Fotovoltaický článek. Struktura na které se při ozáření generuje napětí. K popisu funkce se používá náhradní schéma

Transkript

1 Fotovoltaický článek Struktura na které se při ozáření generuje napětí K popisu funkce se používá náhradní schéma

2 V-A charakteristika fotovoltaických článků R s I Paralelní odpor R p Sériový odpor R S I PV D R p U R L A ill ozářená plocha A - celková plocha I I PV D A AJ ill J PV PN ( j I U / R Rp j U p ) J 01 n 2 i D e L J n n PN 1 p p0 eu j J 01 exp 1 1kT D L p p 1 n n0 J 02 enid sc J 02 eu j exp 1 2kT I I PV I D I Rp Napětí na článku U = U j - R s I I U R I U R I s s AillJ PV AJ e AJ e kt kt 01 exp 1 02 exp U RsI R p

3 V-A charakteristika fotovoltaického článku a její důležité body Parametry U OC, I SC, U mp, I mp, P m = U mp I mp ( STC: 25 C, 1 kw/m 2, AM= 1,5) Činitel plnění U FF U mp OC I I mp SC Účinnost článku U mp P I in mp

4 V- I MP, U MP, P MAX, U OC a I SC

5 Vliv parazitních odporů (R s a R p ) Nárůst sériového odporu R s má za následek pokles proudu, účinnosti a FF Pokles paralelního odporu R p pokles napětí U OC, pokles FF a účinnosti R p R p 5

6 Vliv teploty na VA charakteristiku I 01 ~ Je proto U n OC 2 i kt e I ln PV I 01 W 3 BT exp kt U OC 0 T Pro c-si fotovoltaické články pokles U OC je okolo 0.4%/K R s roste s rostoucí teplotou R p klesá s rostoucí teplotou g I (A) V(mV) Činitel plnění FF a účinnost s rostoucí teplotou klesají FF 0 0 T T

7 R s ovlivňuje také závislost účinnosti na intenzitě záření FV článek (modul) s malým R s FV článek (modul) s velkým R s modul CIS krystalický Si

8 K dosažení maximální hodnoty J PV je třeba maximální generace G minimální ztráty ztráty optické rekombinací elektrické odrazem zastíněním neabsorbované záření oblast emitoru oblast báze povrch sériový odpor paralelní odpor

9 Optimalizace pozice přechodu PN hν N L n P L p d PN přechod sbírá nosiče generované jak v oblasti typu P tak v oblasti typu N. x = 0 x j x PN x j +d x = H U článků z c-si vzdálenost přechodu PN od povrchu x j by měla být menší, než 0.5 μm (0.2 m je žádoucí).

10 Antireflexní vrstva V případě monochromatického záření, minimální odraz R min nastává je-li optická dráha rovna čtvrtině vlnové délky. d a 4n 1 (n n 0 n 2 ) 2 R min = (n 1 2 n 0 n 2 ) 2 d a n 0 n 1 n 2 Je tedy třeba, aby R min = 0 n 1 n0n2 Index lomu Si Tenká vrstva s n 1 2 je potřebná pro články z c-si (Si 3 N 4 nebo TiO 2, d 75 nm).

11 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

12 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)

13 Elektrické ztráty Sériový odpor R s ovlivňuje silně paramety FV článku Sériový odpor R s sestává z: R 1 kontakt kov-polovodič na zadním kontaktu R 2 odpor materiálu báze R 3 laterální odpor vrstvy typu N R 4 kontakt kov-polovodič R 5 odpor prstu sběrnice R 6 odpor hlavní sběrnice R Si H / 2 R 3 ~ R Ml 5 3bh N x R 6 j d ~ A Ml hb B B

14 Základní typy článků: Články z krystalického Si Tenkovrstvé články

15 Materiály a technologie pro fotovoltaické články Nové materiály Gratzel, DSSC polymery nanotechnologie 91% 9% R&D

16 Technologický vývoj křemíkových FV článků

17 Výroba křemíku potřebné čistoty SiO 2 + C Si + CO 2 SiHCl 3 + H 2 Si + 3HCl 99% Si Si + 3HCl HSiCl 3 + H 2 rektifikace Polykrystalický Si (99,999%)

18 Výchozí materiál Si typu P (solar grade- 6N) -monokrystalický Si -průměr až 450 mm -hmotnost až 300 kg

19 Výroba multikrystalických ingotů Multi-like-mono (Quasi mono) c-si

20 Příprava Si destiček Rozřezání ingotu na destičky o tloušťce cca 200 m a hraně 100 až 200 mm Při řezání se ztrácí 40% (i více) materiálu (Si)

