félvezető fotodetektorok és napelemek elmélete és gyakorlati megvalósítása 1

Félvezető fotodetektorok és napelemek elmélete és

gyakorlati megvalósítása1

dr. Mizsei János,dr. Mizsei János,

2006-20132006-2013

Főcímek:a napenergia fő jellemzői,

a fúziós - fotovoltaikus energiatermelő rendszer működése,

a fény és a félvezető kölcsönhatása,

az energiatranszport, a beérkező energia spektruma,

az energiaátalakítás folyamata,

az ideális napelem jellemzői,

a legkedvezőbb munkaponti beállítás megkeresése,

a legkedvezőbb félvezetőanyag kiválasztása,

a legkedvezőbb rétegszerkezet kialakításának szempontjai,

napelem cellák, kapcsolat a gyakorlati megvalósítás és az elmélet között.

Fúziós - fotovoltaikus energiatermelő rendszer

h W g

W g

h

C sato lás a napk orona elek tron jai és a fö ld i atom ok , sz ilárdtestekelek tron jai között

Az energiatranszport

folyamatának részletei...

A besugárzás különféle feltételei

AM - air mass

2i

adT

kinkip

n

NNlnU

q

W-W

A rövidzárással (R =0, U=0, I=IL) és a szakadással (R végtelen nagy, I=0,U=U0) lezárt pn átmeneteken kialakuló sávszerkezetek. Jól látható aszakadás esetén kialakuló üresjárási nyitófeszültség, amely lecsökkentve adiffúziós potenciál hatását épp a fény által generált árammal egyenlődiffúziós áramot enged át az átmeneten

dI I dxf f

I I x)f f`0 exp(

A fény és a félvezető kölcsönhatása

abszorpciós tényező

x

x

0

I

I f

f dxI

dIf

f0

f0If0I fI

2i

adT

kinkip

n

NNlnU

q

W-W

A rövidzárással (R =0, U=0, I=IL) és a szakadással (R végtelen nagy, I=0,U=U0) lezárt pn átmeneteken kialakuló sávszerkezetek. Jól látható aszakadás esetén kialakuló üresjárási nyitófeszültség, amely lecsökkentve adiffúziós potenciál hatását épp a fény által generált árammal egyenlődiffúziós áramot enged át az átmeneten

Q

A fény és a félvezető kölcsönhatása

xf0IfI

G , x F R( x 1 ) exp

A generációs ráta:

Ami beérkezik…(energiaspektrum)

1

T

cexp

c2T ,I2

5

1

[eV]h

24.1m][,

c

I

IL U R

Az ideális pn átmenet helyettesítő kapcsolása megvilágítás esetén

1

U

UexpI

TS

LT

S I1UU

expII

f0L kII

2i

adT

kinkip

n

NNlnU

q

W-W

A rövidzárással (R =0, U=0, I=IL) és a szakadással (R végtelen nagy, I=0, U=U0) lezárt pn átmeneteken kialakuló sávszerkezetek. Jól látható a szakadás esetén kialakuló üresjárási nyitófeszültség, amely lecsökkentve a diffúziós potenciál hatását épp a fény által generált árammal egyenlő diffúziós áramot enged át az átmeneten (erősen megvilágítva).

http://jas.eng.buffalo.edu/index.html

I

IL U R

Az ideális pn átmenet helyettesítő kapcsolása megvilágítás esetén

1

U

UexpI

TS

LT

S I1UU

expII

f0L kII

Ideális napelem (fotodióda) karakterisztikák I

U

Im

Um

IL

U0

A pn átmenet karakterisztikái a fényintenzitásával paraméterezve (önk. egység).

LT

S I1UU

expII

f0L kIII

S

f0T

S

LT

S

LT0 I

kIlnU

I

IlnU

I

I1lnUU

L0

mm

IU

IUFF

Ideális napelem (fotodióda) karakterisztikák

LT

S I1UU

expII

S

LT

S

LT I

IlnU

I

I1lnUU

npppnn

Tpnin

pn

p

np UnqL

nqD

L

pqD

111111

J 22S

Nq LD 2innp

TUD

dn Nn ap Np

Konstrukció: rejtve

A

ISSJ

Ideális napelem (fotodióda) karakterisztikák

LT

S I1UU

expII

S

LT

S

LT I

IlnU

I

I1lnUU

LD

Konstrukció: rejtve

AL

L

IJ

G , x F R( x 1 ) exp

)(x, GJL pn LLq

A fény detektálás szempontjából legkedvezőbb munkaponti beállítások

S

f0T

S

LT

S

LT0 I

kIlnU

I

IlnU

I

I1lnUU

f0L kIII

Szakadás (I=0), a karakterisztika logaritmikus lesz:

Rövidzár (vagy záróirányú előfeszítés), a karakterisztika lineáris lesz:

f0IA fotonfluxus:

  Gazdaságos

képletgyűjtemény                    

A fototranzisztor

Fototranzisztor: a kollektoráram a fotogenerált (bázis)áram B-szerese

(de némi +UCE előfeszítés szükséges lehet)

CIn

p

n+

h

Az energiatermelés szempontjából legkedvezőbb munkaponti beállítás megkeresése

LT

S UI1U

UexpUIUIP

L

TS

TTS I

U

UexpI

U

U1

U

UexpI0

dU

dP

m

TL

T

mS

T

mm U

U1I

U

UexpI

U

UI

T

mT0

T

mT

S

LT

T

m

S

L

Tm U

U1lnUU

U

U1lnU

I

I1lnU

U

U1

1I

I

lnUU

LSm

T

T

mS

T

m

mm II+I

U

U

UexpI

U

I

UR

T

m

m0

2T

m

T

T

m

0

T0Lmmm U

U1ln

UU

U

U

U

U

U1ln

U

U1UIIUP

FF, Fill Faktor

I

Az energiatermelés szempontjából legkedvezőbb munkaponti beállítás

T

m

m

2T

m

T0

T

mT0Lmmm U

U1ln

U

U

U

UU

U

U1lnUUIIUP

Miért nem

qg

Lm

WIP

???

T=0K

I

U

qm

Lm

WIP

…mert T>0 K-en nyitva van a pn átmenet !

Ami beérkezik…(energiaspektrum, energia-sűrűség, foton/sec/cm2/eV)

W

phph dW

dh

dnn

Ami beérkezik…(összes, W-nél nagyobb energiájú fotonok száma, eloszlásfüggvény, foton/sec/cm2)

W

phph dW

dh

dnn

dWdh

dnqWJ

gWh

phgL

A legkedvezőbb félvezetőanyag kiválasztása

a beérkező energia spektruma

T

T

mT0m U

U

U1lnUUqW

q

WIP m

Lm

0

ph

mL

m

dWn

q

WI

P

P

0

phdWnP

a beérkező összes teljesítmény:

A legkedvezőbb félvezetőanyag

-földi körülmények között

-energiakoncentrálás nélkül, illetve

-ezerszeres energiakoncentrációval

Cu(In,Ga)Se2

Gát

Árapály vagy hullámzás energiájával működő vízikerék

H

A

Szinuszos hullámzást („A” amplitúdóval) feltételezve Pmax nyerhető H=0.39A gátmagasság esetén

Nem hasznosítható

Fölö

sleges

LJ

gW

A legkedvezőbb rétegszerkezet kialakításának szempontjai

optimális anyagválasztás (tiltott sáv szélessége, kisebbségi töltéshordozók élettartama),

a pn átmenet (potenciálgát) létrehozása, természete, adalékolása és mélysége,

a kontaktusok minősége (felületi rekombináció, soros ohmikus ellenállás).

Konkrétabban: példákon keresztül.

Napelem cellákpn átmenet(ek), fém-félvezető átmenetek,MOS szerkezetek

egykristályos, multikristályos, (polikristályos), amorf, elemi, vegyület félvezetőkből

tömb, vékonyréteg kivitelben

a beépített potenciál eredete, konstrukció választás

anyagválasztás

technológia választás

A pn átmenetes PEARL cella (Si egykristály, tömb)

Miért is jó?

Tandem cella (Si egykristály, tömb, több

átmenettel)

Inverziós cella Schottky gátas cella (Si egykristály, tömb)

Vékonyréteg napelem szerkezetek

g

2

tth

qL

E

L

Nv

1

W

qL

W

qL

WW=E gki1ki2

L kicsi, Wg nagy, elnyelés: kicsi.

Rétegezett amorf Si napelem szerkezet:

vékonyréteg

Rétegezett amorf Si – kristályos Si napelem szerkezet:vékonyréteg+tömb

p+ i n i n+

Cu(In,Ga)Se2 vékonyréteg cella

Cu(In,Ga)Se2 vékonyréteg cella: energia sávdiagram

en

erg

iamélység

Aktív réteganyaga

Tiltottsávszélesség

Hatásfok UocRövidzárásiáramsűrűség

FillFactor

Mértterület

EgeV

%

VOCmV

jSCmA/cm2

FF%

Acm2

Si 1,15 24.4 696 42.0 83.6 4.00Cu(In,Ga)Se2 1,11 17.7 647 34.0 77.2 0.414

CuInSe 1.04 15.4 515 41.2 72.6 0.38CuGaSe2 1.68 8.3 861 14.2 67.9 0.471CulnS2 1.57 11,1 728 21.24 70.9 0.48

Összehasonlítás

http://pveducation.org/pvcdrom

A fejlődés

Gyakorlati kivitel, szemléltető példák:

Nyársapát

Összefoglalás

napenergia (fúziós energia)-> villamos energia a beépített potenciál segítségével

optimálás (munkapont, technológia)

gyakorlati kivitel, szemléltető példák.

http://nasa.web.elte.hu/Asimov/solarcell_hu/index.html