A napelemek fizikai alapjai

A napelemek fizikai alapjai Dr. Rácz Ervin Ph.D. egyetemi docens intézetigazgató-helyettes kari oktatási igazgató Óbudai Egyetem, Villamosenergetikai Intézet Budapest 1034, Bécsi u. 94. racz.ervin@kvk.uni-obuda.hu

Tartalom 2

Tartalom A világ energia termelése és felhasználása: A napenergia helye a világ energiatermelésében Napelem cellák Fizikai háttér (működés) A napelem cellák és a besugárzás kapcsolata karakterisztikák, görbék Napelem cellák típusai Napelemes rendszerek az Óbudai Egyetemen 3

Napelem Definíció: A napelem vagy fotovillamos elem, amit az idegenes photovoltaikus kifejezésből a magyar irodalom olykor PV elemnek is nevez, olyan szilárdtest eszköz, amely az elektromágneses sugárzást (fotonbefogást) közvetlenül villamos energiává alakítja. Az energiaátalakítás alapja, hogy a sugárzás elnyelődésekor mozgásképes töltött részecskéket generál, amiket az eszközben az elektrokémiai potenciálok, illetve az elektron kilépési munkák különbözőségéből adódó beépített elektromos tér rendezett mozgásra kényszerít, vagyis elektromos áram jön létre. Ez a jelenség bármilyen megfelelő fényspektrummal rendelkező fényforrás esetén is lezajlik, nem szükséges kizárólagosan napfény. Első napelemek, kezdetek: - Becquerel (francia fizikus): Fotovoltaikus hatás demonstrálása, 1839-ben (19 évesen)! - Becquerel: 1839 az első napelem megépítése - Willoughby Smith brit elektromérnök az 1860-as években kezdett kísérletezni a fotovoltaikus technológiával egy véletlennek köszönhetően. Ezekben az években tenger alatti kábelekkel végzett kísérleteket, melyek közben felfedezte, hogy az ezekhez használt szelén éjszaka máshogyan viselkedik, mint nappal. - Charles Fritts amerikai feltaláló 1883-ban építette meg az első modern értelemben vett napelemet - Heinrich Hertz 1887-ben fedezte fel a fényelektromos (fotovoltaikus) jelenséget, munkája alapján pedig egymástól függetlenül 1888-ban Alexandr Sztoletov orosz és Wilhelm Hallwachs német fizikusok megállapították, hogy az ultraibolya sugarak negatív töltésű fémlapból negatív töltést szabadítanak ki és megépítették az első fotovoltaikus napelemeket. 4

A Föld energiahordozói 5

Nap Napelem cella Modul Panel Rendszer 6

A világ energiatermelése és a Nap besugárzása Vajon tudnánk-e az éves villamos energia felhasználásunkat a napfényből nyerhető energiával fedezni? A Napból a Földre érkező éves besugárzás Azonban: 100% besugárzott napenergia: -3% visszaverődik az atmoszféráról -23% foton energia a hosszú hullámhossz tartományba esik -32% foton energia a rövid hullámhossz tartományba esik -8.5% rekombináció -20% elektromos potenciál esés(vagy csökkenés) a napelem cellában -0.5% más veszteségek = 13% felhasználható elektromos energia urán gáz olaj szén Éves energia fogyasztás 7

Nap Cella Modul Panel Rendszer 8

A fotovoltaikus elemek működésének fizikai háttere 9

Szilárdtestek sávelméletéről szemléletesen 10

A fotovoltaikus elemek működésének fizikai háttere Szilícium: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p2 14

A fotovoltaikus elemek működésének fizikai háttere 15

A fotovoltaikus elemek működésének fizikai háttere elektronok 16

A fotovoltaikus elemek működésének fizikai háttere Intrinsic (tiszta) félvezető 1. Kezdő állapot (Szilícium - Si) 4 vegyérték elektron kovalens kötésben Tetraéderes szerkezetben 2. Termikus gerjesztés Kovalens kötések felszakadhatnak Szabad elektronok keletkeznek Elektron áram kelthető 3. Lyukak A szabaddá vált elektron visszamaradó helye a kovalens kötésben = lyuk A lyuk egy pozitív töltéshordozó Szilícium atom Lyuk Vegyérték elektron Elektronpárral kialakított kötés Szabad elektron 17

A fotovoltaikus elemek működésének fizikai háttere Intrinsic (tiszta) félvezető Az alapsávból (A) gerjesztés hatására elektronok mehetnek át a vezetési (V) sávba. A tilos sávban (T) elektron soha nem tartozkodhat! 18

A fotovoltaikus elemek működésének fizikai háttere Extrinsic (szennyezett) félvezetők Extrinsic félvezetők: p-típusú: lyukak pozitív töltésű réteg kialakulása n-típusú: elektronok negatív töltésű réteg kialakulása Lyuk Elektron p-típusú szennyezés Bór atom Szilícium atom Foszfor atom n-típusú szennyezés 19

