Fotovoltaika - základy

1/64

▪ princip

▪ FV články

▪ FV panely

▪ účinnost

▪ vliv provozu na produkci

Fotovoltaika - základy

2/64

Principy – struktura křemíku

▪ křemík

▪ krystalická mřížka: každý atom Si má čtyři vazební (valenční) elektrony,

vázané v elektronovém páru

▪ působení světla může vazbu narušit – uvolnění elektronu, zvýšení vnitřní

vodivosti (nevyužitelné pro produkci energie)

atom křemíku

3/64


▪ polovodiče

▪ zavedením nečistot (cizích atomů) do křemíku se vytvoří struktura:

s nadbytkem volných elektronů: atomy fosforu, polovodič typu N

s nedostatkem volných elektronů (díry), atomy boru, polovodič typu P

atom křemíku

atom boru

atom fosforu

4/64


▪ vodivost

▪ polovodič typu N – volné elektrony se záporným nábojem, elektronová

vodivost

▪ polovodič typu P – volné díry s kladným nábojem, díra se zaplňuje

elektronem a posouvá se, děrová vodivost

5/64

Principy – fotovoltaický jev

▪ P-N přechod (polovodičová dioda) – spojení P a N polovodiče

▪ difúze elektronů (-) do oblasti P, děr (+) do oblasti N,

▪ elektrony a díry spolu rekombinují, vzniká oblast ochuzená o volné nosiče

náboje

▪ okolo přechodu je obrácené el. pole, vysoký el. odpor oproti zbytku materiálu

oblast P oblast Nochuzená oblast

bariéra

volné díry volné elektrony

6/64


▪ dopad slunečního záření - fotonů s dostatečnou energií (> 1.1eV)

▪ předání energie elektronům

vybuzení na vyšší energetickou hladinu

uvolnění z valenční vazby (zanechání díry)

hromadění ve vrstvě N

▪ dva volné nosiče, obrácené el. pole:

elektron (do oblasti N)

díra (do oblasti P)

▪ připojením spotřebiče z N vnějším obvodem do P

▪ pohyb volných elektronů = elektrický proud

7/64


8/64


▪ elektrické napětí, účinnost

▪ elektrony odcházejí horním kontaktem a přes vnější el. obvod se vracejí a

rekombinují s dírami pohybujícími se přes zadní kontakt

▪ některé elektrony na kontakt nedorazí – rekombinují po cestě

▪ vazební energie 1.1 eV ... vlnová délka fotonu 1105 nm (IR záření)

▪ energie fotonu < 1.1 eV: projde a nevybudí elektron

▪ energie fotonu > 1.1 eV: vybudí elektron, rozdíl energie se mění na teplo ...

teoretická účinnost jednoduchého Si článku 30 %

▪ část se odrazí od kontaktů a článku

▪ napětí Si článku 0.5 V, proud 2.5 A = 1.25 W (podle konstrukce)

9/64

Principy – ztráty, účinnost

▪ bilance toků FV článku (ze 100% dopadlé energie) - příklad

▪ 3 % odraz a stínění od předních kontaktů

▪ 23 % příliš nízká energie fotonů (dlouhovlné záření)

▪ 32 % příliš vysoká energie fotonů (krátkovlné záření)

▪ 8.5 % ztráty rekombinací

▪ 20 % rozdíl potenciálů v článku (ochuzená vrstva)

▪ 0.5 % ohmické ztráty (el. odpor)

▪ výsledná účinnost 13 %

10/64

Fotovoltaické články

▪ I. generace – deskové křemíkové

▪ monokrystalické křemíkové

▪ polykrystalické (multikrystalické) křemíkové

▪ II. generace – tenkovrstvé články

▪ amorfní křemíkové

▪ CIS články

▪ CdTe články

▪ III. generace – současný vývoj, nové materiály a technologie

▪ GaAs, InGaAs, organické, tandemové, vícevrstvé

11/64

I. generace FV článků – deskový Si

▪ monokrystalický křemík (m-Si)

▪ tažení válcového monokrystalu (typ P) z taveniny (průměr 30 cm, délka

několik m) – Czochralskiho proces

▪ řezání na destičky 0.2 - 0.3 mm, velké ztráty, konické tvary

▪ čištění

▪ dotování fosforem (difuze plynu) při 800 – 900 °C, tenká vrstva N

▪ antireflexní povlak (tmavý vzhled), tisk a zapečení sběrných kontaktů

(přední, zadní strana)

