220 likes | 383 Views
Χαλκοπυριτικές ομοκυψέλες: η επανάσταση στα φωτοβολταϊκά λεπτών υμενίων. ΘΕΟΔΩΡΟΥ ΜΑΡΙΑ 8 ο ΕΞΑΜΗΝΟ υπεύθυνη καθηγήτρια:κ. Δήμητρα Παπαδημητρίου. Εναλλακτικές μορφές ενέργειας. Αιολική ενέργεια Γεωθερμική ενέργεια Βιόμαζα Ηλιακή ενέργεια Χρήση φωτοβολταϊκών. 6*10 11 kg H 2 He
E N D
Χαλκοπυριτικές ομοκυψέλες:η επανάσταση στα φωτοβολταϊκάλεπτών υμενίων ΘΕΟΔΩΡΟΥ ΜΑΡΙΑ 8ο ΕΞΑΜΗΝΟ υπεύθυνη καθηγήτρια:κ. Δήμητρα Παπαδημητρίου
Εναλλακτικές μορφές ενέργειας • Αιολική ενέργεια • Γεωθερμική ενέργεια • Βιόμαζα • Ηλιακή ενέργεια Χρήση φωτοβολταϊκών
6*1011 kg H2He Κάθε sec!!! Απώλεια μάζας4*103 Κg δηλαδή 4*1020j Ένταση της ακτινοβολίας στη μέση απόσταση γης-ήλιου:1353 W/m2 Ενέργεια φωτονίων ήλιου:0.5-5 eV(0.2-3 μm) Τί γίνεται στον ήλιο?
1839: Alexander-Edmond Becquerel- φωτοηλεκτρικό φαινόμενο 1954:Chapin, Fuller, Pearson δίοδος επαφής Si TFSCs:Cu2S/CdS/n=10% 1980:υμένια a:Si-H GaAs/InP CdTe Κυψέλες Χαλκοπυριτών Ιστορική αναδρομή
Ηλεκτρική αντίσταση:10-2-109 Ω Ενεργειακό χάσμα: 0-4 eV Συντελεστής απορρόφησης : α(cm-1) Ένταση ρεύματος φωτονίου: Iν (x)=Iνοe-ax Ημιαγωγοί-επαφή p/n
Θεωρητικός συντελεστής απόδοσης: 85% Πρακτικά :15-20% 2002:single c-Si:n= 24.7% (θεωρητική τιμή 30%) Διάγραμμα n-Eg
Φωτοβολταϊκό φαινόμενο και λειτουργία φωτοκυψέλης • φωτορεύμα IL • IF=Is(exp(eV/kT)-1) • I=IL – IF • R=0V=0I=ISC=IL • R=∞I=0 • I=IL – IS(exp(eVOC/kT)-1) • VOC=Vtln(1+IL/Is) • Vt=kT/e
Συντελεστής απόδοσης n Max τιμή: n=Pm/Pin 100% n= ImVm/Pin 100% Συντελεστής πλήρωσηςff ImVm/IscVoc Χαρακτηριστική I-V φωτοκυψέλης επαφής p-n
Υπόστρωμα Μο (πίσω επαφή) Aπορροφητής CIGS (υμένιο p- τύπου) Υμένιο n-τύπου: Μεταβατική στρώση CdS ‘Παράθυρο’ ZnO/ΙΤΟ Εμπρόσθια επαφή (grid) Δομή CIGS Ετεροκυψέλης
Ομοκυψέλη Παραγωγή φορέων κοντά στην επιφάνεια Σχεδιασμός→πάχος και doping του απορροφητή Αδρανοποίηση (passivation) επιφάνειας Ετεροκυψέλη Παραγωγή φορέων κοντά στην επαφή p-n Μετατόπιση ζωνών (band offset) ΠΡΟΒΛΗΜΑ: Επανασύνδεση φορέων στη διεπιφάνεια ρυθμός επανασύνδεσης: R=np/τ(n+p) → max για n=p AΝΑΓΚΑΙΑ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ→Μετατροπή της επιφάνειας του απορροφητή (τύπου p-) σε τύπου n- Ιδιότητες
Ελαχιστοποίηση επανασύνδεσης φορέων στη διεπιφάνεια για τις CIGS ετεροκυψέλες • Ασύμμετρο doping-αναστροφή διεπιφάνειας → • n+ παράθυρο/p απορροφητής • Κατάλληλο φορτίο διεπιφάνειας Q≥0→ Αύξηση κάμψης ζωνών απορροφητή → Αύξηση αναστροφής διεπιφάνειας • Επίπεδο Fermi κοντά στη ζώνη αγωγιμότητας • Βέλτιστος συνδυασμος ζωνών αγωγιμότητας στηδιεπιφάνεια/αποφυγή μείωσης φράγματος επανασύνδεσης Εb • Spikes: ΔΕc>0 (ΔΕc<0.3) → ΕΥΝΟΕΙ ΤΗΝ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ • Cliffs: ΔΕc<0 • Αύξηση του Eg του απορροφητή-μετατόπιση ζώνης σθένους • Επίστρωση ενώσεων τύπου CuGa3Se5ή CuGa5Se8(Ordered-Vacancy Compounds, OVCs) • Αύξηση συγκέντρωσης θείου • Doping επιφάνειας απορροφητήομοεπαφή • Δεν αυξάνει το φράγμα Εb= Εg - ΔΕc • Μείωση φωτορεύματος
Ελαχιστοποίηση επανασύνδεσης φορέων στη διεπιφάνεια για τις CIGS ετεροκυψέλες
Συντελεστές απόδοσης CIGSScs [3] 1st World Conference of Photovoltaic Solar Energy Conversion, Hawaii, 1994, pp. 68–75[4] Prog. Photovolt. Res. Appl. 7 (1999) 311–316.[5] Solar Energy Mat. Solar Cells 67 (2001) 159–166.[6] Solar Energy Conference and Exhibition, Barcelona, 1997, pp. 1250–1253.
Αξιολόγηση CIGS κυψελών μικρού Εg • ZnO/CdS/CuInSe2 • a= 3-6 105cm-1 • Αναστροφή διεπιφάνειας • Προσθήκη Ga→ Cu(In,Ga)Se2 • Εg~1.2 eV (30% Ga) • Μέγιστο n= 19.2 % [*] • Δυσκολία κατάργησης ενδιάμεσης στρώσης-μετατόπιση ζώνης • CuInSe2/ZnO • Cu(In,Ga)Se2/ZnO (cliff στο ZnO) *Prog. Photovolt: Res. Appl. 11 (2003) 225–230
ZnΟ/CdS/CuInS2 ή CuGaSe2 H μετατόπιση ζώνης (band-offset) δεν ευνοεί αναστροφή διεπιφάνειας Cliffμείωση φράγματος επανασύνδεσης Εb Voc(0 K)= Εb/q Cu(In,Ga)S2 qΔVoc≥ΔΕg αν Εg>1.6 eV CuInS2/ZnO n= 6% Χωρίς ενδιάμεση στρώση(buffer-layer free) Αξιολόγηση CIGS κυψελών μεγάλου Εg
n-τύπου αγωγιμότητα στο Ge-doped CuGaSe2 • Ετεροκυψέλες CuGaSe2n=9.7% (μονοκρυσταλλικό) & n=9.3% (λεπτό υμένιο) • Δυσκολία n-doping αυτοαντιστάθμιση (self compensation) πλεγματικά κενά VCu Λύση: • Εμφύτευση ιόντων (ion implantation)Ge ή Zn
1.Aνάπτυξη μονοκρυστάλλων CuGaSe2 CVT Κυρίαρχος αποδέκτης: VCu 2.Θερμική ανόπτηση (Thermal annealing) μειώση συγκέντρωσης αποδεκτών(1018 1015cm-3) 3.Εμφύτευση ιόντων Ge 4. Θερμική ανόπτηση (Thermal annealing) παρουσία Zn ZnCu Ge δότες n –τύπου αγωγιμότητα Συγκέντρωση δοτών> 1015cm-3 Διαδικασία εμφύτευσης ιόντων
Συμπερασματικά • co-doping με Ge/Znn-τύπου CuGaSe2 (Εg=1.7 eV, 300 K) • Δημιουργία ομοκυψελώνCuGaSe2 • Απομάκρυνση ενδιάμεσης στρώσης • Μείωση επανασύνδεσης φορέων διεπιφάνειας στις ετεροκυψέλες • Βελτίωση απόδοσης CIGS μεγάλου Εg • Καλή γνώση της δομής του υλικού • Έλεγχος υλικού κατά τη παρασκευή
Βιβλιογραφία • K. L. Chopra, P. D. Paulson, V. Dutta, ‘Thin-Film Solar Cells: An Overview’, Prog. Photovolt: Res. Appl. 12 (2004) 69–92. • A. Goetzberg, C. Hebling, H.-W. Schock, ’Photovoltaic materials, history, status and outlook, Materials Science and Engineering R 40 (2003) 1–46. • R. Klenk, ‘Characterisation and modelling of chalcopyrite solar cells’, Thin Solid Films 387 (2001) 135-140. • S.Siebentritt, ‘Wide gap chalcopyrites: material properties an solar cells’, Thin Solid Films 403–404 (2002) 1–8. • J. H. Schön, J. Oestereich, O. Schenker, H. Raji-Nejad, M. Klenk, ‘n- type conduction in Ge-doped CuGaSe2, Appl. Phys. Lett. 75 (19) (1999) 2969-2971. • C. Xue, PhD Thesis, NTUA, Athens 2003.