1/64
Fotovoltaika - základy princip FV články FV panely
účinnost vliv provozu na produkci
2/64
Principy – struktura křemíku křemík krystalická mřížka: každý atom Si má čtyři vazební (valenční) elektrony, vázané v elektronovém páru
působení světla může vazbu narušit – uvolnění elektronu, zvýšení vnitřní vodivosti (nevyužitelné pro produkci energie)
atom křemíku
3/64
Principy – struktura křemíku polovodiče zavedením nečistot (cizích atomů) do křemíku se vytvoří struktura: s nadbytkem volných elektronů: atomy fosforu, polovodič typu N s nedostatkem volných elektronů (díry), atomy boru, polovodič typu P
atom křemíku
atom boru atom fosforu
4/64
Principy – struktura křemíku vodivost polovodič typu N – volné elektrony se záporným nábojem, elektronová vodivost
polovodič typu P – volné díry s kladným nábojem, díra se zaplňuje elektronem a posouvá se, děrová vodivost
5/64
Principy – fotovoltaický jev P-N přechod (polovodičová dioda) – spojení P a N polovodiče difúze elektronů (-) do oblasti P, děr (+) do oblasti N, elektrony a díry spolu rekombinují, vzniká oblast ochuzená o volné nosiče náboje okolo přechodu je obrácené el. pole, vysoký el. odpor oproti zbytku materiálu oblast P
volné díry
ochuzená oblast bariéra
oblast N
volné elektrony
6/64
Principy – fotovoltaický jev dopad slunečního záření - fotonů s dostatečnou energií (> 1.1eV) předání energie elektronům vybuzení na vyšší energetickou hladinu uvolnění z valenční vazby (zanechání díry) hromadění ve vrstvě N dva volné nosiče, obrácené el. pole: elektron (do oblasti N) díra (do oblasti P) připojením spotřebiče z N vnějším obvodem do P
pohyb volných elektronů = elektrický proud
7/64
Principy – fotovoltaický jev
8/64
Principy – fotovoltaický jev elektrické napětí, účinnost elektrony odcházejí horním kontaktem a přes vnější el. obvod se vracejí a rekombinují s dírami pohybujícími se přes zadní kontakt
některé elektrony na kontakt nedorazí – rekombinují po cestě vazební energie 1.1 eV ... vlnová délka fotonu 1105 nm (IR záření) energie fotonu < 1.1 eV: projde a nevybudí elektron
energie fotonu > 1.1 eV: vybudí elektron, rozdíl energie se mění na teplo ... teoretická účinnost jednoduchého Si článku 30 % část se odrazí od kontaktů a článku napětí Si článku 0.5 V, proud 2.5 A = 1.25 W (podle konstrukce)
9/64
Principy – ztráty, účinnost bilance toků FV článku (ze 100% dopadlé energie) - příklad 3%
odraz a stínění od předních kontaktů
23 %
příliš nízká energie fotonů (dlouhovlné záření)
32 %
příliš vysoká energie fotonů (krátkovlné záření)
8.5 %
ztráty rekombinací
20 %
rozdíl potenciálů v článku (ochuzená vrstva)
0.5 %
ohmické ztráty (el. odpor)
výsledná účinnost 13 %
10/64
Fotovoltaické články I. generace – deskové křemíkové monokrystalické křemíkové
polykrystalické (multikrystalické) křemíkové
II. generace – tenkovrstvé články amorfní křemíkové
CIS články CdTe články
III. generace – současný vývoj, nové materiály a technologie GaAs, InGaAs, organické, tandemové, vícevrstvé
11/64
I. generace FV článků – deskový Si monokrystalický křemík (m-Si) tažení válcového monokrystalu (typ P) z taveniny (průměr 30 cm, délka několik m) – Czochralskiho proces řezání na destičky 0.2 - 0.3 mm, velké ztráty, konické tvary čištění dotování fosforem (difuze plynu) při 800 – 900 °C, tenká vrstva N antireflexní povlak (tmavý vzhled), tisk a zapečení sběrných kontaktů (přední, zadní strana) účinnost článku: 15-18 %
