Félvezető napelemek elmélete és gyakorlati megvalósítása 1

Az előadások a következő témára: "Félvezető napelemek elmélete és gyakorlati megvalósítása 1"— Előadás másolata:

1 Félvezető napelemek elmélete és gyakorlati megvalósítása 1
dr. Mizsei János,

2 Egyedi atom:

3 Egyedi atom: Elektron-energiaszintek származtatása: hullámegyenlet megoldása. Egyedülálló atom: diszkrét energiaszintek. A szintek közötti elektron-átmenet az energiaszintek közötti energia-különbséggel megegyező energiájú foton kibocsátásával, illetve elnyelésével jár együtt. Adott energia-szintről az elektron végtelenbe való eltávolításához az ionizációs potenciállal egyenlő energia közlése szükséges.

4 Kristályrács (félvezető)

5 Kristályrács (félvezető)
a diszkrét energiaszintek sávokká szélesednek (ok: Pauli elv) A hullámegyenlet megoldása periodikus potenciáltér és végtelen kristálytérfogat (Bloch határfeltétel) esetére megadja az elektron által elfoglalható energiaszinteket, sávokat.

6 Intrinsic félvezető 1: generáció 2: vezetés a vezetési sávban
3: vezetés a vegyértéksávban (lyukvezetés) 4: rekombináció

7 N típusú félvezető

8 P típusú félvezető

9 Felületi (Nss) és tömbi (donor, akceptor, mély) energia állapotok egykristályos félvezetőben
oxigén

10 Polikristályos (multikristályos) szilárdtest

11 Amorf szilárdtest

12 Főcímek: a napenergia fő jellemzői,
a fúziós - fotovoltaikus energiatermelő rendszer működése, a fény és a félvezető kölcsönhatása, az energiatranszport, a beérkező energia spektruma, az energiaátalakítás folyamata, az ideális napelem jellemzői, a legkedvezőbb munkaponti beállítás megkeresése, a legkedvezőbb félvezetőanyag kiválasztása, a legkedvezőbb rétegszerkezet kialakításának szempontjai, napelem cellák, kapcsolat a gyakorlati megvalósítás és az elmélet között.

13 Fúziós - fotovoltaikus energiatermelő rendszer

14 Az energiatranszport folyamatának részletei...

15 A besugárzás különféle feltételei AM - air mass

16 A fény és a félvezető kölcsönhatása
abszorpciós tényező A fény és a félvezető kölcsönhatása x

17 A fény és a félvezető kölcsönhatása
Q x A fény és a félvezető kölcsönhatása Q Q Q Q Å Å Å Å A generációs ráta:

18 SI=0

19 Ideális napelem (fotodióda) karakterisztikák

20 Ami beérkezik… (energiaspektrum, energia-sűrűség, foton/sec/cm2/eV) Ami beérkezik… (összes, W-nél nagyobb energiájú fotonok száma, eloszlásfüggvény, foton/sec/cm2)

21 A legkedvezőbb félvezetőanyag kiválasztása
a beérkező energia spektruma a beérkező összes teljesítmény: A legkedvezőbb félvezetőanyag kiválasztása

22 A legkedvezőbb félvezetőanyag -földi körülmények között -energiakoncentrálás nélkül, illetve -ezerszeres energiakoncentrációval Cu(In,Ga)Se2

23 Árapály vagy hullámzás energiájával működő vízikerék
Szinuszos hullámzást („A” amplitúdóval) feltételezve Pmax nyerhető H=0.39A gátmagasság esetén Fölösleges A Gát H Nem hasznosítható

24 A legkedvezőbb rétegszerkezet kialakításának szempontjai
optimális anyagválasztás (tiltott sáv szélessége, kisebbségi töltéshordozók élettartama), a pn átmenet (potenciálgát) létrehozása, természete, adalékolása és mélysége, a kontaktusok minősége (felületi rekombináció, soros ohmikus ellenállás). Konkrétabban: példákon keresztül.

