Päikesepatareid ja nendega seotud füüsika. Päikesepatarei (solar cell) muudab päikesevalguse otse elektrienergiaks 1 Päike kui hiiglaslik pirn. 100W 3.8*10 26 W T=5800 C Miks mitte seda "pirni" kasutada? 2 1
Päikese energia Maa saab ühes tunnis niipalju päikeseenergiat, et selleks jätkuks kogu inimkonnale terveks aastaks! Valgus- see on energia! Ühe tavalise (40-50 tuhat pealtvaatajat) jalgpallistaadioni valgustamiseks on vaja ~1000 kw elektrivõimsust! 3 Päikesepatareide loomiseni viinud sündmused: 1839: Edmund Becquerel avastas 19 aastaselt fotoelektrilise efekti. 1873: Willoughby Smith avastas seleeni fotojuhtivuse. 1904: Albert Einstein avaldas oma kuulsa töö fotoelektrilise efekti kohta ja sai selle eest Nobeli preemia (aastal 1923). 1916: Millikan tõi fotoelektrilise efekti eksperimentaalse tõestuse. 1918: Poola teadlane Czochralski lõi meetodi monokristalse räni kasvatamiseks. 1951: Esimene Ge päikesepatarei laboris. 1954: Bell Labs uurijad Pearson, Chapin ja Fuller lõid esimese ränipatarei (Si) efektiivsusega 4.5%. 4 2
Esimese päikesepatarei patenteerija Russell Ohl esimene Si päikesepatarei 1940, esimene patent 1946 5 Esimene Si päikesepatarei 6 3
Arvutame veidi: 1m 2 pinnale langeb maksimaalselt 1kW päikeseenergiat Eestis tarbitakse aastas iga inimese kohta keskmiselt 8MWh elektrienergiat Iga päev tuleks seega inimese kohta toota 8MWh/365=22kWh Valget aega keskmiselt 12 tundi, seega piisab inimese kohta pinnast 2m 2 Kasuteguri juures 10% vajatakse umbes 20 m 2 7 Päikesepatareide vajalik pindala Maailm Euroopa Saksamaa aluseks: 10 % süsteemi efektiivsus 10 % Sahara kõrbest piisab kogu maailma jaoks! 8 4
Palju siis elektrit peaks tootma? EESTI (2003 a.) 9 Päikesepatareide pindala 120 km 2 Eesti ligikaudne vajadus 10 5
Päikesekiirguse intensiivsus-talv 11 Päikesekiirguse intensiivsus-suvi 12 6
Päikesepatareidel põhinev maailma suurim elektrijaam Asukoht: Saksamaa, Passau Ehitaja: Shell Solar Võimsus: 10 MWp Mooduleid: 58000 Hind: 40 miljonit Eurot Pindala: 32 ha 13 Päikesepatareide eelised: Päikese kui energiaallika ammendamatus. Väga väikesed jooksvad kulutused hooldusele. Pikaealisus ja usaldusväärsus ( juba praegu valmistatavatele süsteemidele antakse garantii 10 aastaks, kusjuures nende kasutusajaks loetakse vähemalt 20 aastat). Nad ei saasta loodust. Päikesepatareide süsteem asub tarbijale tavaliselt nii lähedal, et kaob ära vajadus kulukate elektriliinide ehitamiseks. Puuduvad liikuvad osad mis muudaksid süsteemi tarbetult keerukaks. Tema paigaldamine ja ümberseadistamine on lihtne. 14 7
Probleemid Liiga kõrge hind 1W $ 1 (2012.a.) Liiga väike toodang Soome näide: Soome energiavajaduse rahuldamiseks päikesepatareidega peaks kogu maailma tehased töötama 50 aastat. 15 Kui kõrge on hind? Praeguste hindade juures tuleks ühe individuaalelamu elektrienergia vajaduste rahuldamiseks ainult päikeseenergiaga kulutada üle 30 000. Fakt- päikesepatarei on praegu liiga kallis Siit ka ülesanne: leida tehnoloogiad, millede abil saaks vähendada v hinda 16 8
