Solar Cells Pages 0-40

7/25/2019 Solar Cells Pages 0-40

1/48

S O L R E L L S

r o m s i c s

t o

d v a n c e d S y s t e m s


2/48

M c G r a w H i l l

S e r i e s

i n

E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g

C o n s u l t i n g

E d i t o r

S t e p h e n

W .

D i r e c t o r

C a r n e g i e M e l l o n

U n i v e r s i t y

N e t w o r k s a n d S y s t e m s

C o m m u n i c a t i o n s

a n d

I n f o r m a t i o n T h e o r y

C o n t r o l T h e o r y

E l e c t r o n i c s a n d E l e c t r o n i c

C i r c u i t s

P o w e r a n d E n e r g y

E l e c t r o m a g n e t i c s

C o m p u t e r

E n g i n e e r i n g

I n t r o d u c t o r y a n d S u r v e y

R a d i o

T e l e v i s i o n R a d a r

a n d A n t e n n a s

P r e v i o u s

C o n s u l t i n g

E d i t o r s

R o n a l d M .

B r a c e w e l l

C o l i n C h e r r y J a m e s G i b b o n s

W i l l i s H a r m a n

H u b e r t H e f f n e r E d w a r d

W . H e r a l d

J o h n

L i n v i l l S i m o n R a m o

R o n a l d

R o h r e r A n t h o n y S i e g m a n

C h a r l e s

S u s s k i n d F r e d e r i c k T e r m a n

J o h n

T r u x a l

E r n s t W e b e r

J o h n W h i n n e r y

P o w e r a n d E n e r g y

C o n s u l t i n g E d i t o r

S t e p h e n W D i r e c t o r C a r n e g i e M e l l o n

U n i v e r s i t y

E l g e r d : E l e c t r i c E n e r g y S y s t e m s T h e o r y : A n I n t r o d u c t i o n

F i t z g e r a l d K l n g s l e y a n d

U m a n s :

E l e c t r i c M a c h i n e r y

H u

a n d W h i t e :

S o l a r C e l l s :

F r o m

B a s i c s A d v a n c e d

S y s t e m s

d u m

a n d

O d u m :

E n e r g y

B a s i s f o r

M a n

a n d

N a t u r e

S t e v e n s o n : E l e m e n t s o f

P o w e r

S y s t e m

A n a l y s i s


3/48

S O L R C E L L S

F r o m B a s i c s t o

d v a n c e d

S y s t e m s

C h e n m i n g

H u

R i c h a r d M W h i t e

U n i v e r s i t y

o f C a l i f o r n i a B e r k e l e y

M c G r a w H i l l B o o k C o m p a n y

N e w Y o r k L o u i s F r a n c i s c o

u c k l a n d

B o g o t a H a m b u r g

J o h a n n e s b u r g

L o n d o n

M a d r i d

M e x i c o

M o n t r e a l

N e w

D e l h i

P a n a m a P a r i s

S a o

P a u l o

S i n g a p o r e S y d n e y T o k y o T o r o n t o


4/48

T h i s

b o o k w a s

T i m e s R o m a n I n t e r a c t i v e

C o m p o s i t i o n

C o r p o r a t i o n .

e d i t o r M i c h a e l S l a u g h t e r ;

p r o d u c t i o n s u p e r v i s o r

L e r o y

Y o u n g .

c o v e r

d e s i g n e d M a r k W i e b o l d t .

P r o j e c t s u p e r v i s i o n d o n e b y

J o a n

S t e r n I n t e r a c t i v e

C o m p o s i t i o n C o r p o r a t i o n .

H a l l i d a y L i t h o g r a p h C o r p o r a t i o n p r i n t e r b i n d e r .

S O L A R

C E L L S

F r o m B a s i c s

A d v a n c e d S y s t e m s

C o p y r i g h t 1 9 8 3 M c G r a w - H i l l , I n c . r i g h t s

r e s e r v e d .

P r i n t e d U n i t e d S t a t e s

A m e r i c a . E x c e p t

p e r m i t t e d

u n d e r

U n i t e d S t a t e s

C o p y r i g h t

o f 1 9 7 6 p a r t

t h i s

p u b l i c a t i o n

m a y

r e p r o d u c e d

d i s t r i b u t e d f o r m

m e a n s ,

s t o r e d

d a t a

b a s e o r r e t r i e v a l

s y s t e m

w i t h o u t t h e p r i o r w r i t t e n p e r m i s s i o n o f

p u b l i s h e r .

2 3 4 5 6 7 8 9 H A L H A L 8 9 8 7 6 5

I S B N

D - D 7 - D 3 Q 7 M S - f l

L i b r a r y C o n g r e s s C a t a l o g i n g P u b l i c a t i o n D a t a

H u , C h e n m i n g .

S o l a r

c e l l s .

M c G r a w - H i l l s e r i e s i n

e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g .

P o w e r ,

e n e r g y

I n c l u d e s

b i b l i o g r a p h i e s i n d e x .

S o l a r c e l l s . W h i t e , R i c h a r d d a t e

T i t l e I I I S e r i e s .

T K 2 9 6 0 . H 8 1 9 8 3 6 2 1 . 3 1 2 4 4 8 3 - 9 7 5


5/48

O N T N T S

P r e f a c e

P a r t S o l a r C e l l u n d a m e n t a l s

O v e r v i e w

5

B o x :

H o w

M u c h O i l ?

6

H o w S o l a r

C e l l S y s t e m s W o r k 7

T y p e s o f C e l l s

H o w M u c h P o w e r a n d W h e n ? 1 0

R e f e r e n c e s

P r o b l e m s

2

N a t u r e

a n d A v a i l a b i l i t y

o f S o l a r n e r g y

1 6

T h e S u n S u n E a r t h R e l a t i v e M o t i o n

B o x :

T h e

S u n F u s i o n R e a c t o r

2 . 2 A t m o s p h e r i c E f f e c t s o n S o l a r R a d i a t i o n

2 0

S o l a r R a d i a t i o n M e a s u r e m e n t a n d I n s t r u m e n t a t i o n

2 3

G e o g r a p h i c a l

D i s t r i b u t i o n o f

A v e r a g e

I n s o l a t i o n 2 7

E f f e c t

o f C o l l e c t o r

T i l t

3 5

S u m m a r y 3 6

R e f e r e n c e s 3 6

P r o b l e m s 3 7

3

P r i n c i p l e s

o f O p e r a t i o n

o f

S o l a r C e l l s 3 8

E l e m e n t s o f S o l a r C e l l O p e r a t i o n

3 9

S e m i c o n d u c t o r s 4 0


6/48

C O N T E N T S

L i g h t A b s o r p t i o n C a r r i e r G e n e r a t i o n

C a r r i e r

R e c o m b i n a t i o n

4 6

p n J u n c t i o n s 4 g

S h o r t C i r c u i t

C u r r e n t

B o x :

L i g h t

S e n s o r s :

P h o t o d i o d e s P h o t o c o n d u c t o r s

E f f i c i e n c y 5 7

3 . 8 F a c t o r s A f f e c t i n g C o n v e r s i o n E f f i c i e n c y 6 0

S u m m a r y 6 7

R e f e r e n c e s

P r o b l e m s g g

4 M a t e r i a l s a n d P r o c e s s i n g 6 9

M a t e r i a l

P r o p e r t i e s

P r o c e s s i n g T e c h n i q u e s

B o x :

M a k i n g

I n t e g r a t e d C i r c u i t

4 . 2 C o n v e n t i o n a l S i l i c o n

C e l l

P r o c e s s i n g

7 6

4 . 3 P r o c e s s i n g

C a d m i u m S u l f i d e C e l l s

E n v i r o n m e n t a l O t h e r C o n s i d e r a t i o n s

S u m m a r y

R e f e r e n c e s 9 0

P r o b l e m s 9 0

P a r t

2 C o n c e n t r a t o r s a n d C o m p l e t e

P h o t o v o l t a i c S y s t e m s

5

6

C o n c e n t r a t i o n o f S u n l i g h t

S o l a r C o n c e n t r a t o r s

B o x : N u m b e r

C a m e r a

L e n s

B o x : T h e E q u a t i o n o f T i m e

E c o n o m i c s

C o n c e n t r a t o r P h o t o v o l t a i c S y s t e m s

C o n c e n t r a t o r S o l a r

C e l l s

C o o l i n g C o l l e c t i o n

T h e r m a l

E n e r g y

S u m m a r y

R e f e r e n c e s

P r o b l e m s

P o w e r C o n d i t i o n i n g E n e r g y S t o r a g e a n d G r i d

C o n n e c t i o n

M a x i m u m P o w e r P o i n t T r a c k i n g

P r i n c i p l e s M a x i m u m P o w e r P o i n t T r a c k e r s

S t a n d A l o n e I n v e r t e r s

I n v e r t e r s

F u n c t i o n i n g w i t h P o w e r G r i d

C o s t s o f

P o w e r

C o n d i t i o n e r s

I s s u e s o f E n e r g y S t o r a g e

E n e r g y S t o r a g e T e c h n o l o g i e s

9 5

9 6

9 7

9 9

1 1 0


7/48

C O N T E N T S

V H

S u m m a r y

R e f e r e n c e s 1 2 6

P r o b l e m s

7 C h a r a c t e r i s t i c s o f O p e r a t i n g C e l l s a n d S y s t e m s 1 2 8

C h a r a c t e r i s t i c s o f C o m m e r c i a l l y A v a i l a b l e C e l l s

T y p e s A p p l i c a t i o n s 1 3 3

7 . 3 O p e r a t i o n a l P h o t o v o l t a i c S y s t e m s a n d

D e v i c e s

S u m m a r y

R e f e r e n c e s

P r o b l e m s

8

E c o n o m i c s

o f

P h o t o v o l t a i c

P o w e r

1 5 4

S o m e

G e n e r a l R u l e s

B o x : T e n R u l e s o f

T h u m b

o s t

A n a l y s e s

P h o t o v o l t a i c P o w e r

U t i l i t y I s s u e s I n d u s t r i a l i z e d C o u n t r i e s

I s s u e s D e v e l o p i n g

C o u n t r i e s 1 7 3

S u m m a r y

R e f e r e n c e s

P r o b l e m s

P a r t

3

S o l a r

C e l l

I m p r o v e m e n t s

9

1 0

1 0 . 1

1 0 . 2

1 0 . 3

1 0 . 4

1 0 . 5

A d v a n c e d

C e l l

P r o c e s s i n g T e c h n i q u e s

S o l i d i f i c a t i o n

a n d T h e r m a l A c t i v a t i o n

F o r m i n g

T h i n

S e l f S u p p o r t i n g S e m i c o n d u c t o r R i b b o n s

a n d S h e e t s

F o r m i n g

S e m i c o n d u c t o r L a y e r o n a S u b s t r a t e

U s e I o n I m p l a n t a t i o n L a s e r s a n d E l e c t r o n B e a m s

O p t i c a l C o a t i n g s C o n t a c t s a n d E n c a p s u l a n t s

C o n t i n u o u s

C e l l

P r o d u c t i o n a n

A u t o m a t e d

F a c t o r y

S u m m a r y

e f e r e n c e s

P r o b l e m s

T h i n F i l m a n d

U n c o n v e n t i o n a l C e l l M a t e r i a l s

I n t r o d u c t i o n

A m o r p h o u s S e m i c o n d u c t o r s

M i s c e l l a n e o u s

M a t e r i a l s

S o l a r

C e l l U s e

P r o s p e c t s

M a s s P r o d u c e d

T h i n F i l m C e l l s

S u m m a r y

e f e r e n c e s

P r o b l e m s

1 7 9

2 0 0

2 0 0

2 0 2

2 0 3

2 0 8

2 1 0

2 1 3

2 1 9


8/48

C O N T E N T S

1 1 V a r i a t i o n s i n C e l l

S t r u c t u r e s

2 2 3

R e v i e w o f S o m e B a s i c S t r u c t u r e s 2 2 4

U n c o n v e n t i o n a l

N o n c o n c c n t r a t o r C e l l s 2 2 5

U n c o n v e n t i o n a l C o n c e n t r a t o r C e l l s 2 2 7

S u m m a r y 2 3 5

R e f e r e n c e s 2 3 6

P r o b l e m s 2 3 6

1 2

U n c o n v e n t i o n a l

C e l l

S y s t e m s

2 3 7

M u l t i p l e C e l l

S y s t e m s S p e c t r u m

S p l i t t i n g a n d

C a s c a d e C e l l s 2 3 8

T h e r m o p h o t o v o l t a i c T P V S y s t e m 2 4 4

P h o t o e l e c t r o l y t i c

C e l l 2 4 7

S a t e l l i t e P o w e r S y s t e m

S u m m a r y 2 5 4

R e f e r e n c e s

2 5 5

P r o b l e m s 2 5 5

A p p e n d i x e s 2 5 7

A n n o t a t e d

B i b l i o g r a p h y 2 5 7

U n i t s R e l e v a n t N u m e r i c a l

Q u a n t i t i e s 2 5 9

3 S o l a r

S p e c t r u m A i r

M a s s

2 6 2

4

A b b r e v i a t i o n s

a n d

A c r o n y m s

2 6 4

T a b u l a t i o n o f D e m o n s t r a t e d C e l l

E f f i c i e n c i e s

b y

C e l l T y p e

2 6 8

6 S o l a r C e l l

E x p e r i m e n t s

2 7 1

C o m p u t e r S i m u l a t i o n s P h o t o v o l t a i c C e l l s S y s t e m s

