Přednáška 3

Download Report

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