Ogniwa fotowoltaiczne I
Prof. dr hab. Ewa Popko
Katedra Technologii Kwantowych
Wydział Podstawowych Problemów Techniki
Politechnika Wrocławska
Wy1 Zasoby energetyczne. 2
Wy2Fotony. Prawa promieniowania CDC, spektrum promieniowania
słonecznego. Jednostki radiometryczne.2
Wy3Oddziaływanie światła z materią. Właściwości optyczne metali i
izolatorów,2
Wy4 Elektrony i dziury w półprzewodnikach. 2
Wy5Zjawiska nierównowagowe w półprzewodnikach. Prąd unoszenia
i dyfuzyjny. 2
Wy6 Generacja i rekombinacja nośników w półprzewodnikach. 2
Wy7Oddziaływanie światła z półprzewodnikiem. Absorpcja i emisja
promieniowania elektromagnetycznego. 2
Wy8 Efekt fotowoltaiczny. Podstawy działania fotoogniw. 2
Wy9
Podstawowe struktury półprzewodnikowych ogniw słonecznych:
złącze p-n, p-i-n, kontakt Schottky metal-półprzewodnik, metal -
izolator –półprzewodnik, heterozłącza.
2
Wy10 Teoretyczne ograniczenia konwersji energii w fotoogniwach 2
Wy11Metody eksperymentalne wyznaczania podstawowych
parametrów fotoogniw. 2
Wy12 Źródła promieniowania. Aparatura spektroskopowa 2
Wy13Detektory fotonowe i termiczne promieniowania
elektromagnetycznego. 2
Wy14 Standardy, kalibracja i testowanie modułów PV i fotoogniw. 2
Wy15 Test zaliczeniowy 2
Suma godzin 30
LITERATURA PODSTAWOWA:
[1] Materiały do wykładu i laboratorium (wstępy teoretyczne oraz instrukcje robocze) ,
dostępne poprzez internet : www.if.pwr.wroc.pl/~popko
[2] E.Płaczek-Popko, „Fizyka odnawialnych źródeł energii” Skrypt DBC
[3] https://pveducation.org/
[4] K.Jager i in. „Solar Energy Fundamentals, Technology, and Systems”
https://courses.edx.org/c4x/DelftX/ET.3034TU/asset/solar_energy_v1.1.pdf,
[5] J.Nelson „The Physics of Solar Cells” Imperial College Press 2003
[6] Z. M. Jarzębski, Energia słoneczna: konwersja fotowoltaiczna, PWN, Warszawa
1990.
LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA:
[1] M.Fox „Optical Properties of Solids” Oxford University Press 2010
[2] S.M.Sze „Physics of Semiconductor Devices” J.Wiley and Sons, NY 1981, dostępna
wersja elektroniczna, e-książki, BG P.Wr.
OPIEKUN PRZEDMIOTU (IMIĘ, NAZWISKO, ADRES E-MAIL)
Ewa Popko [email protected]
Wykład I
Zasoby energetyczne
• Perspektywy energetyczne świata
• Konwencjonalne źródła energii
• Aternatywa - odnawialne źródła energii
• Fotowoltaika
• Rodzaje ogniw słonecznych
• Perspektywy rozwoju fotowoltaiki
Światowa konsumpcja energii
Całkowita światowa konsumpcja
energii w miliardach toe
(równoważnik jednej metrycznej tony
ropy naftowej o wartości opałowej
równej 10000 kcal/kg)
Kraje OECD - Organization for
Economic Cooperation and
Development
TWh – terawato - godzina
Tera - 1012
Dystrybucja zużycia energii ze względu na rodzaj
paliwa
OZE: energia słoneczna, płynąca woda,
wiatr, biomasa, energia geotermalna, wodór
OZE – koszty pozyskiwania energii
Bloomberg New Energy Finance (BNEF) przewiduje, że koszty
pozyskiwania energii słonecznej spadną o 66% do r. 2040, energii z
elektrowni wiatrowych (on shore) o 47%, co oznacza, że do r. 2030 ceny te
spadną poniżej cen energii pozyskiwanych z konwencjonalnych źródeł (PV
Europe Solar energy and applications).
Energia słoneczna jest już
obecnie w cenie węgla w
Niemczech, Australii, Stanach
Zjednoczonych, Hiszpanii i
Włoszech. Do r. 2021, będzie
tańsza niż węgiel w Chinach,
Indiach, Meksyku, W. Brytanii i
Brazylii.
