View
111
Download
8
Category
Preview:
DESCRIPTION
celule solare
Citation preview
Celule solare multijonctiune Celulele solare multijonctiune exista in doua configuratii (vezi figura de mai jos): in paralel
(stanga) sau in serie/tandem (dreapta). Pentru a avea performante bune, ca si in cazul celulelor
solare cu straturi subtiri cu heterojonctiune, toate straturile trebuie sa aiba structuri
cristaline/constante de retea similare. In caz contrar, discontinuitatile in constanta de retea duc
la defecte sau dislocatii la interfata, care sunt centre predilecte de recombinare.
In configuratia in paralel, numita si tandem multi-terminal, fiecare celula solara poate
fi optimizata independent, dar sistemul in totalitate este mai complicat. De aceea, se folosesc
in special celulele solare in serie/tandem, care constau din diferite celule solare cu jonctiuni p-
n plasate unele dupa altele, fiecare utilizand o parte a spectrului si lasand sa treaca cealalta
parte. Celulele solare traversate primele de fotoni au o banda interzisa mai mare, care scade
progresiv in celulele urmatoare (vezi figura de mai jos).
In celulele solare tandem curentul la iesire este limitat de cel mai mic curent produs in
jonctiunile individuale, iar tensiunile produse de celulele individuale se aduna. De aceea,
celula solara trebuie astfel proiectata incat fiecare jonctiune sa produca acelasi fotocurent.
Eficienta de conversie creste cu numarul celulelor. In figura de mai jos, care foloseste
doua celule solare cu jonctiuni p-n din materiale cu = 1.6 eV, respectiv 0.9 eV, eficienta
de conversie calculata cu teoria Shockley-Queisser este de 45%. Aceasta este eficienta
maxima pe care o poate atinge o celula solara tandem cu doua jonctiuni. Eficienta maxima
pentru o celula solara tandem cu trei jonctiuni este de 51%, si se obtine in materiale cu benzi
interzise de 1.8 eV, 1.2 eV si 0.7 eV, aceasta eficienta crescand pana la 54% pentru o celula
solara tandem cu patru jonctiuni, respectiv 66% pentru un numar infinit de jonctiuni care sa
acopere tot spectrul solar. Evident, daca se folosesc concentratori, eficienta celulelor solare
creste. De exemplu, daca intensitatea luminii creste de 100 ori, eficienta unei singure jonctiuni
creste la 40%, iar cea a unui numar infinit de jonctiuni atinge 86%.
gE
Celulele solare multijonctiune in configuratie tandem se fabrica din a-Si/-Si (Si amorf/Si microcristalin), semiconductori organici sau anorganici, de exemplu compusi III-V.
Cea mai mare eficienta in celulele solare cu doua jonctiuni s-a obtinut in compusi III-V. De
exemplu, in configuratie tandem s-a obtinut o eficienta de conversie de 30.3% la AM1.5G la 1
soare in structura In0.49Ga0.51P/GaAs, in care ambele materiale au o constanta de retea de 5.64
, si o eficienta de 32.6% la AM1.5D la 1000 sori (30% la 500 sori) pentru GaInP2/GaAs. In
configuratia in paralel, cu 4 terminale, cea mai mare eficienta pentru celulele solare cu doua
jonctiuni, de 32.6% la AM1.5D la 100 sori, s-a obtinut pentru structura GaAs/GaSb.
In figurile de mai jos sunt date doua exemple de materiale folosite in celule solare
tandem cu trei jonctiuni; observati modul optim de folosire a radiatiei solare. Eficienta de
conversie maxima obtinuta experimental intr-o structura GaInP2/GaAs/Ge este de 32% pentru
1 soare si 40.7% pentru 135 sori, eficienta medie in aceeasi structura pentru 1 soare fiind de
28%. Cu ajutorul unei astfel de structuri se produc in prezent 370 kW/m2 in spatiu.
Experimental, numarul jonctiunilor ajunge pana la 6, cresterea epitaxiala a heterostructurilor
fiind costisitoare si inceata.
Dupa cum am precizat mai sus, celula solara tandem trebuie proiectata astfel incat
fotocurentul generat de celulele solare individuale sa fie acelasi. Fotocurentul depinde atat de
numarul fotonilor incidenti cu energie mai mare decat cat si de coeficientul de absorptie,
respectiv de grosimea stratului. In structura cu trei jonctiuni GaInP2/GaAs/Ge, de exemplu,
aceasta cerinta impune ca stratul de Ge sa fie mai gros decat celelalte straturi deoarece
coeficientul de absorptie al Ge este mai mic. Grosimea straturilor pentru aplicatii terestre
poate sa varieze fata de grosimea pentru aplicatii spatiale (spectrul solar este diferit)!
gE
Observatie: Fotocurentul la o celula multijonctiune tandem este in general mai mic decat cel
obtinut la o celula solara cu o singura jonctiune pentru ca aceiasi fotoni sunt colectati de mai
multe jonctiuni.
