Miljöfysik. Föreläsning 6. Solel Solcellsanläggningar Halvledare En pn-övergång I-U karakteristik för solceller

Transkript

1 Miljöfysik Föreläsning 6 Solel Solcellsanläggningar Halvledare En pn-övergång I-U karakteristik för solceller I-U karakteristik för solceller Förluster En solcells verkningsgrad Hur solceller påverkar miljön

2 Solel Solenergi omvandlas direkt till el i en solcell. Solcellen fungerar som strömkälla. Vad är en solcell? En tunn platta av dopat halvledarmaterial (t.ex. kisel) med en p-n-övergång. När den belyses kan ljusets fotoner ge energi till elektronerna så att de kan drivas runt i en ansluten krets.

3 En stor solcellsanläggning på IKEA i Älmhult. Solcellsanläggningar Flera rader med monokristallina solceller på taket Tunnfilmsceller sitter på fasaden. Den maximala elektriska effekten 60 kw.

4 Världens näst största solcellsanläggning Topaz Solar Farm 550 MW i California, 9M solpaneler Konstruktionen började Klar i nov. 2014

5 Solar Star The top three U.S. PV power plants in the U.S. Construction started in January 2013 on the Solar Star projects, which are sited in California's Los Angeles and Kern counties. Project Name Developer Capacity (MWac) Capacity On-Line State Offtaker Owner Solar Star SunPower CA SCE BHE Renewables (Previously known as MidAmerica n Energy Holdings) Topaz Solar First Solar CA PG&E BHE Renewables (Previously known as MidAmerica n Energy Holdings) Desert Sunlight First Solar CA PG&E, SCE NextEra Energy Resources, GE Energy Financial Services, Sumitomo

6 Solceller Tre krav för att solcellen ska fungera: (1) Cellen kan absorbera ljus för att producera ett par laddningsbärare ( + och -). (2) Olika laddningsbärare kan separeras (3) Laddningsbärare kan skickas till en krets - Maskin, glödlampa, osv Solcell + Foton

7 Påminnelse Elektronerna ordnas i skal ( n) och subskal ( l). Man kan förstå kemi och stabilitet av grundämnen med skal/subskal-begreppet. 2 (s) elektroner 2 (s)+ 6 (p) elektroner 2(s)+2(p)+6(p) elektroner

8 Bandteori och halvledare Bandkonceptet visar skillnaderna mellan ledare, isolatorer och halvledare. Bandbildning 11 T.ex. Natrium Na s 2s 2p 3s - en elektron i ett ytterskal

9 Förena två Na-atomer Minska avståndet r mellan atomerna. Elektronerna växelverkar med varandra. Istället för 2 individuella atomer har vi ett kvantsystem. Energi Avståndet mellan atomer r.

10 Energibanden i ett material Betrakta 5 Na atomer som ligger i närheten av varandra. En energinivå splittras till 5 energinivåer.

11 Natrium 28 3 Det finns typ. 10 atomer/m i ett fast ämne. Energinivåerna för varje tillstånd av en isolerad atom splittras till band. Banden separeras från varandra och energigap uppstår. N=antalet atomer i ett fast ämne

12 Elektronerna i banden Pauliprincipen: två elektroner kan inte ha samma värden på kvanttalen 2N-nivåer i 1s, 2s-banden och 6N-nivåer i 2p-banden är fyllda. 3s-nivån i en Na-atom är halvfylld och 3s-bandet har då bara N nivåer som innehåller elektroner. Det finns också N tomma nivåer.

13 Ledare Metall: Na Det högsta bandet är inte fyllt. Elektronerna faller inte ner till bandets botten på grund av Pauliprincipen. Elektronerna i ledningsbandet kan påverkas av ett elektriskt fält. De kan röra sig fritt genom metallen. De flyttar från en obesatt nivå till en annan obesatt nivå (det finns många obesatta nivåer).

14 Isolatorer Alla tillstånden i det högsta besatta bandet är fyllda. Valens- och lednings-banden separeras med en gapenergi : Eg 5-8 ev Vid rumstemperatur kan elektronerna exciteras termiskt men energin är inte tillräcklig för att flytta till ledningsbandet. E g Elektronerna kan inte flytta till tillstånden i närheten eftersom de är besatta. Strömmen kan inte flöda!

15 Halvledare Halvledare: Ge, Si Halvledare liknar isolatorer men E gap 1 ev E g Vid rumstemperatur kan några elektroner exciteras termiskt till ledningsbandet Elektrontätheten som flödar 10 m (Obs! 10 m i en meta ll). Ökande temperatur Ökande elektroner som flödar Ökande konduktivitet

16 Att dopa en halvledare Man kan öka en halvledares konduktivitet om man tillsätter material av ett annat grundämne. Kiselatomer i en kristall bildar 4 bindningar. Om tillsätter en pentavalent störatom t.ex. Sb så får man en extra elektron med en svag bindning : n-typ halvledare. Tätheten av elektroner som bär ström ökar med 10 En trivalent störatom t.ex. B ger ett nytt hål som har en svag bindning : p-typ halvledare. Tätheten 6 av hål som bär ström ökar med 10 6

17 pn-övergång En pn-övergång bildas när n-dopade och p-dopade halvledare kommer i kontakt. Övergång Inga laddningsbärare i övergångsområdet (depletion layer) Elektroner och hål rör sig över övergången. Ett E-fält uppstår En energibarriär.

18 Ström från en solcell Elektronenergi E g Elektronerna i ledningsbandet och hålen i valensbandet ger en ström när de rör sig för att rekombineras.

