félvezető fotodetektorok és napelemek elmélete és gyakorlati megvalósítása 1
DESCRIPTION
Félvezető fotodetektorok és napelemek elmélete és gyakorlati megvalósítása 1. dr. Mizsei János, 2006-2013. Főcímek:. a napenergia fő jellemzői, a fúziós - fotovoltaikus energiatermelő rendszer működése, a fény és a félvezető kölcsönhatása, - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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