Ogniwa fotowoltaiczne I

Prof. dr hab. Ewa Popko

Katedra Technologii Kwantowych

Wydział Podstawowych Problemów Techniki

Politechnika Wrocławska

Wy1 Zasoby energetyczne. 2

Wy2Fotony. Prawa promieniowania CDC, spektrum promieniowania

słonecznego. Jednostki radiometryczne.2

Wy3Oddziaływanie światła z materią. Właściwości optyczne metali i

izolatorów,2

Wy4 Elektrony i dziury w półprzewodnikach. 2

Wy5Zjawiska nierównowagowe w półprzewodnikach. Prąd unoszenia

i dyfuzyjny. 2

Wy6 Generacja i rekombinacja nośników w półprzewodnikach. 2

Wy7Oddziaływanie światła z półprzewodnikiem. Absorpcja i emisja

promieniowania elektromagnetycznego. 2

Wy8 Efekt fotowoltaiczny. Podstawy działania fotoogniw. 2

Wy9

Podstawowe struktury półprzewodnikowych ogniw słonecznych:

złącze p-n, p-i-n, kontakt Schottky metal-półprzewodnik, metal -

izolator –półprzewodnik, heterozłącza.

2

Wy10 Teoretyczne ograniczenia konwersji energii w fotoogniwach 2

Wy11Metody eksperymentalne wyznaczania podstawowych

parametrów fotoogniw. 2

Wy12 Źródła promieniowania. Aparatura spektroskopowa 2

Wy13Detektory fotonowe i termiczne promieniowania

elektromagnetycznego. 2

Wy14 Standardy, kalibracja i testowanie modułów PV i fotoogniw. 2

Wy15 Test zaliczeniowy 2

Suma godzin 30

LITERATURA PODSTAWOWA:

[1] Materiały do wykładu i laboratorium (wstępy teoretyczne oraz instrukcje robocze) ,

dostępne poprzez internet : www.if.pwr.wroc.pl/~popko

[2] E.Płaczek-Popko, „Fizyka odnawialnych źródeł energii” Skrypt DBC

[3] https://pveducation.org/

[4] K.Jager i in. „Solar Energy Fundamentals, Technology, and Systems”

https://courses.edx.org/c4x/DelftX/ET.3034TU/asset/solar_energy_v1.1.pdf,

[5] J.Nelson „The Physics of Solar Cells” Imperial College Press 2003

[6] Z. M. Jarzębski, Energia słoneczna: konwersja fotowoltaiczna, PWN, Warszawa

1990.

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA:

[1] M.Fox „Optical Properties of Solids” Oxford University Press 2010

[2] S.M.Sze „Physics of Semiconductor Devices” J.Wiley and Sons, NY 1981, dostępna

wersja elektroniczna, e-książki, BG P.Wr.

OPIEKUN PRZEDMIOTU (IMIĘ, NAZWISKO, ADRES E-MAIL)

Ewa Popko ewa.popko@pwr.edu.pl

Wykład I

Zasoby energetyczne

• Perspektywy energetyczne świata

• Konwencjonalne źródła energii

• Aternatywa - odnawialne źródła energii

• Fotowoltaika

• Rodzaje ogniw słonecznych

• Perspektywy rozwoju fotowoltaiki

Światowa konsumpcja energii

Całkowita światowa konsumpcja

energii w miliardach toe

(równoważnik jednej metrycznej tony

ropy naftowej o wartości opałowej

równej 10000 kcal/kg)

Kraje OECD - Organization for

Economic Cooperation and

Development

TWh – terawato - godzina

Tera - 1012

Dystrybucja zużycia energii ze względu na rodzaj

paliwa

OZE: energia słoneczna, płynąca woda,

wiatr, biomasa, energia geotermalna, wodór

OZE – koszty pozyskiwania energii

Bloomberg New Energy Finance (BNEF) przewiduje, że koszty

pozyskiwania energii słonecznej spadną o 66% do r. 2040, energii z

elektrowni wiatrowych (on shore) o 47%, co oznacza, że do r. 2030 ceny te

spadną poniżej cen energii pozyskiwanych z konwencjonalnych źródeł (PV

Europe Solar energy and applications).

Energia słoneczna jest już

obecnie w cenie węgla w

Niemczech, Australii, Stanach

Zjednoczonych, Hiszpanii i

Włoszech. Do r. 2021, będzie

tańsza niż węgiel w Chinach,

Indiach, Meksyku, W. Brytanii i

Brazylii.

