warstwy CdTe
po rekrystalizacji
Zdjęcie rekrystalizowanej
powierzchni warstwy CdTe
pow 35 000 razy
7
Konstrukcja i technologia wykonania ogniwa CdS/CdTe na
elastycznej folii metalowej – proponowana konfiguracja
przyrządu.
Hermetyzacja struktury
poprzez laminację
folią PET
Mo sheet
Podłoże – folia
metal
molibdenowa 100μm
Thermally
hermetized
PET foil
CdS emitter
Naparowana i rekrystalizowana
and CdTe base
warstwa emitera CdS
Warstwa bazy CdTe
nałożona
metodą sitodruku a
następnie
rekrystalizowana
Wykonanie ogniw CdS/CdTe na podłożach
elastycznych w konfiguracji prostej
Konstrukcja i technologia wykonania ogniwa CdS/CdTe na
elastycznej folii metalowej – wykonanie bazy CdTe
Rekrystalizacja
Screen-printer
Wykonanie ogniw CdS/CdTe na podłożach
elastycznych w konfiguracji prostej
Konfiguracja prosta na folii polimerowej: UPILEX, Kontakt bazowy, Baza,
Emiter, hermetyzacja
Baza CdTe 2µm
Kontakt
bazowy Cu - 2µm
Folia UPILEX®
25 µm
Wykonanie ogniw CdS/CdTe na podłożach
ceramicznych
Zadanie – opracowanie konstrukcji i technologii wykonania ogniwa
CdS/CdTe na profilowanym podłożu ceramicznym.
Modyfikacja ICSVT do wykorzystania na podłożach
profilowanych
CdTe
Tektura ogniotrwała
Profilowane podłoże
ceramiczne
Komora ciśnieniowa
Nowe konstrukcje ogniw i modułów krzemowych
oraz pomiary ich parametrów
W poszukiwaniu alternatywnych źródeł
energii, japońska firma Clean Venture 21
opracowała nowy układ wykorzystujący
„tablice” mutlikrystalicznych kulek
krzemowych do zastosowań
w fotowoltaice. Konstruktorzy Clean
Venture umieścili każdą malutką,
jednomilimetrową kulkę wewnątrz
małego (2,2 do 2,7 mm) reflektora.
Zespół naukowy KPPiO jako jeden z
pierwszysch w Europie przeprowadził
kompleksowe badania optoelektroniczne
i termiczne tego typu przyrządów.
Nowe konstrukcje ogniw i modułów krzemowych
oraz pomiary ich parametrów
Ogniwa z polikrystalicznych
mikrokulek krzemowych
Nowe konstrukcje ogniw i modułów krzemowych
oraz pomiary ich parametrów
Ogniwa z polikrystalicznych
mikrokulek krzemowych
Nowe konstrukcje ogniw i modułów krzemowych
oraz pomiary ich parametrów
System hybrydowy: moduł
fotowoltaiczny –kolektor termiczny
Nowe konstrukcje ogniw i modułów krzemowych
oraz pomiary ich parametrów
Oświetlone ogniwa przed
uruchomieniem obiegu cieczy w
kolektorze
Oświetlone ogniwa po
uruchomieniu obiegu cieczy w
kolektorze
Badania eksploatacyjne instalacji fotowoltaicznej modułów różnych
typów.
Stanowisko serwisowo pomiarowe
Ogniwa
CIS
Krzem
polikryst.
Krzem
amorficzny / tasmowy
Inne
moduly
=
Regulator /
monitoring
ACC
Akumulator
=
~
Falownik
Uniwersalne Stanowisko
Pomiarów i Monitoringu
parametrów instalacji PV
~
Falownik
PV z
ukladem
monitoring
u sieci i
synchroniz
acji
=
~
Falownik
PV z
ukladem
monitoring
u sieci i
synchroniz
acji
szyna AC 230V
=
~
Falownik
PV z
ukladem
monitoring
u sieci i
synchroniz
acji
Trendy i kierunki rozwoju fotowoltaiki
•Masowa produkcja cienkowarstwowych ogniw słonecznych z
polikrystalicznego krzemu i amorficznego krzemu.
•Upowszechnienie nowych materiałów i konstrukcji ogniw (ogniwa
CIS, CdS/CdTe, organiczne)
•Nowe aplikacje poprzez zwiększenie funkcjonalności modułów
fotowoltaicznych (moduły elastyczne, przezroczyste, moduły na
elementach architektonicznych).
•Popularyzacja fotowoltaiki i włączenie jej do powszechnego
systemu energetycznego krajów europejskich (plan 3*20).
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30