1/64 Fotovoltaika - základy

1/64 Fotovoltaika - základy princip FV články FV panely účinnost vliv provozu na produkci

Principy struktura křemíku 2/64 křemík krystalická mřížka: každý atom Si má čtyři vazební (valenční) elektrony, vázané v elektronovém páru působení světla může vazbu narušit uvolnění elektronu, zvýšení vnitřní vodivosti (nevyužitelné pro produkci energie) atom křemíku

Principy struktura křemíku 3/64 polovodiče zavedením nečistot (cizích atomů) do křemíku se vytvoří struktura: s nadbytkem volných elektronů: atomy fosforu, polovodič typu N s nedostatkem volných elektronů (díry), atomy boru, polovodič typu P atom křemíku atom boru atom fosforu

Principy struktura křemíku 4/64 vodivost polovodič typu N volné elektrony se záporným nábojem, elektronová vodivost polovodič typu P volné díry s kladným nábojem, díra se zaplňuje elektronem a posouvá se, děrová vodivost

Principy fotovoltaický jev 5/64 P-N přechod (polovodičová dioda) spojení P a N polovodiče difúze elektronů (-) do oblasti P, děr (+) do oblasti N, elektrony a díry spolu rekombinují, vzniká oblast ochuzená o volné nosiče náboje okolo přechodu je obrácené el. pole, vysoký el. odpor oproti zbytku materiálu oblast P ochuzená oblast bariéra oblast N volné díry volné elektrony

Principy fotovoltaický jev 6/64 dopad slunečního záření - fotonů s dostatečnou energií (> 1.1eV) předání energie elektronům vybuzení na vyšší energetickou hladinu uvolnění z valenční vazby (zanechání díry) hromadění ve vrstvě N dva volné nosiče, obrácené el. pole: elektron (do oblasti N) díra (do oblasti P) připojením spotřebiče z N vnějším obvodem do P pohyb volných elektronů = elektrický proud

Principy fotovoltaický jev 7/64

Principy fotovoltaický jev 8/64 elektrické napětí, účinnost elektrony odcházejí horním kontaktem a přes vnější el. obvod se vracejí a rekombinují s dírami pohybujícími se přes zadní kontakt některé elektrony na kontakt nedorazí rekombinují po cestě vazební energie 1.1 ev... vlnová délka fotonu 1105 nm (IR záření) energie fotonu < 1.1 ev: projde a nevybudí elektron energie fotonu > 1.1 ev: vybudí elektron, rozdíl energie se mění na teplo... teoretická účinnost jednoduchého Si článku 30 % část se odrazí od kontaktů a článku napětí Si článku 0.5 V, proud 2.5 A = 1.25 W (podle konstrukce)

Principy ztráty, účinnost 9/64 bilance toků FV článku (ze 100% dopadlé energie) - příklad 3 % odraz a stínění od předních kontaktů 23 % příliš nízká energie fotonů (dlouhovlné záření) 32 % příliš vysoká energie fotonů (krátkovlné záření) 8.5 % ztráty rekombinací 20 % rozdíl potenciálů v článku (ochuzená vrstva) 0.5 % ohmické ztráty (el. odpor) výsledná účinnost 13 %

Fotovoltaické články 10/64 I. generace deskové křemíkové monokrystalické křemíkové polykrystalické (multikrystalické) křemíkové II. generace tenkovrstvé články amorfní křemíkové CIS články CdTe články III. generace současný vývoj, nové materiály a technologie GaAs, InGaAs, organické, tandemové, vícevrstvé

I. generace FV článků deskový Si 11/64 monokrystalický křemík (m-si) tažení válcového monokrystalu (typ P) z taveniny (průměr 30 cm, délka několik m) Czochralskiho proces řezání na destičky 0.2-0.3 mm, velké ztráty, konické tvary čištění dotování fosforem (difuze plynu) při 800 900 C, tenká vrstva N antireflexní povlak (tmavý vzhled), tisk a zapečení sběrných kontaktů (přední, zadní strana) účinnost článku: 15-18 %