Ceny spadają, liczba instalacji fotowoltaicznych szybuje w górę
Elektrownie wiatrowe - perspektywy
Podobnie sytuacja przedstawia się w przypadku energii pozyskiwanej z
wiatru. Przewiduje się, że do r. 2040 instalacje wiatrowe i słoneczne stanowić
będą 48% światowych zasobów energetycznych a w tym 34% zasobów
elektrycznych w porównaniu do teraźniejszych, równych odpowiednio 12% i
5%.
Konwencjonalne źródła energii
Oil and natural gaz – ropa i gaz, coal – węgiel, geothermal energy – energia geotermalna
Konwencjonalne źródła energii - węgiel
RWE Kolonia – elektrownia węglowa
41.6 miliardów ton CO2
36.8 miliardów
ton CO2
Paliwa kopalne (1/3 węgiel)
i przemysł
Zalety
• Opanowana technologia
• Niskie koszty (dotowana!)
• Wysoka wydajność
Wady
• Skażenie środowiska
(woda, powietrze)!!!
• Emisja CO2
Ropa naftowa i gaz
Zalety
• niski koszt• wysoka wydajność• wydajny system
dystrybucji
Wady
• zasoby na 40-90 lat
• niskie ceny prowokują rozrzutność
• skażenie powietrza i efekt cieplarniany
• skażenie wody
Łupki naftowe i piaski bitumiczne
Łupki:
• skały zawierające stałe związki węglowodorów
• zasoby – ok. 240 razy większe od zasobów ropy naftowej
Piasek bitumiczny
• oleista mieszanina gliny, piasku, wody i bituminu
• wydobywany przy pomocy dużych łopat elektrycznych,
mieszany z gorącą wodą i parą aby wyekstrahować bitumin
• bitumin jest podgrzewany aby uzyskać syntetyczną ropę
naftową
• łatwa dystrybucja, opanowana technologia
• łupki - wysoki koszt produkcji,
• konieczna duża ilość wody, skażenie środowiska, emisja
CO2
Gaz
• W 50-90% - metan
• Najczystsze źródło kopalne
• Zasoby – ok. 200 lat
Zalety
• Tani, wydajny, niska emisja CO2 ,
łatwy transport rurociągami
Wady
• Konieczna sieć rurociągów
• Metan, który się pali emituje CO2 !
• Nieszczelności - wyciek metanu
• Niebezpieczny – grozi wybuchem
Energia jądrowa
e - elektron
n - proton
p - neutron
Atom
W jądrze liczba protonów jest równa
liczbie neutronów. W izotopach
pierwiastków liczba neutronów jest
większa od liczby protonów. Takie
pierwiastki są promieniotwórcze.
Reakcja rozszczepienia jądra atomowego
𝑬 = ∆𝒎𝒄𝟐
Zalety
• B. wydajne źródło energii
• Emituje ok. 1/6 CO2 emitowanego przez węgiel
Wady
• Złoża uranu wystarczą na ok. 50 lat
• Odpady radioaktywne muszą być przechowywane bezpiecznie
przez 10,000-240,000 lat!
• Groźne - wypadki (ostatnią elektrownię jądrową w USA wybudowano w r.
1978), ataki terrorystyczne
• Badania wzbogacają wiedzę na temat broni jądrowej
Defekt masy
Reaktor jądrowy – kontrolowana łańcuchowa reakcja jądrowa
∆𝒎𝒄𝟐≅ 𝟏𝟎−𝟑 ∙ 𝟗 ∙𝟏𝟎𝟏𝟔𝒌𝒈𝒎𝟐
𝒔𝟐= 𝟗 ∙ 𝟏𝟎𝟏𝟑𝑱
Dla ∆𝒎 = 𝟏𝒈:
Elektrownia jądrowa
W obiegu pierwotnym produkowana jest gorąca, sprężona
para.
W obiegu wtórnym – para rozpręża się i obraca turbinę,
napędzając generator prądu.
Widmo promieniowania elektromagnetycznego
Światło widzialne – długość fali 0.38mm < l < 0.76mm
Dlaczego boimy się emisji CO2 ?
Dlaczego boimy się emisji CO2 ?
CO2 absorbuje energię w zakresie fal dłuższych (12–15mm)
częściowo zamykając okno przez które ciepło
wypromieniowane przez powierzchnię Ziemi mogło by
opuścić Ziemię. (NASA, Robert Rohde) – efekt cieplarniany
Powierzchnia Ziemi emituje 17% promieniowania słonecznego,
docierającego do jej powierzchni w postaci promieniowania podczerwonego.
Jednakże poza atmosferę wydostaje się jedynie 12% tego promieniowania.