▪ účinnost článku: 15-18 %

12/64


▪ monokrystalický křemík (m-Si)

▪ použití: 10 x 10 cm2, průměr 12 - 15 cm

kruhové – levnější (méně odpadu), architektonická zasklení

kvazihranaté – drahé (více odpadu), standardní moduly

13/64


▪ polykrystalický křemík (p-Si)

▪ tavenina odlita do formy, řízené chladnutí (tuhnutí) v jednom směru,

vytvoření velkého počtu homogenních krystalů (mm,cm)

▪ okraje zrn zdrojem defektů, vysoká rekombinace, negativní vliv na

účinnost (< m-Si)

▪ řezání na destičky 0.24 - 0.3 mm, malé ztráty (hranaté)

▪ čištění, dotování fosforem,

▪ antireflexní povlak, tisk kontaktů

▪ účinnost článku: 13 - 16 %

14/64


▪ polykrystalický křemík (p-Si)

▪ použití: 10 x 10 cm2, 12.5 x 12.5 cm2, 15 x 15 cm2, ... (4,5,6,8 inch)

nejběžnější fotovoltaické panely, zavedená technologie

standardně modrá barva, možné i jiné

15/64

I. generace FV článků – výroba

polykrystalické

odlévání

monokrystalické

tažení

16/64

II. generace FV článků – tenkovrstvé

▪ výhody

▪ tloušťka vrstvy < 1 mm

menší spotřeba materiálu

▪ vyšší tolerance na znečištění materiálu

▪ výroba za nižších teplot: 200 – 600°C

▪ vysoce automatizovaný výrobní proces

▪ libovolný tvar a rozměry (závislé na podkladním materiálu)

▪ celoplošné kontakty:

přední (transparentní vrstva ZnO, SnO2, ISnO)

zadní (neprůhledný)

17/64


▪ amorfní křemík (a-Si)

▪ nemá krystalickou strukturu, volné uskupení atomů, volné vazby

▪ horší elektrotechnická kvalita křemíku

▪ výroba hydrogenovaného křemíku a-Si:H v plazmovém reaktoru (200 -

250 °C) rozkladem silanu SiH4 (plyn)

▪ dotování plynnými příměsmi (B2H6, PH3)

▪ možnost nanášení na levné podklady (sklo, plasty – pružné FV články)

18/64


▪ amorfní křemík (a-Si:H)

▪ původně pro kalkulačky

▪ při vystavení slunečnímu záření degradace materiálu (kvůli obsahu

H2), pokles účinnosti na trvalou hodnotu

▪ účinnost článků: 5 – 7 %

▪ rozměry: až 2 x 3 m2

▪ tloušťka: sklo 1 – 3 mm, plasty 0.5 mm, 0.3 mm a-Si

▪ zabarvení: červenohnědá, modrá, modrofialová

19/64

Amorfní křemíkové panely

http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/thin-film-amorphous-silicon-photovoltaic-modules-54327-2380633.jpg

20/64

Amorfní křemíkové panely

21/64


▪ CIS články (Copper-Indium-diSelenid, CuInSe2)

▪ aktivním polovodičem je CuInSe2, často v kombinaci s CuGaSe2 nebo

CuInS2, ktery tvoří absorpční vrstvu typu P

▪ vrstvu typu N tvoří CdS (sulfid kadmia)

▪ CIS nevykazuje degradaci jako a-Si

▪ výzkum CuInGaSe2 (CIGS články)

molybden

22/64


▪ CIS články (Copper-Indium-diSelenid, CuInSe2)

▪ účinnost:

laboratoř 19 %

komerční 9-12 %

nejúčinnější tenkovrstvá technologie

▪ tloušťka: 2-4 mm podklad,

3-4 mm povlak, z toho 1-2 mm CIS

▪ zabarvení: šedé až černé, kompaktní

23/64


▪ CdTe články (telurid kadmia)

▪ aktivním polovodičem je CdTe: absorpční vrstva typu P

▪ vrstvu typu N tvoří CdS (sulfid kadmia)

24/64


▪ CdTe články (telurid kadmia)

▪ nevykazuje degradaci

▪ nejlevnější tenkovrstvá technologie (dnes pod 1 $/Wp)

▪ problematické použití kadmia x neškodnému CdTe (stabilní

netoxická sloučenina)