In prezent, se doreste obtinerea unor eficiente de conversie de peste 35% in celule
multijonctiune tandem, eventual cu concentratori. De exemplu, eficienta maxima a structurii
InGaP2/(In)GaAs/Ge este de 37.3% la 175 sori. Substratul de Ge este flexibil pentru
grosimi mai mici de 100 m. Eforturile actuale se indreapta spre gasirea unor materiale semiconductoare cu = 1 eV sau 1.25 eV. Motivul este ca Ge in structura GaInP2/GaAs/Ge
absoarbe o proportie mai mare din fotonii spectrului solar decat in cazul ideal, de egalitate a
curentului in cele trei straturi (vezi figura de mai jos). Daca s-ar inlocui stratul de GaAs cu un
material cu = 1.25 eV, de exemplu, al doilea strat ar genera un curent mai mare, lasand
mai putini fotoni sa treaca in Ge (vezi figura de mai jos). In acest caz, primul strat ar putea sa
creasca in grosime pentru a avea un curent/putere mai mare.
gE
gE
Alternativ, daca primele doua straturi intr-o structura cu trei jonctiuni sunt
(Al)InGaP/GaAs, optim pentru celula de jos este 1 eV (vezi figura de mai jos). De
exemplu, in structura AlInGaP(1.9 eV)/GaAs(1.4 eV)/1.0 eV eficienta de conversie maxima
este de 55% la 1000 sori, fata de 50.1% obtinuta daca ultimul strat este din Ge. GaInNAs este
un exemplu de material cu aproximativ aceeasi constanta de retea ca si GaAs si cu = 1 eV.
gE
gE
Pentru a creste si mai mult eficienta de conversie, se poate introduce un material cu
= 1 eV intre GaAs si Ge, obtinandu-se o structura cu patru jonctiuni (vezi figurile de mai
sus). Eficienta de conversie in acest caz ar fi de 60.9% la 1000 sori (47.7% la 1 soare,
AM1.5G).
gE
Spectrul solar poate fi acoperit optim progresiv, crescand numarul de jonctiuni, ca in
exemplul de mai sus. De fiecare data cand un strat este inlocuit cu doua straturi fotocurentul
in celulele solare individuale scade (numarul de fotoni absorbiti in fiecare strat scade), dar cdV
creste, astfel incat eficienta de conversie a structurii tandem creste. Eficienta cuantica externa
a structurilor tandem de mai sus cu 3 jonctiuni, respectiv 5 jonctiuni, sunt reprezentate in
figurile de mai jos stanga, respectiv dreapta.
Dupa cum se poate vedea si din figura de mai jos, stanga, pentru conectarea celulelor
solare in serie este nevoie de jonctiuni tunel bune. O jonctiune tunel este o jonctiune in care
electronii trec prin bariera de potential care se formeaza la interfata dintre doua straturi prin
fenomenul de tunelare (trecerea printr-o bariera ingusta a electronilor cu energie fixa, mai
mica decat bariera de potential; vezi figura de mai jos, dreapta). Astfel de jonctiuni asigura un
transfer rapid al purtatorilor de sarcina dintr-o celula solara solara in alta.
x = 0 x = L
V2
V1
V3
Intr-o configuratie tandem, daca celulele solare individuale nu au acelasi fotocurent,
structura opereaza departe de punctul de putere maxima, ceea ce duce la pierderi mari.
Deoarece celulele multijonctiune tandem au o sensibilitate spectrala mai mare, pierderile
datorita inegalitatii curentilor din celulele solare individuale pot interveni din cauza
schimbarilor naturale in spectrul solar (anotimpuri, ora din zi), care schimba absorptia relativa
in subcelule.
Un exemplu de celula tandem cu doua jonctiuni optimizata din filme subtiri de Si
amorf (a-Si) si microcristalin (-Si) este ilustrat in figura de mai jos, stanga, spectrul de absorptie al celor doua celule individuale, precum si a structurii tandem fiind reprezentat in
figura de mai jos, dreapta.
