+ All Categories
Home > Documents > Celule Solare Multijonctiune

Celule Solare Multijonctiune

Date post: 16-Sep-2015
Category:
Upload: anaocasi
View: 96 times
Download: 8 times
Share this document with a friend
Description:
celule solare
36
Celule solare multijonctiune Celulele solare multijonctiune exista in doua configuratii (vezi figura de mai jos): in paralel (stanga) sau in serie/tandem (dreapta). Pentru a avea performante bune, ca si in cazul celulelor solare cu straturi subtiri cu heterojonctiune, toate straturile trebuie sa aiba structuri cristaline/constante de retea similare. In caz contrar, discontinuitatile in constanta de retea duc la defecte sau dislocatii la interfata, care sunt centre predilecte de recombinare. In configuratia in paralel, numita si tandem multi-terminal, fiecare celula solara poate fi optimizata independent, dar sistemul in totalitate este mai complicat. De aceea, se folosesc in special celulele solare in serie/tandem, care constau din diferite celule solare cu jonctiuni p- n plasate unele dupa altele, fiecare utilizand o parte a spectrului si lasand sa treaca cealalta parte. Celulele solare traversate primele de fotoni au o banda interzisa mai mare, care scade progresiv in celulele urmatoare (vezi figura de mai jos). In celulele solare tandem curentul la iesire este limitat de cel mai mic curent produs in jonctiunile individuale, iar tensiunile produse de celulele individuale se aduna. De aceea, celula solara trebuie astfel proiectata incat fiecare jonctiune sa produca acelasi fotocurent.
Transcript
  • Celule solare multijonctiune Celulele solare multijonctiune exista in doua configuratii (vezi figura de mai jos): in paralel

    (stanga) sau in serie/tandem (dreapta). Pentru a avea performante bune, ca si in cazul celulelor

    solare cu straturi subtiri cu heterojonctiune, toate straturile trebuie sa aiba structuri

    cristaline/constante de retea similare. In caz contrar, discontinuitatile in constanta de retea duc

    la defecte sau dislocatii la interfata, care sunt centre predilecte de recombinare.

    In configuratia in paralel, numita si tandem multi-terminal, fiecare celula solara poate

    fi optimizata independent, dar sistemul in totalitate este mai complicat. De aceea, se folosesc

    in special celulele solare in serie/tandem, care constau din diferite celule solare cu jonctiuni p-

    n plasate unele dupa altele, fiecare utilizand o parte a spectrului si lasand sa treaca cealalta

    parte. Celulele solare traversate primele de fotoni au o banda interzisa mai mare, care scade

    progresiv in celulele urmatoare (vezi figura de mai jos).

    In celulele solare tandem curentul la iesire este limitat de cel mai mic curent produs in

    jonctiunile individuale, iar tensiunile produse de celulele individuale se aduna. De aceea,

    celula solara trebuie astfel proiectata incat fiecare jonctiune sa produca acelasi fotocurent.

  • Eficienta de conversie creste cu numarul celulelor. In figura de mai jos, care foloseste

    doua celule solare cu jonctiuni p-n din materiale cu = 1.6 eV, respectiv 0.9 eV, eficienta

    de conversie calculata cu teoria Shockley-Queisser este de 45%. Aceasta este eficienta

    maxima pe care o poate atinge o celula solara tandem cu doua jonctiuni. Eficienta maxima

    pentru o celula solara tandem cu trei jonctiuni este de 51%, si se obtine in materiale cu benzi

    interzise de 1.8 eV, 1.2 eV si 0.7 eV, aceasta eficienta crescand pana la 54% pentru o celula

    solara tandem cu patru jonctiuni, respectiv 66% pentru un numar infinit de jonctiuni care sa

    acopere tot spectrul solar. Evident, daca se folosesc concentratori, eficienta celulelor solare

    creste. De exemplu, daca intensitatea luminii creste de 100 ori, eficienta unei singure jonctiuni

    creste la 40%, iar cea a unui numar infinit de jonctiuni atinge 86%.

    gE

    Celulele solare multijonctiune in configuratie tandem se fabrica din a-Si/-Si (Si amorf/Si microcristalin), semiconductori organici sau anorganici, de exemplu compusi III-V.