A fotovoltaikus elemek működésének fizikai háttere Extrinsic (szennyezett) félvezetők N-típusú szennyezés esetén ún. donornívók jönnek létre a vezetési sáv (V) közelében. A donornívókon a szennyezéssel bevitt elektronok helyezkednek el. Ezen elektronok könnyebben felgerjeszthetők a vezetési sávba (V), ahol szabad töltéshordozóként elektromos áram létrehozására képesek. 20

A fotovoltaikus elemek működésének fizikai háttere Extrinsic (szennyezett) félvezetők P-típusú szennyezés esetén ún. akceptornívók jönnek létre az alapsáv sáv (A) közelében. Az akceptornívókon a szennyezéssel bevitt lyukak helyezkednek el. Ezen lyukak vagy könnyebben rekombinálódnak az alapsávba (A), vagy pedig az alapsáv (A) tetején lévő elektronok könnyebben felgerjeszthetők az akceptornívóra mint a vezetési sávba (V). Az akceptornívóról az elektronok könnyebben jutnak fel a vezetési sávba, mint az alapsávból (A), mert a gap kisebb. 21

A fotovoltaikus elemek működésének fizikai háttere P-típusú réteg határréteg N-típusú réteg DIFFÚZIÓ szabad lyukak Töltött részecske transzport = szabad elektronok A határrétegben elektromos áram keletkezik 22

Egy fotovoltaikus cella struktúrája Fotoelektromos hatás Negatív elektróda N-típusú szilícium Pozitív elektróda P-típusú szilícium Határréteg 23

Abszorpciós koefficiens A fotovoltaikus elemek működésének fizikai háttere hullámhossz 25

A fotovoltaikus elemek és a Nap kapcsolata 26

Spektrális besugárzás [W/m 2 μm] Besugárzás Nap spektrum UV látható IR Nagyobb energia Kisebb energia Hullámhossz [μm] Pyranometer 29

A fotovoltaikus elemek és a Nap kapcsolata AM 1 és AM 1,5 értelmezése: Az AM-m érték meghatározásához egy adott földrajzi ponton mindig az m = 1 cos Θ képletet használjuk. STC = AM 1,5 25 C 1000 W m 2 30

Napelem panel árama [A] A napelem I-U karakterisztikája a besugárzás intenzitásának változásával tartomány Napelem modul feszültsége [V] 31

Napelem Module current panel árama [A] [A] Napelem panel I-U karakterisztikái a napelem modul hőmérsékletének változásával Napelem panelen eső feszültség [V] 32

Napelem panel teljesítménye [W] Egy napelem modul villamos teljesítménye a panel hőmérsékletének viszonylatában Panelen eső feszültség [V] 33

A fotovoltaikus cellák típusai Napelem típusok Kristályos szilícium cellák Vékonyfilm cellák Monokristályos cellák Gömb cellák Sáv cellák Polikristályos cellák Polikristályos sáv cellák Hibrid cellák Amorf Si cellák CuInSe 2 (CIS) Cellák (rézindiumdiselenid) CdTe Cellák (kadmiumtellurid) Festékérzékenyített cellák Kristályos Si Film Cellák 35

A fotovoltaikus cellák készítése Monokristályos Polikristályos Granulált poliszilícium Irányfüggő kristályosítás Szélezés Formázási eljárás Hasábokra vágás Hasáb Foszfor diffúzió az anyagba Lemezekre vágás Antireflexiós réteggel bevonás Elő- és hátoldali kontaktusok kialakítása PV cellák gyártása 36

Monokristályos napelem cellák Kvadratikus vagy négyzetes Félig szögletes Kerekre vágott 37

Polikristályos napelem cellák Zöld cellák Arany cellák Szürke cellák Barna cellák Ibolyaszín cellák 38

Áttetsző napelem cellák Egymásra merőleges rács struktúra 39

Új koncepció Új PV cella típusok Gömb cellák Negatív elektróda p-típusú szilícium p-n határréteg n-típusú szilícium Antireflexiós réteg Positív elektróda Perforált alumínium fólia (negatív elektróda) Alumínium fólia pozitív elektróda n-típusú szilícium p-n határréteg p-típusú silícium 40

Új koncepció új PV cella típusok Sávos cellák Fény Üveg Üveg reflektor Sávos PV cella modulok 41

Új koncepció új PV cella típusok Fókuszáló rendszerek Lencse felület: 4 4 cm 2 Fókuszált fény Egy fókuszáló rendszer mini modulja. 2 mm átmérőjű napelem cella 42

Új koncepció Új PV cella típusok Hibrid cellák Antireflexiós réteg + Kontakt rács A kontaktrács hátsó elektródája P-típusú amorf szilícium P-típusú amorf szilícium N-típusú monokristályos szilícium 43

A legjobb kísérleti napelem cella hatásfokok 44

Köszönöm a figyelmet! 45