2 7 6

S u p p l i e r s

o f S o l a r C e l l s

2 8 2

9 O v e r v i e w o f S o m e O p e r a t i n g S y s t e m s 2 8 5

I n d e x

2 9 1


9/48

P R E F E

T h i s b o o k b e g a n o f

n o t e s

t w o U n i v e r s i t y E x t e n s i o n c o u r s e s

p r e s e n t e d

b y

a u t h o r s

h e t e r o g e n e o u s g r o u p s

t h a t i n c l u d e d c o l l e g e

t e a c h e r s a n d s t u d e n t s ,

s o l a r c e l l

r e s e a r c h e r s , u t i l i t y c o m p a n y e n g i n e e r s , g o v

e r n m e n t

a g e n c y s t a f f

a

l a w y e r , i n v e s t m e n t c o u n s e l o r s , a n d t w o p e o p l e i n t e r

e s t e d i n i n s t a l l i n g

a

s o l a r c e l l s y s t e m t h e i r

N e v a d a

r a n c h

h o u s e .

S u c c e s s

o f

c o u r s e s

w i t h

s u c h a d i v e r s e a u d i e n c e s u g g e s t e d m a k i n g m a t e r i a l

a v a i l a b l e ,

c o n s i d e r a b l y

r e w o r k e d

a n d a u g m e n t e d ,

b o o k

f o r m .

T h i s b o o k i n t e n d e d b o t h s e l f - l e a r n i n g r e s o u r c e o r p r o f e s s i o n a l

r e f e r e n c e

a n d a t e x t u s e a n

u n d e r g r a d u a t e o r f i r s t - y e a r

g r a d u a t e

c o u r s e . k e y f e a t u r e o f b o o k m o d u l a r o r g a n i z a t i o n . T h e t w e l v e

c h a p t e r s , e a c h

c o n t a i n i n g p r o b l e m s a n d

r e f e r e n c e l i s t m a y b e r e a d a l m o s t

a n y o r d e r ,

t h o u g h

t h e y g r o u p e d t h r e e

p a r t s

o r d e r o f i n c r e a s i n g

d e p t h

a n d c o m p l e x i t y . T h e

t h r e e

p a r t s d i s c u s s f u n d a m e n t a l s , c o m p l e t e s y s t e m s , a n d

p o s s i b i l i t i e s

i m p r o v e m e n t s ,

r e s p e c t i v e l y .

P a r t O n e S o l a r C e l l F u n d a m e n t a l s , C h a p t e r g i v e s

a n

o v e r v i e w

p h o t o v o l t a i c p o w e r g e n e r a t i o n a n d a p p e a l s . A f t e r n a t u r e a n d

g e o g r a p h i c a l d i s t r i b u t i o n

o f s u n l i g h t

e x a m i n e d

C h a p t e r p r i n c i p l e s

o p e r a t i o n o f s o l a r

c e l l s

d e v e l o p e d C h a p t e r 3 , s t a r t i n g f r o m a d i s c u s s i o n

t h e p r o p e r t i e s o f s e m i c o n d u c t o r s .

F o r

t h i s r e a d e r n e e d s n o m o r e b a c k

g r o u n d t h a n

i n t r o d u c t o r y c o l l e g e c o u r s e s

m a t h e m a t i c s a n d

p h y s i c s ,

t h o u g h a d d i t i o n a l k n o w l e d g e o f s e m i c o n d u c t o r s w i l l b e h e l p f u l . C h a p t e r 4

c o n c l u d e s P a r t O n e w i t h a n e x a m i n a t i o n o f

m a t e r i a l s

a n d p r o c e s s i n g

m e t h o d s

u s e d

m a k i n g c o n v e n t i o n a l

p n - j u n c t i o n

c e l l s .

C o n c e n t r a t o r s a n d C o m p l e t e P h o t o v o l t a i c S y s t e m s t h e s u b j e c t o f P a r t

T w o C o n c e n t r a t o r s C h a p t e r a n d p o w e r

c o n d i t i o n i n g

a n d e n e r g y

s t o r a g e

e q u i p m e n t C h a p t e r m a y b e

u s e d w i t h s o l a r

c e l l s i n c r e a s e d e f f i c i e n c y ,

c o n v e n i e n c e , a n d r e d u c e d c o s t . E x a m p l e s s o l a r c e l l a p p l i c a t i o n s a r e g i v e n


10/48

X P R E F E

C h a p t e r

a n d t h e

e c o n o m i c s

o f

p h o t o v o l t a i c

e l e c t r i c i t y a r e d i s c u s s e d

C h a p t e r

I m a g i n a t i v e

n e w

a p p r o a c h e s

f o r f u r t h e r

r e d u c i n g

t h e c o s t

o f

s o l a r

c e l l s

d i s c u s s e d

P a r t T h r e e S o l a r C e l l I m p r o v e m e n t s .

C h a p t e r

d e s c r i b e s

n e w

t e c h n i q u e s m a n u f a c t u r i n g s e m i c o n d u c t o r s a n d C h a p t e r 1 0 e x a m i n e s

t h i n - f i l m a p p r o a c h e s . N o v e l c e l l s t r u c t u r e s a n d u n c o n v e n t i o n a l c e l l s y s t e m s

s u m m a r i z e d C h a p t e r s a n d r e s p e c t i v e l y .

I n

a d d i t i o n n i n e a p p e n d i x e s p r o v i d e

s u c h

i n f o r m a t i o n

a s

a n a n n o t a t e d

b i b l i o g r a p h y a l i s t o f s o l a r c e l l s u p p l i e r s

a n d

a c o m p i l a t i o n o f o p e r a t i o n a l

p h o t o v o l t a i c s y s t e m s a n d t h e i r k e y d e s i g n f e a t u r e s . T h e r e a t a b l e o f r e c e n t

l a b o r a t o r y

c e l l

e f f i c i e n c i e s a r r a n g e d

b y c e l l

m a t e r i a l

a n d d e s i g n .

S e v e r a l s o l a r

c e l l e x p e r i m e n t s t h a t c a n b e d o n e w i t h s i m p l e l a b o r a t o r y e q u i p m e n t

d e s c r i b e d o n e a p p e n d i x .

S o m e

r e a d e r s

m a y f i n d u s e f u l t h e l i s t o f a b b r e v i

a t i o n s a n d a c r o n y m s a n d t h e d i s c u s s i o n o f c o m p u t e r

s i m u l a t i o n s

o f s o l a r

c e l l s a n d p h o t o v o l t a i c

s y s t e m s .

P e r h a p s n o b o o k c a n c l a i m c o m p l e t e n e s s t h e c o v e r a g e o f a

t o p i c

s o

i n t e r d i s c i p l i n a r y

a n d

f a s t - a d v a n c i n g ; o u r s c e r t a i n l y

d o e s

n o t .

W e

h a v e t r i e d

s t i m u l a t e t h i n k i n g a d d i t i o n g i v i n g i n f o r m a t i o n a n d h o p e p r o v i d e

f o u n d a t i o n a n d

f r a m e w o r k u p o n

w h i c h t h e

r e a d e r c a n

b u i l d f u r t h e r .

W h i l e w r i t i n g t h i s b o o k w e h a v e e n j o y e d

t h e

s u p p o r t a n d c o u n s e l o f

m a n y

f r i e n d s w h o m

w e

w i s h a c k n o w l e d g e .

A l e x K u g u s h e v

o f L i f e t i m e

L e a r n i n g

P u b l i c a t i o n s

s u g g e s t e d

t o u s t h e i d e a

o f

w r i t i n g t h e

b o o k .

P r o f e s s o r

N e d B i r d s a l l

a n d m a n y

o t h e r c o l l e a g u e s

u r g e d

u s

o n . J o a n

S t e r n w a s t h e

a b l e

e d i t o r B e t t y e F u l l e r t y p e d t h e m a n u s c r i p t . F i n a l l y o u r f a m i l i e s s u p p o r t w a s

i n v a l u a b l e .

C h e n m i n g

H u

R i c h a r d M h i t


11/48

C H P T E R O N E

O V E R V I E W

o m p o n e n t s

o f a s o l a r c e l l

s y s t e m

t y p e s c e l l s t h a t e x i s t

p r o p o s e d n d g l o b a l p o w e r n e e d s

C H P T E R

W

N T U R E N D

V I L I L I T Y

O F

S O L R

E N E R G Y

h a r a c t e r i s t i c s o f s o l a r e n e r g y a n d

w y s o f e s t i m a t i n g

m e a s u r i n g

n d

c o l l e c t i n g


12/48

P A R T

O N E

S O L A R C E L L F U N D A M E N T A L S

C H A P T E R T H R E E

P R I N I P L S

O F

S O L A R

C E L L O P E R A T I O N

a t u r e

o f s e m i c o n d u c t o r s a n d

t h e o r y a n d e f f i c i e n c i e s o f

s o l a r

c e l l s

C H A P T E R F O U R

S O L A R C E L L M A T E R I A L S

A N D P R O C E S S I N G

M a k i n g o f c o n v e n t i o n a l

c e l l s

w i t h w a f e r s

f r o m

s i n g l e c r y s t a l i n g o t s

-

^

P


13/48

C H A P T E R

O N

O V E R V I E W

C H A P T E R

O U T L I N E

B O X W

M U C H O I L

W

S O L A R C E L L

S Y S T E M S W O R K

T Y P E S O F

C E L L S

W M U H P O W E R A N D W H E N

R E F E R E N C E S

P R O B L E M S


14/48

O V E R V I E W

S o l a r c e l l s a r e

d e v i c e s w h i c h

s u n l i g h t r e l e a s e s e l e c t r i c c h a r g e s s o t h e y c a n

m o v e

f r e e l y

a s e m i c o n d u c t o r

a n d

u l t i m a t e l y

f l o w

t h r o u g h

a n

e l e c t r i c

l o a d ,

s u c h a s a

l i g h t b u l b

o r a m o t o r . T h e p h e n o m e n o n o f p r o d u c i n g v o l t a g e s a n d

c u r r e n t s

t h i s w a y k n o w n a s t h e p h o t o v o l t a i c e f f e c t .

T h e f u e l

f o r

s o l a r

c e l l s s u n l i g h t i s

f r e e a n d a b u n d a n t . T h e i n t e n s i t y o f

s u n l i g h t t h e s u r f a c e o f t h e e a r t h m o s t

a b o u t

o n e t h o u s a n d w a t t s p e r

s q u a r e

m e t e r .

T h u s a r e a

o c c u p i e d

b y t h e c e l l s i n a p h o t o v o l t a i c p o w e r

s y s t e m m a y b e

r e l a t i v e l y l a r g e

a n d

c o s t m u s t

b e

c o n s i d e r e d c a l c u l a t i n g

c o s t

o f

t h e e l e c t r i c i t y p r o d u c e d .