In acest exemplu captarea luminii se realizeaza crescand structura pe un substrat structurat, pe
care lumina se imprastie, si astfel creste drumul efectiv al luminii prin filmul absorbant. In
cazul de mai sus, captarea luminii trebuie sa se realizeze intre 600 si 750 nm pentru celula
amorfa de sus, si intre 800 si 1100 nm pentru cea microcristalina de jos. Pentru Si amorf
captarea luminii are si alt rol: degradarea produsa de lumina se poate minimiza in straturi mai
subtiri, pe cand in Si microcristalin, captarea imbunatateste absorptia luminii (materialul are
benzi de energie indirecte). Suprafetele structurate pot fi si electrozii, in structuri de tip p-i-n
sau n-i-p; structura de mai sus este n-i-p/n-i-p. Pentru celule din Si amorf, inaltimea corugatiei
trebuie sa fie intre 50 si 90 nm, iar dimensiunea laterala a corugatiei intre 300 si 500 nm.
Pentru celulele din Si microcristalin, dimensiunea laterala a corugatiei trebuie sa se situeze
intre 1000 si 1400 nm, iar inaltimea trebuie sa fie comparabila cu cea din Si amorf. In
structura tandem, pentru a optimiza structurarea substratului pentru ambele celule, se
introduce un strat intermediar reflector asimetric din ZnO intre cele doua celule, care creste
capturarea luminii in celula solara amorfa de sus. Aceste strat este notat AIR (asymmetric
intermediate reflector) in figura de mai sus, si are ca rol cresterea eficientei cuantice externe a
celulei de Si amorf. Structura tandem de mai sus a fost crescuta pe un substrat flexibil din
polietilena, care este structurat periodic inaintea cresterii straturilor de Si. In structuri tip n-i-p
grosimea stratului i trebuie sa fie sub 2.5 m in stratul -Si pentru a evita pierderile prin recombinare, si sub 300 nm in stratul a-Si pentru a limita degradarea indusa de lumina.
O structura tandem cu trei jonctiuni pe baza de Si necristalin este ilustrata in figura de
mai jos, stanga, spectrul de absorptie al celor trei straturi fiind reprezentat in dreapta.
Observati folosirea unui strat reflector metalic, care reflecta lumina care traverseaza structura,
crescand in acest fel drumul parcurs de fotoni, deci absorptia luminii. Eficienta de conversie
in acest caz este de 710%.
Configuratii emergente de celule solare
Configuratiile de celule solare prezentate pana acum, desi nu sunt usor de fabricat sau ieftine,
nu pun probleme tehnologice deosebite. Configuratiile emergente de celule solare se bazeaza
fie pe structuri semiconductoare de dimensiuni nanometrice in care nivelele energetice ale
electronului sunt discrete, in loc sa fie continue, ca in materiale cristaline, fie pe plasmoni.
Puncte, fire si gropi cuantice. Superlatici Am intalnit structuri semiconductoare in care nivelele electronice sunt discrete, mai exact
puncte cuantice, cand am discutat despre nanoparticule de TiO2 in legatura cu celulele solare
sensibilizate cu coloranti. Reamintim ca intr-o particula nanocristalina cu dimensiuni ,
si , electronul este localizat in regiunea cu energie potentiala minima/in nanoparticula, iar
xL yL
zL
spectrul sau energetic nu mai este format din benzi permise si interzise, ca in cristale, ci din
nivele discrete (vezi figura de mai jos), date de
E E111 E112 E113
D0D
x y
z
pqrznynxn
czyx ELr
mLq
mLp
mEkkkE =
+
+
+=
222222
222),,( hhh
un p, q, r sunt numere intregi. Aceste nivele discrete se obtin din ecuatia Schrdinger
satisfacuta de electronii din material. Un spectru discret de energii este similar cu cel intalnit
in atomi sau molecule. O nanoparticula este numita punct cuantic daca nivelele discrete de
energie pot fi observate, adica daca diferenta intre doua nivele energetice discrete este mai
mare decat energia de vibratie termica, . Aceasta implica , ,
, sau , , .
TkB 222 2/ xn Lmh 222 2/ yn LmhTkLm Bzn >222 2/h xL yL TkmL Bnz 2/22h gEE
TkB
In urma fotoexcitarii, purtatorii fierbinti interactioneaza intai intre ei si cu populatia de
purtatori reci (electronii si golurile care exista anterior in benzile de conductie si valenta, la
temperatura retelei cristaline) prin ciocniri purtatori-purtatori si imprastieri. Rata de ciocnire
(numarul de ciocniri pe unitate de timp) este diferita pentru electroni si goluri. Se formeaza
astfel doua distributii separate, carora li se poate asocia separat temperaturi ale electronilor si
ale golurilor. Dupa aproximativ 100 fs, populatiile separate de electroni si goluri ajung la
echilibru, dar nu si la echilibru cu reteaua cristalina. Pentru a ajunge la echilibru cu reteaua
cristalina, au loc interactii purtator-fonon care pot fi separate pentru fiecare tip de purtator,
sau procese Auger in care energia in exces a unui tip de purtator este intai transferata celuilalt
tip, care interactioneaza ulterior cu fononii. In urma acestor procese temperatura retelei devine
egala cu cea a purtatorilor de sarcina (creste fata de valoarea initiala); fenomenul se numeste
termalizare. Dupa termalizare, electronii si golurile se recombina radiativ sau neradiativ.
