+ All Categories
Home > Documents > Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

Date post: 05-Jan-2016
Category:
Upload: zulema
View: 29 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
Description:
Fotovoltaick é 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 W 1 , po absorpci fotonu je energie W 1 + h . - PowerPoint PPT Presentation
29
Fotovoltaické články – základní struktura a parametry A5M13FVS-2
Transcript
Page 1: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

Fotovoltaické články – základní struktura a parametry

A5M13FVS-2

Page 2: Fotovoltaick é 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

• interakce s vázanými elektrony - může dojít k uvolnění elektronu z vazby, vznik volných nosičů náboje

Solar Thermal – generace tepla

Může dojít k vytvoření rozdílu potenciálu – Fotovoltaický jev

Page 3: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

Absorpce světla matriálem

Page 4: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

bonded electron

free electron

hole

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

photon

V termodynamické rovnováze (neosvětlený polovodič)

kT

WNN

kT

WBTnpn g

vcg

i expexp3200

kT

WNn F

c exp0

Po interakci s fotony s h > Wg

n = n0 + Δn , p = p0 + Δp

(Δn = Δp, jsou generovány páry elektron-díra )

np > ni2

Δn, Δp koncentrace nerovnovážných nosičů (není termodynamická rovnováha)

Polovodiče

Page 5: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

Wg

W

W2

W1

k

h1

Wc

Wv

W

h

1

2

k

Wg

Wc

Wv

vodivostní pás

valenční pás

zakázaný pás

ttermalizace

Wg

Wc

Wv

Generace nerovnovážných nosičů náboje

gWh

Page 6: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

Křemíkkrystalický

amorfní

W

h

1

2

k

Wg

Wc

Wv

Page 7: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

Generace nerovnovážných nosičů

x

xdt

ndxG

gen

)(exp)()()(

);()()();(

0

00

);()()();()( dxdxGxGtot

Celková generace

h (eV)

(nm)

Page 8: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

Účinnost generace nosičů závisí na šířce zakázaného pásu

Vhodné materiály

Si (c/Si, a:Si)

GaAs

CuInSe2

amorfní SiGeCdTe/CdS

Page 9: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

Rekombinace nerovnovážných nosičů

n

dt

nd

rec

zářivá rekombinace

τ je doba života nerovnovážných nosičů

NCrr

1

Augerova rekombinace 2

1

DAnA NC

ttt NC

1

tAr 1111

Výsledná doba života nosičů

rekombinace pomocí lokálních center

Page 10: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

Koncentrace nerovnovážných nosičů

dx

dneDJ nndif

dx

dpeDJ ppdif

nn

n Jdx

d

e

nG

t

n 1

pp

p Jdx

d

e

pG

t

p 1

nnD

xG

L

n

dx

nd );(22

2

pp

D

xG

L

p

dx

pd );(22

2

S gradientem koncentrace nosičů je spojen difúzní proud

Dn = kTμn/e Dp = kTμp/e

Rovnice kontinuity

V dynamické rovnováze 0

t

n

nn DL difúzní délka elektronů pp DL difúzní délka děr

Rozložení koncentrace nosičů je mono stanovit řešením rovnice kontinuityza vhodných okrajových podmínek

Obvykle je τn = τp = τ

Page 11: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

V homogenním polovodiči je elektrická neutralita

nevzniká rozdíl potenciálů Gpn

K separaci nosičů a vytvoření rozdílu potenciálu je třeba silné vnitřní elektrické pole

WFn

WFp

W

Page 12: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

Polovodičové fotovoltaické články

Pro vytvoření potřebného rozdílu potenciálu je možno využít struktury s vestavěným elektrickým polem

Wc

Wv

WF

Junctionp-type

n-type

Wg

SCL LpLn

Radiation

Vhodné struktury jsou:• přechod PN • heteropřechod (kontakt dvou různých materiálů)