Pozostałe 5 do 6 %, jest absorbowane przez cząsteczki gazów
„cieplarnianych”. Są to: para wodna, dwutlenek węgla, metan, ozon
Alternatywa - odnawialne źródła energii (OZE)
Energia słoneczna
• Fotowoltaika
• Solary
Wiatr
• Na wybrzeżu (on-shore)
• W wodzie (off-shore)
Biomasa
• Płody rolne (1-sza Generacja)
• Surowiec celulozowy (2-ga Generacja)
• Nowe surowce, takie jak glony (3-cia Generacja)
Hydroelektrownie
Dlaczego energia słoneczna?
Konwersja energii słonecznej z 1% obszaru Ziemi, z 10%wydajnością wystarczy na zaspokojenie zapotrzebowaniaenergetycznego w ilości dwukrotnie większej niżkonsumowane obecnie!
Synteza termojądrowa na Słońcu
Cykl p-p
• Synteza 1 kg wodoru jest równoważna ilości 7.1 grama masy zamienionej na energię:
𝑬 = ∆𝒎𝒄𝟐 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟕𝟏𝒌𝒈 ∙ (𝟑 ∙𝟏𝟎𝟖𝒎
𝒔𝟐)𝟐 = 𝟔. 𝟒 ∙ 𝟏𝟎𝟏𝟒𝑱
• W każdej sekundzie 675 milionów ton H jest zamieniane na 653 milionów ton He z równoczesną zamianą około 22 milionów ton materii na energię.
Widmo promieniowania elektromagnetycznego
W instalacjach solarnych wykorzystywany jest zakres fal
podczerwonych.
W fotowoltaice – najlepiej, gdyby można było wykorzystać cały
zakres widmowy światła emitowanego przez Słońce.
Światło widzialne – długość fali 0.38mm < l < 0.76mm
Instalacje solarne
Kolektor
• Przy pomocy krążącego w orurowaniu nośnika ciepła, najczęściej
niezamarzającego, nieszkodliwego roztworu glikolu, energia jest
przekazywana do podgrzewacza.
• W podgrzewaczu ciepło oddawane jest poprzez wymiennik do wody
użytkowej.
• Schłodzony czynnik grzewczy powraca orurowaniem do kolektora
słonecznego i tam zostaje ponownie podgrzany – cykl zostaje
zamknięty.
Kolektor
Fotowoltaika
Jest to metoda wytwarzania energii elektrycznej poprzez konwersję
promieniowania słonecznego bezpośrednio na prąd elektryczny.
Konwersja odbywa się w półprzewodnikach, w których zachodzi efekt
fotowoltaiczny.
Podstawowym elementem fotowoltaicznym jest ogniwo, z którego
wykonuje się panele (zestaw wielu ogniw) i matryce paneli.
Ogniwo fotowoltaiczne
• Urządzenie, które zamienia energię słoneczną w energię
elektryczną.
• Nie wymaga zasilania – nie konsumuje paliwa
• Nie degraduje środowiska
• Posiada wysoki wskaźnik mocy do wagi
Jak działa ogniwo słoneczne?
• Co to jest półprzewodnik
• Jak powstaje złącze p-n
• Kiedy półprzewodnik absorbuje światło?
Przewodnik
• materiał przewodzący prąd elektryczny (Cu, Ag, Au, Al,
grafen)
Rodzaje ciał stałych
Półprzewodnik
• materiał, który przewodzi prąd elektryczny lepiej niż izolator i
gorzej niż przewodnik (Si, Ge)
• materiał, którym można łatwo manipulować aby był dobrym
przewodnikiem
• w półprzewodnikach prąd elektryczny może polegać na ruchu
elektronów (półprzewodnik typu n) lub „dziur” – ładunków
dodatnich (pólprzewodnik typu p)
Izolator
• materiał nie przewodzący prądu elektrycznego (np. szkło)
Złącze p-n
Na styku dwóch półprzewodników: typu p i typu n, powstaje poleelektryczne:• atomy, które oddają elektrony są źródłem dodatniego ładunku
(jony donorów)• atomy, które oddają dziury są źródłem ujemnego ładunku (jony
akceptorów).