I. generace FV článků deskový Si 12/64 monokrystalický křemík (m-si) použití: 10 x 10 cm2, průměr 12-15 cm kruhové levnější (méně odpadu), architektonická zasklení kvazihranaté drahé (více odpadu), standardní moduly

I. generace FV článků deskový Si 13/64 polykrystalický křemík (p-si) tavenina odlita do formy, řízené chladnutí (tuhnutí) v jednom směru, vytvoření velkého počtu homogenních krystalů (mm,cm) okraje zrn zdrojem defektů, vysoká rekombinace, negativní vliv na účinnost (< m-si) řezání na destičky 0.24-0.3 mm, malé ztráty (hranaté) čištění, dotování fosforem, antireflexní povlak, tisk kontaktů účinnost článku: 13-16 %

I. generace FV článků deskový Si 14/64 polykrystalický křemík (p-si) použití: 10 x 10 cm 2, 12.5 x 12.5 cm 2, 15 x 15 cm 2,... (4,5,6,8 inch) nejběžnější fotovoltaické panely, zavedená technologie standardně modrá barva, možné i jiné

I. generace FV článků výroba 15/64 polykrystalické odlévání monokrystalické tažení

II. generace FV článků tenkovrstvé 16/64 výhody tloušťka vrstvy < 1 mm menší spotřeba materiálu vyšší tolerance na znečištění materiálu výroba za nižších teplot: 200 600 C vysoce automatizovaný výrobní proces libovolný tvar a rozměry (závislé na podkladním materiálu) celoplošné kontakty: přední (transparentní vrstva ZnO, SnO2, ISnO) zadní (neprůhledný)

II. generace FV článků tenkovrstvé 17/64 amorfní křemík (a-si) nemá krystalickou strukturu, volné uskupení atomů, volné vazby horší elektrotechnická kvalita křemíku výroba hydrogenovaného křemíku a-si:h v plazmovém reaktoru (200-250 C) rozkladem silanu SiH4 (plyn) dotování plynnými příměsmi (B2H6, PH3) možnost nanášení na levné podklady (sklo, plasty pružné FV články)

II. generace FV článků tenkovrstvé 18/64 amorfní křemík (a-si:h) původně pro kalkulačky při vystavení slunečnímu záření degradace materiálu (kvůli obsahu H2), pokles účinnosti na trvalou hodnotu účinnost článků: 5 7 % rozměry: až 2 x 3 m 2 tloušťka: sklo 1 3 mm, plasty 0.5 mm, 0.3 mm a-si zabarvení: červenohnědá, modrá, modrofialová

Amorfní křemíkové panely 19/64

Amorfní křemíkové panely 20/64

II. generace FV článků tenkovrstvé 21/64 CIS články (Copper-Indium-diSelenid, CuInSe 2 ) aktivním polovodičem je CuInSe 2, často v kombinaci s CuGaSe 2 nebo CuInS 2, ktery tvoří absorpční vrstvu typu P vrstvu typu N tvoří CdS (sulfid kadmia) CIS nevykazuje degradaci jako a-si výzkum CuInGaSe2 (CIGS články) molybden

II. generace FV článků tenkovrstvé 22/64 CIS články (Copper-Indium-diSelenid, CuInSe 2 ) účinnost: laboratoř 19 % komerční 9-12 % nejúčinnější tenkovrstvá technologie tloušťka: 2-4 mm podklad, 3-4 mm povlak, z toho 1-2 mm CIS zabarvení: šedé až černé, kompaktní

II. generace FV článků tenkovrstvé 23/64 CdTe články (telurid kadmia) aktivním polovodičem je CdTe: absorpční vrstva typu P vrstvu typu N tvoří CdS (sulfid kadmia)