T h e

p r i m a r y f a c t o r

t h a t

d e t e r m i n e s

w h e t h e r

s o l a r

c e l l s w i l l

b e u s e d

s u p p l y e l e c t r i c i t y a g i v e n s i t u a t i o n t h e

c o s t p e r u n i t o u t p u t , r e l a t i v e t o

t h a t

o f a l t e r n a t i v e p o w e r s o u r c e s , o f a c q u i r i n g ,

i n s t a l l i n g a n d

o p e r a t i n g

t h e p h o t o v o l t a i c s y s t e m .

S o l a r

c e l l s

a l r e a d y

b e i n g

u s e d

t e r r e s t r i a l

a p p l i c a t i o n s

w h e r e

t h e y

a r e e c o n o m i c a l l y c o m p e t i t i v e w i t h a l t e r n a t i v e s o u r c e s . E x a m p l e s a r e

p o w e r

i n g c o m m u n i c a t i o n s e q u i p m e n t , p u m p s ,

a n d r e f r i g e r a t o r s

l o c a t e d f r o m

e x i s t i n g p o w e r l i n e s . I t i s e x p e c t e d

t h a t

t h e m a r k e t s f o r s o l a r

c e l l s

w i l l

e x p a n d

r a p i d l y t h e c o s t o f p o w e r f r o m c o n v e n t i o n a l

s o u r c e s

r i s e s a n d t h e c o s t

o f s o l a r

c e l l s f a l l s b e c a u s e o f

t e c h n o l o g i c a l

i m p r o v e m e n t s

a n d

e c o n o m i e s

o f l a r g e s c a l e m a n u f a c t u r e . T h e f i r s t o f t h e s e e c o n o m i c f o r c e s t h e r i s i n g

p r i c e

o f c o n v e n t i o n a l s o u r c e s ,

p a r t i c u l a r l y t h o s e e m p l o y i n g f o s s i l f u e l s

c o n t i n u e s

a u t o m a t i c a l l y , p a r t b e c a u s e t h e r e s o u r c e l i m i t e d .

T h e

s e c o n d r e d u c i n g t h e

c o s t

o f e l e c t r i c i t y f r o m

s o l a r c e l l

s y s t e m s i s

O W M U O I L ?

s o m e t i m e s

a r g u e d t h a t o u r e n e r g y

p r o b l e m s

w o u l d d i s a p p e a r w e

j u s t

l o o k e d h a r d e r o i l . T h e i n h e r e n t f a l l a c y t h i s a r g u m e n t c a n b e s h o w n

b y

f o l l o w i n g e x a m p l e .

S u p p o s e

t h a t g e o l o g i s t s h a v e b e e n m i s t a k e n

a b o u t r e s e r v e s ,

h a v e g r o s s l y u n d e r e s t i m a t e d a m o u n t t h a t

e a r t h .

f a c t

s u p p o s e

t h a t t h e e a r t h c o n s i s t s e n t i r e l y

o i l e x c e p t

t h i n s o l i d s h e l l

w h i c h w e l i v e .

T h e r a d i u s e a r t h x

m e t e r s ,

v o l u m e

s u m e d w o r l d w i d e y e a r 1 9 7 0 w a s 1 . 6 7

x

b a r r e l s . Y o u s h o w

f r o m

t h e s e f i g u r e s t h a t

w e

c o n t i n u e d c o n s u m e t h a t

r a t e e a c h

y e a r t h e

w o u l d

l a s t c o m f o r t a b l e

x

1 0 y e a r s . B u t c o n s u m p t i o n i n c r e a s e d

e a c h y e a r b y p e r c e n t , a s

f r o m 1 8 9 0 1 9 7 0 ,

t h e n e a r t h f u l

w o u l d

d r a i n e d o n l y y e a r s .

T h i s e x a m p l e ( B a r n e t t , 1 9 7 8 ) s h o w s d e v a s t a t i n g

e f f e c t

a n e x

p o n e n t i a l l y

g r o w i n g

r a t e o f c o n s u m p t i o n . r e c o r d , t h e

t h a t b e l i e v e d

e a r t h

n o w

w i l l

u s e d

u p

o n l y

d e c a d e s

p r e s e n t

r a t e

c o n s u m p t i o n

c o n t i n u e s .


15/48

H O W

S O L A R C E L L S Y S T E M S

W O R K 7

s u b j e c t w o r l d w i d e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t e f f o r t s t o d a y . T o i n c r e a s e

e c o n o m i c a t t r a c t i v e n e s s o f t h e s o l a r c e l l o p t i o n , o n e m o r e f o l l o w i n g

m u s t b e

d o n e :

I n c r e a s e

c e l l e f f i c i e n c i e s .

R e d u c e c o s t p r o d u c i n g c e l l s , m o d u l e s a n d a s s o c i a t e d e q u i p m e n t

a n d

c o s t o f

i n s t a l l i n g t h e m .

D e v i s e

n e w c e l l s y s t e m d e s i g n s l o w e r t o t a l c o s t u n i t

p o w e r

o u t p u t

1 . 1

O W S O L R E L L S Y S T E M S W O R

T h e m o s t i m p o r t a n t p h y s i c a l

p h e n o m e n a

e m p l o y e d s o l a r c e l l s

i l l u s t r t e d

s c h e m a t i c a l l y

F i g . 1 . 1 .

S u n l i g h t

e n t e r s t h e

s e m i c o n d u c t o r a n d

p r o d u c e s e l e c t r o n

a n d h o l e a n e g a t i v e l y c h a r g e d p a r t i c l e a n d a p o s i

t i v e l y c h a r g e d p a r t i c l e ,

b o t h f r e e m o v e T h e s e p a r t i c l e s d i f f u s e t h r o u g h

s e m i c o n d u c t o r

a n d

u l t i m a t e l y

e n c o u n t e r

e n e r g y b a r r i e r t h a t p e r m i t s

c h a r g e d p a r t i c l e s o f o n e

s i g n p a s s

r e f l e c t s t h o s e o t h e r s i g n . T h u s

p o s i t i v e c h a r g e s a r e c o l l e c t e d u p p e r c o n t a c t F i g .

1 . 1 , a n d

n e g a t i v e

c h a r g e s o w r c o n t a c t . T h e

e l e c t r i c c u r r e n t s

c a u s e d

b y

t h i s

c h a r g e c o l l e c t i o n f l o w

t h r o u g h

m e t a l w i r e s e l e c t r i c l o a d s h o w n

r i g h t s i d e o f F i g . 1 . 1 .

T h e c u r r e n t f r o m

c e l l

m a y p a s s d i r e c t l y t h r o u g h t h e l o a d , m a y

b e c h a n g e d f i r s t b y p o w e r - c o n d i t i o n i n g e q u i p m e n t a l t e r n a t i n g c u r r e n t

v o l t a g e a n d c u r r e n t l e v e l s d i f f e r e n t f r o m t h o s e p r o v i d e d b y c e l l O t h e r

s u b - s y s t e m s t h a t

m a y

a l s o

b e

u s e d i n c l u d e e n e r g y - s t o r a g e d e v i c e s s u c h

b a t t e r i e s ,

a n d c o n c e n t r a t i n g

l e n s e s

m i r r o r s t h a t

f o c u s s u n l i g h t

o n t o

S e m i c o n d u c t o r

C h a r g e - s e p a r a t i n g

b a r r i e r

r e g i o n

P o w e r

c o n d i t i o n

E n e r g y

s t o r a g e

E l e c t r i c a l

l o a d

F i g u r e

S k e t c h s h o w i n g f u n c t i o n a l e l e m e n t s o f s o l a r

c e l l s y s t e m .


16/48

O V E R V I E W

s m a l l e r

a n d h e n c e

l e s s c o s t l y s e m i c o n d u c t o r c e l l . c o n c e n t r a t i o n e m

p l o y e d , a t r a c k i n g s u b s y s t e m m a y

b e r e q u i r e d

t o k e e p t h e

a r r a y

p o i n t e d t h e

s u n

t h r o u g h o u t

t h e d a y .

1 . 2

T Y P E S

O F E L L S

g l a n c e r e c e n t l i t e r a t u r e s e e A n n o t a t e d B i b l i o g r a p h y , A p p e n d i x

s o w s t h a t m a n y d i f f e r e n t s o l a r c e l l d e s i g n s a n d m a t e r i a l s b e i n g s t u d i e d .

T h i s s i t u a t i o n c o m m o n e a r l y s t a g e s o f a t e c h n i c a l d e v e l o p m e n t , w h e n

m a n y

d i f f e r e n t

a p p r o a c h e s a r e

e x p l o r e d . I n c i d e n t a l l y , t e r r e s t r i a l

u s e

o f

c e l l s

p r o d u c e p o w e r q u i t e r e c e n t , e v e n

t h o u g h p h o t o v o l t a i c

e f f e c t h a s b e e n

k n o w n

s i n c e

1 8 3 9 .

S i l i c o n

s o l a r

c e l l s

w e r e

f i r s t

d e s c r i b e d

p r i n t

1 9 5 4 ,

a n d

s o l a r c e l l s

h a v e b e e n u s e d

o n m o s t

o f s p a c e c r a f t

l a u n c h e d s i n c e

t h e n . C e l l s

u s e

s p a c e

a r e n o t d i s c u s s e d

t h i s

b o o k

b e c a u s e t h e h o s t i l e c o n d i t i o n s

t h o s e

c e l l s m u s t w i t h s t a n d ,

t o g e t h e r w i t h e x t r e m e r e l i a b i l i t y d e m a n d e d

m a k e

s p a c e

c e l l s f a r t o o

c o s t l y a n d

s p e c i a l i z e d t e r r e s t r i a l

u s e .

A l t h o u g h d e t a i l s i n v o l v e

c o n c e p t s

o f

s o l i d - s t a t e

p h y s i c s , c h e m i s t r y ,

a n d

m a t e r i a l s s c i e n c e ,

s o m e

v e r y s i m p l e o b s e r v a t i o n s

u n d e r l i e

t h e d i f f e r e n t

t y p e s o f s o l a r c e l l s :

B e c a u s e s i l i c o n

h a s

b e e n u s e d

e x t e n s i v e l y

f o r i n t e g r a t e d c i r c u i t s ,

t e c h n o l o g y w e l l

d e v e l o p e d

a n d n a t u r a l c h o i c e s o l a r c e l l s

n o w w h i l e o t h e r a p p r o a c h e s b e i n g d e v e l o p e d .

M a k i n g t h i n - f i l m o r p o l y c r y s t a l l i n e c e l l s i n s t e a d o f s i n g l e - c r y s t a l c e l l s ,

w i

r e q u i r e e x t e n s i v e h e a t i n g a n d c a r e f u l c r y s t a l

g r o w t h

a n d s l i c i n g , m a y

b e

e c o n o m i c a l

t e r m s o f

b o t h

m o n e t a r y c o s t a n d

e n e r g y

e x p e n d e d

p r o d u c t i o n p r o c e s s .

S i n c e

f o c u s i n g l e n s e s a n d m i r r o r s c o s t m u c h l e s s p e r u n i t a r e a

t h a n d o

m o s t s e m i c o n d u c t o r s ,

c a n

b e c o s t - e f f e c t i v e

u s e c o n c e n t r a t o r

s y s t e m s

w i

s u n l i g h t f o c u s e d o n t o

r e l a t i v e l y

s m a l l s e m i c o n d u c t o r c e l l s .

S i n c e

c e l l s

c a n b e d e s i g n e d

w o r k

p a r t i c u l a r l y

w e l l

w i t h

l i g h t

o f

o n e

w a v e l e n g t h , m a y b e e c o n o m i c a l s p l i t s p e c t r u m a n d d i r e c t d i f f e r e n t

p o r t i o n s o n t o c e l l s o p t i m i z e d t h o s e s p e c t r a l c o m p o n e n t s s p l i t s p e c t r u m

m u l t i c o l o r c e l l s ) .

S i n c e b o t h

a v a i l a b l e

s u n l i g h t a n d d e m a n d e n e r g y f l u c t u a t e ,

c e l l s

p r o v i d i n g i n h e r e n t

e n e r g y

s t o r a g e

b y

e l e c t r o l y s i s

w i t h i n

c e l l

m a y

b e

a t t r a c t i v e p h o t o e l e c t r o c h e m i c a l

c e l l s ) .

