Ogniwa fotowoltaiczne różnych typów

5/11/2018 Ogniwa fotowoltaiczne r nych typ w - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/ogniwa-fotowoltaiczne-roznych-typow 1/4

16 w w w . s w i a t - s z k l a . p l 7-8/11

Materiały, technologie

Klasyfikacja i kryteria podziałuogniw słonecznych

Ze względu na rodzaj materiału półprzewodni-kowego ogniwa fotowoltaiczne można podzielić natakie, które są zbudowane z pierwiastków elemen-tarnych oraz te złożone ze związków półprzewodni-kowych. Do ogniw bazujących na półprzewodni-

kach elementarnych, czyli pierwiastkach IV grupyokresowej, zaliczają się najpopularniejsze ogniwakrzemowe (Si) – monokrystaliczne, polikrystaliczneczy amorficzne – a także rzadziej stosowane ogniwa

germanowe (Ge). Półprzewodniki złożone to związkiatomów grup III i V, takie jak arsenek galu (GaAs)czy fosforek indu (InP), oraz pewne kombinacje grup

II i VI. Z tych ostatnich najczęściej wykorzystywanedo produkcji ogniw słonecznych to tellurek kadmu(CdTe) i siarczek kadmu (CdS), które często są sto-sowane jednocześnie, tworząc odpowiednio bazęi emiter ogniwa PV. Godnymi uwagi są także niektóre

związki półprzewodnikowe składające się z atomówgrup I, III i VI, tak zwane chalkopiryty, do którychzalicza się diselenek indowo-miedziowy (CuInSe2).Materiał ten, jak również jego stop z pierwiastkiemgalu (Ga), dobrze sprawdzają się jako podłoża ogniw

słonecznych.

Zarówno dla ogniw zbudowanych z półprzewod-ników elementarnych, jak i związków półprzewodni-kowych obowiązuje kolejny podział charakteryzujący

typ złącza p-n. Możemy tu wyróżnić ogniwa homo-i heterozłączowe oraz te oparte na złączach p-i-n(przeważnie z krzemu amorficznego), a także na me-

tal-półprzewodnik, czyli tzw. złączach Schottky’ego.

Homozłącze p-n złożone jest z dwóch odpowiedniodomieszkowanych obszarów tego samego materia-łu, czyli szerokości przerw energetycznych warstwtypu p i typu n są tu jednakowe. W heterozłączu na -

tomiast mamy do czynienia z połączeniem dwóchróżnych materiałów półprzewodnikowych o różnychwartościach szerokości przerw energetycznych [1].Do utworzenia heterozłącza półprzewodnikowego,

które można wykorzystać w konstrukcji ogniw, nie-zbędne jest połączenie materiałów o określonychwłaściwościach. Półprzewodniki wchodzące w skład

heterozłącza muszą mieć odpowiednio dobrane war-

tości przerw energetycznych oraz współczynniki ab-sorpcji. Warstwa wierzchnia ogniwa heterozłączowe-

go (obszar emitera) powinna mieć szeroką przerwęenergetyczną i niewielki współczynnik absorpcji dla

określonych długości fali, dzięki czemu światło może

przedostać się do dolnej części (obszaru bazy). Ob-szar bazy natomiast, powinien charakteryzować sięwęższą przerwą energetyczną oraz dużą zdolnościąabsorpcji fotonów. Dlatego też w ogniwach hete-rozłączowych jako emiter często stosowany jest

siarczek kadmu CdS o przerwie energetycznej rów-nej 2,42 eV. Do prawidłowej budowy heterozłączakonieczne jest również aby wybrane dwa materiały,z których się składa, miały podobną strukturę kry-

staliczną i stałe sieciowe, a także jednakowe współ-czynniki rozszerzalności cieplnej [2].

Za kolejne kryterium podziału można przyjąć or-ganizację struktury materiału, z którego wykonanezostało ogniowo słoneczne. Wyróżniane są tu trzygłówne, podstawowe grupy z działu półprzewodni-ków, a mianowicie: ogniwa monokrystaliczne, poli-krystaliczne i amorficzne. Spośród materiałów po-likrystalicznych wyróżniane są ponadto, ze względuna wielkość ziaren, struktury: mikrokrystaliczna, po-likrystaliczna i multikrystaliczna.