Ceny spadają, liczba instalacji fotowoltaicznych szybuje w górę

Elektrownie wiatrowe - perspektywy

Podobnie sytuacja przedstawia się w przypadku energii pozyskiwanej z

wiatru. Przewiduje się, że do r. 2040 instalacje wiatrowe i słoneczne stanowić

będą 48% światowych zasobów energetycznych a w tym 34% zasobów

elektrycznych w porównaniu do teraźniejszych, równych odpowiednio 12% i

5%.

Konwencjonalne źródła energii

Oil and natural gaz – ropa i gaz, coal – węgiel, geothermal energy – energia geotermalna

Konwencjonalne źródła energii - węgiel

RWE Kolonia – elektrownia węglowa

41.6 miliardów ton CO2

36.8 miliardów

ton CO2

Paliwa kopalne (1/3 węgiel)

i przemysł

Zalety

• Opanowana technologia

• Niskie koszty (dotowana!)

• Wysoka wydajność

Wady

• Skażenie środowiska

(woda, powietrze)!!!

• Emisja CO2

Ropa naftowa i gaz

Zalety

• niski koszt• wysoka wydajność• wydajny system

dystrybucji

Wady

• zasoby na 40-90 lat

• niskie ceny prowokują rozrzutność

• skażenie powietrza i efekt cieplarniany

• skażenie wody

Łupki naftowe i piaski bitumiczne

Łupki:

• skały zawierające stałe związki węglowodorów

• zasoby – ok. 240 razy większe od zasobów ropy naftowej

Piasek bitumiczny

• oleista mieszanina gliny, piasku, wody i bituminu

• wydobywany przy pomocy dużych łopat elektrycznych,

mieszany z gorącą wodą i parą aby wyekstrahować bitumin

• bitumin jest podgrzewany aby uzyskać syntetyczną ropę

naftową

• łatwa dystrybucja, opanowana technologia

• łupki - wysoki koszt produkcji,

• konieczna duża ilość wody, skażenie środowiska, emisja

CO2

Gaz

• W 50-90% - metan

• Najczystsze źródło kopalne

• Zasoby – ok. 200 lat

Zalety

• Tani, wydajny, niska emisja CO2 ,

łatwy transport rurociągami

Wady

• Konieczna sieć rurociągów

• Metan, który się pali emituje CO2 !

• Nieszczelności - wyciek metanu

• Niebezpieczny – grozi wybuchem

Energia jądrowa

e - elektron

n - proton

p - neutron

Atom

W jądrze liczba protonów jest równa

liczbie neutronów. W izotopach

pierwiastków liczba neutronów jest

większa od liczby protonów. Takie

pierwiastki są promieniotwórcze.

Reakcja rozszczepienia jądra atomowego

𝑬 = ∆𝒎𝒄𝟐

Zalety

• B. wydajne źródło energii

• Emituje ok. 1/6 CO2 emitowanego przez węgiel

Wady

• Złoża uranu wystarczą na ok. 50 lat

• Odpady radioaktywne muszą być przechowywane bezpiecznie

przez 10,000-240,000 lat!

• Groźne - wypadki (ostatnią elektrownię jądrową w USA wybudowano w r.

1978), ataki terrorystyczne

• Badania wzbogacają wiedzę na temat broni jądrowej

Defekt masy

Reaktor jądrowy – kontrolowana łańcuchowa reakcja jądrowa

∆𝒎𝒄𝟐≅ 𝟏𝟎−𝟑 ∙ 𝟗 ∙𝟏𝟎𝟏𝟔𝒌𝒈𝒎𝟐

𝒔𝟐= 𝟗 ∙ 𝟏𝟎𝟏𝟑𝑱

Dla ∆𝒎 = 𝟏𝒈:

Elektrownia jądrowa

W obiegu pierwotnym produkowana jest gorąca, sprężona

para.

W obiegu wtórnym – para rozpręża się i obraca turbinę,

napędzając generator prądu.

Widmo promieniowania elektromagnetycznego

Światło widzialne – długość fali 0.38mm < l < 0.76mm

Dlaczego boimy się emisji CO2 ?

Dlaczego boimy się emisji CO2 ?

CO2 absorbuje energię w zakresie fal dłuższych (12–15mm)

częściowo zamykając okno przez które ciepło

wypromieniowane przez powierzchnię Ziemi mogło by

opuścić Ziemię. (NASA, Robert Rohde) – efekt cieplarniany

Powierzchnia Ziemi emituje 17% promieniowania słonecznego,

docierającego do jej powierzchni w postaci promieniowania podczerwonego.

Jednakże poza atmosferę wydostaje się jedynie 12% tego promieniowania.

Pozostałe 5 do 6 %, jest absorbowane przez cząsteczki gazów

„cieplarnianych”. Są to: para wodna, dwutlenek węgla, metan, ozon

Alternatywa - odnawialne źródła energii (OZE)

Energia słoneczna

• Fotowoltaika

• Solary

Wiatr

• Na wybrzeżu (on-shore)

• W wodzie (off-shore)

Biomasa

• Płody rolne (1-sza Generacja)

• Surowiec celulozowy (2-ga Generacja)

• Nowe surowce, takie jak glony (3-cia Generacja)

Hydroelektrownie

Dlaczego energia słoneczna?

Konwersja energii słonecznej z 1% obszaru Ziemi, z 10%wydajnością wystarczy na zaspokojenie zapotrzebowaniaenergetycznego w ilości dwukrotnie większej niżkonsumowane obecnie!

Synteza termojądrowa na Słońcu

Cykl p-p

• Synteza 1 kg wodoru jest równoważna ilości 7.1 grama masy zamienionej na energię:

𝑬 = ∆𝒎𝒄𝟐 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟕𝟏𝒌𝒈 ∙ (𝟑 ∙𝟏𝟎𝟖𝒎

𝒔𝟐)𝟐 = 𝟔. 𝟒 ∙ 𝟏𝟎𝟏𝟒𝑱

• W każdej sekundzie 675 milionów ton H jest zamieniane na 653 milionów ton He z równoczesną zamianą około 22 milionów ton materii na energię.

Widmo promieniowania elektromagnetycznego

W instalacjach solarnych wykorzystywany jest zakres fal

podczerwonych.

W fotowoltaice – najlepiej, gdyby można było wykorzystać cały

zakres widmowy światła emitowanego przez Słońce.

Światło widzialne – długość fali 0.38mm < l < 0.76mm

Instalacje solarne

Kolektor

• Przy pomocy krążącego w orurowaniu nośnika ciepła, najczęściej

niezamarzającego, nieszkodliwego roztworu glikolu, energia jest

przekazywana do podgrzewacza.

• W podgrzewaczu ciepło oddawane jest poprzez wymiennik do wody

użytkowej.

• Schłodzony czynnik grzewczy powraca orurowaniem do kolektora

słonecznego i tam zostaje ponownie podgrzany – cykl zostaje

zamknięty.

Kolektor

Fotowoltaika

Jest to metoda wytwarzania energii elektrycznej poprzez konwersję

promieniowania słonecznego bezpośrednio na prąd elektryczny.

Konwersja odbywa się w półprzewodnikach, w których zachodzi efekt

fotowoltaiczny.

Podstawowym elementem fotowoltaicznym jest ogniwo, z którego

wykonuje się panele (zestaw wielu ogniw) i matryce paneli.

Ogniwo fotowoltaiczne

• Urządzenie, które zamienia energię słoneczną w energię

elektryczną.

• Nie wymaga zasilania – nie konsumuje paliwa

• Nie degraduje środowiska

• Posiada wysoki wskaźnik mocy do wagi

Jak działa ogniwo słoneczne?

• Co to jest półprzewodnik

• Jak powstaje złącze p-n

• Kiedy półprzewodnik absorbuje światło?

Przewodnik

• materiał przewodzący prąd elektryczny (Cu, Ag, Au, Al,

grafen)

Rodzaje ciał stałych

Półprzewodnik

• materiał, który przewodzi prąd elektryczny lepiej niż izolator i

gorzej niż przewodnik (Si, Ge)

• materiał, którym można łatwo manipulować aby był dobrym

przewodnikiem

• w półprzewodnikach prąd elektryczny może polegać na ruchu

elektronów (półprzewodnik typu n) lub „dziur” – ładunków

dodatnich (pólprzewodnik typu p)

Izolator

• materiał nie przewodzący prądu elektrycznego (np. szkło)

Złącze p-n

Na styku dwóch półprzewodników: typu p i typu n, powstaje poleelektryczne:• atomy, które oddają elektrony są źródłem dodatniego ładunku

(jony donorów)• atomy, które oddają dziury są źródłem ujemnego ładunku (jony

akceptorów).