    Cea mai mare eficienta in celulele solare cu doua jonctiuni s-a obtinut in compusi III-V. De

    exemplu, in configuratie tandem s-a obtinut o eficienta de conversie de 30.3% la AM1.5G la 1

    soare in structura In0.49Ga0.51P/GaAs, in care ambele materiale au o constanta de retea de 5.64

    , si o eficienta de 32.6% la AM1.5D la 1000 sori (30% la 500 sori) pentru GaInP2/GaAs. In

    configuratia in paralel, cu 4 terminale, cea mai mare eficienta pentru celulele solare cu doua

    jonctiuni, de 32.6% la AM1.5D la 100 sori, s-a obtinut pentru structura GaAs/GaSb.

    In figurile de mai jos sunt date doua exemple de materiale folosite in celule solare

    tandem cu trei jonctiuni; observati modul optim de folosire a radiatiei solare. Eficienta de

    conversie maxima obtinuta experimental intr-o structura GaInP2/GaAs/Ge este de 32% pentru

    1 soare si 40.7% pentru 135 sori, eficienta medie in aceeasi structura pentru 1 soare fiind de

    28%. Cu ajutorul unei astfel de structuri se produc in prezent 370 kW/m2 in spatiu.

    Experimental, numarul jonctiunilor ajunge pana la 6, cresterea epitaxiala a heterostructurilor

    fiind costisitoare si inceata.

  • Dupa cum am precizat mai sus, celula solara tandem trebuie proiectata astfel incat

    fotocurentul generat de celulele solare individuale sa fie acelasi. Fotocurentul depinde atat de

    numarul fotonilor incidenti cu energie mai mare decat cat si de coeficientul de absorptie,

    respectiv de grosimea stratului. In structura cu trei jonctiuni GaInP2/GaAs/Ge, de exemplu,

    aceasta cerinta impune ca stratul de Ge sa fie mai gros decat celelalte straturi deoarece

    coeficientul de absorptie al Ge este mai mic. Grosimea straturilor pentru aplicatii terestre

    poate sa varieze fata de grosimea pentru aplicatii spatiale (spectrul solar este diferit)!

    gE

    Observatie: Fotocurentul la o celula multijonctiune tandem este in general mai mic decat cel

    obtinut la o celula solara cu o singura jonctiune pentru ca aceiasi fotoni sunt colectati de mai

    multe jonctiuni.

    In prezent, se doreste obtinerea unor eficiente de conversie de peste 35% in celule

    multijonctiune tandem, eventual cu concentratori. De exemplu, eficienta maxima a structurii

    InGaP2/(In)GaAs/Ge este de 37.3% la 175 sori. Substratul de Ge este flexibil pentru

    grosimi mai mici de 100 m. Eforturile actuale se indreapta spre gasirea unor materiale semiconductoare cu = 1 eV sau 1.25 eV. Motivul este ca Ge in structura GaInP2/GaAs/Ge

    absoarbe o proportie mai mare din fotonii spectrului solar decat in cazul ideal, de egalitate a

    curentului in cele trei straturi (vezi figura de mai jos). Daca s-ar inlocui stratul de GaAs cu un

    material cu = 1.25 eV, de exemplu, al doilea strat ar genera un curent mai mare, lasand

    mai putini fotoni sa treaca in Ge (vezi figura de mai jos). In acest caz, primul strat ar putea sa

    creasca in grosime pentru a avea un curent/putere mai mare.

    gE

    gE

  • Alternativ, daca primele doua straturi intr-o structura cu trei jonctiuni sunt

    (Al)InGaP/GaAs, optim pentru celula de jos este 1 eV (vezi figura de mai jos). De

    exemplu, in structura AlInGaP(1.9 eV)/GaAs(1.4 eV)/1.0 eV eficienta de conversie maxima

    este de 55% la 1000 sori, fata de 50.1% obtinuta daca ultimul strat este din Ge. GaInNAs este

    un exemplu de material cu aproximativ aceeasi constanta de retea ca si GaAs si cu = 1 eV.

    gE

    gE

    Pentru a creste si mai mult eficienta de conversie, se poate introduce un material cu

    = 1 eV intre GaAs si Ge, obtinandu-se o structura cu patru jonctiuni (vezi figurile de mai

    sus). Eficienta de conversie in acest caz ar fi de 60.9% la 1000 sori (47.7% la 1 soare,

    AM1.5G).

    gE

    Spectrul solar poate fi acoperit optim progresiv, crescand numarul de jonctiuni, ca in

    exemplul de mai sus. De fiecare data cand un strat este inlocuit cu doua straturi fotocurentul

    in celulele solare individuale scade (numarul de fotoni absorbiti in fiecare strat scade), dar cdV

  • creste, astfel incat eficienta de conversie a structurii tandem creste. Eficienta cuantica externa

    a structurilor tandem de mai sus cu 3 jonctiuni, respectiv 5 jonctiuni, sunt reprezentate in

    figurile de mai jos stanga, respectiv dreapta.