Ostatnim kryterium podziału ogniw fotowoltaicz-

nych jest ich grubość. Wyróżniane są ogniwa cienko

Rys. 1. Szczytowe sprawności ogniw słonecznych różnych typów [4].

Obecnie rozróżnianych jest co najmniej kilkadziesiąt typów konstrukcji

ogniw słonecznych. W związku z tym istnieje także kilka różnych kryteriów

ich podziału i klasyfikacji, np. według zastosowanego materiału bazowego,

jego struktury, grubości lub rodzaju złącza półprzewodnikowego. Od typu

zastosowanych ogniw zależą bezpośrednio parametry techniczne modułów

PV, a w konsekwencji całej instalacji. Występujące obecnie rodzaje ogniw

fotowoltaicznych posiadają też różne parametry ekonomiczne, co wpływa

na opłacalność inwestycji w instalacje fotowoltaiczne

Ogniwa fotowoltaiczne różnych typów

?-?_MATERIALY_znajdek_SS_07-8_2011.indd 16 6/20/11 11:06:06 AM



17w w w . s w i a t - s z k l a . p l7-8/11


i grubowarstwowe. Minimalna grubość, koniecznado prawidłowej pracy ogniwa, zależna jest od war-tości współczynnika absorpcji [3]. Dzięki wysokiemu

współczynnikowi absorpcji danego materiału można

otrzymywać poprawnie działające ogniwa już przygrubościach kilku lub kilkunastu mikrometrów. Dlamateriałów będących słabszymi absorbentami gru-bość konieczna jest większa. Przyjmuje się, że ogni-

wa cienkowarstwowe to te o grubości nieprzekracza-jącej 20 µm. Takie rozwiązanie w przypadku krzemupolikrystalicznego zapewnia absorpcję ponad 90%fotonów padających na powierzchnię ogniwa, pod-czas gdy w przypadku konstrukcji monokrystalicznej

do osiągnięcia podobnego wyniku niezbędna jestgrubość ogniwa od 200-300 µm. Niewielka gru-bość zastosowanych warstw oraz ich polikrystalicz-na struktura zmieniają również właściwości fizyczne

ogniw, np. zwiększając znacznie ich plastyczność.Należy podkreślić, iż klasyfikacja ta nie zależy odtechnologii wytwarzania przyrządów.

Rys. 1 [4] prezentuje maksymalne, uzyskane la-boratoryjnie sprawności, ogniw słonecznych różnych

typów na przestrzeni ostatnich 30 lat.

Ogniwa polikrystalicznei amorficzne

Mimo, iż ogniwa monokrystaliczne (Si, GaAs)charakteryzują się największą sprawnością, za wy-korzystaniem polikrystalicznych przemawia tańszatechnologia wytwarzania oraz możliwość nakłada-

nia warstw na różnorodne, tanie podłoża, co po-szerza obszar ich zastosowań. Do najważniejszychogniw polikrystalicznych zaliczmy ogniwa wykonane

z krzemu polikrystalicznego, z polikrystalicznego ar-senku galu, ogniwa CIS (CuInSe2 /CdS) i CIGS (CISz dodatkiem galu), a także ogniwa kadmowo-tellu-rowe (CdTe/CdS).

Krzem polikrystaliczny

Krzem polikrystaliczny składa się z kilku mniej-szych kryształów lub dużych ziaren (rys. 2). Tegotypu budowa wprowadza do struktury obszary gra-niczne między ziarnami i kryształami, które hamują

przepływ elektronów i powodują ich rekombinacjęz dziurami (rys. 3). Istnienie strefy ładunku bufo-rowego na granicy ziaren powoduje, że wewnątrzstruktury występuje wyłącznie pionowy przepływ

ładunku, co upodabnia ją do połączenia równole-głego wielkiej ilości ogniw monokrystalicznych.