II. generace FV článků tenkovrstvé 24/64 CdTe články (telurid kadmia) nevykazuje degradaci nejlevnější tenkovrstvá technologie (dnes pod 1 $/W p ) problematické použití kadmia x neškodnému CdTe (stabilní netoxická sloučenina) účinnost: 7-9 % tloušťka: 3 mm podklad, 5 mm vrstva zabarvení: temně zelená až černá

III. generace FV článků souč. vývoj 25/64 více-přechodové články (tandemové 2PN, trojvrstvé 3PN) snaha o maximální využití energie spektra koncentrované záření, účinnost 20-30 % mikrokrystalické články (nanotechnologie) světlocitlivá organická barviva (elektrochemické články, průhledné) horké nosiče polymery

Vícevrstvé FV články 26/64

Účinnost FV článků 27/64 Typ materiálu Běžná účinnost (%) Laboratorní účinnost (%) Životnost (rok) Podíl na trhu (%) Monokrystalický křemík 16 18 24 25-30 42 Polykrystalický křemík 12 16 18 10-25 42 Amorfní křemík 5 7 12 10 12 Telurid kadmia (CdTe) 8 10 16 - <1 Galium arsenid (GaAs) 20 30 20 <1 CIS články 12 19 - <1 CIGS články 10 18 - <1

Účinnost FV článků 28/64

$/Wp cena modulu Cena FV článků 29/64 100 10 20% pokles ceny při zdvojnásobení instalovaného výkonu 1 1 10 100 1000 10000 MWp instalovaného výkonu

Cena FV článků 30/64

Charakteristiky FV článků / panelů 31/64 volt-ampérová charakteristika (napětí - proud) výkonová charakteristika P = U.I

Volt-ampérová charakteristika 32/64 U-I charakteristika může být pro různé FV články různá

Hlavní body charakteristiky 33/64 I sc proud nakrátko U oc napětí naprázdno I mp proud v bodě maxima výkonu U mp napětí v bodě maxima výkonu pro STC (standard test conditions) 1000 W/m 2, AM = 1.5, 25 C FF činitel plnění FF U U mp oc I I mp sc h účinnost h U mp I G A mp

Spektrální citlivost FV článků 34/64 různé druhy FV článků využívají různou část spektra

Spektrální citlivost FV článků 35/64 využití u vícevrstvých článků

Fotovoltaický panel 36/64

Fotovoltaický panel 37/64

Fotovoltaický panel na první pohled 38/64

Bod maxima výkonu 39/64

Bod maxima výkonu 40/64 derivace = 0

Vliv slunečního ozáření 41/64

Vliv slunečního ozáření 43/64 např. pro polykrystalické h h r 1 G 0,03 ln 1000 16 14 konverzni ucinnost (%) 12 10 8 6 4 2 Teplota clanku: 25 C 50 C 75 C 100 C 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 intenzita zareni ( W/m2)

Vliv teploty 45/64

Vliv teploty 46/64

Vliv teploty 47/64 účinnost je závislá na teplotě článku lineární charakter h h 1 r t t r Typ článku [%/K] Krystalické Si -0,35 až -0,52 Amorfní Si -0,10 až -0,30 CIS -0,33 až -0,60 CdTe -0,18 až -0,36

Vliv teploty 48/64

FV panely paralelní zapojení 49/64 paralelní zapojení - nárůst proudu

FV panely sériové zapojení 50/64 sériové zapojení - nárůst napětí

Stínění článku 51/64

Stínění panelu 52/64 nestíněný provoz každý článek generuje proud stíněný provoz jeden článek jako odpor maření proudu

Stínění panelu použití by-pass diody 53/64

Stínění panelu 54/64

Stínění panelu 56/64 Velikost stínění na článcích Výkon FV panelu [W] Bez stínění 100,0 1/4 článku 88,4 1/2 článku 67,4 Celý článek 60,3 1 svislá řada 58,0 spodek 2 stringů 24,0 spodek 3 stringů 0,9

Stínění panelu 57/64 100 W 1 W platí pro krystalické panely...

Stínění panelu 58/64 100 W 92 W platí pro tenkovrstvé panely...

Parametry panelu 61/64