Φωτοβολταϊκά από ανόργανα υλικά ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΥ ΕΛΕΝΗ ΣΕΜΙΝΑΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ 2008 ΑΡΙΘΜΟΣ ΜΗΤΡΩΟΥ: 09104007 ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: κ. ΠΙΣΣΗΣ

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Φωτοβολταϊκό φαινόμενο (photovoltaic effect) Συντελεστής απορρόφησης (absorption coefficient) Φωτόρευμα (photocurrent) Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των φ/β στοιχείων Συντελεστής απόδοσης (efficiency) Αρνητικοί παράγοντες απόδοσης Ηλιακά στοιχεία Si Ηλιακά στοιχεία CdS Ηλιακά στοιχεία GaAs

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Το ηλιακό στοιχείο (solar cell) είναι δίοδος ημιαγωγού με τη μορφή ενός δίσκου, που δέχεται ακτινοβολία. Όσο διαρκεί η ακτινοβόληση δημιουργούνται ζεύγη φορέων (ελεύθερα e ˉ και οπές), τα οποία αν βρεθούν στην περιοχή της ένωσης p-n δέχονται την επίδραση του ενσωματωμένου ηλεκτροστατικού της πεδίου. Έτσι λοιπόν δημιουργείται μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των δύο τμημάτων της διόδου, διότι: e ˉ → τμήμα τύπου n οπές (h) → τμήμα τύπου p Η εκδήλωση της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στις δύο όψεις του φωτιζόμενου δίσκου, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση της διόδου, καλείται φωτοβολταϊκό φαινόμενο.

ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ Στα ηλιακά στοιχεία δεν είναι εφικτή η μετατροπή της συνολικής ηλιακής ενέργειας που δέχονται σε ηλεκτρική ενέργεια. Συγκεκριμένα: ανάκλαση πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου και διάχυση πάλι προς το περιβάλλον φωτόνια με ενέργεια μικρότερη του ενεργειακού χάσματος Eg → δεν απορροφώνται φωτόνια με ενέργεια μεγαλύτερη του Eg → απορροφάται μόνο το μέρος εκείνο της ενέργειάς τους που ισούται με το Eg Σημαντική ιδιότητα → η ευκολία με την οποία πραγματοποιείται η απορρόφηση! -dΦ/dx=αΦ(x) Φ = η φωτονική ροή, x = το βάθος του ημιαγωγού και α = ο συντελεστής απορρόφησης

ΦΩΤΟΡΕΥΜΑ Όταν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο δέχεται μια κατάλληλη ακτινοβολία → παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα, που καλείται φωτόρευμα Ιφ. χρήσιμο μέγεθος είναι η φασματική απόκριση S ≡ το πλήθος των φορέων στα ηλεκτρόδια σε σχέση με τη φωτονική ροή Φ. Το συνολικό φωτόρευμα δίνεται επομένως από τη σχέση: όπου R(λ)= ο δείκτης ανάκλασης για ακτινοβολία μήκους κύματος λ. Η τιμή του Ιφ εξαρτάται από πολλούς κατασκευαστικούς παράγοντες όπως: συντελεστής ανάκλασης συντελεστής απορρόφησης το πάχος του ημιαγωγού το πλήθος των επανασυνδέσεων των φορέων κ.α.

ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ σε συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος → Voc όπου Ιο = το ανάστροφο ρεύμα κόρου, k=ο συντελεστής Boltzmann, q=το στοιχειώδες ηλεκτρονικό φορτίο, γ= ένας συντελεστής της διόδου και Τ= η απόλυτη θερμοκρασία. σε συνθήκες βραχυκύκλωσης → Ιsc Ιsc= Ιφ

ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ Όταν όμως το κύκλωμα του ηλιακού στοιχείου κλείσει διαμέσου μιας εξωτερικής αντίστασης RL → V μεταξύ 0 και Voc . για κάποια τιμή της RL → μέγιστη ισχύ Ρm = Im∙Vm Ο συντελεστής πλήρωσης θα δίνεται από την εξής σχέση: Οι παράμετροι FF, Voc και Ιsc → καθορίζουν την απόδοση των ηλιακών στοιχείων. Ειδικότερα ο συντελεστής απόδοσης των στοιχείων δίνεται από τη σχέση: όπου Η= η ένταση της ακτινοβολίας που δέχεται η επιφάνεια του φ/β στοιχείου, εμβαδού Α.

ΑΡΝΗΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ αναπόφευκτες αντιστάσεις παρεμβάλλονται μέσα στον ημιαγωγό και στις επαφές με τα ηλεκτρόδια (series resistance Rs ). διαρροές ρεύματος λόγω κατασκευαστικών ελαττωμάτων (shunt resistance Rsh ) αύξηση της θερμοκρασίας → μείωση Vοc και FF

οι μεγαλύτερες αποδόσεις φ/β μετατροπής σε εργαστηριακές συνθήκες: υλικό τύπος στοιχείων Μέγιστη απόδοση σε ακτινοβολία ΑΜ1 GaAs n-AlAs/p-GaAs Si (μονοκρυσταλλικό) Si (πολυκρυσταλλικό) ομοένωση ετεροένωση oμοένωση 22% 18,5% 18% 16%

ΗΛΙΑΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΥΡΙΤΙΟΥ Το Si έχει μεγάλη εφαρμογή στα φ/β στοιχεία, διότι: οι ιδιότητες του είναι καλά μελετημένες → κύριο υλικό στα ηλεκτρονικά! κυκλοφορεί σε μεγάλες ποσότητες έχει ικανοποιητική χημική καθαρότητα και τελειότητα κρυσταλλικής δομής λειτουργεί με ικανοποιητική αξιοπιστία σε ακραίες συνθήκες Παρασκευή ηλιακού στοιχείου από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο: ικανοποιητικές ιδιότητες → πολύ μεγάλης καθαρότητας & το πλέγμα να μην έχει αταξίες Καθαρισμός Si → ανάτηξη → μετατροπή του «μεταλλουργικού» Si σε αέριο τριχλωροσιλάνιο (SiHCl3), όπου αποχωρίζεται από τις διάφορες προσμίξεις με κλασματική απόσταξη

το τριχλωροσιλάνιο ανάγεται με Η2 → τήκεται → ανακρυσταλλώνεται με μεγαλύτερη καθαρότητα → κύλινδρος μονοκρυσταλλικής μορφής κύλινδρος → δίσκοι → λειαίνονται και διαμορφώνονται σε επαφές p-n → συγκόλληση των ηλεκτροδίων το ηλεκτρόδιο της εμπρός όψης → σχήμα σχάρας → περισσότερη επιφάνεια δέχεται φως αντιανακλαστικό επίστρωμα → μείωση της ανάκλασης στο 5% περίπου λεπτό γυαλί → αποφυγή πρόωρης φθοράς από την υγρασία Η παραπάνω διαδικασία είναι ενεργοβόρα & δαπανηρή → πολυκρυσταλλικό Si (μέγεθος κόκκων αρκετά μεγάλο, της τάξης του 1mm)

Διαμόρφωση της διόδου: εμπρός όψη → τύπου n και επομένως πίσω όψη → τύπου p εμπρός τμήμα λεπτό πάχος → περισσότεροι φορείς στη ζώνη απογύμνωσης όσο πιο καθαρός ο ημιαγωγός → μεγαλύτερο μήκος διάχυσης → μεγαλύτερη πιθανότητα οι φορείς μειονότητας να φτάσουν στη ζώνη απογύμνωσης μεγάλο πάχος στη ζώνη απογύμνωσης → διαμόρφωση σε τύπου n+ για επιτυχή σχεδιασμό → συμβιβαστική επιλογή ανταγωνιστικών μεγεθών. Ειδικότερα: βέλτιστος συνδυασμός των τιμών μήκους διάχυσης φορέων & συντελεστή απορρόφησης του ημιαγωγού ανάπτυξη ενός κατάλληλου πεδίου στο πίσω τμήμα του στοιχείου, BSF (back surface field) → δημιουργία περιοχής p+ → ελάττωση επανασυνδέσεων με χρήση Η/Υ → επιλογή κατάλληλου & αρκετά πολύπλοκου σχήματος για το εμπρός ηλεκτρόδιο