W ten sposób ogniwo wytwarza napięcie VOC równenapięciu pojedynczej komórki zaś prąd ISC ogniwajest sumą prądów wszystkich mikroogniw. Pozwalato na osiągnięcie stosunkowo wysokiej sprawnościprzyrządu przy obniżeniu wymagań odnośnie jakości

zastosowanego materiału. W zależności od wielkości

tych ziaren i kryształów wyróżniane są trzy rodzajetakiej struktury [5]:

mikrokrystaliczna (µc-Si) – wielkość ziaren nie

przekracza od 1 µm,polikrystaliczna (pc-Si) – wielkość ziaren waha

się od 1 µm do 1 mm,multikrystaliczna (mc-Si) – wielkość ziaren za-

wiera się od 1 mm do 10 cm.

Krzem polikrystaliczny może być produkowanyna różne sposoby. Najbardziej popularne metody ko-

mercyjne wykorzystują proces odlewania (ang. cast )

czy też krzepnięcia kierunkowego (ang. directio-

nal solidification) oraz techniki wzrostu wstęgowego(ang. ribbon growth). W tych ostatnich wyelimino-wane zostały straty materiału, związane z konieczno-ścią cięcia go na płytki, które istnieją w pozostałych

metodach. Mniej popularną metodą jest ciągłe od-lewanie elektromagnetyczne (ang. electromagnetic

continuous casting - EMC).

Tellurek kadmu i diselenek indowomiedziowy

Tellurek kadmu jest znakomitym, cienkowarstwo-

wym materiałem polikrystalicznym o niemal ideal-nej wartości przerwy energetycznej równej 1,45 eVi bardzo wysokim współczynniku absorpcji. Ogniwakadmowo-tellurowe wykonane są na bazie CdTe,

czyli półprzewodnika z grupy II-VI, którego wytwa-rzanie jest stosunkowo proste i niepociągające za

sobą wysokich kosztów.Znanych jest kilka metod otrzymywania tellurku

kadmu, takich jak: osadzanie chemiczne z fazy ga-zowej CVD, osadzanie elektrolityczne, sitodruk czytechnika bliskiej sublimacji. Najbardziej popularnąz nich jest ta ostatnia. Tellurek kadmu osadzany jestw postaci cieniutkiej, kilku- mikrometrowej war-

stwy polikrystalicznej. W efekcie otrzymywane jestogniwo będące heterozłączem tellurku kadmu CdTei siarczku kadmu CdS. W praktyce preferowana jestgrubość ogniw tego rodzaju od 3 do 7 µm. Typową

konstrukcję ogniwa CdS/CdTe przedstawia sche-

matycznie rys. 4.Diselenek indowo-miedziowy (CuInSe2 – CIS)

jest materiałem charakteryzującym się bardzo wy-

sokim współczynnikiem absorpcji, dzięki czemu aż99% światła padającego na ten materiał jest ab-sorbowane w pierwszym mikrometrze powierzch-ni [5]. Należy on do grupy związków o podstawo-wym składzie I-III-VI2, gdzie I oznacza pierwiastekz pierwszej grupy (np. Cu, Ag), III jest pierwiastkiem

z grupy trzeciej (np. Al, Ga, In), zaś VI to chalkoge-nek (np. Se, S). Wszystkie tego typu związki moż-na zaliczyć do półprzewodnikowych, a kilka z nichdobrze sprawdza się w przemyśle fotowoltaicznym[6]. Ogniwa słoneczne tego typu wykonywane sągłównie na bazach polikrystalicznych warstw CIS,jak również na podłożach ze stopów CuInSe2 z za-wartością galu (CIGS), który zwiększa przerwę ener-

getyczną materiału.

Krzem amorficzny

Pomimo tego, że krzem amorficzny nie tworzystruktury krystalicznej i zawiera znaczną ilość de-fektów strukturalnych, za jego stosowaniem w prze-myśle fotowoltaicznym przemawiają aspekty eko-nomiczne. Materiał ten absorbuje promieniowaniesłoneczne z czterdziestokrotnie większą sprawno-ścią w porównaniu do krzemu monokrystalicznego.W związku z tym warstwa o grubości zaledwie jed-

Rys. 2. Zdjęcie mikroskopowe struktury polikry-

stalicznej.

Rys. 3. Przekrój poprzeczny przez strukturę poli-

krystalicznego ogniwa PV.

Rys. 4. Typowa konstrukcja ogniwa polikrystalicz-

nego na przykładzie ogniw CdS/CdTe.