Electronii si golurile fierbinti se relaxeaza/termalizeaza cu rate diferite datorita maselor lor
efective diferite. In general masa efectiva a electronilor este mai mica decat cea a golurilor, si
deci electronii se racesc mai incet.
Exista doua forme de utilizare eficienta a purtatorilor fierbinti: pentru generarea unei
fototensiuni mai mari sau pentru generarea unui fotocurent mai mare. In primul caz, purtatorii
sunt extrasi din regiunea activa inainte de a se termaliza/de a se raci, iar in al doilea caz,
purtatorii fierbinti produc o a doua (sau mai multe) pereche electron-gol prin ionizare de
impact. In primul caz rata de separare, transport si transfer prin interfata intre doi semicon-
ductori a purtatorilor fotogenerati trebuie sa fie mai mare decat rata de racire a acestora. In al
doilea caz, rata ionizarii prin impact trebuie sa fie mai mare decat rata de racire. Aceste rate se
pot modifica la valorile dorite in structuri cuantice: puncte cuantice, fire cuantice sau gropi
cuantice. In particular, rata de racire a purtatorilor fierbinti poate fi redusa dramatic, iar rata
ionizarii prin impact poate deveni competitiva cu rata de racire a purtatorilor.
Purtatorii de sarcina (electroni si goluri) pot fi extrasi din materialul absorbant inainte
de a se termaliza prin contacte de tunelare (vezi figura de mai jos). In acest caz purtatorii
fierbinti se extrag rapid si la energie fixa (energia nivelului discret din stratul subtire/groapa
cuantica care se introduce intre materialul absorbant si contacte).
Elementele fotovoltaice in care se genereaza mai multi purtatori de sarcina per foton
absorbit au o eficienta cuantica interna mai mare decat 1. Procesul prin care se produce mai
mult de o pereche electron-gol (sau mai mult de un exciton) pentru fiecare foton absorbit se
numeste ionizare prin impact. In acest proces neliniar, energia in exces a electronilor, care s-ar
disipa in caldura, duce la formarea unei alte perechi electron-gol. Aceste celule solare se
bazeaza doar pe electronii fierbinti, care (dupa cum am vazut mai sus) se termalizeaza mai
incet decat golurile. Un electron excitat intr-o stare de energie inalta poate genera o alta
pereche electron-gol in urma dezexcitarii.
In materialele omogene acest mecanism de ionizare este ineficient pentru ca purtatorii
de sarcina au o rata de recombinare mai mare decat rata de ionizare prin impact si pentru ca
trebuie indeplinite conditiile de conservare a impulsului in cristal. Acest fenomen se observa
in semiconductori omogeni doar pentru energii E ale fotonilor de cateva ori mai mari decat
latimea benzii interzise . De exemplu, in Si eficienta ionizarii prin impact este 5% (deci, gE
eficienta cuantica totala este 105%) pentru gEE 6.3= = 4 eV, si de 25% la = 4.8eV. Teoria arata ca pentru o singura jonctiune p-n in care se pot genera pana la 8 perechi
electron-gol dintr-un foton, eficienta este de 58% pentru 1000 sori (39% pentru 1 soare), fata
de 38% (31%), daca nu se produce excitarea mai multor purtatori. In acest sens, generarea
mai multor perechi electron-gol ar putea deveni de interes chiar si in materiale omogene, daca
se folosesc concentratori.
gEE 4.4=
Din contra, ionizarea prin impact este favorizata in puncte cuantice (vezi figura de mai
sus) datorita cresterii interactiei Coulomb intre excitoni si datorita relaxarii conditiei de
conservare a impulsului in structuri confinate. In puncte cuantice ionizarea prin impact are ca
rezultat generarea mai multor excitoni. De exemplu, in puncte cuantice din PbSe se pot forma
pana la 7 excitoni per foton absorbit: se formeaza doi excitoni la , iar eficienta
ionizarii prin impact devine 118% (se formeaza mai mult de doi excitoni) la . La
eficienta ionizarii prin impact este mai mare de 200% in puncte cuantice PbSe cu un
diametru de 3.9 nm (deci, eficienta cuantica interna este mai mare decat 300% si se formeaza
mai mult de trei excitoni per foton absorbit). Generarea multi-excitonica s-a pus in evidenta si
in puncte cuantice din CdSe, InAs, sau Si.
