Способи виготовлення сонячниз батарей

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЛЬВІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені  І. ФРАНКА

ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОНІКИ

 

 

 

 

Реферат

на тему:

“Способи виготовлення сонячниз батарей”

 

 

 

 

 

 

Виконав:

Студент групи ФЕРс-52

Канюк Ю.І.

Викладач:

доц. Ковальчук М.Г.

 

 

 

 

 

Львів 2013

ЗМІСТ

Вступ………………………………………………………………………………….3

1.Фотоелектрична  фізика………………………………………....…….4

1.1.Фотоефе́кт………………………………………………………………………4             1.2.Фотогенерації носіїв заряду…………………………………………………… 4

1.3.Характеристичне рівняння…………………………………………………….6

1.4.Напруга холостого ходу і короткого замикання……………………………..7

1.5.Вплив фізичних розмірів………………………………………………………...8

1.6.Динаміка температури…………………………………………………………9

1.7.Залежність напруги  від навантаження………………………………..……..10

1.8.Зворотний струм насичення………………………………………………….11

1.9.Фактор ідеальності……………………………………………………………12

2.Сонячні елементи……………………………...………………...12

2.1.Втрати у сонячному елементі……………………………………………….12

2.2.Ефективність………………………………………………………………….13

2.3.Вартість………………………………………………………………………..14

2.4.Матеріали…………………………………………………………15

3.Матеріали та  технології…………………………………17

3.1.Криталічний кремній…………………………………………………………..17

3.2.Тонкі плівки………………………………………………………………………17

3.3.Телурид кадмію…………………………………………………………………..18

3.4.Мідь індію галію, селеніду………………………………………………………18

3.5.галій арсенід багатоперехідних………………………………………………..18

3.6.Світло- поглинаючі барвники (DSSC)………………………………………...19

3.7.Квантові точки сонячних систем (QDSCs)…………………………………19

3.8.Органічні / полімерні сонячні елементи……………………………………..20

3.9.Тонкі плівки кремнію…………………………………………………………...20

3.10.Сонячні 3D-панелі……………………………………………………………..22

4.Методи дослідження………………………………………………..23

Висновок………………………………………………………………...24

Список літертури……………………………………………………...25

 

 

Вступ

Со́нячний елеме́нт (фотоелемент, фотоелектричний перетворювач — ФЕП) — це напівпровідниковий прилад, що служить для перетворення світлової енергії у електричну. В основі цього перетворення лежить явище фотоефекту.

Сонячна батарея - побутовий термін, що використовується в розмовній мові або ненауковою пресі. Зазвичай під терміном «сонячна батарея» мається на увазі кілька об'єднаних фотоелектричних перетворювачів ( фотоелементів ) - напівпровідникових пристроїв, прямо перетворюють сонячну енергію в постійний електричний струм.

На  відміну від сонячних колекторів, які виробляють нагрівання матеріалу- теплоносія. сонячна батарея виробляє безпосередньо електрику . Однак для виробництва електрики з сонячної енергії використовуються і сонячні колектори : зібрану теплову енергію можна використовувати і для вироблення електрики. Великі сонячні установки, які використовують висококонцентроване сонячне випромінювання в якості енергії для приведення в дію теплових і інших машин (парової, газотурбінної, термоелектричної тощо), називаються геліоелектростанцією (ГЕЕС).

Різні пристрої, що дозволяють перетворювати  сонячне випромінювання в теплову  та електричну енергію, є об'єктом  дослідження геліоенергетики (від гелиос грец. Ήλιος , Helios - сонце). Виробництво фотоелектричних елементів і сонячних колекторів розвивається швидкими темпами в самих різних напрямах. Сонячні батареї бувають різного розміру: від вбудованих в мікрокалькулятори до розмірів даху автомобілів та будинків.

Різні матеріали, відображати різні ефективності і різні витрати. Матеріали для ефективних сонячних батарей, повинні мати характеристики які відповідають спектру освітленості. Деякі елементи призначені для ефективного перетворення довжин хвиль сонячного світла, що досягає поверхні Землі. Тим не менш, деякі сонячні батареї, оптимізовані для поглинання світла за межами земної атмосфери.  Світло поглинаючих матеріалів може бути використана в декількох фізичних конфігурацій, щоб скористатися різними поглинання світла і механізмами поділу зарядів.