T h e c e l l t y p e s

s h o w n

F i g . 1 . 2 a r r a n g e d a c c o r d i n g m a t e r i a l a n d

f o r m o f s e m i c o n d u c t o r u s e d a n d t h e d e g r e e o f s u n l i g h t c o n c e n t r a t i o n

e m p l o y e d .

S o m e

c h a r a c t e r i s t i c s

s t a r t i n g

m a t e r i a l

c e l l

d e s i g n

a l s o

i n d i c a t e d .

T h e c e l l s p r o d u c e d g r e a t e s t q u a n t i t y h a v e b e e n m a d e o f s i n g l e - c r y s t a l


17/48

T Y P E S O F C E L L S

9

I n t e n s i t y c o n c e n t r a t i o n f a c t o r

F l a t

p l a t e )

l O O x

1 0 0 0 X

w a f e r )

r i b b o n )

d e n d r i t i c w e b

M u l t i c o l o r :

S p l i t s p e c t r u m G a A s ; G e

M o n o l i t h i c

F i g u r e T y p e s

s o l a r

c e l l s , a r r a n g e d

a c c o r d i n g

d e g r e e o f

c r y s t a l l i n i t y

s e m i c o n d u c t o r d e g r e e

s u n l i g h t

c o n c e n t r a t i o n u s e d , a n y . S i n g l e - c r y s t a l s i l i

c o n n

g a l l i u m

a r s e n i d e , a n d

t h i n - f i l m C d S C u 2 S

c e l l s

d i s c u s s e d P a r t

t h i s

b o o k , w h i l e o t h e r c e l l

t y p e s

a n d m a t e r i a l s d i s c u s s e d P a r t I I I

s i l i c o n ,

a n d

u s e d

w i t h o u t s u n l i g h t c o n c e n t r a t i o n

u p p e r l e f t c o r n e r ,

F i g .

S i l i c o n

c e l l s

h a v e b e e n m a d e o f w a f e r s

s a w e d

f r o m l a r g e s i n g l e - c r y s t a l

i n g o t s ,

a n d

f r o m t h i n r i b b o n s o r t h i n

w e b s

s i l i c o n t h a t

d o

r e q u i r e

s l i c i n g . O f m a n y o t h e r s i n g l e - c r y s t a l c e l l m a t e r i a l s t h a t h a v e b e e n s t u d i e d ,

c o m p o u n d

s e m i c o n d u c t o r g a l l i u m

a r s e n i d e b e e n

m o s t u s e d

e x p e r i

m e n t s

b e c a u s e h i g h

e f f i c i e n c y

a n d

a b i l i t y

o p e r a t e

h i g h t e m

p e r a t u r e s . C o n c e n t r a t o r c e l l s y s t e m s h a v e

b e e n m a d e w i t h

b o t h s i l i c o n a n d

g a l l i u m a r s e n i d e . C o n c e n t r a t o r c e l l c o n f i g u r a t i o n s d i f f e r f r o m

t h o s e

n o n -

c o n c e n t r a t o r f l a t - p l a t e c e l l s ) ; c o n c e n t r a t o r c e l l s m u s t w i t h s t a n d h i g h e r

t e m p e r a t u r e s a n d

m u s t

h a v e

l o w e r

r e s i s t i v e l o s s e s b e c a u s e o f t h e i r

r e l a t i v e l y


18/48

O V E R V I E W

h i g h e r c e l l c u r r e n t s . S i n c e s p l i t - s p e c t r u m c e l l s i n v o l v e s e v e r a l c e l l s o n e

e x p e c t s t h a t t o a c h i e v e l o w

s y s t e m c o s t

s u c h c e l l s w i l l b e u s e d

i n i t i a l l y

w i t h

c o n c e n t r a t i n g

l e n s e s m i r r o r s .

A n o t h e r

c o n c e n t r a t o r

c e l l

i n v o l v i n g

s p e c t r a l

a l t e r a t i o n

i n t e r e s t o f h i g h

e f f i c i e n c y

t h e r m o p h o t o v o l t a i c c e l l ,

w h i h

i l l u m i n a t e d b y

r e l a t i v e l y l o n g w a v e l e n g t h

r a d i a t i o n

f r o m a

p l a t e

h e a t e d

b y c o n c e n t r a t e d s u n l i g h t .

M o s t c e l l s e m p l o y s o - c a l l e d / > j u n c t i o n s , t h a t t w o a d j a c e n t r e g i o n s o f

s e m i c o n d u c t o r s u c h s i l i c o n t h a t c o n t a i n

d i f f e r e n t i m p u r i t i e s

w i t h i n t h e m

t h e y

h a v e

d i f f e r e n t

e l e c t r i c a l

c h a r a c t e r i s t i c s . A n

a l t e r n a t i v e s t r u c t u r e

S c h o t t k y - b a r r i e r

c e l l w h i c h

a t h i n f a i r l y t r a n s p a r e n t

m e t a l

f i l m r e p l a c e s

o n e o f s e m i c o n d u c t o r

r e g i o n s

o f p n

- j u n c t i o n

c e l l A n o t h e r p r o m i s i n g

c e l l d e s i g n c o n t a i n s a d d i t i o n a v e r y t h i n i n s u l a t i n g r e g i o n b e t w e e n m e t a l

a n d

s e m i c o n d u c t o r ,

f o r m i n g m e t a l - i n s u l a t o r - s e m i c o n d u c t o r M I S

m e t a l - o x i d e - s e m i c o n d u c t o r M O S

s t r u c t u r e .

P o l y c r y s t a l l i n e c e l l s g e n e r a l l y h a v e l o w e r p r o d u c t i o n a n d m a t e r i a l c o s t s

t h a n d o c o n v e n t i o n a l l y

m a d e s i n g l e - c r y s t a l

c e l l s . A l t e r n a t i v e s c o n

v e n t i o n a l m e t h o d s m a k i n g s i n g l e - c r y s t a l i n g o t s h a v e b e e n d e v e l o p e d ,

w i l l d i s c u s s e d

C h a p . T h e s e i n c l u d e e d g e - d e f i n e d f i l m - f e d g r o w t h

E F G a n d d e n d r i t i c w e b c e l l s

T h i n - f i l m

c e l l s

w h i c h

s e m i c o n d u c t i n g

f i l m d e p o s i t e d o n s u b s t r a t e , i n c l u d e o m m e r i l c a d m i u m s u l f i d e c e l l s

w h i c h a c t u a l l y h a v e p n j u n c t i o n b e t w e e n l a y e r s

o f

c a d m i u m s u l f i d e a n d

c o p p e r

s u l f i d e ,

a n d

c e l l s

m a d e

o f

t h i n f i l m s

o f

a m o r p h o u s

s e m i c o n d u c t o r s .

E x p e r i m e n t a l

c e l l s

m a d e f r o m o r g a n i c

c o n s t i t u e n t s

a r e a l s o u n d e r

v e s t i g a t i o n . S t u d i e s p r e d i c t t h a t w i l l p o s s i b l e m a k e t h i n - f i l m c e l l s

t h a t

e f f i c i e n t a n d i n e x p e n s i v e

e n o u g h

b e c o m e c e l l s o f c h o i c e

m a n y

t e r r e s t r i a l a p p l i c a t i o n s .

1 . 3 O W M U

P O W E R

A N D W H E N

W h e n o n e c o n s i d e r s t h a t p o w e r r a t i n g m o d e r n c e n t r a l e l e c t r i c i t y -

g e n e r a t i n g

p l a n t

t y p i c a l l y

1 0 0 0

m e g a w a t t s , p r e s e n t a n n u a l w o r l d

d u c t i o n

s o l a r c e l l s

o f o n l y f e w m e g a w a t t s

s e e m s v e r y s m a l l

i n d e e d . A

m e g a w a t t o n e m i l l i o n w a t t s . W h a t r e a s o n s t h e r e t h i n k t h a t s o l a r c e l l s

m a y b e

i m p o r t a n t c o m p o n e n t s

w o r l d e n e r g y p i c t u r e n e x t f e w

d e c a d e s ?

F i r s t o n e m u s t j u d g e s i g n i f i c a n c e s o l e l y o n t h e b a s i s t o t a l p o w e r

o u t p u t .

E v e n

1 0 0 - w a t t

s o l a r c e l l p o w e r s u p p l y a n y o n e t h e s e v e r a l

m i l l i o n s m a l l

v i l l a g e s

w o r l d c o u l d b e o f e n o r m o u s

i m p o r t a n c e

v i l l a g e r s ,

w h o m

w o u l d p r o v i d e p o w e r

w a t e r p u m p i n g ,

r e f r i g e r a t i o n ,

c o m m u n i c a t i o n

w i t h s u r r o u n d i n g w o r l d .

S e c o n d ,


p o w e r

g e n e r a t i o n

r e l a t i v e l y f r e e f r o m p r o b l e m s

f a c i n g

f o s s i l - f u e l e d n u c l e a r

p o w e r p l a n t s e s c a l a t i n g

f u e l

c o s t s , d i s p o s a l w a s t e s ,

d i s p o s a l

o f h e a t ,


19/48

H O W

M U C H

P O W E R . A N D

W H E N ?

m a j o r c o n c e r n s o v e r s a f e t y , a n d

p o t e n t i a l

m o d i f i c a t i o n o f w e a t h e r

d u e

r e l e a s e c a r b o n

d i o x i d e .

T h i r d ,

p h o t o v o l t a i c s y s t e m s

m o d u l a r

a n d c a n

i n s t a l l e d

n e a r

p o i n t s

o f a n d

o n

l i n e

q u i c k l y

d e m a n d

e l e c t r i c i t y r i s e s

T h e s e

i n h e r e n t a d v a n t a g e s ,

p l u s e x p e r i e n c e

a n d e x

p e c t a t i o n s

s t e a d y

r e d u c t i o n

s o l a r

c e l l s y s t e m c o s t ,

l e a d p r e d i c t i o n

t h a t s o l a r c e l l

s y s t e m s c a n m a k e s i g n i f i c a n t c o n t r i b u t i o n

w o r l d

e n e r g y

s u p p l y .

F i g u r e s u m m a r i z e s e n e r g y s u p p l y a n d u t i l i z a t i o n U n i t e d S t a t e s

1 9 7 8 . T h e u n i t s t a n d i n g

u s a g e q u a d . q u a d r i l l i o n

o r 1 0 1 5

B t u

B r i t i s h

t h e r m a l u n i t s ) , v e r y l a r g e a m o u n t

e n e r g y .

S e v e r a l d e t a i l s

w o r t h o b s e r v i n g

o n

t h i s s p a g h e t t i d i a g r a m .

1 9 7 8 ,

5 4 p e r c e n t

e n e r g y w a s w a s t e d , c a n b e s e e n b y c o m p a r i n g t w o e n e r g y a m o u n t s

e x t r e m e r i g h t s i d e F i g . 1 . 3 . E l e c t r i c i t y p r o d u c t i o n c o n s u m e d 2 8 p e r c e n t

t o t a l e n e r g y

i n p u t ,

a n d p r o d u c t i o n o f e l e c t r i c i t y w a s o n a v e r a g e

o n l y a b o u t 3 3 p e r c e n t e f f i c i e n t . T h e a v e r a g e r a t e o f c o n s u m p t i o n e l e c t r i c a l

e n e r g y

U n i t e d

S t a t e s 1 9 7 8

w a s

a b o u t

2 6 0

g i g a w a t t = w a t t s , w h e r e w a t t = j o u l e

p e r

s e c o n d ) a n d t o t a l

w o r l d

r a t e c o n s u m p t i o n o f

e l e c t r i c a l

e n e r g y w a s a b o u t

t h r e e

t i m e s f i g u r e f o r

U n i t e d S t a t e s .