12/64
I. generace FV článků – deskový Si monokrystalický křemík (m-Si) použití: 10 x 10 cm2, průměr 12 - 15 cm
kruhové – levnější (méně odpadu), architektonická zasklení kvazihranaté – drahé (více odpadu), standardní moduly
13/64
I. generace FV článků – deskový Si polykrystalický křemík (p-Si) tavenina odlita do formy, řízené chladnutí (tuhnutí) v jednom směru, vytvoření velkého počtu homogenních krystalů (mm,cm) okraje zrn zdrojem defektů, vysoká rekombinace, negativní vliv na účinnost (< m-Si) řezání na destičky 0.24 - 0.3 mm, malé ztráty (hranaté)
čištění, dotování fosforem, antireflexní povlak, tisk kontaktů účinnost článku: 13 - 16 %
14/64
I. generace FV článků – deskový Si polykrystalický křemík (p-Si) použití: 10 x 10 cm2, 12.5 x 12.5 cm2, 15 x 15 cm2, ... (4,5,6,8 inch)
nejběžnější fotovoltaické panely, zavedená technologie standardně modrá barva, možné i jiné
15/64
I. generace FV článků – výroba
polykrystalické odlévání
monokrystalické tažení
16/64
II. generace FV článků – tenkovrstvé výhody tloušťka vrstvy < 1 mm
menší spotřeba materiálu vyšší tolerance na znečištění materiálu výroba za nižších teplot: 200 – 600°C
vysoce automatizovaný výrobní proces libovolný tvar a rozměry (závislé na podkladním materiálu) celoplošné kontakty:
přední (transparentní vrstva ZnO, SnO2, ISnO) zadní (neprůhledný)
17/64
II. generace FV článků – tenkovrstvé amorfní křemík (a-Si) nemá krystalickou strukturu, volné uskupení atomů, volné vazby
horší elektrotechnická kvalita křemíku výroba hydrogenovaného křemíku a-Si:H v plazmovém reaktoru (200 250 °C) rozkladem silanu SiH4 (plyn) dotování plynnými příměsmi (B2H6, PH3) možnost nanášení na levné podklady (sklo, plasty – pružné FV články)
18/64
II. generace FV článků – tenkovrstvé amorfní křemík (a-Si:H) původně pro kalkulačky
při vystavení slunečnímu záření degradace materiálu (kvůli obsahu H2), pokles účinnosti na trvalou hodnotu účinnost článků: 5 – 7 % rozměry: až 2 x 3 m2 tloušťka: sklo 1 – 3 mm, plasty 0.5 mm, 0.3 mm a-Si zabarvení: červenohnědá, modrá, modrofialová
19/64
Amorfní křemíkové panely
20/64
Amorfní křemíkové panely
21/64
II. generace FV článků – tenkovrstvé CIS články (Copper-Indium-diSelenid, CuInSe2) aktivním polovodičem je CuInSe2, často v kombinaci s CuGaSe2 nebo CuInS2, ktery tvoří absorpční vrstvu typu P vrstvu typu N tvoří CdS (sulfid kadmia) CIS nevykazuje degradaci jako a-Si výzkum CuInGaSe2 (CIGS články)
molybden
22/64
II. generace FV článků – tenkovrstvé CIS články (Copper-Indium-diSelenid, CuInSe2) účinnost:
laboratoř 19 % komerční 9-12 % nejúčinnější tenkovrstvá technologie
tloušťka: 2-4 mm podklad, 3-4 mm povlak, z toho 1-2 mm CIS zabarvení: šedé až černé, kompaktní
23/64
II. generace FV článků – tenkovrstvé CdTe články (telurid kadmia) aktivním polovodičem je CdTe: absorpční vrstva typu P
vrstvu typu N tvoří CdS (sulfid kadmia)
24/64
II. generace FV článků – tenkovrstvé CdTe články (telurid kadmia) nevykazuje degradaci