Elektron - ładunek ujemny
Dziura - ładunek dodatni
Ładunki jednoimienne odpychają się
Ładunki różnoimienne przyciągają się
E
Tworzy się złącze p-n Złącze po utworzeniu
Promieniowanie elektromagnetyczne
• Fala elektromagnetyczna
• Strumień fotonów o energii EF :
Dualizm korpuskularno-falowy światła
𝒉 = 𝟔. 𝟔𝟑 ∙ 𝟏𝟎−𝟑𝟒𝑱 ∙ 𝒔
𝒄 = 𝟑 ∙ 𝟏𝟎𝟖𝒎/𝒔𝑬𝑭 =
𝒉𝒄
𝝀
Światło jest absorbowane przez półprzewodnik, gdy
𝑬𝑭 =𝒉𝒄
𝝀≥ 𝑬𝒈
Eg – przerwa wzbroniona, dla każdego półprzewodnika inna. Dla krzemu 1.1eV
Efekt fotowoltaiczny
• Gdy światło zostaje zaabsorbowane przez półprzewodnik,
powstaje para ładunków – elektron i dziura
• Ta para jest separowana przez pole w złączu i przez
złącze obciążone np. żarówką płynie fotoprąd
Technologie PV
Płytka materiału
półprzewodnikowego
I generacja ogniw
Cienkie warstwy
Krystaliczny
krzem
GaAs i złącza
p-n III-V
Mono-
-krystaliczny
~35%
Poli-
-krystaliczny
~55%
II generacja ogniw III generacja ogniw
a-Si:H
~2%
CdTe
~5%
CIGS
~2%
CZTS
~2%
DSCC Perowskit OPV QD
Technologie PV
Struktura ogniwa nieorganicznego
Dziś - ogniwo HITOgniwo produkowane
do r. 1999Gruba warstwa Si
Drogie
Sztywne
Cienkie! (98mm) - tanie
Stabilne
Zaawansowana technologia
mono poli
Zalety
• B. duża absorpcja (90%)
• Elastyczne
• Duża powierzchnia
• Tanie
Ogniwo organiczne
Wady
• Niska wydajność (kilka %)
• Krótki czas życia (5 lat)
• Wrażliwość na wysokie
temperatury
Oparte są na organicznych półprzewodnikach (polimerach,
oligomerach, dendrymerach).
Ogniwo barwnikowe
Technologia
elektroda
elektroda
𝑻𝒊𝑶𝟐
półprzewodnik
Ogniwo barwnikowe
Zalety
• Tanie odnawialne materiały
• Elastyczne
• Duża powierzchnia
• Niewielka wrażliwość na zmiany
temperatury
• Zastosowanie – transparentne
okna
Wady
• Niska wydajność
(kilkanaście %)
• Ciekły elektrolit
• Krótki czas życia (5 lat)
Ogniwo perowskitowe
Polska, Wrocław - Saule Technologies założona przez
Olgę Malinkiewicz
Światło pada na nanocząstki fotouczulacza (perowskit),
generuje pary elektron – dziura, które są transportowane
odpowiednio przez warstwę TiO2 i HTM. Warstwa blokująca
przepuszcza tylko elektrony.
Wydajności najlepszych ogniw laboratoryjnych
Nasłonecznienie w Polsce i w Europie
Obecnie w Niemczech 33 % energii
elektrycznej pochodzi z OZE, a 45 % z
węgla brunatnego i kamiennego
Solar Impulse 2
W r. 2016 Bertrand Piccard i André Borschb na tym samolocie
wykonali lot naokoło świata korzystając jedynie z zasilania bateriami
słonecznymi, aby promować odnawialne źródła energii. Pokonali
dystans 40 000km
Elektra One – samolot wykonany z włókien węglowych
Waga – ok.100 kg (bez baterii) może latać ok. 8 godzin,
Prędkość - ok. 100km/godz.
Maksymalny zasięg - ok. 1000km,
Zastosowanie – loty rekreacyjne
James Bond
Polska firma z patentem na panele fotowoltaiczne z
grafenem!
„Laboratorium spółki Euro Com Project zbadało i opatentowało
możliwości użycia grafenu w modułach fotowoltaicznych. Wynalazek
zrewolucjonizuje rynek energetyki słonecznej. A przy użyciu
wysokosprawnych ogniw fotowoltaicznych wraz z elektroda grafenową
rozwiązanie obniży koszty produkcji 1 kWh nawet o połowę.”