    Dupa cum se poate vedea si din figura de mai jos, stanga, pentru conectarea celulelor

    solare in serie este nevoie de jonctiuni tunel bune. O jonctiune tunel este o jonctiune in care

    electronii trec prin bariera de potential care se formeaza la interfata dintre doua straturi prin

    fenomenul de tunelare (trecerea printr-o bariera ingusta a electronilor cu energie fixa, mai

    mica decat bariera de potential; vezi figura de mai jos, dreapta). Astfel de jonctiuni asigura un

    transfer rapid al purtatorilor de sarcina dintr-o celula solara solara in alta.

    x = 0 x = L

    V2

    V1

    V3

    Intr-o configuratie tandem, daca celulele solare individuale nu au acelasi fotocurent,

    structura opereaza departe de punctul de putere maxima, ceea ce duce la pierderi mari.

  • Deoarece celulele multijonctiune tandem au o sensibilitate spectrala mai mare, pierderile

    datorita inegalitatii curentilor din celulele solare individuale pot interveni din cauza

    schimbarilor naturale in spectrul solar (anotimpuri, ora din zi), care schimba absorptia relativa

    in subcelule.

    Un exemplu de celula tandem cu doua jonctiuni optimizata din filme subtiri de Si

    amorf (a-Si) si microcristalin (-Si) este ilustrat in figura de mai jos, stanga, spectrul de absorptie al celor doua celule individuale, precum si a structurii tandem fiind reprezentat in

    figura de mai jos, dreapta.

    In acest exemplu captarea luminii se realizeaza crescand structura pe un substrat structurat, pe

    care lumina se imprastie, si astfel creste drumul efectiv al luminii prin filmul absorbant. In

    cazul de mai sus, captarea luminii trebuie sa se realizeze intre 600 si 750 nm pentru celula

    amorfa de sus, si intre 800 si 1100 nm pentru cea microcristalina de jos. Pentru Si amorf

    captarea luminii are si alt rol: degradarea produsa de lumina se poate minimiza in straturi mai

    subtiri, pe cand in Si microcristalin, captarea imbunatateste absorptia luminii (materialul are

    benzi de energie indirecte). Suprafetele structurate pot fi si electrozii, in structuri de tip p-i-n

    sau n-i-p; structura de mai sus este n-i-p/n-i-p. Pentru celule din Si amorf, inaltimea corugatiei

    trebuie sa fie intre 50 si 90 nm, iar dimensiunea laterala a corugatiei intre 300 si 500 nm.

    Pentru celulele din Si microcristalin, dimensiunea laterala a corugatiei trebuie sa se situeze

    intre 1000 si 1400 nm, iar inaltimea trebuie sa fie comparabila cu cea din Si amorf. In

    structura tandem, pentru a optimiza structurarea substratului pentru ambele celule, se

    introduce un strat intermediar reflector asimetric din ZnO intre cele doua celule, care creste

    capturarea luminii in celula solara amorfa de sus. Aceste strat este notat AIR (asymmetric

    intermediate reflector) in figura de mai sus, si are ca rol cresterea eficientei cuantice externe a

    celulei de Si amorf. Structura tandem de mai sus a fost crescuta pe un substrat flexibil din

  • polietilena, care este structurat periodic inaintea cresterii straturilor de Si. In structuri tip n-i-p

    grosimea stratului i trebuie sa fie sub 2.5 m in stratul -Si pentru a evita pierderile prin recombinare, si sub 300 nm in stratul a-Si pentru a limita degradarea indusa de lumina.

    O structura tandem cu trei jonctiuni pe baza de Si necristalin este ilustrata in figura de

    mai jos, stanga, spectrul de absorptie al celor trei straturi fiind reprezentat in dreapta.

    Observati folosirea unui strat reflector metalic, care reflecta lumina care traverseaza structura,

    crescand in acest fel drumul parcurs de fotoni, deci absorptia luminii. Eficienta de conversie

    in acest caz este de 710%.

