Transcript Det fotovoltaiske princip og fotoelektrokemiske solceller

Det fotovoltaiske princip og fotoelektrokemiske
solceller
Kristian O. Sylvester-Hvid
Kemisk Laboratorium III
Kemisk Institut
Københavns Universitet
E-mail: [email protected]
Web: www.sylvesterhvid.dk/kristian
1
Planen for i dag
1. time
SC =1300 Wm-2 - kan det betale sig at udnytte solens energi?
Sol-fysik og termodynamisk begrænsninger
Hvordan virker en solcelle? – det fotovoltaiske (PV) princip
Effektivitetsbegrænsninger
2. time
Den fri elektron-gas, båndteori og elektrisk ledning i halvledere.
Den traditionelle solcelle og pn-overgangen
Tyndfilms solceller
Ladningsadskillelse via molekyler – CT tilstande – Fotosyntese
Foto-elektrokemiske solceller
2
Solen som energikilde
Tindre ~ 107 K
Tydre ~ 5700 K
ME = 6.3 ·107 Wm-2
SC =1367 Wm-2
Samlet strålingsfluks til jorden ~ 1.8 ·1017 W = 1.8 105 TW
3
Størrelsesordener
Fluks ind ~ 1.8 105 TW
Fotosyntese globalt ~ 90 TW
ved maks. 5 % effektivitet.
Globalt forbrug ~ 16.8 TW (1990)
~ 500 km
http://www.electrosolar.co.uk/page1.htm
2H 2O Sollys

 4e   4H   O2
Modsvarer globalt forbrug ved 100 % omdannelse
Modsvarer globalt forbrug ved 10 % omdannelse
4
Energiens manifestationer
SC =1367 Wm-2
5
Solen som sort legeme
I ( ; T ) 
1
5
exp( khcBT )  1
Wm-2 nm-1
Plancks strålingslov:
2c 2 h
http://csep10.phys.utk.edu/guidry/java/planck/planck.html
6
Inklination og air mass
Airmass:
l0/l=cosa
AM0
jE = 1353 Wm-2 og 338 Wm-2 i
middel året rundt
AM1
Solindfald ved ækvator
I Saudi-Arabien; 2500 kWh/(m2 år) og i
middel 285 W/m2 året rundt
AM1.5
AM0
a
l
AM1.5
anvendes som standard med
jE = 1000 W/m2
I Tyskland: 1000 kWh/(m2 år) og i middel:
115 W/m2 året rundt
l0
AM1.0
7
Solens irradians spektrum
8
Den lette løsning – ikke altid den bedste!
Virkningsgrad for en Carnot-proces:
  |W|/QH = 1 - TL/TH
|W|
TH
TL
QH
QL
Solvarme anlæg (passiv udnyttelse)
Solceller (aktiv udnyttelse)
Sollys omdannes ~100 % til termisk
energi.
Ved TH = 2000 K og TL = 298 K er
udnyttelsen 85% - dvs. ~ 100 W/m2
Med TH = 353K og TL = 298 K kan 15% af
115W/m2 (18 W/m2) omsættes til kraft
9
Det fotovoltaiske princip
Foto ekscitation
– –
Ee
–
Ladnings-adskillelse
Asymmetrisk transport
V  DE
Eg
+
–
+ +
Injektion af ladning
DE = hc/
sollys
10
Effektivitetsbegrænsninger pga. polykromatisk lys
E foton 
hc

Ingen fotostrøm
Fotostrøm – v < DE
Fotostrøm + varme – v < DE
11
Effektivitet
P = strøm spænding
Wm-2 nm-1
Effektivitet versus båndgab
Lille båndgab
Lav fotospænding men mange fotoner
 stor fotostrøm
Stort båndgab
Høj fotospænding men få fotoner
 lav fotostrøm
12
Maks. effektivitet for enkelt båndgabs-solcelle
Teoretisk ydelse: ~ 30 % (Shockey/Queissar) ved DE ~ 1.4 eV
A. Goetzberger et al, Mat. Sci. Engn.R 40 1 (2003)
13
Drude/Sommerfeld model af metal
Fri elektrongas af NA elektroner 
NA én-elektron-tilstande (plane bølger)


 
 (r )   exp ir  k

2

2

p
k
E (k ) 

2m 2m
Na: 1s22s2sp6 s31
Evac
Ew
N(E)
kz
kF
N
kx
ky
E EF
L 
14
Elektroner i et periodisk potential
Én-elektron Block bølgefunktioner:



 
 (r )   (r ) exp ir  k
 = 2/|k|

hvor (r) har periodiciteten svarende til retning k i gitteret.
Elektroner kan ikke bevæge sig frit for alle k
For bølgelængder (=h/2v) svarende til Bragg spredning har vi derfor:
Forbudte energier – bånddannelse
15
Elektroner i et periodisk potential II
Svagt perturberet elektron gas
N(E)
N(E)
Fri elektron gas
EF
EF
16
Ladningstransport i metaller og halvledere
EF
Båndgab
EF
EF
Metallisk
Isolator
Metallisk
Iboende halv-leder
Extrinsikke halv-leder
p-type
n-type
CB
-
-
Donor niveauer
VB
Acceptor niveauer
+
(P doteret Si)
+
(B doteret Si)
+
+
T= 300K
kbT  0.025 eV
 DEg 