18 w w w . s w i a t - s z k l a . p l 7-8/11


nego mikrometra wystarcza do zaabsorbowania po-nad 90% energii słonecznej padającej na ogniwo, co

jest jedną z głównych przyczyn obniżających kosz-ty produkcji ogniw tego typu. Ponadto, wytwarzaniekrzemu amorficznego może odbywać się w dużoniższych temperaturach, a warstwy mogą być osa-dzane na tanich podłożach, takich jak szkło, plastikczy metal. Dlatego też krzem amorficzny idealnienadaje się do zastosowań w systemach fotowol-taicznych zintegrowanych z budownictwem [7]. Zewzględu na wyjątkowe właściwości, ogniwa na ba-zie krzemu amorficznego są budowane w specjalnysposób. Struktura p-i-n, o którą zazwyczaj oparta jest

ich budowa, polega na tym, że pomiędzy warstwa-mi półprzewodników typu p oraz n istnieje jeszczewarstwa półprzewodnika samoistnego.

W ogniwach tego typu występuje jednak tzw.

efekt Staeblera-Wrońskiego, polegający na tym, żedługotrwałe naświetlanie wywołuje znaczny wzrostkonduktywności materiału. Efekt ten jest całkowicieodwracalny więc możliwa jest regeneracja poprzezwygrzewanie w ciemności [2].

Alternatywne konstrukcjeogniw fotowoltaicznych

Istnieje bardzo wiele alternatywnych rozwiązańfotowoltaicznych. Do jednego z nich można zaliczyć

ogniwa organiczne (fot. 1). Mechanizm fotogeneracji

w ogniwach tego typu jest inny niż w klasycznychogniwach półprzewodnikowych, a zasada działa-

nia opiera się na procesach spowodowanych przezekscytony. Ogniwa te zbudowane są z materiałóworganicznych o małym ciężarze cząsteczkowym lubz polimerów aktywnie uczestniczących w konwersjienergii słonecznej na energię elektryczną. Konstruk-

cja organicznych ogniw fotowoltaicznych oparta jest

o połączenie sieci półprzewodnikowej z metaloorga-niczną lub organiczną warstwą barwnika (ang. dye-

sensitived ). Występują tu struktury z heterozłączamipłaskimi (dwuwymiarowa geometria złącza) i z he-terozłączami o geometrii trójwymiarowej (moleku-larne, ciekłokrystaliczne, polimerowe, hybrydowe).Ogniwa organiczne posiadają także pewne nietypo-we właściwości. Mianowicie, nigdy nie osiągają one

100% absorpcji w zakresie światła widzialnego – ty-

powe wartości maksymalne to 80%-90%. Ponadto,niektóre typy ogniw organicznych wykazują większąsprawność przy zmniejszonym natężeniu oświetlenia

(np. zwiększenie sprawności z 4% do 6%).W ostatnich latach w Japonii powstały alterna-

tywne ogniwa słoneczne wykorzystujące, jako ma-teriał bazowy krzem. Innowacja polega tu na stwo-rzeniu układu stanowiącego multikrystaliczną kulkękrzemową (o średnicy 1 mm) umieszczoną w ogni-sku sześciokątnego odbłyśnika koncentrującego

światło. Połączone ze sobą minireflektory pokrywająpowierzchnię tworząc strukturę podobną do plastra

miodu, dzięki czemu tworzą ogniwa lub całe modułyPV. Ogniwa fotowoltaiczne tego typu osiągają spraw-

ności zbliżone do obecnie stosowanych multikrysta-

licznych krzemowych przyrządów fotowoltaicznych,przy dużo niższych kosztach produkcji. Istotną zaletą

tego rozwiązania, w stosunku do konwencjonalnejtechnologii krzemowej, jest niewątpliwie elastycz-ność nowej konstrukcji. Podłoże jest tu wykonanez cienkiej blachy aluminiowej (stanowiącej tylny

kontakt), a ponieważ kuleczka wraz z reflektorem ma

średnicę niespełna 3 mm, ogniwo tego typu możebyć w pewnym zakresie wyginane bez obawy o zła-

manie lub uszkodzenie (fot. 2) [8].