Матеріали в даний час використовується для фотоелектричних сонячних елементів. включають монокристалічний кремній ,полікристалічний кремній , аморфний кремній , телуриду кадмію і міді селеніду індію -сульфіду. 

Інші  матеріали виконані у вигляді тонких плівок, органічні барвники , органічні полімери , які наносяться на підтримку субстратів .Третя група виготовляються з нанокристалів і використовуються в якості квантових точок (електронно-обмежуючих наночастинок ). Кремній є єдиним матеріалом, який добре досліджений як в об'ємних і тонкоплівкових формах.

 

 

 

 

 

 

1.Фотоелектрична  фізика

1.1.Фотоефе́кт

Фотоефе́кт — явище «вибивання» світлом електронів із металів.

Щоб вивільнити електрон із металу йому необхідно  передати енергію, більшу за роботу виходу.

Теоретичне  пояснення явища дав Альберт Анштайн, за що отримав Нобелівську премію. Анштайн використав гіпотезуМакса Планка про те, що світло випромінюється порціями (квантами) із енергією, пропорційною частоті.

Припустивши, що світло і поглинається такими ж  порціями, він зміг пояснити залежність швидкості вибитих електронів від  довжини хвилі опромінення.

,

де  ν — частота світла, h — стала Планка, m — маса електрона, v — його швидкість, A — робота виходу.

1.2.Фотогенерації носіїв заряду

Коли фотон потрапляє на пластину кремнію, одна з трьох речей може відбутися:

1. фотон може пройти прямо через кремній - це (як правило) відбувається по нижній фотонній енергії,
2. фотон може відбиватися від поверхні,
3. фотон може бути поглинутий кремнієм, якщо енергія фотона більша ніж ширина забороненої зони кремнію. Це створює електронно-дірковову пару, а іноді і тепло, в залежності від зонної структури.

Схема комірки кремнією

Коли  фотон поглинається, його енергія  вириває електрони в кристалічній решітці. Зазвичай цей електрон знаходиться в валентній зоні, а також тісно пов'язаний ковалентними зв'язками між сусідніми атомами, а отже не може переноситись на великі відстані. Енергії, наданим йому фотоном "збуджує" його в зону провідності , де він може вільно пересуватися в напівпровіднику. Наявність відсутнього ковалентного зв'язоку дозволяє пов'язаних електронів сусідніх атомів перейти в "дірку", залишаючи за іншим отвір, і, таким чином, дірка може переміщатися по граткам. Таким чином, можна сказати, що фотони поглинаються в напівпровідникових створеннях, електронно-діркових парах.

Фотони повинні мати більшу енергію,а ніж ширина забороненої зони елемента, для виривання електрона з валентної зони в зону провідності. Однак, сонячний спектр частот приблизно чорного тіла близько 5800 К, таким чином, велику частину сонячної енергії, що досягає Землі складається з фотонів з енергією більше ширини забороненої зони кремнію.Ці більш високі енергії фотонів будуть поглинені сонячною батареєю, перетворюється в тепло (через коливання решітки), а не в корисну електричну енергію.

Є два  основні режими поділу носіїв заряду в сонячних елементах:

1. дрейфових носіїв, рухомих електричним полем, створеним через пристрій
2. дифузійних носіїв, через їх хаотично-тепловий рух, поки вони не будуть захоплені електричним полем, що існує на краях активної області.

У товстих  сонячних батареях немає електричного поля в активній області, таким чином, домінуючим способом поділу зарядів є дифузія. У цих елементах, дифузійна довжина неосновних носіїв заряду повинна бути велике в порівнянні з товщиною комірки. В тонких елементах (такі, як аморфний кремній), дифузійна довжина неосновних носіїв, як правило, дуже коротка через наявність дефектів, і домінуючого поділу зарядів. Отже, дрейф, викликаний електростатичним полем переходу, який поширюється на всю товщину клітини .

