Fotovoltaický jev, fotovoltaické články a jejich charakteristiky

A5M13VSO-5

1. 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

Generace volných nosičů náboje v materiálech s kovalentní vazbou

0

0

0

dxdxGxGtot )(exp)()();()(Ve vzdálenosti x pod povrchem je generováno za jednotku času Gtot párů elektron-díra

Je-li koncentrace nerovnovážných nosičů n, za jednotku čau rekombinuje R párů elektron-díra

n

dt

ndR

rec

V ustáleném stavu je dynamická rovnováha Gn

• PN přechod

• heteropřechod (kontakt různých materiálů).

• struktura PIN

Polovodičové fotovoltaické články

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

Antireflexní vrstva

Konstrukce článku musí zajistit

Maximální generaci nosičů

Minimální ztráty

• optické

• rekombinací

• elektrické

I

IPV D Rp

Rs

RL U

p

sssPVill R

IRU

kT

IRUeI

kT

IRUeIJAI

12

1 0201 expexp

V-A charakteristika fotovoltaických článků

Sériový odpor RS

Paralelní odpor Rp

101 kT

eUJJ jexp

1

202 kT

eUJ jexp

V-A charakteristika přechodu PN

n0p

p

p0n

n2i nL

D

pL

DenJ

1101

sc

i02

denJ

Aill – ozářená plocha

A - celková plocha

Napětí na článku U = Uj- RsI

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

Parametry závisejí na intenzitě dopadajícího záření

p

SCsSCsSCsPVillSC R

IR

kT

IReI

kT

IReIJAI

1

21 0201 expexp

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)

Sériový odpor ovlivňuje závislost účinnosti na intenzitě záření

10

I

(A)

U(mV)

teplota (°C)

Pm

(W)

Vliv teploty na VA charakteristiku

01I

I

e

kTU PV

OC ln

kT

WBTn g

i exp32I01 ~

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

Činitel plnění FF a účinnost s rostoucí teplotou klesají 0

T

FF0

T

%5.01

T

K-1V případě c-Si

11

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

Příklady závislostí účinnosti FV článku na teplotě a intenzitě dopadajícího záření (AM 1,5)

krystalický Si modul CIS

12

Základní typy článků

Krystalický Si

Tenkovrstvé článkyCuInSe2

amorfní křemík

amorfní SiGe

CdTe/CdS

13

Materiály a technologie pro fotovoltaické články

Výchozí materiál – Si typu P (solar grade- 6N)

-průměr až 450 mm

-hmotnost až 300 kg

- multikrystalický Si bloky o hmotnosti až 250 kg jsou rozřezány na ingoty (hranoly)

-monokrystalický Si

Technologie fotovoltaických článků z krystalického křemíku

Rozřezání ingotu na destičky o tloušťce cca 200 m a hraně 100 až 200 mm

Při řezání se ztrácí 40% (i více) materiálu (Si)

Snižování spotřeby křemíku – snižování tloušťky Si destiček a prořezu

V současné době se používají destičky o tloušťce 150 m

Výroba fotovoltaických článků (c-Si)

• textura povrchu leptáním

• difúze fosforu

• SiN(H) antireflexní vrstva a pasivace

• kontakty realizovány pomocí sítotisku (Ag a Al/Ag pasty)

17%

15%

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 FV moduly musí být odolné proti vlhkosti, větru, dešti, krupobití vlhkosti, větru, dešti, krupobití (kroupy o průměru 25 mm), (kroupy o průměru 25 mm), teplotním změnám (od -40 do teplotním změnám (od -40 do +85°C) písku a mechanickému +85°C) písku a mechanickému namáhání.namáhání.

Odolnost vůči napětí Odolnost vůči napětí > 600 V > 600 V

Požadovaná životnost: 20 – 30 let

Životnost modulů - doba do poklesu účinnosti na 80% původní hodnoty

Rp

RsRs

RpRpRp

RsRs

sh

sssPV R

IRU

kTmn

IRUeI

mkT

IRUeIII

'

2

'

02

'

01 1exp1exp

18

Zjednodušený model modulu (řetězce)

Sériově zapojené FV články: všemi články teče stejný proud

Optimální situace: Všechny články mají stejný Imp

Pokud články mají různý Imp, pracují mimo bod maximálního výkonu a účinost klesá

těsněnítvrzené sklo

EVA

FV článkykrycí folie (tedlar)Al rám

Technologie modulů z c-Si

pájení

tvrzené sklo EVA

krycí folie (tedlar)

Provozní teplota FV článků a modulů

abthcaac GrTT

thcabthcaf

thcabthcafthca rr

rrr

ff

fthcaf h

dr

1

bb

bthcab h

dr

1

Na zadní straně modulu je možno měřit teplotu modulu Tmod

SCTc G

GTTT mod

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.

Provozní teplota FV článků v moduluzávisí na teplotě okolí, intenzitě dopadajícího záření a na konstrukci modulu

Tenkovrstvé články

CIS CdTe/CdS Amorfní Si

Velmi důležitý je kontakt pomocí průhledného vodivého oxidu – TCO

(SnO2, ITO, ZnO)Nutný pro dosažení přijatelné hodnoty Rs

Technologie tenkovrstvých článků

Články z amorfního (mikrokrystalického) Si

průhledný substrát(sklo)

TCO

a-Si:H p+ vrstva (20 - 30 nm)

a-Si:H nedotovaný ( 250 nm)

a-Si:H n+ vrstva (20 nm)

TCO (difúzní bariéra)

Ag nebo Al

depozice křemíku SiH4 → Si + 2H2.

Tandemové články

dopadající záření

Wg1> Wg2

kov (kontakt)

Tenkovrstvé moduly na skleněném substrátu

sklo

TCO

Rozměr pracovní komory depozičního zařízení musí odpovídat rozměrům modulu

(maximální dosažená plocha 5 m2)

Tenkovrstvé FV články na pružném substrátu

„Roll to roll“ technologie

Po rozčlenění pásu se jednotlivé články spojí do modulu a zapouzdří polymery

7%

Vývoj podílu jednotlivých technologií na produkci PV modulů