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 n = n0 + Δn , p = p0 + Δp np > ni2 V termodynamické rovnováze (neosvětlený polovodič) Po interakci s fotony s h > Wg n = n0 + Δn , p = p0 + Δp np > ni2 Δn, Δp koncentrace nerovnovážných nosičů (není termodynamická rovnováha) (Δn = Δp, jsou generovány páry elektron-díra )

Generace nerovnovážných nosičů náboje vodivostní pás ttermalizace Wc zakázaný pás Wg Wv valenční pás

Křemík krystalický amorfní

Generace nerovnovážných nosičů hn (eV) l (nm) Generace nerovnovážných nosičů Celková generace

Účinnost generace nosičů závisí na šířce zakázaného pásu Vhodné materiály Si (c/Si, a:Si) GaAs CuInSe2 amorfní SiGe CdTe/CdS

Rekombinace nerovnovážných nosičů τ je doba života nerovnovážných nosičů zářivá rekombinace Augerova rekombinace rekombinace pomocí lokálních center Výsledná doba života nosičů

Koncentrace nerovnovážných nosičů S gradientem koncentrace nosičů je spojen difúzní proud Dn = kTμn/e Dp = kTμp/e Rovnice kontinuity Obvykle je τn = τp = τ V dynamické rovnováze difúzní délka elektronů 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 K separaci nosičů a vytvoření rozdílu potenciálu je třeba silné vnitřní elektrické pole WFn W WFp

Polovodičové fotovoltaické články 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

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 v oblasti typu N v oblasti typu P v oblasti prostorového náboje přechodu PN

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

V ozářené oblasti přechodu PN: Superpozice generovaného proudu a proudu (neozářeného) přechodu PN intenzita záření I UOC U U IPV ozářený ISC

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 Účinnost článku

V-A charakteristika fotovoltaických článků V-A charakteristika neosvětleného přechodu PN diodové faktory 1 ≤ ς1 < 2, ς2 ≥ 2 Paralelní odpor Rp Sériový odpor RS Aill – ozářená plocha A - celková plocha I01 = AJ01 I02 = AJ02 Napětí na článku U = Uj- RsI

Vliv parazitních odporů (Rs a Rp) Pokud Rp je vysoký Pokud U U

Sériový odpor ovlivňuje závislost účinnosti na intenzitě záření 19

Vliv teploty na VA charakteristiku Je proto V(mV) Pro c-Si fotovoltaické články pokles UOC je okolo 0.4%/K Pm (W) Rs roste s rostoucí teplotou Rp klesá s rostoucí teplotou Činitel plnění FF a účinnost s rostoucí teplotou klesají V případě c-Si 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 zastíněním neabsorbované záření oblast emitoru oblast báze povrch sériový odpor paralelní odpor 22

Optimalizace pozice přechodu PN 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).

Antireflexní vrstva V případě monochromatického záření, minimální odraz Rmin nastává je-li optická dráha rovna čtvrtině vlnové délky . Je tedy třeba, aby Index lomu Si Tenká vrstva s n1  2 je potřebná pro články z c-Si (Si3N4 nebo TiO2, d  75 nm).

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)

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

R3 – příčný odpor mezi dvěma sběrnými kontakty 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