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
• 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
Absorpce světla matriálem
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
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
Křemíkkrystalický
amorfní
W
h
1
2
k
Wg
Wc
Wv
Generace nerovnovážných nosičů
x
xdt
ndxG
gen
)(exp)()()(
);()()();(
0
00
);()()();()( dxdxGxGtot
Celková generace
h (eV)
(nm)
Účinnost generace nosičů závisí na šířce zakázaného pásu
Vhodné materiály
Si (c/Si, a:Si)
GaAs
CuInSe2
amorfní SiGeCdTe/CdS
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
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
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
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
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
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
Lα
L R e
xdxdp
eDJ
exp
coshsinh
sinhcoshexp
1
122
IPV ozářený
neozářený
U
I
ISC
UOC
intenzita zářeníI
U
V ozářené oblasti přechodu PN: Superpozice generovaného proudu a proudu (neozářeného) přechodu PN
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
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
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)
19
Sériový odpor ovlivňuje závislost účinnosti na intenzitě záření
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
21
FV článek (modul) s nízkým Rs FV článek (modul) s vysokým Rs
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
N
Lp
P
x = Hx = 0
d
Ln
xj xPN xj+d
hν
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).
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).
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
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
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
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
Články z krystalického Si Tenkovrstvé články
Základní typy článků: