Φωτοβολταϊκά από ανόργανα υλικά

1. Φωτοβολταϊκά από ανόργανα υλικά ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΥ ΕΛΕΝΗ ΣΕΜΙΝΑΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ 2008 ΑΡΙΘΜΟΣ ΜΗΤΡΩΟΥ: 09104007 ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: κ. ΠΙΣΣΗΣ

2. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ • Φωτοβολταϊκό φαινόμενο (photovoltaic effect) • Συντελεστής απορρόφησης (absorption coefficient) • Φωτόρευμα (photocurrent) • Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των φ/β στοιχείων • Συντελεστής απόδοσης (efficiency) • Αρνητικοί παράγοντες απόδοσης • Ηλιακά στοιχεία Si • Ηλιακά στοιχεία CdS • Ηλιακά στοιχεία GaAs

3. ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ • Το ηλιακό στοιχείο (solar cell) είναι δίοδος ημιαγωγού με τη μορφή ενός δίσκου, που δέχεται ακτινοβολία. • Όσο διαρκεί η ακτινοβόληση δημιουργούνται ζεύγη φορέων (ελεύθερα eˉ και οπές), τα οποία αν βρεθούν στην περιοχή της ένωσης p-n δέχονται την επίδραση του ενσωματωμένου ηλεκτροστατικού της πεδίου. • Έτσι λοιπόν δημιουργείται μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των δύο τμημάτων της διόδου, διότι: • eˉ→ τμήμα τύπου n • οπές (h) → τμήμα τύπου p • Η εκδήλωση της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στις δύο όψεις του φωτιζόμενου δίσκου, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση της διόδου, καλείται φωτοβολταϊκό φαινόμενο.

4. ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ Στα ηλιακά στοιχεία δεν είναι εφικτή η μετατροπή της συνολικής ηλιακής ενέργειας που δέχονται σε ηλεκτρική ενέργεια. Συγκεκριμένα: • ανάκλαση πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου και διάχυση πάλι προς το περιβάλλον • φωτόνια με ενέργεια μικρότερη του ενεργειακού χάσματος Eg → δεν απορροφώνται • φωτόνια με ενέργεια μεγαλύτερη του Eg → απορροφάται μόνο το μέρος εκείνο της ενέργειάς τους που ισούται με το Eg • Σημαντική ιδιότητα →η ευκολία με την οποία πραγματοποιείται η απορρόφηση! -dΦ/dx=αΦ(x) Φ = η φωτονική ροή, x = το βάθος του ημιαγωγού και α = ο συντελεστής απορρόφησης

6. ΦΩΤΟΡΕΥΜΑ Όταν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο δέχεται μια κατάλληλη ακτινοβολία → παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα, που καλείται φωτόρευμα Ιφ. • χρήσιμο μέγεθος είναι η φασματική απόκριση S≡ το πλήθος των φορέων στα ηλεκτρόδια σε σχέση με τη φωτονική ροή Φ. Το συνολικό φωτόρευμα δίνεται επομένως από τη σχέση: όπου R(λ)= ο δείκτης ανάκλασης για ακτινοβολία μήκους κύματος λ. Η τιμή του Ιφ εξαρτάται από πολλούς κατασκευαστικούς παράγοντες όπως: • συντελεστής ανάκλασης • συντελεστής απορρόφησης • το πάχος του ημιαγωγού • το πλήθος των επανασυνδέσεων των φορέων κ.α.

8. ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ • σε συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος → Voc όπου Ιο = το ανάστροφο ρεύμα κόρου, k=ο συντελεστής Boltzmann, q=το στοιχειώδες ηλεκτρονικό φορτίο, γ= ένας συντελεστής της διόδου και Τ= η απόλυτη θερμοκρασία. • σε συνθήκες βραχυκύκλωσης→ Ιsc Ιsc= Ιφ

9. ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ • Όταν όμως το κύκλωμα του ηλιακού στοιχείου κλείσει διαμέσου μιας εξωτερικής αντίστασης RL → V μεταξύ 0 και Voc . • για κάποια τιμή της RL →μέγιστη ισχύ Ρm= Im∙Vm • Ο συντελεστής πλήρωσης θα δίνεται από την εξής σχέση: • Οι παράμετροι FF, Voc και Ιsc →καθορίζουν την απόδοση των ηλιακών στοιχείων. • Ειδικότερα ο συντελεστής απόδοσης των στοιχείων δίνεται από τη σχέση: όπου Η= η ένταση της ακτινοβολίας που δέχεται η επιφάνεια του φ/β στοιχείου, εμβαδού Α.

10. ΑΡΝΗΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ • αναπόφευκτες αντιστάσεις παρεμβάλλονται μέσα στον ημιαγωγό και στις επαφές με τα ηλεκτρόδια (series resistance Rs ). • διαρροές ρεύματος λόγω κατασκευαστικών ελαττωμάτων (shunt resistance Rsh ) • αύξηση της θερμοκρασίας→μείωση Vοc και FF

11. οι μεγαλύτερες αποδόσεις φ/β μετατροπής σε εργαστηριακές συνθήκες:

12. ΗΛΙΑΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΥΡΙΤΙΟΥ Το Si έχει μεγάλη εφαρμογή στα φ/β στοιχεία, διότι: • οι ιδιότητες του είναι καλά μελετημένες → κύριο υλικό στα ηλεκτρονικά! • κυκλοφορεί σε μεγάλες ποσότητες • έχει ικανοποιητική χημική καθαρότητα και τελειότητα κρυσταλλικής δομής • λειτουργεί με ικανοποιητική αξιοπιστία σε ακραίες συνθήκες Παρασκευή ηλιακού στοιχείου από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο: • ικανοποιητικές ιδιότητες → πολύ μεγάλης καθαρότητας & το πλέγμα να μην έχει αταξίες • Καθαρισμός Si → ανάτηξη → μετατροπή του «μεταλλουργικού» Si σε αέριο τριχλωροσιλάνιο (SiHCl3), όπου αποχωρίζεται από τις διάφορες προσμίξεις με κλασματική απόσταξη

13. το τριχλωροσιλάνιο ανάγεται με Η2→ τήκεται → ανακρυσταλλώνεται με μεγαλύτερη καθαρότητα → κύλινδρος μονοκρυσταλλικής μορφής • κύλινδρος → δίσκοι → λειαίνονται και διαμορφώνονται σε επαφές p-n → συγκόλληση των ηλεκτροδίων το ηλεκτρόδιο της εμπρός όψης → σχήμα σχάρας → περισσότερη επιφάνεια δέχεται φως • αντιανακλαστικό επίστρωμα → μείωση της ανάκλασης στο 5% περίπου • λεπτό γυαλί → αποφυγή πρόωρης φθοράς από την υγρασία • Η παραπάνω διαδικασία είναι ενεργοβόρα & δαπανηρή → πολυκρυσταλλικό Si (μέγεθος κόκκων αρκετά μεγάλο, της τάξης του 1mm)

14. Διαμόρφωση της διόδου: • εμπρός όψη → τύπου n και επομένως πίσω όψη → τύπου p • εμπρός τμήμα λεπτό πάχος → περισσότεροι φορείς στη ζώνη απογύμνωσης • όσο πιο καθαρός ο ημιαγωγός → μεγαλύτερο μήκος διάχυσης → μεγαλύτερη πιθανότητα οι φορείς μειονότητας να φτάσουν στη ζώνη απογύμνωσης • μεγάλο πάχος στη ζώνη απογύμνωσης → διαμόρφωση σε τύπου n+ • για επιτυχή σχεδιασμό → συμβιβαστική επιλογή ανταγωνιστικών μεγεθών. Ειδικότερα: • βέλτιστος συνδυασμός των τιμών μήκους διάχυσης φορέων & συντελεστή απορρόφησης του ημιαγωγού • ανάπτυξη ενός κατάλληλου πεδίου στο πίσω τμήμα του στοιχείου, BSF (back surface field) → δημιουργία περιοχής p+→ ελάττωση επανασυνδέσεων • με χρήση Η/Υ → επιλογή κατάλληλου & αρκετά πολύπλοκου σχήματος για το εμπρός ηλεκτρόδιο

15. άμορφο Si(α-Si) → υλικό κατασκευής φ/β στοιχείων παρά τη μεγάλη αταξία στη δομή του! • το Eg κυμαίνεται από1,2 έως 1,6eV • Το α μεγαλύτερο από αυτό του κρυσταλλικού Si (>104cm-1) → συμπεριφορά σχεδόν σαν ημιαγωγού άμεσου Eg • βελτίωση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων → προσθήκη ατόμων Η2 ή F2

16. ΗΛΙΑΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ CdS • CdS → άμεσο ενεργειακό χάσμα, Eg =2,45eV • χρήση σε οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές • χαρακτήρας τύπου n → χωρίς προσθήκη προσμίξεων φ/β φαινόμενο → ετεροένωση CdS και CuxS, με x є [1,96 , 1,99] μεγαλύτερη απόδοση → ετεροένωση InP/CdS(15% έναντι 10%) • CuxS→ έμμεσο ενεργειακό χάσμα, Eg =1,2eV • χαρακτήρας τύπου p → χωρίς προσθήκη προσμίξεων σημαντικές μελλοντικές προοπτικές → φθηνά υλικά & απλές μέθοδοι όμως υπάρχουν επιφυλάξεις για τη σταθερότητά τους → όχι πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής

17. ΗΛΙΑΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ GaAs • GaAs → άμεσο ενεργειακό χάσμα, Eg =1,43eV • θεωρητική απόδοση περίπου 25% • καλή συμπεριφορά στις υψηλές Τ → συγκεντρωτικά φωτοβολταϊκά συστήματα όμως υψηλό κόστος μεγαλύτερες αποδόσεις → ετεροενώσεις με κράματα Ga1-xAlxAs, με x є [0 ,1], (24% πειραματικά) Γενικότερασήμερα εξετάζονται και άλλες ημιαγώγιμες χημικές ενώσεις του τύπου III-V ως υποψήφια υλικά κατασκευής ηλιακών στοιχείων!

18. ΣΥΝΟΨΗ • Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο είναι η εκδήλωση διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στις δύο όψεις του ηλιακού στοιχείου. • Η ηλιακή ενέργεια στα φ/β στοιχεία δε μετατρέπεται εξ’ολοκλήρου σε ηλεκτρική. • Όταν προσπίπτει κατάλληλη ακτινοβολία στο ηλιακό στοιχείο παράγεται φωτόρευμα. • Το ηλιακό στοιχείο μπορεί να πάρει τη θέση μιας μπαταρίας σε ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα. • Ως συντελεστής της απόδοσης η ορίζεται ο λόγος της μέγιστης παραγόμενης ηλεκρικής ισχύος προς την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας. • Υπάρχουν παράγοντες που επηρεάζουν αρνητικά την απόδοση: RsRshκαι Τ • Υπάρχουν φ/β στοιχεία από κρυσταλλικό αλλά και άμορφο Si. • Τα ηλιακά στοιχεία CuxS/CdSκατασκευάζονται από φθηνά υλικά & με απλές μεθόδους → μελλοντικές προοπτικές • Το GaAsεμφανίζει καλή συμπεριφορά στις υψηλές Τ → ιδιότητα με ιδιαίτερη σπουδαιότητα για τα συγκεντρωτικά συστήματα.

19. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ • Κ. Καγκαράκης, φωτοβολταϊκή τεχνολογία, εκδόσεις συμμετρία • Jenny Nelson, The Physics of solar cells, Imperial College Press • http://ape.chania.teicrete.gr/ape/photovoltaika/photofenom-main.htm