Для спрощення, можна уявити, що шар кремнію n-типу в безпосередньому контакті з шаром кремнію р-типу. На практиці, р-п перехід кремнієвих сонячних елементів не проводиться таким чином, а шляхом дифузії n-типу легуючої домішки в одну сторону р-типу пластини (або навпаки).

Якщо  частина кремнію р-типу знаходиться в тісному контакті з частиною кремнію n-типу, то дифузія електронів відбувається з області з високою концентрацією електронів (п-типу стороні переходу) в область низьких концентрацій електронів (р-типу переходу). Коли електрони дифундують через р-п перехід, вони рекомбінуються з дірками в р-типу. Переходи і створюють електричне поле . Електричне поле створює діод , який сприяє зарядженому потоку, відомий як дрейфовий потік , що виступає проти і врешті-решт врівноважує дифузіїю електронів і дірок. Ця облясть, де електрони і дірки поширюються через перехід, називається збідненої області , оскільки вона не містить рухомих носіїв заряду. Він також відомий як області просторового заряду . Він утворюється в результаті осадження з одного матеріалу на поверхні зовнішнього напівпровідникового методом напилення.

Омічний метал -напівпровідник провідність якого здійснюються як n-і р-типу сторін сонячних батарей, а також електроди підключені до зовнішнього навантаження. Електрони, які створюються на n-типу, або були "зібрані" на стику і перйшли на n-тип, може проходити через провід, потужність навантаження, і як і раніше через провідник, поки вони не досягають р- напівпровідник-метал. Тут вони рекомбінують з диркою, яке було створено або електронно-дірковою парою на р-типу стороні сонячної батареї, або дірка, яка перейшла на переході від n-типe після створення.

Напруга дорівнює різниці в квазірівні Фермі неосновних носіїв, тобто електронів в р-типу частині і дірки в n-частині.

 

Еквівалентна схема сонячного  елемента

 

Креслення сонячного елемента

Щоб зрозуміти поведінку електронних  сонячних елементів, це корисно для створення моделі , яка електрично еквівалентна, і заснована на дискретних електронних компонентах, поведінка яких добре відома. Ідеальною сонячною батареєю може бути змодельований за джерелом струму паралельно з діодом, на практиці не сонячна батарея є ідеальною, тому шунт з опором послідовно додаються в модель.  В результаті еквівалентну схему сонячного осередку показано на малюнку.

1.3.Характеристичне рівняння

З еквівалентної  схеми видно, що струм, створюваний  сонячним елементом дорівнює джерелу  струму, мінус те, що тече через діод, мінус те, що проходить через шунтувальний резистор: 

де

• Я = вихідний струм ( ампер )
• Я _L = фотогенерірованних струму (ампер)
• Я _D = струм діода (ампер)
• Я _SH = шунт струму (ампер).

В даний час за допомогою цих  елементів регулюється напруга  на них:

де

• V _J = напругу і діод і резистор R _SH ( вольт )
• V = напруга на вихідні клеми (В)
• Я = вихідний струм (ампер)
• R _S = послідовний опір ( Ω ).

Динистор , поточний направляється через діод:

де

• Я ₀ = зворотний струм насичення (ампер)
• N = діод фактор ідеальності (1 для ідеального діода)
• д = елементарний заряд
• до = постійна Больцмана
• T = абсолютна температура
• При температурі 25 ° C,  напруга.

За законом Ома , струм витоку через шунтувальний резистор це:

де

• R _SH = шунтуючого опору (Ω).

Підставляючи  це в перше рівняння дає характеристичне  рівняння сонячної батареї, у яку входять параметри сонячного елементу, вихідного струму і напруги:

Альтернативний  висновок дає рівняння, аналогічне за зовнішнім виглядом, але з V по лівій стороні. обидва варіанти є тотожні , тобто, вони дають такий самий результат.

В принципі, при певній напрузі V рівняння можуть бути вирішені, щоб визначити робочий струм від напруги. Однак, оскільки включає в себе рівняння  з обох сторін втрансцендентному вигляді рівняння не має загальне аналітичне рішення. Тим не менше, навіть без рішення це фізично важко. Крім того, воно легко вирішується за допомогою чисельних методів . (Загальна аналітичне рішення рівняння можна за допомогою функції Ламберта, але так як функція взагалі сама повинна бути вирішена чисельно це формальність).

