Upload
albany
View
39
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
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 - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Χαλκοπυριτικές ομοκυψέλες:η επανάσταση στα φωτοβολταϊκάλεπτών υμενίων
ΘΕΟΔΩΡΟΥ ΜΑΡΙΑ8ο ΕΞΑΜΗΝΟυπεύθυνη καθηγήτρια:κ. Δήμητρα Παπαδημητρίου
Εναλλακτικές μορφές ενέργειας Αιολική ενέργεια Γεωθερμική
ενέργεια Βιόμαζα Ηλιακή ενέργεια Χρήση
φωτοβολταϊκών
Τί γίνεται στον ήλιο? 6*1011 kg H2He
Κάθε sec!!! Απώλεια μάζας4*103 Κg
δηλαδή 4*1020 j Ένταση της
ακτινοβολίας στη μέση απόσταση γης-ήλιου:1353 W/m2
Ενέργεια φωτονίων ήλιου:0.5-5 eV (0.2-3 μm)
Ιστορική αναδρομή
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
Η κατανομή των PV υλικών
Ημιαγωγοί-επαφή p/n Ηλεκτρική
αντίσταση:10-2-109 Ω Ενεργειακό χάσμα:
0-4 eV Συντελεστής
απορρόφησης :α (cm-1) Ένταση ρεύματος
φωτονίου:Iν (x)=Iνοe-ax
IVΔομή διαμαντιού
Si,Ge
III-VΔομή σφαλερίτη
GaAs,InP
II-VIΔομή σφαλερίτη
ZnSe,CdS
II-IV-V2
Δομή χαλκοπυρίτηZnGeAs2
I-III-VI2Δομή χαλκοπυρίτη
CuInSe2,CuGaSe2,CuInS2
Διάγραμμα n-Eg
Θεωρητικός συντελεστής απόδοσης: 85%
Πρακτικά :15-20%
2002:single c-Si : n= 24.7%
(θεωρητική τιμή 30%)
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
Χαρακτηριστική I-V φωτοκυψέλης επαφής p-n
Συντελεστής απόδοσης n Max τιμή:n=Pm/Pin 100%n= ImVm/Pin 100%
Συντελεστής πλήρωσης ff ImVm/IscVoc
Δομή CIGS Ετεροκυψέλης
Υπόστρωμα Μο (πίσω επαφή) Aπορροφητής CIGS
(υμένιο p- τύπου) Υμένιο n-τύπου:
Μεταβατική στρώση CdS‘Παράθυρο’ ZnO/ΙΤΟ
Εμπρόσθια επαφή (grid)
Χαλκοπυρίτες ως απορροφητές
Ιδιότητες 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-
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 στη διεπιφάνεια/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 CuGa3Se5 ή 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 CIGS Scs
[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= 3-6 105 cm-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
Αξιολόγηση CIGS κυψελών μεγάλου Εg
ZnΟ/CdS/CuInS2 ή CuGaSe2
H μετατόπιση ζώνης (band-offset) δεν ευνοεί αναστροφή διεπιφάνειαςCliffμείωση φράγματος επανασύνδεσης Εb
Voc(0 K)= Εb/q
Cu(In,Ga)S2
qΔVoc≥ΔΕg αν Εg>1.6 eV
CuInS2/ZnOn= 6% Χωρίς ενδιάμεση στρώση (buffer-layer free)
n-τύπου αγωγιμότητα στο Ge-doped CuGaSe2
Ετεροκυψέλες CuGaSe2 n=9.7% (μονοκρυσταλλικό) & n=9.3% (λεπτό υμένιο)
Δυσκολία n-dopingαυτοαντιστάθμιση (self compensation) πλεγματικά κενά VCu
Λύση: Εμφύτευση ιόντων (ion implantation) Ge ή
Zn
Διαδικασία εμφύτευσης ιόντων 1.Aνάπτυξη μονοκρυστάλλων
CuGaSe2 CVT Κυρίαρχος αποδέκτης: VCu
2.Θερμική ανόπτηση (Thermal annealing) μειώση συγκέντρωσης
αποδεκτών (1018 1015 cm-3)
3.Εμφύτευση ιόντων Ge
4. Θερμική ανόπτηση (Thermal annealing) παρουσία Zn ZnCu Ge δότες n –τύπου αγωγιμότητα Συγκέντρωση δοτών> 1015
cm-3
Συμπερασματικά co-doping με Ge/Zn n-τύπου
CuGaSe2 (Εg=1.7 eV, 300 K) Δημιουργία ομοκυψελών CuGaSe2
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.