Ogniwa soneczne podstawy Wydzia Elektroniki Mikrosystemw i Fotoniki

Ogniwa słoneczne podstawy Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocławska

2 Wstęp

3 Nasłonecznienie * Na powierzchni Słońca dostępna energia ma gęstość prawie 60 MW/m 2. * Na orbicie ziemskiej (w odległości ok. 150 mln km od Słońca) energia ta wynosi 1353± 21 W/m 2, zaś przy powierzchni Ziemi poniżej 1000 W/m 2. * Zmiana natężenia promieniowania spowodowana jest pochłanianiem promieniowania przez parę wodną, gazy oraz zanieczyszczenia w atmosferze Ziemi. * Przejście promieniowania przez powoduje więc eliminacją części widma. atmosferę

4 Nasłonecznienie 321*1018 J energii w ciągu godziny światowe zużycie (wg EIA) w 2010 roku: 552*1018 J prognoza na 2015: 603*1018 J w ciągu 2 godzin do powierzchni Ziemi dociera więcej energii niż wynosi światowe roczne zapotrzebowanie • Solar FAQs, www. sandia. gov • International Energy Outlook 2013, U. S. Energy Information Administration • M. Pagliaro, G. 1018 J Palmisano, and R. Ciriminna, Flexible Solar Cells, Wiley, New York (2008)

5 Nasłonecznienie Pokrycie 0, 17% powierzchni Ziemi panelami o sprawności 10% całkowicie mogłoby zaspokoić aktualne globalne potrzeby • Solar FAQs, www. sandia. gov • International Energy Outlook 2013, U. S. Energy Information Administration • M. Pagliaro, G. 1018 J Palmisano, and R. Ciriminna, Flexible Solar Cells, Wiley, New York (2008).

6 Nasłonecznienie • Solar FAQs, www. sandia. gov • International Energy Outlook 2013, U. S. Energy Information Administration • M. Pagliaro, G. 1018 J Palmisano, and R. Ciriminna, Flexible Solar Cells, Wiley, New York (2008)

7 Nasłonecznienie Ale nie ma tak dobrze: * w 2013 r. w USA do 1 MWh energii z węgla dopłacano 0, 53 $, z wiatru 35, 33 $, zaś ze Słońca 231, 21 $, * Elon Musk dostał 4, 9 mld $ dotacji, * aby sektor energetyki fotowoltaicznej dostarczył tyle energii co węglowy (88 tys. pracowników) musiałby zatrudniać 22 mln ludzi (USA), *…

8 Nasłonecznienie Energia promieniowania słonecznego wewnątrz atmosfery dzielona jest na trzy zakresy: • ultrafiolet (λ < 0, 4 μm) zawierający 9% energii, • promieniowanie widzialne (0, 4 μm ≤ λ ≤ 0, 75 μm) zawierające około 44% energii, • promieniowanie podczerwone (λ > 0, 75 μm) zawierające największą część energii, bo aż 47%.

9 Nasłonecznienie * Najbardziej nasłonecznione obszary kuli ziemskiej znajdują się pasie okołorównikowym pomiędzy 30° szerokości geograficznej północnej a 30° szerokości południowej. * Duże znaczenie ma również kąt pochylenia osi ziemskiej. Dlatego w porze zimowej na tym samym obszarze Słońce dostarcza około 20 % mniej energii niż w okresie letnim.

10 Nasłonecznienie — AM Nasłonecznienie definiowane jest jako parametr AM (Air Mass), będący odwrotnością cosinusa kąta padania promieni słonecznych do normalnej: AM = 1/cos

11 Nasłonecznienie — jednostki AM Wyróżnia się następujące standardowe wartości nasłonecznienia: a) ponad atmosferą ziemską — AM 0, panujące w pobliżu orbity Ziemi (stała słoneczna), b) przy powierzchni Ziemi: • AM 1 — w podzwrotnikowych szerokościach geograficznych na poziomie morza, gdy Słońce jest w zenicie, • AM 1, 5 — promieniowanie pod kątem 48, 2° do normalnej, • AM 2 — promieniowanie pod kątem 60, 1° do normalnej.

12 Widmo słoneczne — natężenie

13 Oznaczenia wartości nasłonecznienia w jednostkach AM

14 Diody (złącza) p-n

15 Charakterystyka diody p-n

16 Zjawisko fotowoltaiczne (efekt) — powstawanie siły elektromotorycznej (SEM) w niejednorodnym półprzewodniku np. na złączu dwóch rodzajów półprzewodników lub metalu i półprzewodnika pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Światło słoneczne składa się ze strumienia fotonów o różnych energiach. Foton padający na materiał półprzewodnikowy może: a) przez niego przejść, b) ulec odbiciu lub c) być zaabsorbowany.