gEE 3=gEE 8.3=
gEE 4=
In figura de mai jos este reprezentata dependenta eficientei cuantice interne de energia
fotonilor incidenti normata la pentru puncte cuantice in diverse materiale. Punctele gE
cuantice din PbS si PbTe au diametrele de 5.5 nm, si respectiv 4.2 nm, valoarea fiind
indicata in figura, cele trei valori pentru PbSe corespunzand punctelor cuantice cu trei
diametre diferite: 5.7 nm ( = 0.71 eV), 4.7 nm ( = 0.82 eV), si 3.9 nm ( = 0.91 eV).
gE
gE
gE gE gE
Pentru a controla atat absorptia fotonilor cat si viteza de racire a purtatorilor fierbinti
se folosesc superlatici, de obicei in configuratii p-i-n, ca in figura de mai jos. In acest caz se
absoarbe o fractiune mai mare de fotoni din spectru datorita (mini)benzilor intermediare ale
superlaticii.
In acelasi timp minibenzile superlaticii incetinesc racirea distributiei de electroni fierbinti si
permit transportul si colectarea rapida a electronilor cu energie cinetica in exces mare pentru a
produce o tensiune la circuit deschis mai mare. In astfel de structuri pot avea loc si
ionizari prin impact care genereaza mai multi excitoni per foton absorbit, deci poate creste si
fotocurentul, dar de obicei crearea mai multor excitoni si transportul/colectarea de purtatori
fierbinti nu au loc simultan.
cdV
Modificarea spectrului solar O alternativa la folosirea mai multor straturi de conversie a energiei solare (ca in celulele
solare multi-jonctiune) este modificarea spectrului solar inainte ca fotonii sa ajunga la
elementul fotovoltaic. Principiul este ilustrat in figurile de mai jos si se bazeaza pe faptul ca
eficienta maxima de conversie a unei celule solare cu o jonctiune se poate atinge pentru
semiconductori cu intre 1.25 eV si 1.45 eV, spectrul solar fiind mult mai larg: intre 0.5 eV
si 3.5 eV. Daca o singura jonctiune p-n poate converti cel mult 31% din puterea solara
incidenta (33% in teoria Shockley-Queisser) deoarece unii fotoni nu pot fi absorbiti pentru ca
au o energie mai mica decat si sunt transmisi prin celula solara iar altii au energie in exces
care este pierduta prin termalizare (vezi figura de mai jos, stanga), eficienta de conversie ar
putea creste foarte mult daca spectrul luminii solare ar putea fi modificat astfel incat sa se
suprapuna peste spectrul fotonilor absorbiti optim intr-o celula solara cu o singura jonctiune
(vezi figura de mai jos, dreapta).
gE
gE
Aceasta transformare a spectrului presupune doua procese: conversie in sus (up-conversion) si
conversie in jos (down-conversion) a energiei fotonilor incidenti. In procesul de conversie in
sus (vezi figura (a) de mai jos), doi (sau mai multi) fotoni cu energie mai mica genereaza unul
cu energie mai mare, care sa poata fi absorbit.
(a)
(b)
Din contra, in procesul de conversie in jos, (vezi figura (b) de mai sus) un foton de energie
mare (din regiunea ultraviolet a spectrului solar) se transforma in doi sau mai multi fotoni de
energie mai mica care pot fi absorbiti in celula. Conversia in sus si conversia in jos a energiei
fotonilor sunt procese neliniare, care au loc cu o eficienta relativ mica, folosindu-se in general
ioni de lantanide.
De exemplu, conversia in jos poate avea loc daca se induce emisia a doi fotoni de
energie mai mica intr-un material cu nivel de impuritate in banda interzisa, cum ar fi LiGdF4
dopat cu Eu3+, in care se emit doi fotoni in vizibil pentru fiecare foton absorbit in ultraviolet
printr-un transfer de energie de la Gd3+ excitat la Eu3+. Acelasi efect a fost observat in puncte
cuantice din Si cu ioni Er3+ in matrice de SiO2, alte materiale in care ar putea avea loc
conversia in jos fiind AlAs si GaP.
Conversia in sus a energiei fotonilor a fost demonstrata intr-o celula solara din GaAs
dopat cu pamanturi rare (Er3+ si Yb3+), in configuratia prezentata in figura de mai jos.
Eficienta celulei solare (estimata) este de 48% la 1 soare, si 63% la 46200 sori. Fotogenerarea
in infrarosu a fost pusa in evidenta si in celule din Si cu conversie in sus, cu ioni de Er3+,
eficienta cuantica externa fiind de doar 2%.
Celule solare cu plasmoni Plasmonii sunt oscilatii colective ale gazului de electroni in metale sau semiconductori si sunt
asociati cu o puternica amplificare a campului electromagnetic la interfata dintre un metal si
un dielectric/izolator. In particular, in nanoparticule metalice se formeaza plasmoni de
suprafata, care duc la o crestere a absorptiei luminii prin cuplarea fotonilor incidenti cu
oscilatiile colective ale electronilor liberi de la suprafata metalului.