Elektron - ładunek ujemny

Dziura - ładunek dodatni

Ładunki jednoimienne odpychają się

Ładunki różnoimienne przyciągają się

E

Tworzy się złącze p-n Złącze po utworzeniu

Promieniowanie elektromagnetyczne

• Fala elektromagnetyczna

• Strumień fotonów o energii EF :

Dualizm korpuskularno-falowy światła

𝒉 = 𝟔. 𝟔𝟑 ∙ 𝟏𝟎−𝟑𝟒𝑱 ∙ 𝒔

𝒄 = 𝟑 ∙ 𝟏𝟎𝟖𝒎/𝒔𝑬𝑭 =

𝒉𝒄

𝝀

Światło jest absorbowane przez półprzewodnik, gdy

𝑬𝑭 =𝒉𝒄

𝝀≥ 𝑬𝒈

Eg – przerwa wzbroniona, dla każdego półprzewodnika inna. Dla krzemu 1.1eV

Efekt fotowoltaiczny

• Gdy światło zostaje zaabsorbowane przez półprzewodnik,

powstaje para ładunków – elektron i dziura

• Ta para jest separowana przez pole w złączu i przez

złącze obciążone np. żarówką płynie fotoprąd

Technologie PV

Płytka materiału

półprzewodnikowego

I generacja ogniw

Cienkie warstwy

Krystaliczny

krzem

GaAs i złącza

p-n III-V

Mono-

-krystaliczny

~35%

Poli-

-krystaliczny

~55%

II generacja ogniw III generacja ogniw

a-Si:H

~2%

CdTe

~5%

CIGS

~2%

CZTS

~2%

DSCC Perowskit OPV QD

Technologie PV

Struktura ogniwa nieorganicznego

Dziś - ogniwo HITOgniwo produkowane

do r. 1999Gruba warstwa Si

Drogie

Sztywne

Cienkie! (98mm) - tanie

Stabilne

Zaawansowana technologia

mono poli

Zalety

• B. duża absorpcja (90%)

• Elastyczne

• Duża powierzchnia

• Tanie

Ogniwo organiczne

Wady

• Niska wydajność (kilka %)

• Krótki czas życia (5 lat)

• Wrażliwość na wysokie

temperatury

Oparte są na organicznych półprzewodnikach (polimerach,

oligomerach, dendrymerach).

Ogniwo barwnikowe

Technologia

elektroda

elektroda

𝑻𝒊𝑶𝟐

półprzewodnik

Ogniwo barwnikowe

Zalety

• Tanie odnawialne materiały

• Elastyczne

• Duża powierzchnia

• Niewielka wrażliwość na zmiany

temperatury

• Zastosowanie – transparentne

okna

Wady

• Niska wydajność

(kilkanaście %)

• Ciekły elektrolit

• Krótki czas życia (5 lat)

Ogniwo perowskitowe

Polska, Wrocław - Saule Technologies założona przez

Olgę Malinkiewicz

Światło pada na nanocząstki fotouczulacza (perowskit),

generuje pary elektron – dziura, które są transportowane

odpowiednio przez warstwę TiO2 i HTM. Warstwa blokująca

przepuszcza tylko elektrony.

Wydajności najlepszych ogniw laboratoryjnych

Nasłonecznienie w Polsce i w Europie

Obecnie w Niemczech 33 % energii

elektrycznej pochodzi z OZE, a 45 % z

węgla brunatnego i kamiennego

Solar Impulse 2

W r. 2016 Bertrand Piccard i André Borschb na tym samolocie

wykonali lot naokoło świata korzystając jedynie z zasilania bateriami

słonecznymi, aby promować odnawialne źródła energii. Pokonali

dystans 40 000km

Elektra One – samolot wykonany z włókien węglowych

Waga – ok.100 kg (bez baterii) może latać ok. 8 godzin,

Prędkość - ok. 100km/godz.

Maksymalny zasięg - ok. 1000km,

Zastosowanie – loty rekreacyjne

James Bond

Polska firma z patentem na panele fotowoltaiczne z

grafenem!

„Laboratorium spółki Euro Com Project zbadało i opatentowało

możliwości użycia grafenu w modułach fotowoltaicznych. Wynalazek

zrewolucjonizuje rynek energetyki słonecznej. A przy użyciu

wysokosprawnych ogniw fotowoltaicznych wraz z elektroda grafenową

rozwiązanie obniży koszty produkcji 1 kWh nawet o połowę.”