    Configuratii emergente de celule solare

    Configuratiile de celule solare prezentate pana acum, desi nu sunt usor de fabricat sau ieftine,

    nu pun probleme tehnologice deosebite. Configuratiile emergente de celule solare se bazeaza

    fie pe structuri semiconductoare de dimensiuni nanometrice in care nivelele energetice ale

    electronului sunt discrete, in loc sa fie continue, ca in materiale cristaline, fie pe plasmoni.

    Puncte, fire si gropi cuantice. Superlatici Am intalnit structuri semiconductoare in care nivelele electronice sunt discrete, mai exact

    puncte cuantice, cand am discutat despre nanoparticule de TiO2 in legatura cu celulele solare

    sensibilizate cu coloranti. Reamintim ca intr-o particula nanocristalina cu dimensiuni ,

    si , electronul este localizat in regiunea cu energie potentiala minima/in nanoparticula, iar

    xL yL

    zL

  • spectrul sau energetic nu mai este format din benzi permise si interzise, ca in cristale, ci din

    nivele discrete (vezi figura de mai jos), date de

    E E111 E112 E113

    D0D

    x y

    z

    pqrznynxn

    czyx ELr

    mLq

    mLp

    mEkkkE =

    +

    +

    +=

    222222

    222),,( hhh

    un p, q, r sunt numere intregi. Aceste nivele discrete se obtin din ecuatia Schrdinger

    satisfacuta de electronii din material. Un spectru discret de energii este similar cu cel intalnit

    in atomi sau molecule. O nanoparticula este numita punct cuantic daca nivelele discrete de

    energie pot fi observate, adica daca diferenta intre doua nivele energetice discrete este mai

    mare decat energia de vibratie termica, . Aceasta implica , ,

    , sau , , .

    TkB 222 2/ xn Lmh 222 2/ yn LmhTkLm Bzn >222 2/h xL yL TkmL Bnz 2/22h gEE

    TkB

    In urma fotoexcitarii, purtatorii fierbinti interactioneaza intai intre ei si cu populatia de

    purtatori reci (electronii si golurile care exista anterior in benzile de conductie si valenta, la

    temperatura retelei cristaline) prin ciocniri purtatori-purtatori si imprastieri. Rata de ciocnire

    (numarul de ciocniri pe unitate de timp) este diferita pentru electroni si goluri. Se formeaza

    astfel doua distributii separate, carora li se poate asocia separat temperaturi ale electronilor si

    ale golurilor. Dupa aproximativ 100 fs, populatiile separate de electroni si goluri ajung la

    echilibru, dar nu si la echilibru cu reteaua cristalina. Pentru a ajunge la echilibru cu reteaua

    cristalina, au loc interactii purtator-fonon care pot fi separate pentru fiecare tip de purtator,

    sau procese Auger in care energia in exces a unui tip de purtator este intai transferata celuilalt

    tip, care interactioneaza ulterior cu fononii. In urma acestor procese temperatura retelei devine

    egala cu cea a purtatorilor de sarcina (creste fata de valoarea initiala); fenomenul se numeste

    termalizare. Dupa termalizare, electronii si golurile se recombina radiativ sau neradiativ.

    Electronii si golurile fierbinti se relaxeaza/termalizeaza cu rate diferite datorita maselor lor

    efective diferite. In general masa efectiva a electronilor este mai mica decat cea a golurilor, si

    deci electronii se racesc mai incet.

    Exista doua forme de utilizare eficienta a purtatorilor fierbinti: pentru generarea unei

    fototensiuni mai mari sau pentru generarea unui fotocurent mai mare. In primul caz, purtatorii

  • sunt extrasi din regiunea activa inainte de a se termaliza/de a se raci, iar in al doilea caz,

    purtatorii fierbinti produc o a doua (sau mai multe) pereche electron-gol prin ionizare de

    impact. In primul caz rata de separare, transport si transfer prin interfata intre doi semicon-

    ductori a purtatorilor fotogenerati trebuie sa fie mai mare decat rata de racire a acestora. In al

    doilea caz, rata ionizarii prin impact trebuie sa fie mai mare decat rata de racire. Aceste rate se

    pot modifica la valorile dorite in structuri cuantice: puncte cuantice, fire cuantice sau gropi

    cuantice. In particular, rata de racire a purtatorilor fierbinti poate fi redusa dramatic, iar rata

    ionizarii prin impact poate deveni competitiva cu rata de racire a purtatorilor.