17 Zjawisko fotowoltaiczne W złączu p-n na skutek pochłonięcia energii świetlnej tworzą się (generacja optyczna) dodatkowe nośniki prądu (elektrony i dziury) i następuje, dzięki dyfuzji, rozdziele-nie dziur do obszaru p, zaś elektronów do obszaru n, co powoduje powstanie różnicy potencjałów na granicy półprzewodników. Generacja, separacja nośników i powstawanie różnicy potencjałów w złączu p-n

18 Siła elektromotoryczna SEM (przypomnienie) Siła elektromotoryczna SEM — różnica potencjału U panująca na zaciskach nieobciążonego źródła prądu (np. ogniwa elektrycznego lub prądnicy). Jeżeli ze źródła prądu pobiera się prąd o natężeniu I, to wówczas obserwuje się na zaciskach napięcie: E = U-IR, gdzie R to oporność źródła. Zjawisko fotowoltaiczne znajduje zastosowanie m. in. w fotoogniwach, a odkrył je w roku 1839 francuski fizyk A. E. Becquerel.

19 Parametry ogniw słonecznych 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. SEM – siła elektromotoryczna Isc – prąd zwarcia (ang. short-circuit current) Uoc – napięcie rozwartego obwodu (ang. open-circuit voltage) Imax – prąd maksymalny Umax – napięcie maksymalne Pmax – moc maksymalna FF – współczynnik wypełnienia (Fill-Factor) η – współczynnik sprawności ogniwa

20 Parametry ogniw słonecznych (2) Napięcie rozwartego obwodu , gdzie: k — stała Boltzmanna, T — temperatura w Kelwinach, Jsc — gęstość prądu zwarcia, J 0 — gęstość prądu nasycenia. (skąd ta zależność? ? ) Zależność sugeruje, że Uoc jest proporcjonalne do temperatury. Jednakże dużo silniej od temperatury zależy wartość J 0, co powoduje spadek napięcia ogniwa otwartego wraz z jej wzrostem.

21 Parametry ogniw słonecznych (4) Napięcie rozwartego obwodu W idealnym wypadku napięcie Uoc osiągnąć może wartość potencjału dyfuzyjnego UD związanego z przerwą energetyczną zależnością: UD = Eg – (EC – EF) – (EF – EV), gdzie: Eg — szerokość przerwy wzbronionej półprzewodnika, EC — dolna krawędź pasma przewodnictwa, EF — energia Fermiego, EV — górna krawędź pasma walencyjnego. Układach rzeczywistych napięcie obwodu otwartego zawsze osiąga wartość mniejszą od UD i Eg: Uoc= Eg/q. Wartość Uoc rośnie wraz ze wzrostem wartości przerwy wzbronionej.

22 Parametry ogniw słonecznych (5) Moc maksymalna ogniwa Pmax określana jest jako Pmax = Umax⋅Imax i nigdy nie jest większa od iloczynu Uoc i Isc, gdyż uzyskanie charakterystyki idealnie prostokątnej nie jest możliwe (niestety!). Głównym (ale nie jedynym) czynnikiem ograniczającym wartość mocy maksymalnej jest rezystancja szeregowa płytki podłożowej i rezystancja kontaktów.

23 Parametry ogniw słonecznych (6) Współczynnik wypełnienia FF wyraża się zależnością: Jego wartość określa jak prostokątna jest charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa oświetlonego. Wartość FF rośnie przy wzroście wartości Uoc i spadku temperatury ogniwa. Stąd wiadomo, dlaczego ogniwa wykonane z materiałów o większych Eg mają większe współczynniki FF. Wartość FF ograniczana jest efektami dyfuzji w złączu oraz rekombinacji nośników w strukturze ogniwa.

24 Parametry ogniw słonecznych (7) Sprawność ogniwa Najważniejszym parametrem opisującym ogniwo jest jego sprawność (konwersja) η definiowana jako : , gdzie: Pin jest mocą promieniowania padającego na powierzchnię ogniwa. Biorąc pod uwagę zależność opisującą FF, sprawność ostatecznie może być zdefiniowana jako:

25 Parametry ogniw słonecznych (8) Sprawność ogniwa W celu umożliwienia porównywania sprawności różnych ogniw, wyznaczona sprawność jest odnoszona do całkowitej powierzchni ogniwa. Wówczas otrzymuje się sprawność przypadającą na jednostkę powierzchni:

26 Parametry ogniw słonecznych (9) Wydajność kwantowa ogniwa Q(λ) (Spectral Response) Wydajność kwantowa definiowana jest jako stosunek gęstości prądu obwodu zwartego dla określonej długości fali λ do iloczynu ładunku elementarnego i gęstości strumienia fotonów o długości fali λ padających na powierzchnię czynną ogniwa lub pochłoniętą przez półprzewodnik. W pierwszym wypadku mówi się o sprawności kwantowej zewnętrznej Qe(λ), w drugim zaś mowa jest o sprawności kwantowej wewnętrznej Qi(λ).

27 Parametry ogniw słonecznych (nieelektryczne) Wyróżnić można również szereg nieelektrycznych parametrów ogniw. Należą do nich między innymi: * koszt produkcji modułu dostarczającego jeden kilowat mocy [$/W] — ważny w wypadku modułów stosowanych np. w gospodarstwach domowych , * stosunek mocy wytwarzanej przez moduł do wagi modułu [W/kg] — parametr szczególnie istotny dla modułów stosowanych w kosmosie, * koszt uzyskania mocy równej 1 Wp (w punkcie Pmax) [$/Wp].