In figura de mai jos, stanga, este ilustrata concentrarea radiatiei electromagnetice in
jurul mai multor gauri cu dimensiuni mai mici decat lungimea de unda a luminii facute intr-un
strat subtire de metal depus peste sticla; concentratea luminii in jurul unei singure gauri este
aratata in figura de mai jos, dreapta.
Un sir de astfel de gauri poate ghida lumina la suprafata dintre metal si sticla (vezi
figura de mai jos, stanga). Fenomenul este rezonant (se observa cu precadere la anumite
lungimi de unda determinate de diametrul gaurilor), si poate fi folosit pentru cresterea
absorptiei luminii de o anumita lungime de unda asezand nanoparticule pe suprafata plana
care contine gaurile; nanoparticulele absorb doar fotonii cu energie egala cu diferenta dintre
nivelele discrete electronice in nanoparticula, ca in figura de mai jos, dreapta.
Mai mult, energia electromagnetica poate fi ghidata fara pierderi semnificative de-a
lungul unui lant periodic de nanoparticule metalice (chiar in jurul unor colturi de 90 grade)
care convertesc modul optic in plasmoni de suprafata ne-radiativi. De exemplu, s-a observat
ca nanoparticule de Ag cu un diametru de 30 nm ghideaza energia electromagnetica pe cateva
sute de nm prin interactii intre particule in camp apropiat. Astfel de nanoparticule pe suprafata
celulei solare actioneaza ca antene care colecteaza lumina incidenta in jurul rezonantei
plasmonilor de suprafata si apoi imprastie lumina intr-o varietate mare de unghiuri, astfel
incat creste drumul optic in stratul absorbant (vezi figura de mai jos, stanga). Intr-o alta
configuratie, lumina se cupleaza cu plasmonii de suprafata care se propaga la interfata
semiconductor/metal (metalul fiind asezat sub semiconductor, ca in figura de mai jos, dreapta)
prin periodicitati mai mici decat lungimea de unda a luminii. Astfel, directia fluxului de
energie se schimba de la perpendicular la lateral fata de stratul fotovoltaic.
In figura de mai jos este prezentata o celula solare tandem care foloseste plasmonii de
suprafata pentru cresterea absorptiei luminii prin imprastierea de pe nanoparticule metalice in
jurul rezonantei plasmonice. Astfel de celule solare pot folosi straturi foarte subtiri de diverse
materiale.
In celule solare plasmonice, fotocurentul poate creste de 18 ori (pentru lungimea de
unda a luminii de 800 nm) daca se aseaza nanoparticulele de Ag pe suprafata elementului
fotovoltaic din Si cristalin cu o grosime de 165 nm depus pe un substrat de SiO2. In acelasi tip
de celule solare nanoparticulele de Au cresc fotocurentul cu 80% la = 500 nm, ceea ce corespunde la 8% crestere in eficienta de conversie.
Alte solutii pentru cresterea eficientei de conversie a celulelor solare Alte solutii pentru cresterea eficientei de conversie a celulelor solare si/sau reducerea
costurilor includ folosirea unor materiale noi si folosirea unor configuratii noi de celule
solare. De exemplu, s-a propus folosirea compusilor carbonului, cum ar fi camforul K =
C10H16O, in fabricarea celulelor solare. Eficienta de conversie a structurii n-K/p-K/p-Si este
de 2.3%.
In figura de mai jos este reprezentata o celula solara care foloseste pentru electrozi
grafena. Aceasta (vezi figura de mai jos, stanga) este formata dintr-un singur strat de atomi de
carbon asezati intr-o structura periodica hexagonala (este deci o structura mezoscopica).
Avantajul este ca (dupa cum se vede din figura de mai jos, dreapta) coeficientul ei de
transmisie este mai mare decat al compusilor folositi in mod uzual ca si oxizi transparenti,
ITO (oxid de In si Sn) si FTO (oxid de F si Sn), in domeniul de lungimi de unda mari (energii
mici) ale fotonilor incidenti.
graphene
ITO
FTO
Configuratiile de celule solare au evoluat si in sensul reducerii pierderilor datorate umbrei
electrozilor grila, de exemplu. O succesiune de imbunatatiri in acest sens este prezentata in
figurile de mai jos, configuratiile celulelor solare evoluand de la cea traditionala (in figura
(a)), la cea in care metalizarea infasoara structura (MWT metallisation wrap-through; figura
(b)), la cea in care emitorul infasoara structura (EWT emitter wrap-through; figura (c)), si in
final la configuratia cu jonctiune spate (figura (d)). In figurile de mai jos grila consta din
degete subtiri paralele care transporta curentul la busbars/electrozi centrali, lati, care
conecteaza celulele solare la circuite externe.