P r e d i c t i n g a l w a y s u n c e r t a i n , c u r r e n t U . S . g o v e r n m e n t p r e d i c t i o n s

t h a t w h e n c o s t

o f p o w e r

f r o m p h o t o v o l t a i c

s y s t e m s

r p s

S 2 . 2 0 / W p l t

r e s i d e n t i a l

c o n s u m e r s ,

a n n u a l

U . S . m a r k e t

w i l l

b e

G W p k , a n d e l e c t r i c u t i l i t y m a r k e t p h o t o v o l t a i c p o w e r w i l l

r a n g e f r o m

2 0

G W p k

p e r y e a r . T h e

s y m b o l S / W p ) l

t h i s b o o k m e a n s t h e c o s t

1 9 8 0

U . S . d o l l a r s o f

a c q u i r i n g

a s o l a r c e l l a r r a y

t h a t

p r o d u c e s w a t t o f

p e a k

e l e c t r i c a l p o w e r w h e n i l l u m i n a t e d w i t h s u n l i g h t a n

i n t e n s i t y

k i l o w a t t

s q u a r e

m e t e r . B e c a u s e

s u n l i g h t

i n t e n s i t y v a r i e s t h r o u g h d a y ,

p e a k o u t p u t

c e l l c o u r s e ,

g r e a t e r

t h a n

p o w e r o u t p u t

a v e r a g e d

o v e r 2 4 - h o u r d a y . )

W h e n m i g h t


e l e c t r i c i t y r e a c h

t h i s p r i c e l e v e l ?

A c t i v e

s o l a r

c e l l

r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t u n d e r w a y i n d u s t r i a l a n d g o v e r n m e n t a l

l a b o r a t o r i e s

n e a r l y

e v e r y

d e v e l o p e d c o u n t r y

a n d

m a n y d e v e l o p i n g c o u n

t r i e s

T h e

d e t a i l e d

g o a l s o f

U . S .

D e p a r t m e n t

o f

E n e r g y D O E e f f o r t

a p p e a r

T a b l e 1 . 1 . T h e o v e r a l l

g o a l

r e p l a c e o n e

q u a d

p e r

y e a r

o f

p r i m a r y f u e l s b y

p h o t o v o l t a i c s b y

y e a r 2 0 0 0 . r e c e n t

p a s t , c o m m e r

c i a l s o l a r c e l l c o s t s h a v e d r o p p e d f a s t e r t h a n O E g o a l s , s h o w n F i g .

1 . 4 . S i n c e

1 9 8 0

t h e p r i c e a c t u a l l y f a l l e n , a n d f e d e r a l f u n d i n g

p h o t o v o l t a i c s h a s b e e n b a c k U n i t e d S t a t e s . F u n d i n g e n e r g y

r e s e a r c h

s e v e r a l c o u n t r i e s i n c r e a s e d

e x a m p l e s

W e s t

G e r m a n y ,

J a p a n , a n d I t a l y ) ,

a n d h o p e d

t h a t i n d u s t r y

w i l l

m a i n t a i n m o m e n

t u m

a c h i e v i n g

c o s t

g o a l s

F i g .

1 . 4 .

g o a l s

m e t

e x c e e d e d ,

v a s t q u a n t i t i e s

s o l a r c e l l s w i l l b e m a n u f a c t u r e d a n d u s e d .

T h e a n t i c i p a t e d

r a p i d g r o w t h s o l a r

c e l l

r a i s e s

q u e s t i o n s a b o u t


20/48

H y d r o e l e c t r i c 1

G e o t h e r m a l a n d O t h e r 0 . 0 1

N u c l e a r

R e s i d e n t i a l

c o m m e r c i a l

1 8 . 6

I n d u s t r i a l

1 7 . 3

N o n e n e r g y

P e t r o l e u m

2 1 . 2

3 . 8 -

2 0 . 0

T r a n s p o r

t a t i o n

2 0 . 5

I m p o r t s 1 7 . 4

S t r a t e g i c

r e s e r v e

F i g u r e E n e r g y f l o w U n i t e d S t a t e s 1 9 7 8 R a m s e y , 1 9 7 9 ) . N u m b e r s q u a d s q u a d r i l l i o n s B t u s ) .


21/48

T a b l e

S o l a r

c e l l d e v e l o p m e n t a n d p r o d u c t i o n g o a l s o f

t h e

U . S .

D O E N a t i o n a l P h o t o v o l t a i c s P r o g r a m

C o s t s p e r

d e l i v e r e d

w i t h

i l l u m i n a t i o n k W / n r 1 9 8 0 U . S . d o l l a r s D O E ,

1 9 8 0 ) .

S y s t e m p r i c e s t h i r d c o l u m n i n c l u d e b a l a n c c - o f - s y s t c m c o m p o n e n t s r e q u i r e d

a d d i t i o n

s o l a r c e l l s , w h o s e p r i c e s

a p p e a r c o l u m n

A p p l i c a t i o n y e a r

R e m o t e

s t a n d - a l o n e

1 9 8 2 )

R e s i d e n t i a l 1 9 8 6 )

I n t e r m e d i a t e l o a d

c e n t e r 1 9 8 6 )

C e n t r a l p o w e r

s t a t i o n 1 9 9 0 )

C o l l e c t o r

p r i c e F O B .

S / W p K

s 2 . 8 0

0 7 0

S 0 7 0

0 . 1 5 - 0 . 4 0

S y s t e m

p r i c e ,

S / W , *

6 - 1 3

1 . 6 0 - 2 . 2 0

1 . 6 0 - 2 . 6 0

1 . 1 0 - 1 . 3 0

P r o d u c t i o n

s c a l e ,

M W ^ / y r

1 0 0 - 1 0 0 0

1 0 0 - 1 0 , 0 0 0

5 0 0 - 2 5 0 0

U s e r

e n e r g y p r i c e ,

c / k W h

3 . 5 - 1 0 . 5

5 . 0 - 1 3 . 5

4 . 0 - 1 0 . 0

2 9 . 4 0 Q

2 0 . 0 0

1 0 . 0 0

5 . 0 0

2 . 5 0

1 . 0 0

0 . 5 0

0 . 2 5

0 . 1 0

T h i n f i l m s a n d a d v a n c e d c o n c e p t s

D e v e l o p m e n t

a u t o m a t i o n s c a l e - u p

I m p o r t e d c r u d e

s c a l e

r i g h t

3 3 . 8 9 P r o d u c t i o n e x p e r i e n c e

7 7 7 8 7 9 8 0 8 7 8 8

C a l e n d a r y e a r

F i g u r e P r i c e g o a l s a n d c o s t h i s t o r y f o r t e r r e s t r i a l s o l a r c e l l m o d u l e s a n d a r r a y s ,

1 9 8 0 d o l l a r s . S h a d e d r e g i o n s

r e p r e s e n t

a c t u a l p u r c h a s e p r i c e s . B l o c k b u y s

a n d

w e r e l a r g e U . S . g o v e r n m e n t p u r c h a s e s d e m o n s t r a t i o n p r o j e c t s . F r o m D O E

1 9 8 0 . ) T h e

p r i c e s

b a r r e l o f i m p o r t e d c r u d e

d e l i v e r e d U

p o r t s , a v e r a g e d

o v e r s u p p l i e r s

t h r o u g h y e a r ,

a r e a l s o p l o t t e d c u r r e n t

y e a r

d o l l a r s .

D O E ,

1 9 8 1 )


22/48

O V E R V I E W

0 . 1 0 :

0 . 0 1

1 8 S 0

1 9 0 0

1 9 5 0 2 0 0 0

2 0 5 0 2 1 0 0

0 . 0 1 0

Y e a r

F i g u r e

H i s t o r y p r o j e c t i o n e n e r g y s o u r c e s

w o r l d

p l o t t e d v e r s u s

y e a r .

F

f r a c t i o n

t o t a l m a r k e t s u p p l i e d

b y g i v e n

e n e r g y

s o u r c e

W e i n g a r t ,

1 9 7 8 . T h e p l o t s h o w s h o w s i m i l a r t h e h i s t o r i e s h a v e b e e n m a j o r s o u r c e s .

p o s s i b l e r a t e s o f e x p a n s i o n m a n u f a c t u r i n g f a c i l i t i e s a v a i l a b i l i t y o f m a t e r i

a l s

a n d

s o E n c o u r a g i n g a n s w e r s

h a v e

b e e n o b t a i n e d , d i s c u s s e d

C h a p . T h e p o s s i b l e r a t e o f g r o w t h o f t h e s o l a r e n e r g y s u p p l y s u g g e s t e d

b y c u r v e s F i g . 1 . 5 , w h e r e

g r o w t h m a r k e t f r a c t i o n

c o m m a n d e d

b y a g i v e n e n e r g y s o u r c e p l o t t e d b o t h c o n v e n t i o n a l a n d n e w e r

a l t e r n a t i v e e n e r g y

s o u r c e s .

t h o s e l o g i s t i c g r o w t h c u r v e s w o o d , c o a l ,

n a t u r a l g a s ,

a n d a l s o

a p p l y

s o l a r s o u r c e s ,

w e s h o u l d

s e e a g r o w t h

r a t e

s o l a r s o u r c e s s o l a r c e l l a n d s o l a r t h e r m a l p o w e r p l a n t s , a n d h e a t i n g

a n d

c o o l i n g

b u i l d i n g s t h a t c a u s e s t h o s e

s o u r c e s

b e c o m e d o m i n a n t

o v e r

a 4 0 - 5 0 - y e a r p e r i o d .

R e a l i z i n g

t h a t

t h e s e p r e d i c t i o n s a n d t r e n d s a r e o n l y s u g g e s t i v e o f

a

p o s s i b l e

f u t u r e ,

b e g i n o u r

s t u d y .

R E F E R E N E S

B a r n e t t , A . A . 1 9 7 8 , P h y s i c s T o d a y , V o l .

N o .

O E 1 9 8 0 ,

P h o t o v o l t a i c s P r o g r a m , S u b p r o g r a m s , a n d

A p p l i c a t i o n s ,

U . S . D e

p a r t m e n t o f E n e r g y R e p o r t 5 2 1 0 - 5 .

O E

1 9 8 1 ,

M o n t h l y E n e r g y R e v i e w . U . S . D e p a r t m e n t E n e r g y R e p o r t D O E / E I A

0 0 3 5 8 1 / 0 3 ,

M a r c h ,

R a m s e y , W .

1 9 7 9 , U . S . E n e r g y F l o w

1 9 7 8 , L a w r e n c e

L i v e r m o r e L a b o r a t o r y

R e p o r t

U C I D - 1 8 1 9 8 , L i v e r m o r e , C a l i f o r n i a .

W e i n g a r t ,

M .

1 9 7 8 , T h e H e l i o s S t r a t e g y , I n t I n s t A p p l . S y s . A n a l . I I A S A

R e p o r t W P - 7 8 - 8 , L a x e n b u r g , A u s t r i a .


23/48

P R O B L E M S

P R O L E M S

E n e r g y p a y b a c k

t i m e

T h e

e n e r g y

p a y b a c k

t i m e t i m e

r e q u i r e d

e n e r g y - p r o d u c i n g s y s t e m p r o d u c e

a m o u n t o f e n e r g y

u s e d m a k i n g

s y s t e m .

S u p p o s e t h a t i n t r o d u c t i o n

n e w

t h i n - f i l m

s o l a r

c e l l s

e n e r g y r e q u i r e d

m a k e s o l a r

c e l l

s y s t e m o f g i v e n a r e a r e d u c e d b y p e r c e n t f r o m

t h a t

r e q u i r e d

s i n g l e - c r y s t a l s y s t e m .

A s s u m e t h a t

s y s t e m s e f f i c i e n c y

a l s o r e d u c e d ,

s a y ,

f r o m

p e r c e n t . W h a t e n e r g y p a y b a c k t i m e o f n e w t h i n - f i l m s y s t e m t h a t

f o r t h e s i n g l e - c r y s t a l s y s t e m y e a r s ?

D o u b l i n g t i m e V e r i f y

r e s u l t s g i v e n b o x e n t i t l e d

H o w M u c h O i l ?

C h a p . A s r e l a t e d e x e r c i s e , s u p p o s e t h a t y o u h a v e a f i n a n c i a l i n v e s t m e n t

w h i c h

a m o u n t

m o n e y i n c r e a s e s

b y P p e r c e n t e a c h y e a r . S h o w

t h a t

t i m e y e a r s

y o u r

m o n e y

d o u b l e

a p p r o x i m a t e l y 7 0 / P .