nejlevnější tenkovrstvá technologie (dnes pod 1 $/Wp) problematické použití kadmia x neškodnému CdTe (stabilní netoxická sloučenina) účinnost: 7 - 9 % tloušťka: 3 mm podklad, 5 mm vrstva zabarvení: temně zelená až černá
25/64
III. generace FV článků – souč. vývoj více-přechodové články (tandemové 2PN, trojvrstvé 3PN) snaha o maximální využití energie spektra koncentrované záření, účinnost → 20-30 % mikrokrystalické články (nanotechnologie) světlocitlivá organická barviva (elektrochemické články, průhledné)
horké nosiče polymery
26/64
Vícevrstvé FV články
27/64
Účinnost FV článků Běžná účinnost (%)
Laboratorní účinnost (%)
Životnost (rok)
Podíl na trhu (%)
Monokrystalický křemík
16 – 18
24
25-30
42
Polykrystalický křemík
12 – 16
18
10-25
42
Amorfní křemík
5–7
12
10
12
Telurid kadmia (CdTe)
8 – 10
16
-
<1
Galium arsenid (GaAs)
20
30
20
<1
CIS články
12
19
-
<1
CIGS články
10
18
-
<1
Typ materiálu
28/64
Účinnost FV článků
29/64
Cena FV článků
$/Wp cena modulu
100
10
20% pokles ceny při zdvojnásobení instalovaného výkonu 1 1
10
100
MWp instalovaného výkonu
1000
10000
30/64
Cena FV článků
31/64
Charakteristiky FV článků / panelů volt-ampérová charakteristika (napětí - proud) výkonová charakteristika P = U.I
32/64
Volt-ampérová charakteristika
U-I charakteristika může být pro různé FV články různá
33/64
Hlavní body charakteristiky
Isc
proud nakrátko
Uoc
napětí naprázdno
Imp
proud v bodě maxima výkonu
Ump napětí v bodě maxima výkonu pro STC (standard test conditions) 1000 W/m2, AM = 1.5, 25 °C FF
činitel plnění
FF
Ump Imp U oc I sc
h
h
účinnost
Ump Imp GA
34/64
Spektrální citlivost FV článků různé druhy FV článků využívají různou část spektra
35/64
Spektrální citlivost FV článků využití u vícevrstvých článků
36/64
Fotovoltaický panel
37/64
Fotovoltaický panel
38/64
Fotovoltaický panel – na první pohled
39/64
Bod maxima výkonu
40/64
Bod maxima výkonu derivace = 0
41/64
Vliv slunečního ozáření
42/64
Vliv slunečního ozáření
43/64
Vliv slunečního ozáření G h h r 1 0,03 ln 1000
např. pro polykrystalické
16
konverzni ucinnost (%)
14 12 10 8 6 Teplota clanku: 25 °C 50 °C 75 °C 100 °C
4 2 0
0
100
200
300
400
500
600
700
intenzita zareni (W/m2)
800
900
1000
44/64
Vliv slunečního ozáření
45/64
Vliv teploty
46/64
Vliv teploty
47/64
Vliv teploty účinnost je závislá na teplotě článku lineární charakter
Typ článku
h hr 1 t t r [%/K]
Krystalické Si
-0,35 až -0,52
Amorfní Si
-0,10 až -0,30
CIS
-0,33 až -0,60
CdTe
-0,18 až -0,36
48/64
Vliv teploty
49/64
FV panely – paralelní zapojení
paralelní zapojení - nárůst proudu
50/64
FV panely – sériové zapojení
sériové zapojení - nárůst napětí
51/64
Stínění článku
52/64
Stínění panelu nestíněný provoz
stíněný provoz
každý článek generuje proud
jeden článek jako odpor maření proudu
53/64
Stínění panelu – použití by-pass diody
54/64
Stínění panelu
55/64
Stínění panelu
56/64
Stínění panelu Velikost stínění na článcích
Výkon FV panelu [W]
Bez stínění
100,0
1/4 článku
88,4
1/2 článku
67,4
Celý článek
60,3
1 svislá řada
58,0
spodek 2 stringů
24,0
spodek 3 stringů
0,9
57/64
Stínění panelu
100 W
1W
platí pro krystalické panely ...
58/64
Stínění panelu
100 W
92 W
platí pro tenkovrstvé panely ...
59/64
Stínění panelu
60/64
Stínění panelu
61/64
Parametry panelu
62/64
Parametry panelu
63/64
Parametry panelu
64/64
Parametry panelu