Mis päikesepatareid Eestis maksavad? Võib osta umbes 2-3 /W Sellele lisandub paigaldus ja inverter 100W pirni süütamine maksaks siis ~400 17 Uued materjalid: Cu(In,Ga)Se Cu(In,Ga)Se 2 CdTe a-si Orgaanilised pooljuhid 18 9
CdTe päikesepatareid 19 Cu(In,Ga)Se 2 ja CuInS 2 võrdlus 20 10
CuInS 2 päikesepatareide tootmine 21 Painduval Ti-alusel CIGS päikesepatareid 22 11
Amorfse räni päikesepatarei 23 Amorfse räni moodulid 24 12
Amorfse räni moodulite tootmine 25 26 13
Mõningate päikesepatareide saavutatud efektiivsused: 27 Mitmekihilised päikesepatareid 28 14
Kosmos Päikesekiirguse arvestamine Atmosfäär (mitte skaalas) = 48 Air Mass = 1 cos AM1.5 Maa AM1 = 0 Päikesekiired AM0 29 Ideaalse päikesepatarei efektiivsus Photons/sec/m 2 /ev 4x10 21 3x10 21 2x10 21 1x10 21 AM1.5 Global Spectrum # Photons above E g Idealized Efficiency (qv m = E g, QE = 100%) Measured Record Efficiencies (c-si, c-gaas, c-cdte, a-si) 80 60 40 20 Idealized Efficiency (%) 0 1 2 3 4 Photon Energy, E g (ev) 0 30 15
Päikesepatarei sun front metal grid n-type region pn junction electron current rear metal contact p-type region + external circuit - 31 Päikesepatarei tsoonipilt - p-tüüp E F + n-tüüp 32 16
Päikesepatarei tüüpiline I-V kõver 1.0 Cell Voltage (V) 0.0-1.5-1.0-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Fill Factor J m V FF = J V sc m oc Cell Curre nt (ma/cm 2 ) -1.0-2.0-3.0-4.0-5.0 J m, V m V oc (opencircuit voltage) Power output = J V P max = J m V m -6.0 J sc (short-circuit current) Maximum Efficiency = J m Vm light power Ideal solar cell J sc Voc FF light power 33 Päikesepatarei ideaalvõrrand: J qv J e 1 J qn kt 0 L N ALp J 0 2 i D J 0 = 10-11 to 10-14 A/cm 2 p Pp vool = dioodi vool valguse poolt genereeritud vool Kui V=0, J = -J L = lühisvool (short circuit current) = J sc J 0 J 0 e Kui J=0, V = V oc V oc on maksimaalne kui J 0 on minim. kt J V ln oc q J qv oc kt L 0 1 J 34 L 17
Reaalse päikesepatarei võrrand. J J 0 e q V R nkt ser J 1 V R R sh ser J J L n- ideality factor R ser R sh 35 R ser ja R sh mõju I-V kõveratele 36 18
R ser ja R sh leidmine 37 Heas päikesepatareis: 90% pealelangevatest footonitest kasutatakse ära FF on 70-80% Kasutegur on 10-25% Mittepõhiliste laengukandjate suur eluiga parandab Voc-d Hea valguse kogumine parandab Jsc-d. Väike järjestiktakistus Rse parandab FF-i. 38 19
Miks iga päikesepatarei pole ideaalne? 1. Kaod tänu kasutatavate materjalide optilisele neeldumisele. 2. Kaod shunteerivate ühenduste tõttu (R sh ) 3. Kaod tänu laengukandjate rekombinatsioonile kasutatavates materjalides. (R ser ) 4. Kaod tänu tagumise oomilise kontakti mitteoomilisusele. 5. Kaod tänu laengukandjate rekombinatsioonile läbi piirpindadel olevate tasemete (interface recombination) 39 Mida tehakse TTÜ-s? Uut tüüpi materjal- CuInSe 2 (CIS)- suurima neeldumiskoefitsiendiga p-tüüpi pooljuht Veelgi odavam Cu 2 ZnSnS 4 Uut tüüpi konstruktsioon- monoteraline päikesepatarei Koostöö firmaga crystalsol 40 20
ZnO-CdS-CuInSe 2 päikesepatarei ehitus 41 Monoteralise CIS päikesepatarei pind 42 21