    Purtatorii de sarcina (electroni si goluri) pot fi extrasi din materialul absorbant inainte

    de a se termaliza prin contacte de tunelare (vezi figura de mai jos). In acest caz purtatorii

    fierbinti se extrag rapid si la energie fixa (energia nivelului discret din stratul subtire/groapa

    cuantica care se introduce intre materialul absorbant si contacte).

    Elementele fotovoltaice in care se genereaza mai multi purtatori de sarcina per foton

    absorbit au o eficienta cuantica interna mai mare decat 1. Procesul prin care se produce mai

    mult de o pereche electron-gol (sau mai mult de un exciton) pentru fiecare foton absorbit se

    numeste ionizare prin impact. In acest proces neliniar, energia in exces a electronilor, care s-ar

    disipa in caldura, duce la formarea unei alte perechi electron-gol. Aceste celule solare se

    bazeaza doar pe electronii fierbinti, care (dupa cum am vazut mai sus) se termalizeaza mai

    incet decat golurile. Un electron excitat intr-o stare de energie inalta poate genera o alta

    pereche electron-gol in urma dezexcitarii.

    In materialele omogene acest mecanism de ionizare este ineficient pentru ca purtatorii

    de sarcina au o rata de recombinare mai mare decat rata de ionizare prin impact si pentru ca

    trebuie indeplinite conditiile de conservare a impulsului in cristal. Acest fenomen se observa

    in semiconductori omogeni doar pentru energii E ale fotonilor de cateva ori mai mari decat

    latimea benzii interzise . De exemplu, in Si eficienta ionizarii prin impact este 5% (deci, gE

  • eficienta cuantica totala este 105%) pentru gEE 6.3= = 4 eV, si de 25% la = 4.8eV. Teoria arata ca pentru o singura jonctiune p-n in care se pot genera pana la 8 perechi

    electron-gol dintr-un foton, eficienta este de 58% pentru 1000 sori (39% pentru 1 soare), fata

    de 38% (31%), daca nu se produce excitarea mai multor purtatori. In acest sens, generarea

    mai multor perechi electron-gol ar putea deveni de interes chiar si in materiale omogene, daca

    se folosesc concentratori.

    gEE 4.4=

    Din contra, ionizarea prin impact este favorizata in puncte cuantice (vezi figura de mai

    sus) datorita cresterii interactiei Coulomb intre excitoni si datorita relaxarii conditiei de

    conservare a impulsului in structuri confinate. In puncte cuantice ionizarea prin impact are ca

    rezultat generarea mai multor excitoni. De exemplu, in puncte cuantice din PbSe se pot forma

    pana la 7 excitoni per foton absorbit: se formeaza doi excitoni la , iar eficienta

    ionizarii prin impact devine 118% (se formeaza mai mult de doi excitoni) la . La

    eficienta ionizarii prin impact este mai mare de 200% in puncte cuantice PbSe cu un

    diametru de 3.9 nm (deci, eficienta cuantica interna este mai mare decat 300% si se formeaza

    mai mult de trei excitoni per foton absorbit). Generarea multi-excitonica s-a pus in evidenta si

    in puncte cuantice din CdSe, InAs, sau Si.

    gEE 3=gEE 8.3=

    gEE 4=

    In figura de mai jos este reprezentata dependenta eficientei cuantice interne de energia

    fotonilor incidenti normata la pentru puncte cuantice in diverse materiale. Punctele gE

  • cuantice din PbS si PbTe au diametrele de 5.5 nm, si respectiv 4.2 nm, valoarea fiind

    indicata in figura, cele trei valori pentru PbSe corespunzand punctelor cuantice cu trei

    diametre diferite: 5.7 nm ( = 0.71 eV), 4.7 nm ( = 0.82 eV), si 3.9 nm ( = 0.91 eV).

    gE

    gE

    gE gE gE

    Pentru a controla atat absorptia fotonilor cat si viteza de racire a purtatorilor fierbinti

    se folosesc superlatici, de obicei in configuratii p-i-n, ca in figura de mai jos. In acest caz se

    absoarbe o fractiune mai mare de fotoni din spectru datorita (mini)benzilor intermediare ale

    superlaticii.