(a)
(b)
(c)
(d)
In configuratia din figura (b), o parte din grila metalica de sus este mutata in spate
(busbar-ul se muta), iar partea care ramane la suprafata se conecteaza la spate extinzand-o
printr-un numar de deschideri in placheta. In figura (c), suprafata de sus nu are metalizare, dar
emitorul este tot langa suprafata de sus. Contactul de baza, interdigital, se interdigiteaza cu
contactul emitorului (asezat jos), iar contactul sus-jos se face prin intermediul emitorului, care
se extinde prin golurile din substrat. In celula solara cu jonctiune spate, metalizarea si
emitorul sunt mutate in spate, ceea ce permite cresterea densitatii si interconectivitatii
celulelor solare, si reducerea pierderilor cu umbra electrozilor si a pierderilor datorate
rezistivitatii grilei. Aceasta configuratie, in care perechile electron-gol sunt generate in
regiunea omogena cu timp de viata mare, au o recombinare la suprafata mica si pot functiona
la fluxuri mari de radiatie/in concentratori.
Teme cu grad de dificultate mai mare TIV-1 O heterojonctiune p-n consta din doi semiconductori, A si B. Semiconductorul A are o
banda interzisa , densitate de purtatori intrinseca si lucru de extractie intrinsec AE iAn A (masurat de la mijlocul benzii interzise pana la nivelul de vid). Semiconductorul B este un
compus din doua materiale in raportul x:1x si are banda interzisa si densitate de purtatori
intrinseca date de
xEE AB += , )2/exp( Tkxnn BiAiB = . Lucrul de extractie AB > este acelasi pentru toate compozitiile x. B este folosit ca strat fereastra de tip n, pe un strat p din semiconductorul A.
a) Gasiti valoarea parametrului x la care in banda de conductie incepe sa apara o treapta/un
obstacol in colectarea electronilor.
b) Daca densitatile dopantilor in straturile A si B sunt si, respectiv, , aratati ca exista AN BN
un gradient de potential care transporta electronii din A in B doar daca 2iABA nNN >c) In cazul particular in care = 1.4 eV, = 21012 m3, AE iAn A = 5 eV, B = 5.3 eV si = 2.4 eV, stratul fereastra de tip n este conceput astfel incat fotonii cu lungime de unda mai mare de
500 nm sa patrunda in baza de tip p.
(i) Calculati inaltimea treptei din banda de conductie.
(ii) Desenati profilul de benzi in aceasta heterojonctiune.
(iii) Precizati cum este afectata eficienta colectarii sarcinilor prin variatia nivelului de dopare.
TIV-2 Calculati o celula solara tandem din Si amorf care consta din doua jonctiuni p-i-n in
serie, conectate printr-o jonctiune tunel. Celula are o grosime totala de 1 m si trebuie optimizata astfel incat curentii sa fie aceiasi pentru iluminare la 600 nm. Daca absorptia in Si
amorf este 3106 m1 la 600 nm, cat de groase trebuie sa fie fiecare din cele doua regiuni i ? Se poate presupune ca regiunile n si p au grosimi neglijabile si ca jonctiunea tunel este ideala,
eficienta de colectare a sarcinilor electrice fiind de 100% in regiunea intrinseca. Explicati ce
va asteptati sa se intample cu curentul de scurtcircuit al celulei daca lungimea de unda a
fotonilor a) creste, b) scade in conditiile in care densitatea fluxului de fotoni ramane aceeasi.
lumina
t1 t2
p i n p i n
TIV-3 Pentru a captura lumina, se aseaza un strat semiconductor cu indice de refractie si sn
grosime w intre o suprafata care reflecta lumina plasata in spatele dispozitvului si o suprafata
care imprastie lumina in fata celulei (vezi figura). Suprafata din fata este rugoasaa, astfel incat
imprastie lumina incidenta sau reflectata in toate directiile, si permite luminii care este
incidenta din interior la unghiuri mai mici decat unghiul critic sa se reflecte total (sa iasa din
celula).
reflector
suprafata rugoasa
w
lumina
Se presupune ca lumina imprastiata de suprafata frontala parcurge in medie o distanta w2
inainte de a ajunge la suprafata din spate.
a) Daca suprafata din spate este un reflector perfect, aratati, presupunand reflexii interne
multiple, ca drumul mediu al razelor care intra in celula este . wnl s24=b) Daca suprafata din spate este un reflector imperfect cu reflectivitate R, aratati ca drumul
mediu al razelor devine
)/11(1)1(2
2snR
wRl +=
Daca , cat de mare trebuie sa fie R ca sa avem o crestere a drumului mediu de 20 ori ? 3=sn
Concluzii Cercetarea in domeniul celulelor solare a avansat foarte mult, iar aplicatiile acestora s-au
dezvoltat foarte rapid. De la primele celule solare (vezi figura de mai jos, stanga) si primele
baterii solare demonstrate in 1954 (figura de mai jos, centru), pana la prima retea de
comunicatii rurale in America (figura de mai jos, dreapta), a trecut doar un an.
