Félvezető napelemek elmélete és gyakorlati megvalósítása 1 dr. Mizsei János, 2006-2013
Egyedi atom:
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.
Kristályrács (félvezető)
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.
Intrinsic félvezető 1: generáció 2: vezetés a vezetési sávban 3: vezetés a vegyértéksávban (lyukvezetés) 4: rekombináció
N típusú félvezető
P típusú félvezető
Felületi (Nss) és tömbi (donor, akceptor, mély) energia állapotok egykristályos félvezetőben oxigén
Polikristályos (multikristályos) szilárdtest
Amorf szilárdtest
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.
Fúziós - fotovoltaikus energiatermelő rendszer
Az energiatranszport folyamatának részletei...
A besugárzás különféle feltételei AM - air mass
A fény és a félvezető kölcsönhatása abszorpciós tényező A fény és a félvezető kölcsönhatása x
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:
SI=0
Ideális napelem (fotodióda) karakterisztikák
Ami beérkezik… (energiaspektrum, energia-sűrűség, foton/sec/cm2/eV) Ami beérkezik… (összes, W-nél nagyobb energiájú fotonok száma, eloszlásfüggvény, foton/sec/cm2)
A legkedvezőbb félvezetőanyag kiválasztása a beérkező energia spektruma a beérkező összes teljesítmény: A legkedvezőbb félvezetőanyag kiválasztása
A legkedvezőbb félvezetőanyag -földi körülmények között -energiakoncentrálás nélkül, illetve -ezerszeres energiakoncentrációval Cu(In,Ga)Se2
Árapály vagy hullámzás energiájával működő vízikerék Szinuszos hullámzást („A” amplitúdóval) feltételezve Pmax nyerhető H=0.39A gátmagasság esetén Fölösleges A Gát H Nem hasznosítható
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.
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
A pn átmenetes PEARL cella (Si egykristály, tömb) Miért is jó?
Tandem cella (Si egykristály, tömb, több átmenettel)
Vékonyréteg napelem szerkezetek L kicsi, Wg nagy, elnyelés: kicsi.
Rétegezett amorf Si napelem szerkezet: vékonyréteg
Rétegezett amorf Si – kristályos Si napelem szerkezet: vékonyréteg+tömb p+ i n i n+
Cu(In,Ga)Se2 vékonyréteg cella
Összehasonlítás http://pveducation.org/pvcdrom
A fejlődés
Gyakorlati kivitel, szemléltető példák:
Optikai koncentráció félvezető napelemekhez Fogalma A hatásfok javulásának eredete A koncentrátorok gyakorlati megvalósítási lehetőségei Példák
Optikai koncentráció A „híg” energia összegyűjtése nagyobb felületről, elnyeletése kisebb felületen. Optikailag közelebb visszük a cellát a sugárzó forráshoz !
Optikai koncentráció Hatásfok: fotogeneráció/termikus generáció. Hátrányok: Csak a direkt fényt használják fel, pedig a beérkező szórt komponens 15-30 %-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.
A rövidzárási áram nő a koncentrációval: C: az optikai koncentráció mértéke (az átlagos besugárzás az Ar elnyelő felületen osztva a besugárzással a koncentrátor bemenetén)
Az üresjárási feszültség: A teljesítmény: …több lesz ! A hatásfok is nő !
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 !
Jó hatásfok: több pn átmenetes cella Bonyolult technológia: -drága, -több átmenet: többet vesztünk a réven, mint amennyit nyerünk a vámon.
Három pn átmenet, két alagutas átmenet:
Három pn átmenet, két alagutas átmenet:
Technológiai nehézségek bonyolult rétegszerkezet rácsállandó illesztetlenségek
Optikai koncentrátorok
Optikai koncentrátorok Fresnel lencse: kevesebb anyag, kisebb tömeg olcsóbb és kisebb veszteséget okoz a jóminőségű Fresnel lencs 1000 síkot is tartalmazhat centiméterenként.
Erős koncentrálás parabolatükörrel Hűtés !!!
Optikai koncentráció Parabolikus tükörrel: Kramer Junction, California, power plant
Naperőmű (Egyesült Arab Emírség, 2013) 20000 lakás évi 175 ezer tonna szén-dioxid
Optikai koncentráció 10 Kw Eurodish -Almeria Spain
Optikai koncentráció Fix pontra vetítéssel: Advanced Thermal Systems 150-m2 Heliostat The Solar Two power tower
Optikai koncentráció Dish Shape 55
Optikai koncentráció Kétlépcsős koncentrálás: Hátrány: igen drága, további optikai veszteségek.
Összefoglalás napenergia (fúziós energia)-> villamos energia a beépített potenciál segítségével optimálás (munkapont, technológia) gyakorlati kivitel, szemléltető példák. http://nasa.web.elte.hu/Asimov/solarcell_hu/index.html