19 Vad är det som händer i en solcell? - En foton frigör en elektron Maskin, glödlampa, osv + Solcell Foton elektron + hål elektronen åker till n-typ material, hålet åker till p-typ material. ström

20 Bandgapet och solspektret Energidifferensen mellan valensbandet och ledningsbandet E g = 1.1eV för kisel. För att en foton ska lyfta en elektron från valensbandet till ledningsbandet Den lägsta energin = E g Fotonens energi E = hf f = frekvensen, h=plancks konstant = g 34 hc fλ = c E = λ λ = våglängden c=ljusets hastighet 19 ev = J E = E = λ = = 1.1µ m Infrarött ljus Vi förlorar 25% av solljusets fotoner. Js Förlorad!

21 En solcell fungerar som ett batteri. Dock finns det viktiga skillnader. Inre resistans Ett perfekt batteri ger alltid samma spänning. Spänning =emk = U 0 Ett riktigt batteri har en spänning som beror på strömmen p.g.a. en inre resistans, r. U = ir + ir ε ir = ir 0 Spänningen över R : U = ir = U ir 0

22 Spänning vs ström med ett batteri Man mäter den "nominella" spänningen när strömmen är försumbar!

23 Egenskaper av en solcell Intensitet U I 0 0 = Tomgångsspänning = Kortslutningsström Strömmen når ett maxvärde för att det infallande ljuset har en viss intensitet ett begränsat antal fotoner som träffar detektorn per sekund. I U karakteristik för solcell vid olika instrålningsvärden. Strömmen beror på intensiteten.

24 Fyllfaktorn En ideal solcell bör ha en rektangulär karakteristik. Maximala effekten = IU 0 0 Ett mått på solcellens kvalitet är hur väl karakteristiken fyller ut en rektangulär form. Fyllfaktorn F = P UI max 0 0

25 P = IU Solcellens effekt Man bör välja värden på I och U som ger den största effekten. Den optimala spänningen 0.7U 0 För att låsa spänningen vid detta värde använder man en ackumulator. Om solceller ger mer ström än vad en tillkopplad belastning kräver går överskottet till ackumulatorn. När instrålningen är svag eller belastningen är stor går ström ut från ackumulatorn.

26 Optimal belastningsresistans Om man har solcellen ansluten till en belastning med resistans R : U = IR Konstant belastning - rät linje R1 > R2 > R3 Solcellen tvingar IU, att följa kurvan för en given instrålning. Båda villkoren gäller samtidigt. Ar betspunkten (, IU) ges av skärningen. T.ex. Belastningen som är optimal vid en viss instrålning kan vara långt ifrån optimal vid en annan instrålning.

27 Fyllfaktorn En ideal solcell bör ha en rektangulär karakteristik. Maximala effekten = IU 0 0 Ett mått på solcellens kvalitet är hur väl karakteristiken fyller ut en rektangulär form. P UI max Fyllfaktorn F = Ett bra värde F

28 Fråga Beräkna fyllfaktorn för de två solcellerna (ovan).

29 Fråga Bilden visar ström-spänningkarakteristiken 2 för en solcellpanel (area = 0.36 m ). (a)hur stor effekt kan man maximalt få ut vid de fyra värdena på instrålning? (b)hur stor är verkningsgraden? (c)hur stor är fyllfaktorn? (d)vid vilken spänning bör solcellen arbeta för att ge största verkningsgrad? Ström I /A

30 En solcells struktur

31 Förluster Optiska förluster Reflektion mot ovanytan Skuggning från ledningsmönstret på ovansidan Ofullständig absorption av inkommande strålning Ofullständigt utnyttjande av energin hos fotoner med hög energi. Elektriska förluster Spänningsförluster i inre resistansen Strömförluster pga rekombination av elektroner och hål

32 Verkningsgraden Den teoretiskt maximala verkningsgraden 30%. Man antar : (a)ett elektron-hål-par från en foton (b)ofokuserat ljus Man uppnår η 10-20% för solceller som man kan köpa. Det finns nya ideer och forskning som innebär att η>30%.

33

34 Framtiden för solceller Solceller i denna föreläsning är tillverkade av kristallint kisel i en dyrbar och omständlig tillverkningsprocess. De är stabila och tillförtlitiga. Livstid 30 år. Produktioner av solceller är energikrävande men energiåterbetalningstiden 2-3år. Ett stort problem är kostnaden. I kombinationen med tillverknings- och monteringskostnader är solceller 3-10 gånger för dyra än andra källor.

35 Miljöpåverkan Solceller ger inga avfallsprodukter eller utsläpp vid användning. De opererar ljudlöst. Grundmaterialet kisel finns i mycket stor mängd på jorden och är ofarligt. Tillverkningen ger vissa giftiga ämnen. Metoder och tekniker har utvecklats för att ta hand om detta. Vid skrotning kan stora delar av en solcell återvinnas.

36 Fråga Gör några överslagsberäkningar på areabehovet för solceller som skall täcka årliga totala energibehovet för (a) En svensk familjs hushållsel (4000 kwh) (b) Sveriges totala energianvändning (600 TWh) (c) Världens totala energianvändning ( TWh) Instrålning per kvadratmeter på markytan: Sverige (1000 kwh/år), Ekvatorn (2500 kwh/år).

37 Sammanfattning En solcell liknar ett batteri men det finns viktiga skillnader gällande I-U-beteendet Många olika typer av förluster i en solcell Verkningsgrad ~20% men det finns nya metoder och forskning som kan höja detta värde Solceller är miljövänliga!