Partea frontala si spatele primelor celule solare comerciale fabricate de Northern Electricity in
1961 aratau ca in figura de mai jos stanga si, respectiv, centru. O celula solara moderna pe
baza de filme subtiri este aratata in figura de mai jos, dreapta, pentru comparatie.
Primul satelit care a folosit celule solare din Si a fost Vanguard I, lansat in 1958 si a
carui transmisii au fost receptionate pana in 1964 (figura de mai jos, stanga), iar primul satelit
care a folosit celule solare din GaAs este satelitul britanic STRV (Space Technology Research
Vehicle), care a fost lansat in 1994 si a continuat sa transmita pana in 1998 (vezi figura de
mai jos, dreapta).
Primele vehicule spatiale (care nu au orbite circumterestre) si care au folosit celule
solare din GaAs au fost Mars Global Surveyor, lansat in 1996, si Mars Climate Orbiter (vezi
figura de mai jos, stanga) si Deep Space 1 (figura de mai jos, dreapta), ambele lansate in 1998
Mars Global Surveyor avea patru panouri solare, doua din GaAs si doua din Si, care
produceau 980 W, Mars Climate Orbiter avea trei panouri solare cu o suprafata de 11 m2
continand celule multi-jonctiune tandem GaAs/Ge, fiecare capabila sa genereze 1000 W pe
Pamant si 500 W pe Marte, iar Deep Space 1 avea 8 panouri cu dimensiuni de 160 cm 113
cm care incorporeaza celule tandem GaInP2/GaAs/Ge cu concentratori si care asigura 2500 W
la 100 V. Celulele solare tandem GaInP2/GaAs/Ge cu eficiente de conversie mai mari ca 29%
sunt cele mai folosite astazi in aplicatii spatiale, generand pe orbita (in diferiti sateliti) mai
mult de 820 kW. Suprafata panourilor solare creste pe masura ce satelitii si vehiculele spatiale
devin mai sofisticate. In figura de mai jos este aratata Spatia Statiala Internationale.
Pe de alta parte, contributia celulelor solare la producerea electricitatii pe Pamant a
luat o amploare din ce in ce mai mare, fiind deosebit de utila in regiuni izolate. In figurile de
mai jos, stanga, centru si dreapta sunt exemple de celule solare folosite, respectiv, in iurte
izolate din China, in locuinte lacustre din trestie de pe lacul Titicaca din Bolivia, si in
comunitati rurale din India.
Folosirea celulelor solare la iluminatul strazilor (figura de mai jos, stanga), a corturilor (figura
de mai jos, centru) si la alimentarea diverselor echipamente agricole, de exemplu, cum ar fi
tractorul din figura de mai jos, dreapta, sunt din ce in ce mai raspandite.
Estimarile arata ca in 2050 ar fi nevoie de 30 TW/an energie care sa nu fie produsa pe
baza de carbon/combustibil fosil pentru a satisface nevoile unei populatii de 10-11 miliarde de
oameni daca rata de crestere globala a economiei ar fi de 2% pe an. Acesta cifra este calculata
pornind de la cantitatea de CO2 atmosferic care poate fi tolerata fara a avea un impact major
asupra schimbarii climei globale. In prezent, aceasta cantitate este de 275 ppm (in crestere
fata de 175 ppm CO2 inainte de revolutia industriala), si s-ar putea stabiliza la 400 ppm in
2050. In prezent, consumul anual a 6 miliarde oameni este 13 TW/an. O mare parte din
aceasta energie ar putea fi generata folosind celule solare. Celulele solare ar putea sa fie
utilizate nu numai in panouri solare montate pe case sau in uzine solare, ci am putea avea
(vezi figurile de mai jos) avioane solare, imbracaminte si accesorii fotovoltaice, plante de
apartament fotovoltaice, sau masini si vapoare solare. Toate acestea sunt in stadiu de prototip.
Recent, avionul solar din figura de mai jos, denumit Solar Impulse, a efectuat primul zbor de
noapte, folosind acumulatori care inmagazineaza energia generata in timpul zilei de catre
panourile solare. Folosind cunostintele acumulate in acest curs (si in altele in cadrul
programului de masterat), puteti contribui activ la aceasta revolutie tehnologica.
Recommended