25 a beépített potenciál eredete, konstrukció választás
Napelem cellák pn átmenet(ek), fém-félvezető átmenetek, MOS szerkezetek egykristályos, multikristályos, (polikristályos), amorf, elemi, vegyület félvezetőkből tömb, vékonyréteg kivitelben anyagválasztás technológia választás

26 A pn átmenetes PEARL cella (Si egykristály, tömb)
Miért is jó?

27 Tandem cella (Si egykristály, tömb, több átmenettel)

28 Vékonyréteg napelem szerkezetek
L kicsi, Wg nagy, elnyelés: kicsi.

29 Rétegezett amorf Si napelem szerkezet: vékonyréteg

30 Rétegezett amorf Si – kristályos Si napelem szerkezet: vékonyréteg+tömb
p+ i n i n+

31 Cu(In,Ga)Se2 vékonyréteg cella

32 Összehasonlítás

33 A fejlődés

34 Gyakorlati kivitel, szemléltető példák:

35 Optikai koncentráció félvezető napelemekhez
Fogalma A hatásfok javulásának eredete A koncentrátorok gyakorlati megvalósítási lehetőségei Példák

36 Optikai koncentráció A „híg” energia összegyűjtése nagyobb felületről, elnyeletése kisebb felületen. Optikailag közelebb visszük a cellát a sugárzó forráshoz !

37 Optikai koncentráció Hatásfok: fotogeneráció/termikus generáció.
Hátrányok: Csak a direkt fényt használják fel, pedig a beérkező szórt komponens %-a lehet a beeső összes sugárzásnak. A koncentrátornak mindig a nap felé kell néznie (napkövető automatika kell, nagyobb beruházási és fenntartási költséggel). Előny: 1. Kisebb napelemfelület kell. 2. A hatásfok megnövekedése. Hát ez meg mitől ??? Hatásfok: fotogeneráció/termikus generáció.

38 A rövidzárási áram nő a koncentrációval:
C: az optikai koncentráció mértéke (az átlagos besugárzás az Ar elnyelő felületen osztva a besugárzással a koncentrátor bemenetén)

39 Az üresjárási feszültség:
A teljesítmény: …több lesz ! A hatásfok is nő !

40 A koncentráció növelésével nő az áram, és négyzetesen nő a soros ellenálláson kialakuló veszteség:
Az optimum: 1.Nagyon jó cellát kell készíteni ahhoz, hogy érdemes legyen koncentrálni ! 2.Rossz cella (nagy Rs) esetén már az 1sun is „túl erős” megvilágítás !

41 Jó hatásfok: több pn átmenetes cella
Bonyolult technológia: -drága, -több átmenet: többet vesztünk a réven, mint amennyit nyerünk a vámon.

42 Három pn átmenet, két alagutas átmenet:

43 Három pn átmenet, két alagutas átmenet:

44 Technológiai nehézségek
bonyolult rétegszerkezet rácsállandó illesztetlenségek

45 Optikai koncentrátorok

46 Optikai koncentrátorok
Fresnel lencse: kevesebb anyag, kisebb tömeg olcsóbb és kisebb veszteséget okoz a jóminőségű Fresnel lencs 1000 síkot is tartalmazhat centiméterenként.

47

48

49

50 Erős koncentrálás parabolatükörrel
Hűtés !!!

51 Optikai koncentráció Parabolikus tükörrel:
Kramer Junction, California, power plant

52 Naperőmű (Egyesült Arab Emírség, 2013)
20000 lakás évi 175 ezer tonna szén-dioxid

53 Optikai koncentráció 10 Kw Eurodish -Almeria Spain

54 Optikai koncentráció Fix pontra vetítéssel:
Advanced Thermal Systems 150-m2 Heliostat The Solar Two power tower

55 Optikai koncentráció Dish Shape 55

56 Optikai koncentráció Kétlépcsős koncentrálás:
Hátrány: igen drága, további optikai veszteségek.

57 Összefoglalás napenergia (fúziós energia)-> villamos energia
a beépített potenciál segítségével optimálás (munkapont, technológia) gyakorlati kivitel, szemléltető példák.