Prezentacja programu PowerPointadam.mech.pw.edu.pl/~marzan/FotoW3_B.pdfJONIKA I FOTONIKA MICHAŁ MARZANTOWICZ Określanie E a 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014-160-140-120-100-80-60-40-20

JONIKA I FOTONIKA MICHAŁ MARZANTOWICZ

Energia słoneczna

• roczne światowe zużycie energii – ok. 20 TW

• energia słoneczna docierająca do Ziemi

w ciągu roku – średnio 86 000 TW

• energia wiatrowa – 870 TW

• energia geotermalna – 32 TW


Historia – XIX w.

• 1834: Edmund Becquerel – oświetlił roztwór AgCl z podłączonymi elektrodami Pt

uzyskując przepływ prądu – odkrycie efektu fotowoltaicznego

• 1877: W.G. Adams i R.E. Day

zaobserwowali

fotoprzewodnictwo Se

• 1883: Ch. Fritts – pierwsza bateria

słoneczna

oparta o cienką warstwę Se

AgCl + hn Ag+ + Cl-


Efekt fotoelektryczny – Nobel 1921

Efekt fotowoltaiczny w Cu20


1954 – Bell Labs

1954 - Chapin, Fuller i Pearson –

pierwsze ogniwo słoneczne oparte o

Si – 4.5 % wydajności


1958 – Naval Research Laboratory

6 paneli fotowoltaicznych Si, 100 cm2, wydajność 10 %

wykorzystane do zasilania satelity komunikacyjnego Vanguard 1



Promieniowanie słoneczne

stała słoneczna – moc promieniowania

słonecznego docerająca do atmosfery

przeliczona na jednostkę powierzchni

Ziemia - 1366,1 W/m2

Merkury - 9937 W/m2

Neptun - 1,5 W/m2


Promieniowanie ciała doskonale czarnego

u(,T) 2hc2

5[ehc

kT 1]

CDC - Ciało całkowicie pochłaniające promieniowanie

Słońce – ciało doskonale czarne o temperaturze 5800 K

Wyjaśnienie obserwowanego

rozkładu wymagało założenia

skwantowania energii

promieniowania

E hn hc

Rozkład Planck’a:


Zewnętrzny efekt fotoelektryczny

• energia światła > praca wyjścia za metalu

• elektrony wybite z powierzchni anody trafiają do obwodu i

docierając do katody zamykają obwód


Wewnętrzny efekt fotoelektryczny: ogniwo

złącze p-n


1. absorpcja

2. termalizacja

3. dryf

e

-

ważne parametry

• przerwa energetyczna Eg

• poziom domieszkowania

• współczynnik absorpcji a

• czas życia nośników t

• droga dyfuzji nośników Ld

• ruchliwość nośników m

EC

EV

Efekt fotoelektryczny w złączu pn


J J0 expeU

AkBT

1

J0 J00 expEa

kBT

JL Jdark Jsc

JL J0 expeU

AkBT

1

Jsc

charakterystyka I-V „ciemna”

charakterystyka I-V ogniwa

oświetlonego

zasada superpozycji

A - współczynnik idealności diody

(A=1 równanie dyfuzji)

A>1 straty elektronów - rekombinacja

Charakterystyka I-V


Isc – prąd zwarcia

(short circuit current)

więcej zaabsorbowanych

fotonów

większy Isc

Voc – napięcie otwartego

obwodu (open circuit voltage)

większa przerwa energetyczna

(Eg)

większe Voc

FF – współczynnik wypełnienia

(fill factor)

punkt maksymalnej mocy

Pmax=Imp*Ump

Imp Ump

Pin

Isc Uoc FF

Pin

wydajność ogniwa:

Charakterystyka I-V c.d.


Straty energii

1. Termalizacja

2. Straty w złączu

3. Straty na kontaktach

4. Rekombinacja

Limit Schockley’a-Quisser’a 1961


Światło w ogniwie

1. Odbicie od przedniego kontaktu

2. Odbicie od powierzchni ogniwa

3. Absorpcja w ogniwie

4. Odbicie od tylnego kontaktu

5. Absorpcja po odbiciu od tylnego kontaktu

6. Absorpcja na tylnym kontakcie

L


Wpływ oporu szeregowego / równoległego

SC

sh

S

B

S IR

IRU

TAk

IRUqII

1exp0

Rp:

Rs:

Rsh: granice ziaren, krawędzie, przebicie

Rs: absorber, kontakty, połączenia elektryczne

scoc

p

p

p

scoc

sss

IU

Rr

rFFFF

IU

RrrFFFF

;1

1

;1

0

0


Natężenie światła / Temperatura

SC

B

ITAk

qUII

1exp0

1ln

0I

I

q

TAkU scB

oc

TAk

EII

B

aexp000

sc

Baoc

I

I

q

TAk

q

EU 00ln

kT

EIAIA a 000 lnln


Ciemna charakterystyka I-V

TAk

EII

B

aexp000

p

S

B

S

R

IRU

TAk

IRUqII

1exp0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.61E-5

1E-4

1E-3

0.01

0.1

1

10

100

NC CdS 30 nm

NC CdS 80 nm

cu

rre

nt d

en

sity [m

A/c

m2]

Voltage [V]

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.21E-3

0.01

0.1

1

10

100

1000

wpływ RS

cu

rre

nt d

en

sity [m

A/c

m2]

Voltage [V]

wpływ RP


Określanie Ea

0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

1100 meV

1220 meV

1030 meV

NC CdS 30 nm

NF CdS 80 nm

NC CdS 30 nm

NF CdS 80 nm

Aln

(I0

)

Temperature [K]

790 meV

0 50 100 150 200 250 300 3500,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

NC CdS 30 nm

NF CdS 30 nm

NC CdS 80 nm

NF CdS 80 nm

VO

C [V

]

Temperature [K]

1000 meV

1130 meV

1190 meV

1220 meV

sc

Baoc

I

I

q

TAk

q

EU 00ln

kT

EJAJA a 000 lnln

Ea = Eg – rekombinacja w objętości absorbera

Ea < Eg – rekombinacja na międzypowierzchni


spektrum słoneczne (1 kW/m2)

maksymalna wydajność ogniwa

jednozłączowego, tylko

rekombinacja promienista, tylko

straty na skutek termalizacji

Optymalna przerwa energetyczna

Si: 1.11 eV = 1120 nm GaAs: 1.43 eV = 870 nm CIGS: 1,2 V = 1030 nm CdTe: 1.5 eV = 830 nm CH3NH3PbX3 : 1.5 – 2.3 eV = 830 nm – 540

nm X: I, Br, Cl


CdS/CdTe cell

W – szerokość obszaru

zubożonego

a – współczynnik absorpcji

LD – średnia droga dyfuzji

elektronów

Wydajność kwantowa

• zależność uzyskanego prądu od długości fali padającego na ogniwo światła

• inaczej: stosunek ilości padających fotonów do płynących w obwodzie elektronów

• idealnie QE=1 Każdy foton generuje elektron, który trafia do obwodu

QE 1exp aW

1 aLD


Koncentratory

• Logarytmiczny wzrost

wydajności

przy wzroście natężenia światła

• Konieczność chłodzenia

• Konieczność zmiany położenia

w ciagu dnia


Documents

Prezentacja programu PowerPointadam.mech.pw.edu.pl/~marzan/FotoW3_B.pdfJONIKA I FOTONIKA MICHAŁ MARZANTOWICZ Określanie E a 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014-160-140-120-100-80-60-40-20