    In acelasi timp minibenzile superlaticii incetinesc racirea distributiei de electroni fierbinti si

    permit transportul si colectarea rapida a electronilor cu energie cinetica in exces mare pentru a

  • produce o tensiune la circuit deschis mai mare. In astfel de structuri pot avea loc si

    ionizari prin impact care genereaza mai multi excitoni per foton absorbit, deci poate creste si

    fotocurentul, dar de obicei crearea mai multor excitoni si transportul/colectarea de purtatori

    fierbinti nu au loc simultan.

    cdV

    Modificarea spectrului solar O alternativa la folosirea mai multor straturi de conversie a energiei solare (ca in celulele

    solare multi-jonctiune) este modificarea spectrului solar inainte ca fotonii sa ajunga la

    elementul fotovoltaic. Principiul este ilustrat in figurile de mai jos si se bazeaza pe faptul ca

    eficienta maxima de conversie a unei celule solare cu o jonctiune se poate atinge pentru

    semiconductori cu intre 1.25 eV si 1.45 eV, spectrul solar fiind mult mai larg: intre 0.5 eV

    si 3.5 eV. Daca o singura jonctiune p-n poate converti cel mult 31% din puterea solara

    incidenta (33% in teoria Shockley-Queisser) deoarece unii fotoni nu pot fi absorbiti pentru ca

    au o energie mai mica decat si sunt transmisi prin celula solara iar altii au energie in exces

    care este pierduta prin termalizare (vezi figura de mai jos, stanga), eficienta de conversie ar

    putea creste foarte mult daca spectrul luminii solare ar putea fi modificat astfel incat sa se

    suprapuna peste spectrul fotonilor absorbiti optim intr-o celula solara cu o singura jonctiune

    (vezi figura de mai jos, dreapta).

    gE

    gE

    Aceasta transformare a spectrului presupune doua procese: conversie in sus (up-conversion) si

    conversie in jos (down-conversion) a energiei fotonilor incidenti. In procesul de conversie in

    sus (vezi figura (a) de mai jos), doi (sau mai multi) fotoni cu energie mai mica genereaza unul

    cu energie mai mare, care sa poata fi absorbit.

  • (a)

    (b)

    Din contra, in procesul de conversie in jos, (vezi figura (b) de mai sus) un foton de energie

    mare (din regiunea ultraviolet a spectrului solar) se transforma in doi sau mai multi fotoni de

    energie mai mica care pot fi absorbiti in celula. Conversia in sus si conversia in jos a energiei

    fotonilor sunt procese neliniare, care au loc cu o eficienta relativ mica, folosindu-se in general

    ioni de lantanide.

    De exemplu, conversia in jos poate avea loc daca se induce emisia a doi fotoni de

    energie mai mica intr-un material cu nivel de impuritate in banda interzisa, cum ar fi LiGdF4

    dopat cu Eu3+, in care se emit doi fotoni in vizibil pentru fiecare foton absorbit in ultraviolet

    printr-un transfer de energie de la Gd3+ excitat la Eu3+. Acelasi efect a fost observat in puncte

    cuantice din Si cu ioni Er3+ in matrice de SiO2, alte materiale in care ar putea avea loc

    conversia in jos fiind AlAs si GaP.

    Conversia in sus a energiei fotonilor a fost demonstrata intr-o celula solara din GaAs

    dopat cu pamanturi rare (Er3+ si Yb3+), in configuratia prezentata in figura de mai jos.

    Eficienta celulei solare (estimata) este de 48% la 1 soare, si 63% la 46200 sori. Fotogenerarea

    in infrarosu a fost pusa in evidenta si in celule din Si cu conversie in sus, cu ioni de Er3+,

    eficienta cuantica externa fiind de doar 2%.

  • Celule solare cu plasmoni Plasmonii sunt oscilatii colective ale gazului de electroni in metale sau semiconductori si sunt

    asociati cu o puternica amplificare a campului electromagnetic la interfata dintre un metal si

    un dielectric/izolator. In particular, in nanoparticule metalice se formeaza plasmoni de

    suprafata, care duc la o crestere a absorptiei luminii prin cuplarea fotonilor incidenti cu

    oscilatiile colective ale electronilor liberi de la suprafata metalului.

    In figura de mai jos, stanga, este ilustrata concentrarea radiatiei electromagnetice in

    jurul mai multor gauri cu dimensiuni mai mici decat lungimea de unda a luminii facute intr-un

    strat subtire de metal depus peste sticla; concentratea luminii in jurul unei singure gauri este

    aratata in figura de mai jos, dreapta.