28 Parametry ogniw słonecznych (nieelektryczne) Pojęcie wat pik (Wp) oznacza moc wyjściową modułu (wyrażaną w watach) w punkcie mocy maksymalnej, gdy ogniwo oświetlone jest widmem (AM 1, 5) zgodnym ze standardami czyli o średniej gęstości promieniowania 1000 W/m 2, dla temperatury otoczenia równej 25ºC.

29 Parametry ogniw słonecznych (nieelektryczne) Ogniwa słoneczne są zawsze częścią systemu fotowoltaicznego PV, zawierającego oprócz matrycy baterii inne urządzenia takie jak: * akumulatory, * inwertery, * kontrolery ładunku, * stelaże oraz * okablowanie.

30 Parametry ogniw słonecznych (nieelektryczne) Koszt całego systemu z wyłączeniem kosztu samych baterii słonecznych określany jest parametrem BOS (Balance of System). Koszty BOS sprawności. są wyższe dla ogniw o małej Osiągnięcie oczekiwanych parametrów systemu wymaga montażu większej ilości takich ogniw, co prowadzi do zwiększenia liczby niezbędnych stelaży i okablowania.

31 Parametry ogniw słonecznych (nieelektryczne) Zatem systemy wykorzystujące ogniwa multikrystaliczne, krzemowe o sprawności 13 do 15% mają BOS niższe aniżeli systemy z ogniw z krzemu amorficznego (sprawność 6 do 10%). Ogniwa ze związków AIIIBV pracujące w świetle skoncentrowanym osiągają sprawność około 33%, zaś ogniwa krzemowe w tych samych warunkach 25%. Jednak zastosowanie koncentratorów podwyższa koszty BOS.

32 Parametry ogniw słonecznych (nieelektryczne) Niejednokrotnie wzrost wartości wybranego parametru powoduje automatycznie spadek wartości innego. Konieczne jest uznanie jednego z parametrów jako priorytetowego i optymalizacja struktury ogniwa czy systemu PV pod kątem maksymalizacji wartości konkretnego parametru.

33 Parametry ogniw słonecznych (nieelektryczne) Wybór parametru priorytetowego najczęściej wynika z dziedziny zastosowania ogniwa. Na przykład ogniwa ze związków AIIIBV osiągające rekordowe sprawności są drogimi ogniwami. Ale za to są lekkie, co oprócz wysokiej sprawności, jest ważną zaletą przemawiającą za zastosowaniem ich do zasilania satelit.

34 www. frnm. org. pl/pl/frnm/publikacje/Materialy_i _technologie_fotowoltaiczne-Zelazny_Ciach. pdf.

35 Wpływ materiału konstrukcyjnego Charakterystyki prądowonapięciowe różnych ogniw zbudowanych z materiałów z różnymi szerokościami przerwy wzbronionej Green i in. , Prog. Photovolt: Res. Appl. 2017; 25

36 Ogniwa wielozłączowe

37 Ogniwach wielozłączowe Straty termiczne wynikające z niewykorzystania fotonów wysokoenergetycznych można zredukować, gdy te fotony zaabsorbowane będą w ogniwie z materiału z szeroką przerwą energetyczną, zaś fotony niskoenergetyczne w ogniwie z materiału z wąską przerwą. Połączenie zewnętrzne ogniw jest niepraktyczne, drogie i powoduje straty energii, dlatego stosowane jest połączenie szeregowe za pomocą złącza tunelowego.

38 Ogniwach wielozłączowe Możliwe jest również połączenie większej ilości ogniw zbudowanych z materiałów z różnymi przerwami wzbronionymi. Efektem jest zwiększenie sprawności i, niestety, jednocześnie ceny ogniwa. Omawiane ogniwa uzyskują sprawności konwersji powyżej 30%.

39

40

41 Wydajności jesień 2017 r.

42 http: //mysolarelectriccargobike. blogspot. com/2014/06/longtail-chain-stays-and-battery-box. html http: //mldevices. com/index. php/news/62 -airbus-contract http: //www. notechmagazine. com/2012/10/bicycle-trailer-with-solarpanel-charges-electric-bicycle. html http: //www. pveducation. org/pvcdrom/manufacturing/high-efficiency

http: //www. solaire-chine-afrique. com/solar-products/solar-water-pumps. html ttps: //www. scientificamerican. com/article/ ay-as-you-go-solar-energy/ 43

http: //www. trafficsignals. co. in/ solar-traffic-blinker-set. html http: //www. brasit. pl/solarne-lampy-uliczne 44 https: //advancedtextilessource. com/2015/03/20/energy-for-the-future/ http: //www. adventurepoet. com/adventure/gear-tips/solar-tents-for-electricity-lighting-and-heat/

45 Koniec ogniw