E f f i c i e n c y

e n e r g y

F r o m F i g . c a l c u l a t e a p p r o x i m a t e p e r c e n t a g e o f

t o t a l e n e r g y t h a t u s e d e a c h o f m a j o r s e c t o r s l i s t e d b e l o w , t o g e t h e r w i t h

e n e r g y e f f i c i e n c y o f e a c h :

S e c t o r

U t i l i t y

e l e c t r i c i t y

g e n e r a t i o n

I n d u s t r i a l

R e s i d e n t i a l

c o m m e r c i a l

T r a n s p o r t a t i o n

O v e r a l l

A p p r o x i m a t e

t o t a l e n e r g y

i n p u t

s e c t o r

( 1 0 0 )

A p p r o x i m a t e

e f f i c i e n c y

e n e r g y

u s a g e

s e c t o r


24/48

C H P T E R

W

N T U R E

N D V I L B I L I T Y

O F

S O L R

E N E R G Y

C H P T E R O U T L I N E

T H E S U N N D

T H E S U N E R T H

R E L T I V E M O T I O N

B O X T H E S U N S

F U S I O N

R E C T O R

T M O S P H E R I C E F F E C T S O N S O L R R D I T I O N

2 3 S O L R R D I T I O N M E S U R E M E N T N D I N S T R U M E N T T I O N

2 4

G E O G R P H I C L

D I S T R I B U T I O N O F V E R G E I N S O L T I O N

E F F E C T S

O F

C O L L E C T O R

T I L T

S U M M R Y

R E F E R E N C E S

P R O B L E M S


25/48

T H E

S U N A N D

T H E S U N E A R T H R E L A T I V E M O T I O N

T h e s u n , e n e r g y s o u r c e o f s o l a r c e l l s y s t e m s , t h e s u b j e c t t h i s

c h a p t e r . r a t h e r t h o r o u g h d e s c r i p t i o n t e m p o r a l a n d g e o g r a p h i c a l v a r i

a t i o n s s o l a r i n s o l a t i o n p r e s e n t e d . h o p e d t h a t , a f t e r s t u d y i n g t h i s

c h a p t e r , o n e c a n e s t i m a t e t h e s o l a r e n e r g y a v a i l a b l e f l u t - p l a l e a n d t r a c k i n g

c o n c e n t r a t o r c o l l e c t o r s ( s o l a r c e l l s )

a n d

t h e b e s t w a y s m o u n t i n g t h e m

g i v e n l o c a t i o n .

2 . 1

T H E S U N N D T H E S U N E R T H R E L T I V E M O T I O N

T h e

l o c a t e d

o n e

o f s p i r a l

r m s O r i o n

a r m o u r g a l a x y .

b e l i e v e d t h a t h y d r o g e n n u c l e i a r e c o n v e r t e d i n t o h e l i u m n u c l e i u n d e r

h i g h

t e m p e r a t u r e

a n d

p r e s s u r e

n e a r

c e n t e r

o f

b y

t h e r m o n u c l e a r

f u s i o n .

T h e

f u s i o n e n e r g y t r a n s f e r r e d o u t w a r d b y r a d i a t i o n a n d c o n v e c t i o n a n d

f i n a l l y r a d i a t e d i n t o s p a c e f o r m o f e l e c t r o m a g n e t i c

w a v e s a n d

n e a r

v i s i b l e s p e c t r u m . T h e s p e c t r u m s o l a r r a d i a t i o n c l o s e t h a t b l a c k -

b o d y h e a t e d 5 7 4 3

K .

s u n - c e n t e r e d v i e w s u n - e a r t h s y s t e m s h o w n F i g . T h e

e a r t h ' s

o r b i t

s l i g h t l y e l l i p t i c a l a n d

e c c e n t r i c .

T h e s u n - e a r t h d i s t a n c e

v a r i e s

T H E

S U N

S

F U S I O N

R E C T O R

t h e r m o n u c l e a r f u s i o n b o t h

h i g h

t e m p e r a t u r e a n d h i g h c o n c e n t r a t i o n ( d e n

s i t y o r p r e s s u r e ) o f

r e a c t i n g g a s e s

a r c d e s i r a b l e . N e a r c e n t e r s u n ,

t e m p e r a t u r e o r d e r K d e n s i t y h o t g a s e s ) a b o u t

t i m e s t h a t w a t e r .

T h e h i g h d e n s i t y

m a i n t a i n e d b y

t h e g r a v i t a t i o n a l

f o r c e s

r e s u l t i n g f r o m

s u n ' s l a r g e

m a s s .

C u r r e n t e s t i m a t e s o f

p o w e r

r e l e a s e d

f r o m

a r o u n d

x

1 0 2 6

W .

t h i s r a t e

x

1 0 '

h y d r o g e n

c o n s u m e d f u s i o n e a c h y e a r . T h i s h u g e m a s s o n l y 1 / 1 0 s u n s

w e i g h t .

T o a c h i e v e c o n t r o l l e d f u s i o n a n e n e r g y s o u r c e o n e a r t h i m i t a t i o n

s u n ,

o t h e r

m e a n s o f c o n f i n i n g g a s e s m u s t b e f o u n d . O n e m e t h o d

b e i n g

i n v e s t i g a t e d

c a l l e d

m a g n e t i c

c o n f i n e m e n t . l o w s u f f i c i e n t

p r e s s u r e m a i n t a i n e d b y c o n f i n i n g

i o n i z e d

g a s e s b o t t l e f o r m e d w i t h

m a g n e t i c f i e l d

T h e o t h e r , n e w e r

m e t h o d

u n d e r

s t u d y

c a l l e d i n e r t i a

c o n f i n e m e n t . s m a l l , h o l l o w

g l a s s

b u b b l e h o l d i n g f u s i o n g a s e s i r r a d i a t e d

f r o m s e v e r a l s y m m e t r i c a l

d i r e c t i o n s

w i t h

b e a m s i n t e n s e

l a s e r l i g h t

l e s s

t h a n o n e b i l l i o n t h o f s e c o n d . T h e r e s u l t a n t i m p l o s i o n c o m p r e s s e s g a s e s

a d e n s i t y c o m p a r a b l e t o t h a t l e a d f o r t h e b r i e f d u r a t i o n o f f u s i o n

p r o c e s s .

Q u e s t i o n : t h e g r a v i t a t i o n a l

f o r c e l a r g e r o r s m a l l e r

n e a r c e n t e r

t h a n

n e a r s u r f a c e ?

H o w

d o y o u r e c o n c i l e t h i s w i t h f a c t

t h a t

d e n s i t y

( p r e s s u r e ) l a r g e r

n e a r

c e n t e r ' ?

( H i n t :

F o r c e

u n i t

v o l u m e

g r a d i e n t

p r e s s u r e . )


26/48

N A T U R E A N D A V A I L A B I L I T Y O F S O L A R E N E R G Y

1 2 3 . 5

M a r c h 2 2 , v e r n a l

e q u i n o x ,

=

D e c .

w i n t e r s o l s t i c e

= 2 3 . 5

J u n e

s u m m e r s o l s t i c e

=

2 3 . 5

J a n .

c l o s e s t

1 . 4 7 x m

J u l y S ,

f a r t h e s t f r o m S u n

1 . 5 2 x m

S e p t .

a u t u m n a l

e q u i n o x , =

J u n e

o r b i t

S e p t . M a r . 2 2

o r b i t

D e c . o r b i t

F i g u r e

T h e c o n v e n t i o n a l

s u n - c e n t e r e d

v i e w s u n - e a r t h

s y s t e m ,

A n

e a r t h - c e n t e r e d v i w w h i c h

e a s i e r

v i s u a l i z e .

F o r e x a m p l e

d e c l i n a t i o n a n g l e

b e t w e e n a n d p l a n e

e q u a t o r

b e t t e r i l l u s t r a t e d T h e

d a t e

g i v e n m a y v a r y

b y

o n e d a y

s e a s o n a l l y a b o u t

m e a n

b y

p e r c e n t .

A t

m e a n

d i s t a n c e

1 . 4 9 5 x 1 0 m ,

k n o w n

a s o n e a s t r o n o m i c a l u n i t t h e s o l a r

f l u x o u t s i d e t h e

e a r t h s a t m o s p h e r e 1 . 3 5 3 k W / m 2 , a q u a n t i t y k n o w n a s t h e s o l a r c o n s t a n t .

T h e

e a r t h

s p i n s

a r o u n d

o w n

p o l a r a x i s

o n c e

e v e r y s p a c e

d a y .

p o l a r a x i s

t i l t e d b y 2 3 . 4 5

f r o m

n o r m a l o f o r b i t a l p l a n e . T h i s c a u s e s

s e a s o n a l

v a r i a t i o n s t h e s u n l i g h t i n c i d e n c e a n g l e .


27/48

T H E

S U N

A N D

T H E S U N E A R T H

R E L A T I V E M O T I O N

T h e s u n - e a r t h

r e l a t i o n s h i p c a n

b e v i s u a l i z e d m o r e

e a s i l y

a n e a r t h -

c e n t e r e d

v i e w ,

w h i c h s h o w n F i g . 2 . 1 f t . T h e t w o

v i e w s ,

o f c o u r s e ,

e q u i v a l e n t t h r o u g h c o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n s . F i g . 2 . 1 f t , e a r t h

m o t i o n l e s s w i t h p o l a r a x i s p o i n t i n g

u p w a r d . T h e

s u n m o v e s

a r o u n d

e a r t h e x a c t l y

o n c e

e v e r y

d a y

c o n s t a n t a n g u l a r s p e e d ( 1 5 p e r

h o u r ) t r a c i n g

a n a l m o s t

p e r f e c t l y

c e n t e r e d a n d c i r c u l a r p a t h . T h e

s o l a r

p a t h

h i g h e s t

o v e r

n o r t h p o l e

w i t h

s u n r a y s

m a k i n g

a 2 3 . 5 a n g l e

w i t h

p l a n e o f

e q u a t o r

a r o u n d J u n e A r o u n d S e p t e m b e r 2 3

a n d

M a r c h s u n

r a y s

a r r i v e

p a r a l l e l t o t h e p l a n e o f t h e

e q u a t o r ;

a r o u n d D e c e m b e r 2 2 , t h e s o l a r p a t h

l o w e s t b e l o w

t h e s o u t h

p o l e , m a k i n g a

- 2 3 . 5 a n g l e

w i t h t h e

p l a n e o f

e q u a t o r . O n H t h d a y

o f y e a r , d e c l i n a t i o n 8 c a n b e f o u n d

f r o m

a p p r o x i m a t e e q u a t i o n

= 2 3 . 4 5 > J - ^ p ] 2 . 1 . 1

T h e r a d i i o f t h e s o l a r p a t h s a l s o v a r y t h r o u g h y e a r s o t h a t e a r t h - s u n

d i s t a n c e

v a r i e s

F i g . 2 . 1 a , o r a p p r o x i m a t e l y

E a r t h s u n

d i s t a n c e = x 1 0 +

0 . 0 1 7

l i r 9 3 J

( 2 . 1 . 2 )

T o v i s u a l i z e t h e g e o m e t r i c a l f a c t o r s s o l a r f l u x a c e r t a i n

l o c a t i o n

o n

e a r t h , i m a g i n e t a n g e n t p l a n e t o u c h i n g t h e e a r t h t h a t l o c a t i o n ,

s h o w n

F i g . 2 . 2 .

T h e p l a n e a n e x t e n s i o n o f t h e e a r t h s

h o r i z o n

t h a t p o i n t . T h e

a n g l e b e t w e e n t h i s p l a n e a n d p o l a r a x i s e q u a l l a t i t u d e . T h e

v i s i b l e

a n o b s e r v e r t h a t l o c a t i o n o n l y

w h e n

s u n s p a t h a b o v e

p l a n e . P o i n t A c o r r e s p o n d s s u n r i s e a n d p o i n t B , s u n s e t . T h e m i d p o i n t

b e t w e e n A

a n d

B c o r r e s p o n d s

t h e

s o l a r n o o n . C l e a r l y , f o r

a n y

l o c a t i o n

n o r t h e r n h e m i s p h e r e ,

d a y s

l o n g e r

J u n e

t h a n e c e m b e r

M o r e o v e r , h o r i z o n t a l c o l l e c t o r ( s u c h a s t h e e a r t h s s u r f a c e ) c l o s e r

b e i n g n o r m a l t h e s o l a r f l u x J u n e

t h a n

D e c e m b e r T h e r e f o r e , J u n e

w a r m e r

t h a n

D e c e m b e r

T o

e n h a n c e

s o l a r

e n e r g y

c o l l e c t i o n w i n t e r

m o n t h s , o n e c a n t i l t t h e c o l l e c t o r s u r f a c e t o w a r d s o u t h . c a n b e s h o w n

t h a t

t o t a l

a n n u a l c o l l e c t i o n m a x i m i z e d w h e n

c o l l e c t o r

a p p r o x i

m a t e l y

p a r a l l e l t o

t h e p o l a r a x i s ,

t h e

c o l l e c t o r

t i l t e d

t h e

s o u t h

b y

( s e e S e c . 2 . 5 ) . T h e f o l l o w i n g e x a m p l e s o f m a n y q u e s t i o n s t h a t c a n

a n s w e r e d

u s i n g

F i g s .