    Un sir de astfel de gauri poate ghida lumina la suprafata dintre metal si sticla (vezi

    figura de mai jos, stanga). Fenomenul este rezonant (se observa cu precadere la anumite

    lungimi de unda determinate de diametrul gaurilor), si poate fi folosit pentru cresterea

  • absorptiei luminii de o anumita lungime de unda asezand nanoparticule pe suprafata plana

    care contine gaurile; nanoparticulele absorb doar fotonii cu energie egala cu diferenta dintre

    nivelele discrete electronice in nanoparticula, ca in figura de mai jos, dreapta.

    Mai mult, energia electromagnetica poate fi ghidata fara pierderi semnificative de-a

    lungul unui lant periodic de nanoparticule metalice (chiar in jurul unor colturi de 90 grade)

    care convertesc modul optic in plasmoni de suprafata ne-radiativi. De exemplu, s-a observat

    ca nanoparticule de Ag cu un diametru de 30 nm ghideaza energia electromagnetica pe cateva

    sute de nm prin interactii intre particule in camp apropiat. Astfel de nanoparticule pe suprafata

    celulei solare actioneaza ca antene care colecteaza lumina incidenta in jurul rezonantei

    plasmonilor de suprafata si apoi imprastie lumina intr-o varietate mare de unghiuri, astfel

    incat creste drumul optic in stratul absorbant (vezi figura de mai jos, stanga). Intr-o alta

    configuratie, lumina se cupleaza cu plasmonii de suprafata care se propaga la interfata

    semiconductor/metal (metalul fiind asezat sub semiconductor, ca in figura de mai jos, dreapta)

    prin periodicitati mai mici decat lungimea de unda a luminii. Astfel, directia fluxului de

    energie se schimba de la perpendicular la lateral fata de stratul fotovoltaic.

  • In figura de mai jos este prezentata o celula solare tandem care foloseste plasmonii de

    suprafata pentru cresterea absorptiei luminii prin imprastierea de pe nanoparticule metalice in

    jurul rezonantei plasmonice. Astfel de celule solare pot folosi straturi foarte subtiri de diverse

    materiale.

    In celule solare plasmonice, fotocurentul poate creste de 18 ori (pentru lungimea de

    unda a luminii de 800 nm) daca se aseaza nanoparticulele de Ag pe suprafata elementului

    fotovoltaic din Si cristalin cu o grosime de 165 nm depus pe un substrat de SiO2. In acelasi tip

    de celule solare nanoparticulele de Au cresc fotocurentul cu 80% la = 500 nm, ceea ce corespunde la 8% crestere in eficienta de conversie.

    Alte solutii pentru cresterea eficientei de conversie a celulelor solare Alte solutii pentru cresterea eficientei de conversie a celulelor solare si/sau reducerea

    costurilor includ folosirea unor materiale noi si folosirea unor configuratii noi de celule

    solare. De exemplu, s-a propus folosirea compusilor carbonului, cum ar fi camforul K =

    C10H16O, in fabricarea celulelor solare. Eficienta de conversie a structurii n-K/p-K/p-Si este

    de 2.3%.

    In figura de mai jos este reprezentata o celula solara care foloseste pentru electrozi

    grafena. Aceasta (vezi figura de mai jos, stanga) este formata dintr-un singur strat de atomi de

    carbon asezati intr-o structura periodica hexagonala (este deci o structura mezoscopica).

    Avantajul este ca (dupa cum se vede din figura de mai jos, dreapta) coeficientul ei de

    transmisie este mai mare decat al compusilor folositi in mod uzual ca si oxizi transparenti,

    ITO (oxid de In si Sn) si FTO (oxid de F si Sn), in domeniul de lungimi de unda mari (energii

    mici) ale fotonilor incidenti.

  • graphene

    ITO

    FTO

    Configuratiile de celule solare au evoluat si in sensul reducerii pierderilor datorate umbrei

    electrozilor grila, de exemplu. O succesiune de imbunatatiri in acest sens este prezentata in

    figurile de mai jos, configuratiile celulelor solare evoluand de la cea traditionala (in figura

    (a)), la cea in care metalizarea infasoara structura (MWT metallisation wrap-through; figura

    (b)), la cea in care emitorul infasoara structura (EWT emitter wrap-through; figura (c)), si in

    final la configuratia cu jonctiune spate (figura (d)). In figurile de mai jos grila consta din

    degete subtiri paralele care transporta curentul la busbars/electrozi centrali, lati, care

    conecteaza celulele solare la circuite externe.