27 listopada 2017

Elektrownia wiatrowa

Zalety

• Wysoka wydajność

• Umiarkowany koszt inwestycji

• Brak emisji CO2

• Możliwa lokalizacja off-shore

Wady

• Konieczna stała prędkość wiatru

• Konieczny system podtrzymania

zasilania

• Hałas

• Niebezpieczny dla migrujących

ptaków

Biomasa

• Kłody drewna

• Węgiel drzewny

• Odpady rolnicze (łodygi i resztki

roślin)

• Odpady z obróbki drzew

(wierzchołki drzew, gałęzie, trociny)

• Rośliny wodne

• Nawóz

• Odpady miejskie (opałowe)

Spalanie

Biopaliwa

gazowe• Syntetyczny

gaz

• Gaz drzewny

Biopaliwa

ciekłe• Etanol

• Metanol

• Gazohol

Przetwarzanie w biopaliwa,

ciekłe i gazoweWady

• Wydajność 30%

• Do atmosfery

uwalniają się cząstki

węgla (podczas

spalania)

Zalety

• Mniejsze

skażenie

środowiska niż

przez źródła

konwencjonalne

• Nie powoduje

kwaśnych

deszczy

Hydroelektrownie

• Elektrownie wodne na dużą i małą

skalę

• Elektrownie pływowe

• Elektrownie wykorzystujące fale

Zalety

• Wysoka wydajność (80%)

• Brak emisji CO2

• Niskie koszty elektryczności

• Zbiornik wodny może służyć do rekreacji

Wady

• Kosztowna inwestycja

• Duży wpływ na środowisko (dewastacja

terenu, wysiedlanie)

• Niebezpieczeństwo zawalenia

Fale wymuszają ruch

powietrza, który porusza

turbiny

Energia geotermalna

• Geotermalne pompy ciepła

• Geotermalna wymiana

• Sucha i mokra para

• Gorąca woda

• Magma

• Gorące skały

Zalety

• Wysoka wydajność

• Niższa emisja CO2

• Niskie koszty, jeśli

eksploatacja jest w pobliżu

złóż

Wady

• Niewiele złóż

• Złoża na głębokości ok.

4km

• Hałas i odór (H2S)

• Intensywna eksploatacja

prowadzi do szybkiego

wyczerpania zasobów

• Emisja CO2

Wodór

Zalety

• Alternatywa dla ropy

• Paliwo bezpieczniejsze niż benzyna

• Ekologiczne, jeśli pozyskiwane z

OZE

Wady

• Produkcja wymaga energii

• Wdrożenie – 25-50 lat

• Nieodnawialny, jeśli pozyskiwany z

konwencjonalnych źródeł, wtedy

emisja CO2

Symulacja wycieku paliwa

wodorowego i benzyny

o takiej samej ilości

energetycznej

Po 1s

Po 1 min.

Samochody hybrydowe

Samochody hybrydowe:

Zalety• Paliwo – gaz (wodór)• B. wydajne• Ekologiczne

Wady• Nadal używają tradycyjnego

paliwa (przyśpieszanie, pokonywanie wzniesień)

• Konieczne zmiany infrastruktury – brak stacji paliw

Rynek samochodów elektrycznych

Grafen

• Bardzo dobry przewodnik ciepła oraz elektryczności – przewodność cieplna 5000

W/mK (dla srebra– 429 W/mK).

• Bardzo wysoka ruchliwość elektronów w temperaturze pokojowej μ ≈ 200 000

cm²/Vs w krzemie – 1500 cm²/Vs)

• Prędkość przepływu elektronów, wynosząca 1/300 prędkości światła w próżni,

umożliwia badanie efektów relatywistycznych dla elektronu poruszającego się w

przewodniku.

• Warstwa o grubości jednego atomu pochłania 2,3% białego światła

• Wytrzymałość na rozciąganie - 130 Gpa (0,4 GPa dla stali konstrukcyjnej lub

kevlaru).

• Membrana z utlenionego grafenu nie przepuszcza gazów, nawet atomów helu, a

równocześnie jest całkowicie przenikalna dla wody. Zastosowanie - filtracja np.

tania produkcja wody pitnej z wody morskiej.

Nobel 2010

Geim, Novosielov

https://pl.wikipedia.org/wiki/Grafen

Widmo promieniowania słonecznego

OECDOrganizacja Współpracy Gospodarczej i Rozwoju

Polska akcesja 1996

International

Energy

Agency

„When China changes, everything changes”

Konwencjonalne źródła energii - węgiel

- stałe paliwo uformowane z roślin ok. 300-400 mln lat temu

poddawanych intensywnemu ogrzewaniu i wysokim ciśnieniom

przez miliony lat

- zasoby wystarczą na 200-1000 lat (U.S. posiada 25%

światowych rezerw węgla)

Torf lignit węgiel bitumiczny antracyt

Ropa i gaz naturalny

Źródło - martwe organizmy pochodzenia roślinnego izwierzęcego na dnie oceanu, pokryte osadami. W miaręupływu czasu pod wpływem wysokiej temperatury iciśnienia przeobraziły się w bituminy, (ilaste łupki),zawierające ropę. Osiadający piasek uformował basenyropy, nad którymi najczęściej powstaje warstwanaturalnego gazu (metan).