2 1 6

a n d

2 . 2 .

I m a g i n e

t r a c k i n g s o l a r

c o l l e c t o r f r o n t

o f y o u . C a n

y o u

v i s u a l i z e t h e

m o t i o n s m u s t g o t h r o u g h o r d e r f a c e t h e s u n d i r e c t l y d a y t i m e

h o u r s

t h r o u g h o u t

y e a r ?

F r o m s y m m e t r y F i g . 2 . 2 ( t h e e a r t h s r a d i u s n e g l i g i b l e c o m p a r i s o n

w i t h s u n - e a r t h d i s t a n c e ) ,

c a n

y o u t h a t

a n n u a l

a v e r a g e

l e n g t h


28/48

2 0 N A T U R E A N D A V A I L A B I L I T Y O F S O L A R E N E R G Y

J u n e

l a t i t u d e

D e c .

i g u r e

t a n g e n t

p l a n e t o u c h i n g

e a r t h

a n e n l a r g e m e n t o f h o r i z o n t a l

p l a n e

t h a t l o c a t i o n . T h i s p l a n e

c n h e l p

o n e

v i s u a l i z e s e a s o n a l

v a r i a t i o n

l e n g t h d a y ,

m o t i o n s

t r a c k i n g

s o l a r c o l l e c t o r m u s t

g o

t h r o u g h

d a y a n d

a y e a r ,

a n d

f o r t h .

d a y e q u a l a v e r a g e l e n g t h n i g h t ?

w h a t a v e r a g e

l e n g t h d a y ? A n s w e r :

1 2 h o u r s . )

A r o u n d p o l a r

r e g i o n s ,

s u n m a y b e i n v i s i b l e f o r e n t i r e d a y .

w h i c h

p o r t i o n s w o r l d w i l l t h i s p h e n o m e n o n o c c u r o n

l e a s t

o n e d a y e a c h

y e a r ? A n s w e r : n o r t h 6 6 . 5 N a n d

s o u t h

o f

6 6 . 5 S . )

2 . 2

T M O S P H E R I

E F F E T S

O N

S O L R

R D I T I O N

O n

c l e a r d a y

a n d

w h e n

s u n

d i r e c t l y

o v e r h e a d , 7 0 p e r c e n t o f t h e s o l a r

r a d i a t i o n

i n c i d e n t

e a r t h s

a t m o s p h e r e

r e a c h e s e a r t h s s u r f a c e

u n

d i s t u r b e d . A n o t h e r

p e r c e n t r e a c h e s

g r o u n d

a n a p p r o x i m a t e l y

i s o t r o p i c m a n n e r a f t e r s c a t t e r i n g f r o m a t m o s p h e r i c m o l e c u l e s a n d p a r t i c u -

l a t e s

T h e r e s t

a b s o r b e d s c a t t e r e d

b a c k

i n t o s p a c e . F i g u r e i l l u s t r a t e s

s i t u a t i o n .

r e v i e w o f v a r i o u s p r o c e s s e s

D O E

R e p o r t

H C P / T 2 5 5 2 - O I . C l e a r l y ,

b o t h d i r e c t a n d s c a t t e r e d

f l u x e s v a r y w i t h

t i m e

a n d l o c a t i o n b e c a u s e a m o u n t s

d u s t

a n d w a t e r

v a p o r

t m o s p h e r e

c o n s t a n t e v e n o n c l e a r d a y s . c o m m o n l y a c c e p t e d o f s o l a r f l u x e s


29/48

A T M O S P H E R I C E F F E C T S O N

S O L A R

R A D I A T I O N

A b s o r b e d

T o t a l

^

^

8

6 t

I n p u t

1 0 0

O z o n e

2 0 - 4 0 k m

U p p e r o

d u s t

l a y e r

1 5 - 2 5

k m

m o l e c u l e s

0 - 3 0 k m

W a t e r

v a p o r

k m

L o w e r

X d u s t

k m

\ /

\

/

v

D i r e c t E a r t r

7

S c a t t e r e d

s p a c e

T o t a l 3

/

5

s

1

^ S

1

h i .

7

S c a t t e r e c

E a r t h

7

F i g u r e

2 . 3 T y p i c a l m a s s

o n e

A M I )

c l e a r

a b s o r p t i o n

a n d

s c a t

t e r i n g i n c i d e n t

s o l a r

e n e r g y .

C l o u d s c a n s i g n i f i c a n t l y r e d u c e

d i r e c t

t r a n s m i s s i o n

a n d

i n c r e a s e

s c a t

t e r i n g .

m a s s o n e A M I )

s u n

s h o w n T a b l e 2 . 1 . A m o r e c o m p l e t e t a b l e

o f

u n i t s

a n d n u m e r i c a l

c o n s t a n t s

c a n b e f o u n d

A p p e n d i x

A i r

m a s s

o n e

r e f e r s t h i c k n e s s a t m o s p h e r e s u n b e a m

p a s s e s

t h r o u g h

b e a m n o r m a l

h o r i z o n .

T h e

a n g l e b e t w e e n

s u n b e a m

a n d

h o r i z o n , a ,

c a l l e d t h e

s o l a r

a l t i t u d e .

F o r a n y

s o l a r

a l t i t u d e s

o t h e r

t h a n 9 0 , m a s s

n u m b e r o f c o u r s e l a r g e r a n d

e q u a l a

e x c e p t

v e r y s m a l l

a s , f o r

w h i c h c u r v a t u r e o f a t m o s p h e r e m a k e s

m a s s s m a l l e r

t h a n c s c

S i n c e a n A M

a t m o s p h e r e

r e d u c e s d i r e c t

f l u x

b y

t h e f a c t o r a b l e 2 . 1 ) , o n e w o u l d e x p e c t

d i r e c t

i n t e n s i t y a n

a r b i t r a r y m a s s n u m b e r b e

=

1 . 3 5 3 x 0 . 7 a i r m a s s = 1 . 3 5 3 x 0 . 7 c s c < t k W / n r 2 . 2 . 1 )

M e i n e l a n d

M e i n e l 1 9 7 6 ) h a v e f o u n d , h o w e v e r , t h a t

a c t u a l

o b s e r v a t i o n s b y

L a u e

1 9 7 0 ) c a n b e f i t t e d b e t t e r w i t h

= 1 . 3 5 3 x 0 . 7 l c s c

Q 6 7 8

k W n v 2 . 2 . 2


30/48

2 2 N A T U R E A N D

A V A I L A B I L I T Y

O F S O L A R

E N E R G Y

T a b l e S o l a r f l u x e s o f A M I s u n

S u n b e a m n o r m a l h o r i z o n , s o l a r n o o n s u m m e r

s o l s t i c e

2 3 . 5 N

l a t i t u d e [ M e i n e l M e i n c l 1 9 7 6 ]

A b o v e

a t m o s p h e r e

d i r e c t / t o t a l : 1 . 3 5 3 k W / m 2

D e s e r t

l e v e l

d i r e c t : 0 . 9 7 0

k W / m 2

D e s e r t l e v e l

t o t a l : 1 . 0 5 0 k W / m 2

S t a n d a r d l e v e l d i r e c t : 0 . 9 3 0 k W / m 2

k W / r r r

= 1 . 4 3 3 l a n g l c y / m i n

c a l / c i r r m i n

=

3 1 6 . 9 B t u / f t 2 - h r

T h e r e n o k n o w n e x p l a n a t i o n f o r t h e a d d i t i o n a l e x p o n e n t . E q u a t i o n s 2 . 2 . 1

a n d

2 . 2 . 2

c a n

b e

u s e d

e s t i m a t e

t h e c l e a r

s k y

d i r e c t

n o r m a l

c o l l e c t o r

f a c i n g s u n f l u x a r b i t r a r y s o l a r a l t i t u d e .

B e s i d e s i n t e n s i t y , s p e c t r a l

d i s t r i b u t i o n s

o f s o l a r f l u x e s a l s o

f e c t e d

b y a t m o s p h e r e .

T h i s f a c t i m p o r t a n t p h o t o v o l t a i c s o l a r e n e r g y

c o n v e r s i o n s i n c e t h e c o n v e r s i o n e f f i c i e n c i e s o f s o l a r c e l l s d e p e n d o n

s p e c t r u m

o f i n c i d e n t l i g h t .

F i g u r e

s h o w s t h e s o l a r s p e c t r u m o u t s i d e

a t m o s p h e r e m a s s z e r o ,

A M 0 w h i c h c l o s e 5 7 4 3 K

b l a c k b o d y r a d i a t i o n s p e c t r u m ,

a n d

A M I m a s s o n e d i r e c t

a n d

e s t i

m a t e d

d i f f u s e r a d i a t i o n

s p e c t r a l e v e l .

T h e A M I

d i r e c t

r a d i a t i o n

s p e c

t r u m f r o m T h e k a e k a r a

1 9 7 4 . A b s o r p t i o n

b y

o z o n e

e s s e n t i a l l y c o m p l e t e

b e l o w

/ i t m w a v e l e n g t h . T h e r e l a t i v e l y l a r g e a t t e n u a t i o n b e l o w

f i m

d u e s c a t t e r i n g b y m o l e c u l e s a n d p a r t i c u l a t e s . T h e s e s c a t t e r i n g p r o c e s s e s

b e c o m e w e a k e r l o n g e r w a v e l e n g t h s , b e e n s h o w n b y b o t h t h e o r y

a n d

o b s e r v a t i o n . T h i s a l s o e x p l a i n s s p e c t r u m o f t h e d i f f u s e r a d i a t i o n , w h i c h

r i c h e r t h a n d i r e c t r a d i a t i o n b l u e p o r t i o n

o f

s p e c t r u m .

T h e

m a n y n o t c h e s t h e s e a - l e v e l s p e c t r u m c a n b e

a t t r i b u t e d t o a b s o r p t i o n

b a n d s o f v a r i o u s a t m o s p h e r i c

g a s e s . S o m e

o f

t h e a t t r i b u t i o n s

s h o w n

F i g . 2 . 4 .

F r o m

A M a n d A M I s p e c t r a , o n e m a y e s t i m a t e s p e c t r u m a n

a r b i t r a r y

m a s s

A M K

b y

a s s u m i n g

t h a t

a t t e n u a t i o n

e a c h

w a v e l e n g t h

f o l l o w s

f o r m

o f 2 . 2 . 1

2 . 2 . 2 . F o r

e x a m p l e

/ a m . A

2 . 2 . 3

a n a l y z i n g

p e r f o r m a n c e

s o l a r c e l l

s y s t e m s , c e l l

o u t p u t u s u a l l y

a s s u m e d p r o p o r t i o n a l

s o l a r

r a d i a t i o n i n t e n s i t y w i t h

n o

r e g a r d

v a r i a t i o n s

s p e c t r a l

d i s t r i b u t i o n s . T h i s p r a c t i c e s h o u l d b e

s a t i s f a c t o r y

e n g i n e e r i n g p u r p o s e s .

S o o n l y c l e a r s k y c o n d i t i o n h a s b e e n c o n s i d e r e d . T h e a m o u n t o f

s k y c o v e r

f o r m

o f c l o u d s d o m i n a n t f a c t o r d e t e r m i n i n g

t r a n s m i s s i o n a n d s c a t t e r i n g

o f

s o l a r

r a d i a t i o n .

