Celule Solare Multijonctiune

  • Published on
    16-Sep-2015

  • View
    19

  • Download
    3

Embed Size (px)

DESCRIPTION

celule solare

Transcript

  • Celule solare multijonctiune Celulele solare multijonctiune exista in doua configuratii (vezi figura de mai jos): in paralel

    (stanga) sau in serie/tandem (dreapta). Pentru a avea performante bune, ca si in cazul celulelor

    solare cu straturi subtiri cu heterojonctiune, toate straturile trebuie sa aiba structuri

    cristaline/constante de retea similare. In caz contrar, discontinuitatile in constanta de retea duc

    la defecte sau dislocatii la interfata, care sunt centre predilecte de recombinare.

    In configuratia in paralel, numita si tandem multi-terminal, fiecare celula solara poate

    fi optimizata independent, dar sistemul in totalitate este mai complicat. De aceea, se folosesc

    in special celulele solare in serie/tandem, care constau din diferite celule solare cu jonctiuni p-

    n plasate unele dupa altele, fiecare utilizand o parte a spectrului si lasand sa treaca cealalta

    parte. Celulele solare traversate primele de fotoni au o banda interzisa mai mare, care scade

    progresiv in celulele urmatoare (vezi figura de mai jos).

    In celulele solare tandem curentul la iesire este limitat de cel mai mic curent produs in

    jonctiunile individuale, iar tensiunile produse de celulele individuale se aduna. De aceea,

    celula solara trebuie astfel proiectata incat fiecare jonctiune sa produca acelasi fotocurent.

  • Eficienta de conversie creste cu numarul celulelor. In figura de mai jos, care foloseste

    doua celule solare cu jonctiuni p-n din materiale cu = 1.6 eV, respectiv 0.9 eV, eficienta

    de conversie calculata cu teoria Shockley-Queisser este de 45%. Aceasta este eficienta

    maxima pe care o poate atinge o celula solara tandem cu doua jonctiuni. Eficienta maxima

    pentru o celula solara tandem cu trei jonctiuni este de 51%, si se obtine in materiale cu benzi

    interzise de 1.8 eV, 1.2 eV si 0.7 eV, aceasta eficienta crescand pana la 54% pentru o celula

    solara tandem cu patru jonctiuni, respectiv 66% pentru un numar infinit de jonctiuni care sa

    acopere tot spectrul solar. Evident, daca se folosesc concentratori, eficienta celulelor solare

    creste. De exemplu, daca intensitatea luminii creste de 100 ori, eficienta unei singure jonctiuni

    creste la 40%, iar cea a unui numar infinit de jonctiuni atinge 86%.

    gE

    Celulele solare multijonctiune in configuratie tandem se fabrica din a-Si/-Si (Si amorf/Si microcristalin), semiconductori organici sau anorganici, de exemplu compusi III-V.

    Cea mai mare eficienta in celulele solare cu doua jonctiuni s-a obtinut in compusi III-V. De

    exemplu, in configuratie tandem s-a obtinut o eficienta de conversie de 30.3% la AM1.5G la 1

    soare in structura In0.49Ga0.51P/GaAs, in care ambele materiale au o constanta de retea de 5.64

    , si o eficienta de 32.6% la AM1.5D la 1000 sori (30% la 500 sori) pentru GaInP2/GaAs. In

    configuratia in paralel, cu 4 terminale, cea mai mare eficienta pentru celulele solare cu doua

    jonctiuni, de 32.6% la AM1.5D la 100 sori, s-a obtinut pentru structura GaAs/GaSb.

    In figurile de mai jos sunt date doua exemple de materiale folosite in celule solare

    tandem cu trei jonctiuni; observati modul optim de folosire a radiatiei solare. Eficienta de

    conversie maxima obtinuta experimental intr-o structura GaInP2/GaAs/Ge este de 32% pentru

    1 soare si 40.7% pentru 135 sori, eficienta medie in aceeasi structura pentru 1 soare fiind de

    28%. Cu ajutorul unei astfel de structuri se produc in prezent 370 kW/m2 in spatiu.

    Experimental, numarul jonctiunilor ajunge pana la 6, cresterea epitaxiala a heterostructurilor

    fiind costisitoare si inceata.

  • Dupa cum am precizat mai sus, celula solara tandem trebuie proiectata astfel incat

    fotocurentul generat de celulele solare individuale sa fie acelasi. Fotocurentul depinde atat de

    numarul fotonilor incidenti cu energie mai mare decat cat si de coeficientul de absorptie,

    respectiv de grosimea stratului. In structura cu trei jonctiuni GaInP2/GaAs/Ge, de exemplu,

    aceasta cerinta impune ca stratul de Ge sa fie mai gros decat celelalte straturi deoarece

    coeficientul de absorptie al Ge este mai mic. Grosimea straturilor pentru aplicatii terestre

    poate sa varieze fata de grosimea pentru aplicatii spatiale (spectrul solar este diferit)!

    gE

    Observatie: Fotocurentul la o celula multijonctiune tandem este in general mai mic decat cel

    obtinut la o celula solara cu o singura jonctiune pentru ca aceiasi fotoni sunt colectati de mai

    multe jonctiuni.