▪ účinnost: 7 - 9 %

▪ tloušťka: 3 mm podklad, 5 mm vrstva

▪ zabarvení: temně zelená až černá

25/64

III. generace FV článků – souč. vývoj

▪ více-přechodové články (tandemové 2PN, trojvrstvé 3PN)

snaha o maximální využití energie spektra

koncentrované záření, účinnost → 20-30 %

▪ mikrokrystalické články (nanotechnologie)

▪ světlocitlivá organická barviva (elektrochemické články, průhledné)

▪ horké nosiče

▪ polymery

26/64

Vícevrstvé FV články

27/64

Účinnost FV článků

Typ materiálu

Běžná

účinnost

(%)

Laboratorní

účinnost

(%)

Životnost

(rok)

Podíl na trhu

(%)

Monokrystalický křemík 16 – 18 24 25-30 42

Polykrystalický křemík 12 – 16 18 10-25 42

Amorfní křemík 5 – 7 12 10 12

Telurid kadmia (CdTe) 8 – 10 16 - <1

Galium arsenid (GaAs) 20 30 20 <1

CIS články 12 19 - <1

CIGS články 10 18 - <1

28/64

Účinnost FV článků

29/64

Cena FV článků

1

10

100

1 10 100 1000 10000

MWp instalovaného výkonu

$/W

p c

en

a m

od

ulu

20% pokles ceny

při zdvojnásobení

instalovaného výkonu

30/64

Cena FV článků

31/64

Charakteristiky FV článků / panelů

▪ volt-ampérová charakteristika (napětí - proud)

▪ výkonová charakteristika P = U.I

32/64

Volt-ampérová charakteristika

U-I charakteristika může být pro různé FV články různá

33/64

Hlavní body charakteristiky

▪ Isc proud nakrátko

▪ Uoc napětí naprázdno

▪ Imp proud v bodě maxima výkonu

▪ Ump napětí v bodě maxima výkonu

pro STC (standard test conditions)

1000 W/m2, AM = 1.5, 25 °C

▪ FF činitel plnění

scoc

mpmp

IU

IUFF

=

▪ h účinnost

AG

IU

=

mpmph

34/64

Spektrální citlivost FV článků

různé druhy FV článků využívají různou část spektra

35/64

Spektrální citlivost FV článků

využití u vícevrstvých článků

36/64

Fotovoltaický panel

37/64

Fotovoltaický panel

38/64

Fotovoltaický panel – na první pohled

39/64

Bod maxima výkonu

40/64

Bod maxima výkonu

derivace = 0

41/64

Vliv slunečního ozáření

42/64


43/64


např. pro polykrystalické

+=

1000ln03,01

Grhh

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

2

4

6

8

10

12

14

16

intenzita zareni (W/m2)

ko

nv

erz

ni

uc

inn

os

t (%

)

25 °C

50 °C

75 °C

100 °C

Teplota clanku:

44/64


45/64

Vliv teploty

46/64

Vliv teploty

47/64

Vliv teploty

▪ účinnost je závislá na teplotě článku

▪ lineární charakter ( )( )rtt −+= hh 1r

Typ článku [%/K]

Krystalické Si -0,35 až -0,52

Amorfní Si -0,10 až -0,30

CIS -0,33 až -0,60

CdTe -0,18 až -0,36

48/64

Vliv teploty

49/64

FV panely – paralelní zapojení

paralelní zapojení - nárůst proudu

50/64

FV panely – sériové zapojení

sériové zapojení - nárůst napětí

51/64

Stínění článku

52/64

Stínění panelu

nestíněný provoz

každý článek generuje proud

stíněný provoz

jeden článek jako odpor

maření proudu

53/64

Stínění panelu – použití by-pass diody

54/64

Stínění panelu

55/64

Stínění panelu

56/64

Stínění panelu

Velikost stínění na článcích

Výkon FV

panelu

[W]

Bez stínění 100,0

1/4 článku 88,4

1/2 článku 67,4

Celý článek 60,3

1 svislá řada 58,0

spodek 2 stringů 24,0

spodek 3 stringů 0,9

57/64

Stínění panelu

1 W100 W

platí pro krystalické panely ...

58/64

Stínění panelu

92 W100 W

platí pro tenkovrstvé panely ...

59/64

Stínění panelu

60/64

Stínění panelu

61/64

Parametry panelu

62/64

Parametry panelu

63/64

Parametry panelu

64/64

Parametry panelu

Documents

Fotovoltaika - základy