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 1
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 2
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 3
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) 4
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 5
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 6
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 7
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) 8
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 9
Amorfní křemíkové panely 19/64 Amorfní křemíkové panely 20/64 10
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 µm povlak, z toho 1-2 µm CIS zabarvení: šedé až černé, kompaktní 11
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 µm vrstva zabarvení: temně zelená až černá 12
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 13
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 14
Cena FV článků 29/64 100 $/Wp cena modulu 10 1 20% pokles ceny při zdvojnásobení instalovaného výkonu 1 10 100 1000 10000 MWp instalovaného výkonu Cena FV článků 30/64 15
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 16
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 FF činitel plnění U = U mp oc I I mp sc η účinnost Ump I η = G A mp Spektrální citlivost FV článků 34/64 různé druhy FV článků využívají různou část spektra 17
Spektrální citlivost FV článků 35/64 využití u vícevrstvých článků Fotovoltaický panel 36/64 18
Fotovoltaický panel 37/64 Fotovoltaický panel na první pohled 38/64 19
Bod maxima výkonu 39/64 Bod maxima výkonu 40/64 derivace = 0 20
Vliv slunečního ozáření 41/64 Vliv slunečního ozáření 42/64 21
Vliv slunečního ozáření 43/64 např. pro polykrystalické η = η r G 1+ 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 slunečního ozáření 44/64 22
Vliv teploty 45/64 Vliv teploty 46/64 23
Vliv teploty 47/64 účinnost je závislá na teplotě článku lineární charakter η = η ( 1+ β ( )) r t t r Typ článku β [%/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 24
FV panely paralelní zapojení 49/64 paralelní zapojení - nárůst proudu FV panely sériové zapojení 50/64 sériové zapojení - nárůst napětí 25
Stínění článku 51/64 Stínění panelu 52/64 nestíněný provoz každý článek generuje proud stíněný provoz jeden článek jako odpor maření proudu 26
Stínění panelu použití by-pass diody 53/64 Stínění panelu 54/64 27
Stínění panelu 55/64 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 28
Stínění panelu 57/64 100 W 1 W platí pro krystalické panely... Stínění panelu 58/64 100 W 92 W platí pro tenkovrstvé panely... 29
Stínění panelu 59/64 Stínění panelu 60/64 30
Parametry panelu 61/64 Parametry panelu 62/64 31
Parametry panelu 63/64 Parametry panelu 64/64 32