Fotovoltaické články – základní struktura a parametry

Prezentace na téma: "Fotovoltaické články – základní struktura a parametry"— Transkript prezentace:

1 Fotovoltaické články – základní struktura a parametry
A5M13FVS-2

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

3 Absorpce světla matriálem

4 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 )

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

6 Křemík krystalický amorfní

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

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

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

10 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

11 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

12 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

13 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

14 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

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

16 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

17 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

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

19 Sériový odpor ovlivňuje závislost účinnosti na intenzitě záření
19

20 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)

21 FV článek (modul) s nízkým Rs FV článek (modul) s vysokým Rs
21

22 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

23 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).

24 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).

25 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

26 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)

27 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

28 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

29 Základní typy článků: Články z krystalického Si Tenkovrstvé články