21 Současná technologie používaná v sériové výrobě -texturace povrchu bez fotoligrafie - leptání v KOH u monokrystalického (1,0,0) Si - kyselé leptání v případě jinak krystalograficky orientovaného Si - kontakty realizované pomocí sítotisku (bez fotolitografie a vakuových technologií)

22 Výroba článků z krystalického Si - odleptání zhmožděné vrstvy - texturace povrchu - difúze fosforu - Si 3 N 4 ARC - Ag/Al sítotisk - Ag sítotisk c-si destička - vyžíhání kontaktů - odstranění obvodového zkratu - měření parametrů a tříděni

23 PV články z krystalického Si (plocha až 400 cm 2 ) monokrystalické multikrystalické 18% 16%

24 Snižování ceny Snižování energetické náročnosti přípravy krystalického Si V období klesla energetická náročnost přípravy monokrystalického CZ křemíku ze 100 kwh/kg na 40 kwh/kg. Snižování spotřeby křemíku snižování tloušťky Si destiček a prořezu V současnosti tloušťka desky m Snižování materiálové náročnosti Náhrada Ag jinými materiály (Cu?) 300 m 250 m 180 m 160 m

25 Snižování tloušťky výchozích křemíkových destiček - trend

26 Zvyšování účinnosti článků monokrystalické ze současných 17% na 20 22% multikrystalické ze současných 15% na 18 20% pásky Si (ribon) ze současných 14% na 17-19% snížení optických ztrát - zkvalitnění ARC - snížení zastínění povrch snižování ztrát rekombinací (objemovou i povrchovou) snížení kontaktního odporu optimalizace konstrukce a technologie

27 Zvyšování účinnosti u článků z krystalického Si Selektivní emitor U výchozího materiálu typu P účinnost až 20% Výchozí materiál monokrystal typu N, optimalizovaná pasivace povrchu, kontakty ze zadní strany Účinnost až 24% Heteropřechody c-si/a:si (HIT) (monokrystalický) Účinnost až 22%

28 FV článek z c-si ~0.5 V, ~30 40 ma/cm 2 Pro praktické použití je třeba články spojovat do série do modulů FV moduly musí být odolné proti vlhkosti, větru, dešti, krupobití (kroupy o průměru 25 mm), teplotním změnám (od -40 do +85 C) písku a mechanickému namáhání. Odolnost vůči napětí > 600 V > 1000 V Požadovaná životnost: let

29 Sériově zapojené FV články: všemi články teče stejný proud R s R s R s R s R p R p R p R p Optimální situace: Všechny články mají stejný I mp Zjednodušený model modulu (řetězce) Pokud články mají různý I mp, pracují mimo bod maximálního výkonu a účinost klesá I I PV I U R I U R I ' ' s s 01exp e 1 I02exp e 1 m 1kT m 2kT U ' RsI R sh 29

30 Technologie modulů z c-si pájení těsnění tvrzené sklo EVA krycí folie (tedlar) Al rám krycí folie (tedlar) FV články EVA tvrzené sklo Laminace za sníženého tlaku při 150 C

31 Optická účinnost PV modulů Optická účinnost PV modulů závisí na úhel dopadu záření θ s (úhel mezi Sluncem a kolmicí k rovině modulu)

32 Dopadající záření se z části odráží od krycí vrstvy (skla) absorbuje se v krycí vrstvě (mění se na teplo) absorbuje v PV článku Výsledná účinnost modulů závisí na odrazivosti krycí vrstvy mod opt cell Energie záření absorbovaná v PV článku se mění na energii elektrickou teplo

33 Provozní teplota FV článků a modulů Provozní teplota FV článků v modulu závisí na teplotě okolí, intenzitě dopadajícího záření na na konstrukci modulu NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) je definována jako teplota článků T c při teplotě okolí T a = 20 C. intenzitě slunečního záření G = 0.8 kwm 2 a rychlosti větru 1 ms 1. R thcab d b b T c T 1 h b a R R thcaf thca G d f f ab 1 h f R thca R R thcaf thcaf R R thcab thcab Na zadní straně modulu je možno měřit teplotu modulu T mod T c T mod T G G SCT

34 Vliv částečného zastínění články v sérii R s R s R s R s R p R p R p R p V případě spojení článků do série se zvyšuje sériový odpor pokles výstupního proudu pokles výstupního napětí pokles výstupního výkonu I (A) 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, U (V) bez zastínění 1/2 článku zastíněná 1 článek zastíněn 2 články zastíněny

35 Překlenovací (bypass) diody

36 Vliv překlenovacích diod Bez diod S diodami

37