Zastosowania ogniwsłonecznych różnych typów

Moduły fotowoltaiczne mają zastosowanie wszę-dzie tam, gdzie jest zapotrzebowanie na energię

elektryczną. Różne typy ogniw słonecznych stoso-wane są w różnych warunkach, w zależności od wy-magań i potrzeb.

Fot. 1. Wygląd różnego rodzaju fotowoltaicznych ogniw organicznych.

Fot. 2. Ogniwo PV wykonane z kuleczek krzemowych.




19w w w . s w i a t - s z k l a . p l7-8/11


Drogie, wysokosprawne moduły monokrystalicz-

ne, wykonane z krzemu bądź arsenku galu, stosowa-

ne są głównie jako źródło zasilania stacji kosmicz-nych, sond lub sztucznych satelitów. Przykładowakosmiczna stacja badawcza ISS (dawniej ALFA) po-

siada obecnie zestaw ogniw słonecznych o łącznejpowierzchni 892 m2 i mocy ok. 30 kW.

Do zasilania obiektów „naziemnych”, oddalo-nych od sieci energetycznej stosowane są z regułytańsze rozwiązania. W szczególności wykorzystywa-ne są ogniwa polikrystaliczne, cienkowarstwowe lub

amorficzne. Są one montowane najczęściej na bu-dynkach mieszkalnych lub gospodarczych i obiek-tach komercyjnych. Jednakże znajdują także zasto-sowanie jako źródło energii elektrycznej na przykładdla: latarni morskich, stacji przekaźnikowych lub

meteorologicznych, pomp wodnych, a także jako

sygnalizacja drogowa, oświetlenie dróg i parkingówczy też do zasilania innych przydrożnych urządzeń(np. parkometrów). Schematyczną budowę fotowol-

taicznego systemu oświetlenia ulicznego przedsta-wia rys. 5. Ogniwa słoneczne wykonane z krzemuamorficznego stosowane są bardzo często do za-silania urządzeń o niewielkim zapotrzebowaniu namoc, takich jak zegarki, kalkulatory czy ładowarkitelefonów komórkowych.

W ostatnim czasie dużą popularnością ciesząsię moduły elastyczne, posiadające lepszą moż-

liwość integracji z elementem podłożowym, niż

ogniwa sztywne. Na rynku dostępne są torby i ple-caki z wmontowanymi elastycznymi elementami PV,

służącymi do zasilania urządzeń mobilnych, takichjak telefon czy komputer. Zastosowaniem tego typurozwiązania jest także moduł fotowoltaiczny zin-

tegrowany z żaglem jachtu bądź dachem namiotu(fot. 3), a także jako zasilanie pojazdów i urządzeńo dowolnych kształtach.

Katarzyna Znajdek

Maciej Sibiński Bibliografia

Milnes A. G., Feucht D. L.:[1] Heterojunctions and

Metal-Semiconductor Junctions, Academic Press,New York 1972.Jarzębski Z. M.:[2] Energia słoneczna, konwersja foto-woltaiczna, PWN, Warszawa 1990.Mocny W.:[3] Ekologiczne Źródła Energii , II KrajowaKonferencja Naukowo-Techniczna „Ekologiaw Elektronice” Warszawa 2002.http://www.nrel.gov/ [4]http://www.eere.energy.gov/ [5]Żelazny J., Ciach R.:[6] Materiały i Technologie

Fotowoltaiczne, FRNM Kraków 2005.Sibiński M., Znajdek K.:[7] Krzemowe ogniwa w instala-cjach fotowoltaicznych, „Czysta Energia” 4/2009.Znajdek K., Sibiński M.:[8] Charakteryzacja elektryczna

i temperaturowa elastycznych ogniw słonecznychwykonanych z mikrokulek krzemowych, „Elektronika –Konstrukcje, Technologie, Zastosowania” 1/2011.http://www.iowathinfilm.com[9]

Fot. 3. Zasilanie dla wojskowego namiotu polowego w USA [9].

Rys. 5. Schemat budowy latarni ulicznej zasilanej

modułem PV.


Ogniwa fotowoltaiczne różnych typów

Documents

Transcript of Ogniwa fotowoltaiczne różnych typów