Monoteralise CISe päikesepatarei EBIC pilt 43 CuInSe 2 päikesepatarei ehitus Tagumine oomiline kontakt p- CuInSe 2 CdS (50 nm) i-zno (50nm) ZnO:Al (100nm) Klaas 44 22
Klaaskuulidele valmistatud päikesepatareid Koostöö firmaga Scheuten Glas (Holland) 45 Klaaskuulidest päikesepatarei CuInS 2 materjali baasil valmistatud painduva päikesepatarei pind 46 23
CuInSe 2 päikesepatarei tsoonipilt: 47 Rekombinatsioonilised kaod CIS päikesepatareis. 1. Interface recombination 2. Bulk recombination 48 24
Päikesepatareide füüsikalised uuringud 1. Spektraaltundlikkuse mõõtmised. 2. V oc vs T mõõtmised 3. I-V kõverate analüüs 4. C-V kõverate analüüs 5. Admittance spectroscopy 6. Defektide uuringud 49 Päikesepatareide füüsikalised uuringud Optilised ja termilised mõõtmised T=10-300K 50 25
Spektraaltundlikkuse mõõtmised. Mõnede meie päikesepatareide spektraalkõverad. Spectral response (a.u.) 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 366T - 6 Kaotatud vool 373T - 2 Ideaalne kõver 03.03.03 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 (nm) 51 Spektraaltundlikkuse mõõtmised. Teoreetiliselt peaks CuInSe 2 -CdS-ZnO päikesepatarei kvantefektiivsus avalduma valemiga: Q( ) (1 R)exp( ZnO d ZnO )exp( CdS d CdS exp( CISW ) 1 1 CISL R- Kaod peegeldusele α- neeldumiskoefitsiendid L mittepõhiliste laengukandajate difusioonitee pikkus W- siirdeala paksus d- vastava kihi paksus CIS CIS ) 52 26
V oc vs T mõõtmised Teooriast: E q AkT q ln j j a 00 VOC sc E a =E g E a <E g - rekombinatsioonilised kaod ruumis - interface recombination 53 V oc vs T mõõtmised 1000 900 E a = 1006 mv 26.02.03 366T - 6 800 Voc (mv) 700 600 500 400 300 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 T (K) E a =E g - rekombinatsioonilised kaod ruumis 54 27
V oc vs T mõõtmised 480 460 294-4 440 Voc (mv) 420 400 380 E a =830 mv 360 180 200 220 240 260 280 300 T (K) E a <E g - interface recombination 55 V oc vs T mõõtmised Ea=Φ b 56 28
I-V kõverate analüüs Keythley source meter 2400 57 I-V kõverate analüüs I (A) 0.004 0.003 0.002 0.001 Data: 389T-8-5AG+ABR Model: OneDiod Measured 24.03.03 Chi^2 = 2.2248E-11 R^2 = 0.99998 Dark curve fit: Gsh 1.7741E-6 I01 9.8551E-9 n1 1.92677 Rse 102.35904 Voc= 472mV Isc=0.26mA FF=55.7% eff ~ 10% 0.000 J J e 0-0.001-0.5 0.0 0.5 1.0 qv Rser J nkt V R 1 R sh ser J J L U(V) 58 29
I (A) 1 0.1 0.01 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 1E-8 1E-9 389T-8-5AG+ABR ideality factor= 2.4 J J e 0 1E-10-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 q V Rser J nkt V R 1 R sh ser J J L U(V) 59 C-V kõverate analüüs Autolab PGSTAT 30 fmax= 1MHz 60 30
C-V kõverate analüüs C=A/W W 61 C-V kõverate analüüs Põhivalem C V bi -V) A 2 q Barjääri kõrgus Barjääri mahtuvus Ülemineku pindala Laengukandjate kontsentratsioon NB! Peab olema nn. ühepoolne siire! 62 31
C-V kõverate analüüs 4.0 3.5 Sirge tõusust saame Na 1/C 2 (F -2 ) (10 16 ) 3.0 2.5 2.0 1.5 Na=7*10 16 cm -3 100kHz 32kHz 1.0 294-4 sample 0.5 9X6mm 3kHz Oct. 11, 2002 0.0-1.2-0.8-0.4 0.0 0.4 U(V) 63 32