Оскільки  параметри V ₀ , N, R _S і R _SH не може бути виміряна безпосередньо, найбільш поширеним застосуванням характеристичного рівняння нелінійної регресії для витягання значення цих параметрів на основі їх сукупного впливу на поведінку сонячної комірки.

1.4.Напруга холостого ходу і короткого замикання

Коли  елемент працює при розімкнутому колі, I = 0 і напруга на вихідних клемах визначається як напруга холостого ходу . Якщо припустити, що опір шунта достатньо великий, то:

Аналогічним чином, коли елемент працює при короткому замиканні , V = 0 і поточним опором через рівняння визначається як струм короткого замикання . Можна показати, що для високоякісних сонячних батарей (низький R _S і I ₀ , і високі R _SH ) струм короткого замикання I _SC є:

1.5.Вплив фізичних розмірів

Значення  R _S і R _SH залежать від фізичного розміру сонячних батарей. При порівнянні ідентичних елементів, елементи які мають в два рази більшу площу поверхні іншої, в принципі, мають в два рази більшу U ₀ , оскільки він має вдвічі більше області ефективності, через які струм може текти. Він також матиме половину R _S і R _SH , тому що він має в два рази більшу площу поперечного перерізу, через які струм може текти. З цієї причини, характеристичне рівняння часто написані з точки зору щільності струму або струму, в області елементарної комірки:

де

• J = щільність струму (ампер / см ² )
• J _L = фотогенерірованних щільності струму (ампер / см ² )
• J ₀ = зворотний струм насичення щільності (ампер / см ² )
• R _S = питомий опір рядів (Ω см ² )
• Г _Ш = питомий опір шунта (Ω см ² ).

Це  формулювання має кілька переваг. По-перше, тому що елементині характеристики пов’язані з загальною площею поперечного перерізу вони можуть бути співставлені для елементів різних фізичних розмірів. Хоча це обмежені вигоди у виробництві , де всі елементи, як правило, однакового розміру, це корисно в дослідженнях та порівняннях елементів між виробниками. Ще однією перевагою є те, що щільність їх природної маси параметрів аналогічних порядків, які можуть зробити чисельний видобутку з них простіше і точніше, навіть з наївною методи рішення.

Є практичні  обмеження цього формулювання. Наприклад, деякі паразитні ефекти все більшого значення в якості розміру елементу стискаються і можуть вплинути на витягнуті значення параметра. Рекомбінації і погіршення переходу, як правило, найбільшу по характеристиці елементу, так манший елемент може мати більш високе значеннями J ₀ або нижче значення R _SH , ніж більші елементи, які в іншому випадку ідентичні. У таких випадках порівняння між клітинами повинно бути зроблено обережно і з цими ефектами.

Цей підхід повинен бути використаний тільки для порівняння сонячних батарей  із зіставними макета. Наприклад, порівняння в першу чергу квадратичних сонячних батарей, як типових кристалічних кремнієвих сонячних елементів і вузьких, але довгих сонячних батареях, як типовий тонкоплівкових сонячний елемен може привести до неправильних припущень викликаних різними видами поточного шляху і, отже, вплив, наприклад, розподілена послідовно опіру R _S .

1.6.Динаміка температури

Вплив температури на вольт-амперноу характеристику сонячного елемента

Температура впливає на характеристичне рівняння двома способами: безпосередньо, через T в експонентний член, так і побічно через його вплив на саме U ₀ (строго кажучи, температура впливає на всі умови, але ці два набагато більш значніші, ніж інші). Поряд зі збільшенням T , зменшується величину показника в характеристичному рівняннянні, значення R ₀ експоненціально зростає з T . Кінцевим результатом є зменшення V _OC (напруга холостого ходу) . Масштаби цього скорочення обернено пропорційна V _OC . Для більшості кристалічних кремнієвих сонячних елементів зміни V _OC з температурою близько -0.50% / ° C, хоча ставка коефіціен ефективністі кристалічного кремнію елементів становить близько -0,35% / ° C. Для порівняння, показник для аморфних кремнієвих сонячних елементів складає -0,20% / ° C до -0.30% / ° C, в залежності від того, з чого елемент зроблений.