N CB  NVB exp 
 kbT 
17
Opbygning af en traditionel solcelle
Silicium facts:
2. mest udbredte grundstof
Hovedgruppe IV
1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
Ledningsevne: 10 -12 – 106 /cm W
18
Gasfase  Krystallinsk fase
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Bindingsenergi (eV).
Ledningsbånd
båndgap
Valensbånd
1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
19
p- og n-type silicium
Si
Si
Si
Si
P
Si
Si
Si
Si
Mobilt hul
Mobil elektron
P dotering  n-type halvleder
-
Si
Si
Si
Si
B
Si
Si
Si
Si
B dotering  p-type halvleder
Donor niveauer
Acceptor niveauer
+
+
20
Dannelse af pn-overgang
Si
Si
Si
Si
Si
Si
–
+
Si
P
Si
Si
B
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Elektrisk felt
21
pn-overgang som foto-diode
Sollys
Ledningsniveau
DE
Valensniveau
Positiv bag-elektrode
p-type silicium
n-type silicium
Transparent front-elektrode og anti-reflekscoating
22
Det optimal båndgab
A. Goetzberger et al, Mat. Sci. Engn.R 40 1 (2003)
23
PV kapløbet..
24
Opsummering for 1. generations solceller
Ulemper
Fordele
Fremstilles af monokrystallinsk silicium
(wafers) prissat af computerindustrien
Færdigudviklet teknologi
Effektivitet: 10 – 15% i praksis
Energikrævende produktionsproces (40 %
af omkostninger til fremstilling af Si)
Holder mere end 20 år
Gallium som begrænset ressource
Begrænsede dimensioner
Skrøbelige, tunge og stive
Energy Payback Time ~ 4 år
Højteknologisk produktion
25
2. generations solceller – tyndfilm solceller
Ønskværdige egenskaber
Minimalt materiale forbrug
Fleksibilitet
Mindre EPT (< 2 år)
Høj produktionshastighed
26
De mest udbredte tyndfilm solceller
a-Si:H
CIGS
CdTe
27
Opsummering for 2. generations solceller
Type
Marked
 (%)
EPT
Levetid/stabilitet
Res. Begrænsning
a-Si (tyndfilm)
13 %
6-9
2.7 år
Taber 20-40 % i
begyndelsen
Ge
CdTe (tyndfilm)
--
6-9
1.8 år
Ustabil og svært
reproducerbar
Te
CIGS (tyndfilm)
--
11-18
~2 år
> 20 år
In, Ga
Problemer
Tidskrævende materiale deponering
Holdbarhed og stabilitet
Lavere effektivitet
Miljøskadelige materialer
28
Betingelser for ladningsadskillelse
EC ( R) 
1 qe qh
4 R
–
–
–
+
+
+
Effektiv ladningsadskillelse ved
Stor dielektrisk konstant (ok)
Skærmede ladningsbærer (ok)
Stor afstand mellem e- og h+ ved
dannelse
29
Foto induceret ladningsoverførsel (CT) i
farvestoffet:
O
O
O
N
S
S
S
S
S
+
O
–
age
Ladningsadskillelse via enkelt molekyler
S
LUMO
HOMO
O

Højest okkuperede molekyle-orbital (HOMO)
~X nm


Laveste uokkuperede molekyle-orbital (LUMO)


30
Charge Transfer i naturen
Fotosyntese
Lys induceret MLCT i chlorophyl
CH2
CH3
CH3
H3 C
N
N
Omsætning af lys til kemisk energi med 2-3
% effektivitet.
Mg
N
N
CH3
H3 C
O
O
C O
O
CH3
O
H3 C
H3 C
H3 C
CH3
H3 C
31
- eV
1
D
D
D
D
Elektrode
n-type halvleder
Farvestof
Elektrode
Foto-elektrokemisk solcelle
–
2
3
4
6
e–
+
5
h+
32
D
D
D
Elektrode
D
D: I–/ I3– ioner
TiO2 nano-partikler
Glas
I–/ I3–
elektrolyt
Glas
n-type halvleder
Farvestof
Elektrode
Opbygning af foto-elektrokemisk solcelle
R
33
Karakteristika for foto-elektrokemisk solcelle
pn-overgang erstattet af
n-type -- kromofor -- elektrolyt konfig.
TiO2 (anatase) er n-type halvleder med
3 eV båndgab (UV)
3D nanoporøst netværk (Roughness
factor > 1000)
Ru farvestof med MLCT fotofysik og
kraftig og bred absorption
Stærk koordination til TiO2
Fungerer som effektivt båndgab
I-/I3- fungerer som p-type leder
Elektrolyt giver stor overflade med
diffusionskontrolleret h+ transport
34
Nano-krystallinsk TiO2 og Ru-farvestoffet
35 nm
COOH
HOOC
N
N
C
S
N
Ru
N
N
N C
S
HOOC
COOH
"N3-dye"
Partikelstørrelse ~ 15 nm
ruhedsfaktor ~ 1000
35
Kinetik i den fotoelektrokemisk solcelle
36
Opsummering for Grätzel solceller
Fordele
•Farvestof med kraftig absorption
•HOMO-LUMO gab kan tunes
•Effektivitet: 10% i lab. – 5% i moduler
•Temperaturstabilitet
•Variabel transparent
•Lavteknologisk produktion
•Prisbillig ved bygningsintegration
Problemer
•Indkapsling
•Giftig solvent system
•Langtidsholdbarhed
37
Bygningsintegration
Velegnet i glasfacader
Variable transparens
Selektiv IR absorption
Forskellige farver
38
Oprydning i Nanolab….
39
Nano1 vinderholdet 2003 - 0.26 % effektivitet
40