A l t h o u g h

a m o u n t

o f w a t e r


31/48

S O L A R R A D I A T I O N

M E A S U R E M E N T A N D I N S T R U M E N T A T I O N 2 3

. - E x t r a t e r r e s t r i a l

- A i r

m a s s o n e

5 7 4 3

K b l a c k b o d y

r a d i a t i o n

D i f f u s e c o m p o n e n t

H 2 O

C O 2

0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2 . 0 2 . 2 2 . 4 2 . 6 2 . 8 3 . 0 3 . 2

B l u e

W a v e l e n g t h

/ u . m

F i g u r e S p e c t r a l

i n t e n s i t i e s e x t r a t e r r e s t r i a l m a s s

d i r e c t l y

o v e r h e a d ,

m e a s u r e d l e v e l d i r e c t s o l a r

r a d i a t i o n . t y p i c a l

s p e c t r u m c l e a r

s c a t t e r e d r a d i a t i o n a l s o s h o w n

c l o u d s u s u a l l y a s m a l l f r a c t i o n o f t o t a l w a t e r c o n t e n t a i r

c o n d e n s e d d r o p l e t s o r c r y s t a l s h a v e m u c h s t r o n g e r

e f f e c t s o n l i g h t t h a n

d o e s w a t e r v a p o r . U n l i k e

s u n - e a r t h g e o m e t r y

a n d m a s s n u m b e r

a m o u n t

s k y

c o v e r d e f i e s s i m p l e m o d e l i n g .

A s r e s u l t ,

i n s o l a t i o n m a y

f l u c t u a t e u n p r e d i c t a b l y o v e r

i n t e r v a l s o f

m i n u t e s . E v e n l o n g e r - t e r m

a v e r a g e

i n s o l a t i o n c a n b e o b t a i n e d o n l y t h r o u g h m e a s u r e m e n t s d i s c u s s e d

n e x t t w o s e c t i o n s .

2 . 3

S O L R

R I T I O N

M E S U R E M E N T N

I N S T R U M E N T T I O N

M a n y d i f f e r e n t t y p e s

o f

i n s t r u m e n t s

u s e d m e a s u r i n g s o l a r r a d i a t i o n ,

i n c l u d i n g f o l l o w i n g :

P y r a n o m e t e r : T o t a l d i r e c t a n d d i f f u s e r a d i a t i o n

S h a d i n g - r i n g p y r a n o m e t e r : D i f f u s e r a d i a t i o n


32/48

2 4 N A T U R E

A N D

A V A I L A B I L I T Y O F

S O L A R

E N E R G Y

M o v i n g

s h a d o w b a r p y r a n o m e t e r :

B o t h

t o t a l

a n d

d i f f u s e

r a d i a t i o n

P y r h e l i o m e t e r :

D i r e c t

r a d i a t i o n n o r m a l i n c i d e n c e

S u n s h i n e r e c o r d e r : H o u r s b r i g h t s u n s h i n e

P y r a n o m e t e r A l s o k n o w n a s o l a r i m e t e r , t h e p y r a n o m e t e r

g e n e r a l l y

m o u n t e d h o r i z o n t a l

p o s i t i o n a w a y f r o m t a l l

o b j e c t s t h a t f i e l d

o f v i e w o f i n s t r u m e n t c o v e r s t h e e n t i r e s k y . r e s p o n d s e q u a l l y

e n e r g y w a v e l e n g t h s . T h e E p p l e y p y r a n o m e t e r F i g . 2 . 5 a ) t y p e

m o s t c o m m o n l y u s e d U n i t e d S t a t e s . e m p l o y s m e t a l w e d g e s a r r a n g e d

i n t o c i r c u l a r d i s k a n d a l t e r n a t e l y p a i n t e d w i t h P a r s o n s b l a c k b l a c k a n d

m a g n e s i u m

o x i d e

w h i t e .

T h e d i s k p r o t e c t e d b y o n e t w o l a y e r s o f

d o m e s h a p e d

g l a s s

c o v e r s .

T h e t e m p e r a t u r e

d i f f e r e n c e

b e t w e e n b l a c k a n d

w h i t e

w e d g e s

s e n s e d

b y

m u l t i p l e

t h e r m o c o u p l e

j u n c t i o n s

w h o s e

o u t p u t

v o l t a g e

m e a s u r e d

S i m i l a r

i n s t r u m e n t s m a n u f a c t u r e d E u r o p e K i p p

a n d Z o n e n p y r a n o m e t e r s

B e c a u s e

e a s e

o f o p e r a t i n g p y r a n o m e t e r s ,

v a s t

m a j o r i t y s o l a r

i n s o l a t i o n

d a t a g a t h e r e d w i t h

t h i s t y p e o f

i n s t r u m e n t . s o m e

p a r t s

w o r l d ,

d a t a m a i n l y

g a t h e r e d w i t h

a s i m p l e r k i n d

o f i n s t r u m e n t b a s e d

o n d i f f e r e n t i a l e x p a n s i o n o f b i m e t a l e l e m e n t s . T h e p r i n c i p l e s a n d

c a l i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s m a n y p y r a n o m e t e r s d i s c u s s e d b y R o b i n s o n

1 9 6 6 ) .

S h a d i n g - r i n g p y r a n o m e t e r r i n g - s h a p e d h o o p s u n s h i e l d m a y b e a d d e d

p y r a n o m e t e r e x c l u d e d i r e c t s u n l i g h t

a n d

t h e r e b y

p e r m i t

m e a s u r e m e n t

o f

d i f f u s e c o m p o n e n t s

W h e n

t h i s r e a d i n g s u b t r a c t e d

f r o m

t h a t o f

s t a n d a r d p y r a n o m e t e r , r e s u l t d i r e c t s o l a r r a d i a t i o n .

T o

k e e p

o b s t r u c t i o n o f s k y s m a l l , t h e r i n g m a d e n a r r o w , s h a d i n g

o n l y

a b o u t

a n d

p o s i t i o n

o f t h e r i n g c h a n g e d e v e r y f e w

d a y s s e e F i g .

2 . 5 b ) .

M o v i n g s h a d o w b a r p y r a n o m e t e r T h i s i n s t r u m e n t a c l e v e r c o m b i n a t i o n

o f s t a n d a r d p y r a n o m e t e r a n d

s h a d i n g - r i n g

p y r a n o m e t e r . I n s t e a d o f

q u a s i - s t a t i o n a r y

s h a d i n g

r i n g ,

n a r r o w

s h a d o w

m o v e d

o v e r

s e n s o r

e v e r y f e w m i n u t e s ,

s h a d i n g

d i r e c t r a d i a t i o n a n d c a u s i n g a d r o p

r e c o r d e r

t r a c e .

T h e u p p e r

e n v e l o p e t r a c e t h u s p r o v i d e s

r e c o r d

t o t a l r a d i a t i o n

v e r s u s

t i m e , a n d l o w e r e n v e l o p e

r e c o r d

t h e d i f f u s e

r a d i a t i o n .

T h e

s e n s o r s m a l l s i l i c o n d i o d e s o l a r c e l l ) h a v i n g

s h o r t

r e s p o n s e

t i m e .

P y r h e l i o m e t e r T h e p y r h e l i o m e t e r h a s s m a l l f i e l d v i e w ,

a r o u n d

a n d

t r a c k s t h e s u n c o n t i n u o u s l y a n d t h u s

m e a s u r e s

t h e d i r e c t n o r m a l

r a d i a t i o n .

S i n c e

f i e l d

o f

v i e w l a r g e r t h a n

0 . 5 3 s u b t e n d e d b y

s o l a r d i s k ,

r e a d i n g h i g h e r t h a n t r u e d i r e c t

f l u x

b y f e w p e r c e n t . P y r h e l i o m e t e r

s t a t i o n s

a r e r e l a t i v e l y r a r e .

F o r

e x a m p l e ,

a m o n g a p p r o x i m a t e l y 1 0 0 s t a


33/48

S O L A R R A D I A T I O N

M E A S U R E M E N T A N D

I N S T R U M E N T A T I O N 5

l i l t l l

F i g u r e P y r a n o m e t e r . P y r a n o m c t c r w i t h s h a d i n g

r i n g .

C o u r t e s y E p p l e y

L a b o r a t o r y

I n c .


34/48

2 6

N A T U R E

A N D

A V A I L A B I L I T Y

O F

S O L A R E N E R G Y

F i g u r e 2 . 5 c o n t i n u e d ) P y r h e l i o m c t c r .

C o u r t e s y

E p p l e y L a b o r a t o r y , I n c . )

t i o n s

r e c o r d

s o l a r r a d i a t i o n

U n i t e d S t a t e s , o n l y a b o u t 1 8 r e c o r d

d i r e c t n o r m a l i n s o l a t i o n . P y r h e l i o m e t e r m e a s u r e m e n t s

a r e

n e e d e d

p r e d i c t

p e r f o r m a n c e

o f t r a c k i n g c o n c e n t r a t o r


s y s t e m s . F i g u r e 2 . 5 c

s h o w s p y r h e l i o m e t e r w i t h f i l t e r s

S u n s h i n e r e c o r d e r T h e s u n s h i n e r e c o r d e r m e a s u r e s d u r a t i o n o f b r i g h t

s u n s h i n e ,

n u m b e r o f h o u r s

p e r

d a y t h a t s u n l i g h t i n t e n s i t y a b o v e

s o m e

c h o s e n l e v e l . A n o l d e r i n s t r u m e n t ,

C a m p b e l l S t o k e s

r e c o r d e r , u s e s

s p h e r i c a l l e n s t h a t f o c u s e s s u n l i g h t o n a n a d v a n c i n g t r e a t e d p a p e r . T h e

p a p e r

b u r n e d

w h e n e v e r

b e a m r a d i a t i o n a b o v e a c r i t i c l

l e v e l

T h i s

t y p e o f

r e c o r d e r

u s e d m a n y

h u n d r e d s

o f s t a t i o n s t h r o u g h o u t w o r l d .

T h e s t a n d a r d

U . S . W e a t h e r

B u r e a u

i n s t r u m e n t

u s e s t w o p h o t o c e l l s ,

o n e

o f

w h i c h s h a d e d f r o m t h e d i r e c t r a d i a t i o n .

W h e n

t h e

r e a d i n g d i f f e r e n c e b e

t w e e n t w o c e l l s o v e t h r e s h o l d ,

b r i g h t s u n s h i n e

a s s u m e d

b e p r e s e n t . A l t h o u g h s u n s h i n e - r e c o r d e r d a t a

d o e s

p r o v i d e d i r e c t i n f o r m a

t i o n

o n i n c i d e n t

s o l a r e n e r g y , w i d e l y

a v a i l a b l e a n d

m a y

b e u s e d

e s t i m a t e t h e s o l a r r a d i a t i o n D u f f i e a n d B e c k m a n 1 9 7 4 ) .


35/48

G E O G R A P H I C A L

D I S T R I B U T I O N O F

A V E R A G E

I N S O L A T I O N 2 7

2 . 4

G E O G R P H I C L

D I S T R I U T I O N O F V E R G E

I N S O L T I O N

d e s i g n i n g a p h o t o v o l t a i c s y s t e m t e m p o r a l

v a r i a b i l i t y o f s o l a r r a d i a t i o n

n e e d s b e c o n s i d e r e d f o r t h e f o l l o w i n g r e a s o n s .

D a i l y a n d

h o u r l y

v a r i a t i o n s D a i l y v a r i a t i o n s i m p o r t a n t f o r t h e d e s i g n o f

s t o r a g e c a p a c i t y

t o t a l l y s e l f - s u f f i c i e n t s y s t e m s .

T h e v a r i a t i o n s

f r o m h o u r

h o u r , o r e v e n f r o m m i n u t e m i n u t e , s h o u l d b e

c o n s i d e r e d

w h e n a c c u r a t e l y

c a l c u l a t i n g t h e

s y s t e m

o u t p u t s i n c e

o u t p u t

p o w e r o f

c e l l s

a n d

s y s t e m g e n e r a l l i n e a r l y p r o p o r t i o n a l t h e s o l a r r a d i a t i o n . F o r

e x a m p l e , o n e h o u r o f

k W / n r

r a d i a t i o n

Solar Cells Pages 0-40

Documents

Transcript of Solar Cells Pages 0-40