Transcript Přednáška 3
Technologie fotovoltaických článků a modulů z krystalického křemíku A5M13FVS-3 Základní typy článků: Články z krystalického Si Tenkovrstvé články a ntir e fle c tio n c on ta c t c o a tin g N -ty p e P - ty p e Materiály a technologie pro fotovoltaické články Nové materiály • Gratzel, DSSC • polymery • nanotechnologie 88% 12% R&D Technologický vývoj křemíkových FV článků 1960 -1980 - rovinný povrch -SiO2 (TiO2) antireflexní vrstva -fotolitografie -vakuová depozice kontaktů Předpokládaný limit účinnosti – 18% Nové principy konstrukce a technologie Struktura PEARL (1994) účinnost 25% - zdokonalení antireflexní vrstvy - vysoká kvalita kontaktů - vysoce kvalitní výchozí (FZ) Si - minimalizace tloušťky struktury mikroelektronická technologie s několika fotolitografiemi Jednotlivé konstrukční a technologické principy zjednodušeny pro běžnou sériovou výrobu Současná technologie používaná v sériové výrobě -texturace povrchu bez fotoligrafie - leptání v KOH u monokrystalického (1,0,0) Si - kyselé leptání v případě jinak krystalograficky orientovaného Si - kontakty realizované pomocí sítotisku (bez fotolitografie a vakuových technologií) Výroba křemíku potřebné čistoty SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl Si(s) + 3HCl = HSiCl3 + H2 99% Si Si + 3HCl → HSiCl3 + H2 rektifikace Polykrystalický Si (99,999%) 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) Pásky (ribbon) Si Polykrystalické pásky o šířce 100 až 150 mm a délceaž 7 m jsou rozřezány laserem – - minimální ztráty Přechod PN je obvykle realizován difúzí fosforu do základního materiálu typu P Hloubka přechodu xj je řízena teplotou a dobou difúze N A N 0 erfc xj D(Tdif )t dif W D(T ) D0 exp kT Vývoj struktury nákladů na výrobu FV článků z c-Si Struktura nákladů v r. 2005 Snižování ceny křemíkové destičky Snižování energetické náročnosti přípravy krystalického Si V období 1995-2005 klesla energetická náročnost přípravy monokrystalického CZ křemíku ze 100 kWh/kg na 40 kWh/kg. Snižování spotřeby křemíku – snižování tloušťky Si destiček a prořezu 300 mm 250 mm 180 mm 160 mm V současnosti tloušťka desky pod 200 mm Snižování materiálové náročnosti Náhrada Ag jinými materiály (Cu?) Snižování tloušťky výchozích křemíkových destiček - trend Zvyšování účinnosti článků • monokrystalické – ze současných 17% na 20 – 22% • multikrystalické – ze současných 15% na 18 – 20% • pásky Si (ribon) – ze současných 14% na 17-19% snížení optických ztrát - zkvalitnění ARC - snížení zastínění povrchu • snižování ztrát rekombinací (objemovou i povrchovou) • snížení kontaktního odporu • optimalizace konstrukce a technologie Optimalizace konstrukce článků Selektivní emitor Kontakty ze zadní strany Heteropřechody c-Si/a:Si (HIT) Zvyšování výtěžnosti (cílově na 90%) • vstupní kontrola Si destiček • optimalizace zařízení a přpravků • snížení počtu operací • mezioperační kontrola • kvalifikovaná obsluha Zvyšování kapacity výrobních linek Cena Si v roce 2008… 500 USD/kg 2010 55 USD/kg 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 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 23 Technologie modulů z c-Si pájení těsnění tvrzené sklo krycí folie (tedlar) EVA Al rám krycí folie (tedlar) FV články EVA Laminace za sníženého tlaku při 150 °C tvrzené sklo Optická účinnost PV modulů Optická účinnost PV modulů závisí na úhel dopadu záření θs (úhel mezi Sluncem a kolmicí k rovině modulu) Dopadající záření se z části • odráží od krycí vrstvy (skla) • absorbuje se v krycí vrstvě (mění se na teplo) • absorbuje v PV článku Výsledná účinnost modulů závisí na odrazivosti krycí vrstvy mod opt cell Energie záření absorbovaná v PV článku se mění na • energii elektrickou • teplo Provozní teplota FV článků a modulů Provozní teplota FV článků v modulu závisí na teplotě okolí, intenzitě dopadajícího záření na 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 G T GSCT Pro běžné moduly z krystalického Si Alternativní konstrukce FV modulů - between two glass sheets - sealing compound application - laminate foil application - hind side from non-transparent material Vliv částečného zastínění – články v sérii Rs Rs Rp V případě spojení článků do série se zvyšuje sériový odpor • pokles výstupního proudu • pokles výstupního napětí • pokles výstupního výkonu Rp Rp 1,6 1,4 1,2 I (A) Rp Rs Rs 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 5 10 15 20 U (V) bez zastínění 1/2 článku zastíněná 1 článek zastíněn 2 články zastíněny 25 Překlenovací (bypass) diody Vliv překlenovacích diod Bez diod S diodami