Сума  поточних фотогенерованих _{електронів} злегка зростає зі зростанням температури через збільшення числа термічно генерованих носіїв в елементі. Цей ефект є незначним, проте: близько 0,065% / ° C для кристалічного кремнію клітин і 0,09% для аморфного кремнію елементів.

В цілому вплив температури на ефективность можна обчислити за допомогою цих чинників у поєднанні з характерним рівняння. Однак, так як зміна напруги набагато сильніша, ніж зміна струму, загальний вплив на ефективність, як правило, аналогічна по напрузі. Більшість кристалічних кремнієвих сонячних осередків в зниженні ефективності на 0,50% / ° C і найбільш аморфного елменту зниження на 0,15-0,25% / ° C. На малюнку вище показані ВАХ кристалічного кремнію сонячного елемента при різних температурах. 

1.7.Залежність напруги від навантаження

Вплив послідовного опору на вольт-амперну характеристиу сонячної батареї

Зі збільшенням послідовного опору, падіння напруги між напругою переходу і напруга на клемах стає більше за той же струм. В результаті, керовані струмом частини кривої IV починає провисати до початку координат, виробляючи значне зниження напруги на клемах  і невелике зниження в I _SC , ток короткого замикання. Дуже високі значення R _S також буде проводити значне скорочення R _SC ; в цих режимах, послідовний опір домінує і поведінка сонячного елемента нагадує резистор. Ці ефекти проявляються для кристалічних кремнієвих сонячних елементів у ВАХ відображено цю залежність на малюнку.

Збитки, завдані послідовного опіру в першому наближенні дає P _втрати = V _РТС I = I ² R _S та збільшення квадратично (фото-) струму. Втрати потужності найбільш великими є при високій інтенсивності освітлення. 

Вплив шунтуючого опору на вольт-амперних характеристик  сонячних батарей

При зменшенні опіру, струм витоку через шунтувальний резистор збільшується на даному рівні переходу напруги. В результаті, керований напругою частина кривої IV починає провисати до початку координат, виробляючи значне зниження в поточному терміналі r і невелике зниження в V _OC . Дуже низькі значення R _SH буде виробляти значне зниження V _OC . Подібно до того, як у випадку з високим опором. Ці ефекти проявляються для кристалічних кремнієвих сонячних елементів.

1.8.Зворотний струм насичення

Вплив зворотнього струму насичення на вольт-амперниу характеристику сонячної батареї

Якщо припустити, нескінченний опір шунта, характеристичного рівняння можуть бути вирішені на V _OC :

Таким чином, при збільшенні  I ₀ призводить до скорочення V _OC обернено пропорційно логарифму та зростає. Це пояснює, математичну причину зниження V _OC , яка супроводжує підвищенню температури, описаних вище явищ. Ефект зворотнього струму насичення на кривій IV з кристалічного кремнію сонячного елементу показані на малюнку. Фізично, зворотній струм насичення - міра "витоку" носіїв через р-п перехід в зворотньому зміщенні. Це витік в результаті рекомбінації носіїв в нейтральній області по обидві сторони від переходу. 

1.9.Фактор ідеальності.

Вплив фактору на ідеальность вольт-амперної характеристики сонячного елементу

Фактор  ідеальності (також називається облучаюий фактор) є параметр, який описує, як тісно відбувається поведінка напівпровідника, яка передбачає перехід р діода нескінченної площини і яка відбувається в області просторового заряду. Ідеально підходить для теорії, коли n = 1 .  Ефект зміни ідеальності фактором незалежно від усіх інших параметрів показаний для кристалічного кремнію сонячного елемента в ВАХ відображається на малюнку.