• struktura PIN

Page 13: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

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)()()()( OPNPVPPVNPV JJJJ

• v oblasti typu N

• v oblasti typu P

jj

j

jj

j

dx

x

dx

x

OPN dxn

edxGeJ

)()(• v oblasti prostorového náboje přechodu PN

)()()( 00 0

sr

x x

pPVN Jdx

pedxGeJ

j j

)()()( HJdxn

edxGeJ sr

H

dx

H

dx nPVP

j j

Page 14: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

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

opnjin

OPN

αdαxR eJ exp1exp1

nnn

nn

n

nnn

nn

n

opnjn

nin

opnj

pnn

LH

LH

LτS

αHαLLH

αHLH

LτS

αL

dxαLα

Lα R e

dxdx

dneDJ

coshsinh

expsinhexpcosh

exp1

122

jp

p

j

p

j

p

pp

p

j

p

j

p

ppjp

p

pp

p

pin

j

npp

αxαL

L

x

L

x

L

τS

Lx

Lx

L

τSαxαL

L

τS

L R e

xdxdp

eDJ

exp

coshsinh

sinhcoshexp

1

122

Page 15: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

IPV ozářený

neozářený

U

I

ISC

UOC

intenzita zářeníI

U

V ozářené oblasti přechodu PN: Superpozice generovaného proudu a proudu (neozářeného) přechodu PN

Page 16: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

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)

SCOC

mpmp

IU

IUFF

in

mpmp

P

IU

Činitel plnění

Účinnost článku

Page 17: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

I

IPV D Rp

Rs

RL U

p

sssPVill R

IRU

kTn

IRUeI

kTn

IRUeIJAI

1exp1exp

202

101

V-A charakteristika fotovoltaických článků

Sériový odpor RS

Paralelní odpor Rp

1exp

101 kT

eUJJ j

1exp

202 kT

eUJ j

V-A charakteristika neosvětleného přechodu PN

n0p

p

p0n

n2i nL

D

pL

DenJ

1101

sc

i02

denJ

Aill – ozářená plocha

A - celková plocha

I01 = AJ01

I02 = AJ02

Napětí na článku U = Uj- RsI

diodové faktory 1 ≤ ς1 < 2, ς2 ≥ 2

Page 18: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

p

SCsSCsSCsPVillSC R

IR

kTn

IReI

kTn

IReIJAI

1exp1exp

202

101

01

0102012

02020 2

42

I

JAIIIII

e

kTU PVill

C

)(ln

U U

Pokud Rp je vysoký

0201 IIIJA PVPVill 01I

I

e

kTU PV

OC lnPokud

Vliv parazitních odporů (Rs a Rp)

Page 19: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

19

Sériový odpor ovlivňuje závislost účinnosti na intenzitě záření

Page 20: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

Vliv teploty na VA charakteristikuI

(A)

V(mV)

Pm

(W)

temperature (°C)

kT

WBTn g

i exp32

01I

I

e

kTU PV

OC ln

I01 ~

0

T

UOCJe proto

Pro c-Si fotovoltaické články pokles UOC je okolo 0.4%/K

Rs roste s rostoucí teplotou

Rp klesá s rostoucí teplotou

0

T

FF0

T

Činitel plnění FF a účinnost s rostoucí teplotou klesají

1%5.01

KT

V případě c-Si

Page 21: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

21

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

Page 22: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

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

Page 23: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

N

Lp

P

x = Hx = 0

d

Ln

xj xPN xj+d

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).

Page 24: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

da

n0

n1

n2

V případě monochromatického záření, minimální odraz Rmin nastává je-li optická dráha rovna čtvrtině vlnové délky

.

Antireflexní vrstva

14nda

(n12 + n0n2)

2 Rmin = (n12 – n0n2)

2

Je tedy třeba, aby

201 nnn Index lomu Si

Rmin = 0

Tenká vrstva s n1 2 je potřebná

pro články z c-Si (Si3N4 nebo TiO2, d 75 nm).

Page 25: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

Texturace povrchu

Má-li povrch pyramidovou strukturu, je možné snížit odrazivost na zhruba jednu třetinu oproti rovinnému povrchu.

texturised

Oba principy (texturaci povrchu a antireflexní vrstva) mohou být kombinovány

Page 26: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

Ztráty rekombinací

Snížit koncentraci rekombinačních center

• čistota materiálu

• optimální teploty depozičních procesů

• pasivace povrchu• pasivace hranic zrn (u multikrystalických materiálů)

Snížit rychlost mezipásové rekombinace

• optimalizace koncentrace příměsí v silněji dotovaných vrstvách

Snížit rychlost povrchové rekombinace

Page 27: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

Elektrické ztráty

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

AHR Si /2

bh

lR M

35

Sériový odpor Rs ovlivňuje silně paramety FV článku

j

N

x

dR

~3

B

BM

hb

lR

~6

Page 28: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

R3 – příčný odpor mezi dvěma sběrnými kontakty

j

N

x

dR

~3

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

Page 29: Fotovoltaick é články – základní struktura a parametry A5M13FVS- 2

Články z krystalického Si Tenkovrstvé články

Základní typy článků:


Recommended