άμορφο Si (α-Si) → υλικό κατασκευής φ/β στοιχείων παρά τη μεγάλη αταξία στη δομή του! το Eg κυμαίνεται από 1,2 έως 1,6eV Το α μεγαλύτερο από αυτό του κρυσταλλικού Si (>104 cm-1) → συμπεριφορά σχεδόν σαν ημιαγωγού άμεσου Eg βελτίωση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων → προσθήκη ατόμων Η2 ή F2

ΗΛΙΑΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ CdS CdS → άμεσο ενεργειακό χάσμα, Eg =2,45eV χρήση σε οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές χαρακτήρας τύπου n → χωρίς προσθήκη προσμίξεων φ/β φαινόμενο → ετεροένωση CdS και CuxS, με x є [1,96 , 1,99] μεγαλύτερη απόδοση → ετεροένωση InP/CdS (15% έναντι 10%) CuxS → έμμεσο ενεργειακό χάσμα, Eg =1,2eV χαρακτήρας τύπου p → χωρίς προσθήκη προσμίξεων σημαντικές μελλοντικές προοπτικές → φθηνά υλικά & απλές μέθοδοι όμως υπάρχουν επιφυλάξεις για τη σταθερότητά τους → όχι πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής

ΗΛΙΑΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ GaAs GaAs → άμεσο ενεργειακό χάσμα, Eg =1,43eV θεωρητική απόδοση περίπου 25% καλή συμπεριφορά στις υψηλές Τ → συγκεντρωτικά φωτοβολταϊκά συστήματα όμως υψηλό κόστος μεγαλύτερες αποδόσεις → ετεροενώσεις με κράματα Ga1-xAlxAs, με x є [0 ,1], (24% πειραματικά) Γενικότερα σήμερα εξετάζονται και άλλες ημιαγώγιμες χημικές ενώσεις του τύπου III-V ως υποψήφια υλικά κατασκευής ηλιακών στοιχείων!

ΣΥΝΟΨΗ Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο είναι η εκδήλωση διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στις δύο όψεις του ηλιακού στοιχείου. Η ηλιακή ενέργεια στα φ/β στοιχεία δε μετατρέπεται εξ’ολοκλήρου σε ηλεκτρική. Όταν προσπίπτει κατάλληλη ακτινοβολία στο ηλιακό στοιχείο παράγεται φωτόρευμα. Το ηλιακό στοιχείο μπορεί να πάρει τη θέση μιας μπαταρίας σε ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα. Ως συντελεστής της απόδοσης η ορίζεται ο λόγος της μέγιστης παραγόμενης ηλεκρικής ισχύος προς την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας. Υπάρχουν παράγοντες που επηρεάζουν αρνητικά την απόδοση: Rs Rsh και Τ Υπάρχουν φ/β στοιχεία από κρυσταλλικό αλλά και άμορφο Si. Τα ηλιακά στοιχεία CuxS/CdS κατασκευάζονται από φθηνά υλικά & με απλές μεθόδους → μελλοντικές προοπτικές Το GaAs εμφανίζει καλή συμπεριφορά στις υψηλές Τ → ιδιότητα με ιδιαίτερη σπουδαιότητα για τα συγκεντρωτικά συστήματα.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Κ. Καγκαράκης, φωτοβολταϊκή τεχνολογία, εκδόσεις συμμετρία Jenny Nelson, The Physics of solar cells, Imperial College Press http://ape.chania.teicrete.gr/ape/photovoltaika/photofenom-main.htm