Більшість сонячних батарей, які досить великі в порівнянні зі звичайними діодами, а приблизно нескінченної площини і, як правило, демонструють майже ідеальну поведінку в стандартних умовах випробування ( п. ≈ 1 ). При певних умовах експлуатації, однак, робота пристрою може бути в основному в результаті рекомбінації в області просторового заряду. Вона характеризується значним збільшенням R ₀ , а також збільшення ідеальності фактор ≈ 2n . Остання має тенденцію до збільшення вихідної напруги сонячної елементу. Цей ефект являє собою поєднання збільшення напруги показаний для підвищення n (на малюнку) і зменшенню напруги показаний для підвищення R ₀ на малюнку вище. Як правило, R ₀ є більш важливим фактором, і в результаті зниження напруги.

2.Сонячні елементи

2.1.Втрати у сонячному елементі

Основні необоротні втрати енергії  у фотоелементах пов'язані з:

• відбиттям сонячного випромінювання від поверхні перетворювача,
• проходженням частини випромінювання через фотоелемент без поглинання в ньому,
• розсіюванням на теплових коливаннях кристалічної ґратки надлишкової енергії фотонів,
• рекомбінацією фотопар, що утворилися на поверхнях і в об`ємі фотоелемента,
• внутрішнім опором перетворювача,
• деякими іншими фізичними процесами.

Сонячні елементи служать для електропостачання  у віддалених районах Землі або  на орбітальних станціях, де неможливо  використовувати електромережу, а  також для живлення калькуляторів, радіотелефонів, зарядних пристроїв, насосів.

В серпні 2009 р. вчені Університету Нового Південного Уельсу досягли рекордної  ефективності сонячних батарей – 43% (тобто 43% сонячної енергії перетворюється в електричну). Однак, новий рекорд було встановлено в лабораторних умовах. Так, світло перед попаданням на батареї було сфокусовано спеціальними лінзами. Крім того, вартість усього обладнання далека від значень, котрі дозволили  б виробляти ії в промислових  масштабах. Рекорд для однієї сонячної батареї в реальних умовах складає  приблизно 25%.

Фотоелементи  виготовляють з різноманітних напівпровідникових матеріалів. Процес виготовлення фотоелемента близький до процесів виготовлення інших  напівпровідникових приладів, наприклад чіпів.

Монокристалічні фотоелементи найбільш складні і дорогі оскільки для їх виготовлення потрібен кристалічний кремній, однак мають найбільшу ефективність (14 %-20 % перетворення світла у електричну енергію).

Полікристалічні, чи мультикристалічні фотоелементи дешевші ніж монокристалічні, однак менш ефективні.

Тонкоплівкові фотоелементи використовують тонкі плівки що виготовляються з розплавленого кремнію. Такі фотоелементи найменш ефективні.

У космічних  апаратах використовуються також багатоперехідні сонячні елементи або гетерофотоелементи. Такий елемент складається з декількох p-n переходів (AlGaAs-GaAs), кожен з яких вловлює світло певного спектру. Такі сонячні елементи досягають найвищої ефективності — 35 %. Велика складність виготовлення таких пристроїв робить їх малопоширеними.

Для підвищення ефективності перетворення світла також використовують концентрувальну  оптику.

У наш  час ведуться дослідження по створенню  гнучких плівкових сонячних елементів, а також напівпровідникових фарб, використанню органічних напівпровідників.

Важливим моментом роботи сонячних елементів є їхній температурний режим. При нагріванні елемента на один градус понад 25 °C він втрачає в напрузі 0,002 В, тобто 0,4 %/градус. Це становить проблему для фотоелементів з концентрувальною оптикою. Тому вони потребують додаткового охолодження.

2.2.Ефективність

Ефективність  сонячних батарей може бути поділена на термодинамічну ефективность носіїв заряду та ефективность розподілу.

У зв'язку з труднощами виміру цих параметрів безпосередньо, інші параметри вимірюються  замість: термодинамічної ефективності, квантова ефективність, V _OC, і коефіцієнт заповнення. Відображення втрат частина квантової ефективності в розділі "зовнішньої квантової ефективності". Рекомбінаційні втрати становлять частину квантової ефективності, V _OC, і коефіцієнт заповнення. Резистивні втрати переважно розподілені по коефіцієнтом заповнення, а також складають незначні частини квантової ефективністі, V _OC.