27 listopada 2017
Elektrownia wiatrowa
Zalety
• Wysoka wydajność
• Umiarkowany koszt inwestycji
• Brak emisji CO2
• Możliwa lokalizacja off-shore
Wady
• Konieczna stała prędkość wiatru
• Konieczny system podtrzymania
zasilania
• Hałas
• Niebezpieczny dla migrujących
ptaków
Biomasa
• Kłody drewna
• Węgiel drzewny
• Odpady rolnicze (łodygi i resztki
roślin)
• Odpady z obróbki drzew
(wierzchołki drzew, gałęzie, trociny)
• Rośliny wodne
• Nawóz
• Odpady miejskie (opałowe)
Spalanie
Biopaliwa
gazowe• Syntetyczny
gaz
• Gaz drzewny
Biopaliwa
ciekłe• Etanol
• Metanol
• Gazohol
Przetwarzanie w biopaliwa,
ciekłe i gazoweWady
• Wydajność 30%
• Do atmosfery
uwalniają się cząstki
węgla (podczas
spalania)
Zalety
• Mniejsze
skażenie
środowiska niż
przez źródła
konwencjonalne
• Nie powoduje
kwaśnych
deszczy
Hydroelektrownie
• Elektrownie wodne na dużą i małą
skalę
• Elektrownie pływowe
• Elektrownie wykorzystujące fale
Zalety
• Wysoka wydajność (80%)
• Brak emisji CO2
• Niskie koszty elektryczności
• Zbiornik wodny może służyć do rekreacji
Wady
• Kosztowna inwestycja
• Duży wpływ na środowisko (dewastacja
terenu, wysiedlanie)
• Niebezpieczeństwo zawalenia
Fale wymuszają ruch
powietrza, który porusza
turbiny
Energia geotermalna
• Geotermalne pompy ciepła
• Geotermalna wymiana
• Sucha i mokra para
• Gorąca woda
• Magma
• Gorące skały
Zalety
• Wysoka wydajność
• Niższa emisja CO2
• Niskie koszty, jeśli
eksploatacja jest w pobliżu
złóż
Wady
• Niewiele złóż
• Złoża na głębokości ok.
4km
• Hałas i odór (H2S)
• Intensywna eksploatacja
prowadzi do szybkiego
wyczerpania zasobów
• Emisja CO2
Wodór
Zalety
• Alternatywa dla ropy
• Paliwo bezpieczniejsze niż benzyna
• Ekologiczne, jeśli pozyskiwane z
OZE
Wady
• Produkcja wymaga energii
• Wdrożenie – 25-50 lat
• Nieodnawialny, jeśli pozyskiwany z
konwencjonalnych źródeł, wtedy
emisja CO2
Symulacja wycieku paliwa
wodorowego i benzyny
o takiej samej ilości
energetycznej
Po 1s
Po 1 min.
Samochody hybrydowe
Samochody hybrydowe:
Zalety• Paliwo – gaz (wodór)• B. wydajne• Ekologiczne
Wady• Nadal używają tradycyjnego
paliwa (przyśpieszanie, pokonywanie wzniesień)
• Konieczne zmiany infrastruktury – brak stacji paliw
Rynek samochodów elektrycznych
Grafen
• Bardzo dobry przewodnik ciepła oraz elektryczności – przewodność cieplna 5000
W/mK (dla srebra– 429 W/mK).
• Bardzo wysoka ruchliwość elektronów w temperaturze pokojowej μ ≈ 200 000
cm²/Vs w krzemie – 1500 cm²/Vs)
• Prędkość przepływu elektronów, wynosząca 1/300 prędkości światła w próżni,
umożliwia badanie efektów relatywistycznych dla elektronu poruszającego się w
przewodniku.
• Warstwa o grubości jednego atomu pochłania 2,3% białego światła
• Wytrzymałość na rozciąganie - 130 Gpa (0,4 GPa dla stali konstrukcyjnej lub
kevlaru).
• Membrana z utlenionego grafenu nie przepuszcza gazów, nawet atomów helu, a
równocześnie jest całkowicie przenikalna dla wody. Zastosowanie - filtracja np.
tania produkcja wody pitnej z wody morskiej.
Nobel 2010
Geim, Novosielov
https://pl.wikipedia.org/wiki/Grafen
Widmo promieniowania słonecznego
OECDOrganizacja Współpracy Gospodarczej i Rozwoju
Polska akcesja 1996
International
Energy
Agency
„When China changes, everything changes”
Konwencjonalne źródła energii - węgiel
- stałe paliwo uformowane z roślin ok. 300-400 mln lat temu
poddawanych intensywnemu ogrzewaniu i wysokim ciśnieniom
przez miliony lat
- zasoby wystarczą na 200-1000 lat (U.S. posiada 25%
światowych rezerw węgla)
Torf lignit węgiel bitumiczny antracyt
Ropa i gaz naturalny
Źródło - martwe organizmy pochodzenia roślinnego izwierzęcego na dnie oceanu, pokryte osadami. W miaręupływu czasu pod wpływem wysokiej temperatury iciśnienia przeobraziły się w bituminy, (ilaste łupki),zawierające ropę. Osiadający piasek uformował basenyropy, nad którymi najczęściej powstaje warstwanaturalnego gazu (metan).
Top Related