    In prezent, se doreste obtinerea unor eficiente de conversie de peste 35% in celule

    multijonctiune tandem, eventual cu concentratori. De exemplu, eficienta maxima a structurii

    InGaP2/(In)GaAs/Ge este de 37.3% la 175 sori. Substratul de Ge este flexibil pentru

    grosimi mai mici de 100 m. Eforturile actuale se indreapta spre gasirea unor materiale semiconductoare cu = 1 eV sau 1.25 eV. Motivul este ca Ge in structura GaInP2/GaAs/Ge

    absoarbe o proportie mai mare din fotonii spectrului solar decat in cazul ideal, de egalitate a

    curentului in cele trei straturi (vezi figura de mai jos). Daca s-ar inlocui stratul de GaAs cu un

    material cu = 1.25 eV, de exemplu, al doilea strat ar genera un curent mai mare, lasand

    mai putini fotoni sa treaca in Ge (vezi figura de mai jos). In acest caz, primul strat ar putea sa

    creasca in grosime pentru a avea un curent/putere mai mare.

    gE

    gE

  • Alternativ, daca primele doua straturi intr-o structura cu trei jonctiuni sunt

    (Al)InGaP/GaAs, optim pentru celula de jos este 1 eV (vezi figura de mai jos). De

    exemplu, in structura AlInGaP(1.9 eV)/GaAs(1.4 eV)/1.0 eV eficienta de conversie maxima

    este de 55% la 1000 sori, fata de 50.1% obtinuta daca ultimul strat este din Ge. GaInNAs este

    un exemplu de material cu aproximativ aceeasi constanta de retea ca si GaAs si cu = 1 eV.

    gE

    gE

    Pentru a creste si mai mult eficienta de conversie, se poate introduce un material cu

    = 1 eV intre GaAs si Ge, obtinandu-se o structura cu patru jonctiuni (vezi figurile de mai

    sus). Eficienta de conversie in acest caz ar fi de 60.9% la 1000 sori (47.7% la 1 soare,

    AM1.5G).

    gE

    Spectrul solar poate fi acoperit optim progresiv, crescand numarul de jonctiuni, ca in

    exemplul de mai sus. De fiecare data cand un strat este inlocuit cu doua straturi fotocurentul

    in celulele solare individuale scade (numarul de fotoni absorbiti in fiecare strat scade), dar cdV

  • creste, astfel incat eficienta de conversie a structurii tandem creste. Eficienta cuantica externa

    a structurilor tandem de mai sus cu 3 jonctiuni, respectiv 5 jonctiuni, sunt reprezentate in

    figurile de mai jos stanga, respectiv dreapta.

    Dupa cum se poate vedea si din figura de mai jos, stanga, pentru conectarea celulelor

    solare in serie este nevoie de jonctiuni tunel bune. O jonctiune tunel este o jonctiune in care

    electronii trec prin bariera de potential care se formeaza la interfata dintre doua straturi prin

    fenomenul de tunelare (trecerea printr-o bariera ingusta a electronilor cu energie fixa, mai

    mica decat bariera de potential; vezi figura de mai jos, dreapta). Astfel de jonctiuni asigura un

    transfer rapid al purtatorilor de sarcina dintr-o celula solara solara in alta.

    x = 0 x = L

    V2

    V1

    V3

    Intr-o configuratie tandem, daca celulele solare individuale nu au acelasi fotocurent,

    structura opereaza departe de punctul de putere maxima, ceea ce duce la pierderi mari.

  • Deoarece celulele multijonctiune tandem au o sensibilitate spectrala mai mare, pierderile

    datorita inegalitatii curentilor din celulele solare individuale pot interveni din cauza

    schimbarilor naturale in spectrul solar (anotimpuri, ora din zi), care schimba absorptia relativa

    in subcelule.

    Un exemplu de celula tandem cu doua jonctiuni optimizata din filme subtiri de Si

    amorf (a-Si) si microcristalin (-Si) este ilustrat in figura de mai jos, stanga, spectrul de absorptie al celor doua celule individuale, precum si a structurii tandem fiind reprezentat in

    figura de mai jos, dreapta.

    In acest exemplu captarea luminii se realizeaza crescand structura pe un substrat structurat, pe

    care lumina se imprastie, si astfel creste drumul efectiv al luminii prin filmul absorbant. In

    cazul de mai sus, captarea luminii trebuie sa se realizeze intre 600 si 750 nm pentru celula

    amorfa de sus, si intre 800 si 1100 nm pentru cea microcristalina de jos. Pentru Si amorf

    captarea luminii are si alt rol: degradarea produsa de lumina se poate minimiza in straturi mai

    subtiri, pe cand in Si microcristalin, captarea imbunatateste absorptia luminii (materialul are

    benzi de energie indirecte). Suprafetele structurate pot fi si electrozii, in structuri de tip p-i-n

    sau n-i-p; structura de mai sus este n-i-p/n-i-p. Pentru celule din Si amorf, inaltimea corugatiei

    trebuie sa fie intre 50 si 90 nm, iar dimensiunea laterala a corugatiei intre 300 si 500 nm.

    Pentru celulele din Si microcristalin, dimensiunea laterala a corugatiei trebuie sa se situeze

    intre 1000 si 1400 nm, iar inaltimea trebuie sa fie comparabila cu cea din Si amorf. In

    structura tandem, pentru a optimiza structurarea substratului pentru ambele celule, se

    introduce un strat intermediar reflector asimetric din ZnO intre cele doua celule, care creste

    capturarea luminii in celula solara amorfa de sus. Aceste strat este notat AIR (asymmetric

    intermediate reflector) in