    (a)

    (b)

  • (c)

    (d)

    In configuratia din figura (b), o parte din grila metalica de sus este mutata in spate

    (busbar-ul se muta), iar partea care ramane la suprafata se conecteaza la spate extinzand-o

    printr-un numar de deschideri in placheta. In figura (c), suprafata de sus nu are metalizare, dar

    emitorul este tot langa suprafata de sus. Contactul de baza, interdigital, se interdigiteaza cu

    contactul emitorului (asezat jos), iar contactul sus-jos se face prin intermediul emitorului, care

    se extinde prin golurile din substrat. In celula solara cu jonctiune spate, metalizarea si

    emitorul sunt mutate in spate, ceea ce permite cresterea densitatii si interconectivitatii

    celulelor solare, si reducerea pierderilor cu umbra electrozilor si a pierderilor datorate

    rezistivitatii grilei. Aceasta configuratie, in care perechile electron-gol sunt generate in

    regiunea omogena cu timp de viata mare, au o recombinare la suprafata mica si pot functiona

    la fluxuri mari de radiatie/in concentratori.

  • Teme cu grad de dificultate mai mare TIV-1 O heterojonctiune p-n consta din doi semiconductori, A si B. Semiconductorul A are o

    banda interzisa , densitate de purtatori intrinseca si lucru de extractie intrinsec AE iAn A (masurat de la mijlocul benzii interzise pana la nivelul de vid). Semiconductorul B este un

    compus din doua materiale in raportul x:1x si are banda interzisa si densitate de purtatori

    intrinseca date de

    xEE AB += , )2/exp( Tkxnn BiAiB = . Lucrul de extractie AB > este acelasi pentru toate compozitiile x. B este folosit ca strat fereastra de tip n, pe un strat p din semiconductorul A.

    a) Gasiti valoarea parametrului x la care in banda de conductie incepe sa apara o treapta/un

    obstacol in colectarea electronilor.

    b) Daca densitatile dopantilor in straturile A si B sunt si, respectiv, , aratati ca exista AN BN

    un gradient de potential care transporta electronii din A in B doar daca 2iABA nNN >c) In cazul particular in care = 1.4 eV, = 21012 m3, AE iAn A = 5 eV, B = 5.3 eV si = 2.4 eV, stratul fereastra de tip n este conceput astfel incat fotonii cu lungime de unda mai mare de

    500 nm sa patrunda in baza de tip p.

    (i) Calculati inaltimea treptei din banda de conductie.

    (ii) Desenati profilul de benzi in aceasta heterojonctiune.

    (iii) Precizati cum este afectata eficienta colectarii sarcinilor prin variatia nivelului de dopare.

    TIV-2 Calculati o celula solara tandem din Si amorf care consta din doua jonctiuni p-i-n in

    serie, conectate printr-o jonctiune tunel. Celula are o grosime totala de 1 m si trebuie optimizata astfel incat curentii sa fie aceiasi pentru iluminare la 600 nm. Daca absorptia in Si

    amorf este 3106 m1 la 600 nm, cat de groase trebuie sa fie fiecare din cele doua regiuni i ? Se poate presupune ca regiunile n si p au grosimi neglijabile si ca jonctiunea tunel este ideala,

    eficienta de colectare a sarcinilor electrice fiind de 100% in regiunea intrinseca. Explicati ce

    va asteptati sa se intample cu curentul de scurtcircuit al celulei daca lungimea de unda a

    fotonilor a) creste, b) scade in conditiile in care densitatea fluxului de fotoni ramane aceeasi.

  • lumina

    t1 t2

    p i n p i n

    TIV-3 Pentru a captura lumina, se aseaza un strat semiconductor cu indice de refractie si sn

    grosime w intre o suprafata care reflecta lumina plasata in spatele dispozitvului si o suprafata

    care imprastie lumina in fata celulei (vezi figura). Suprafata din fata este rugoasaa, astfel incat

    imprastie lumina incidenta sau reflectata in toate directiile, si permite luminii care este

    incidenta din interior la unghiuri mai mici decat unghiul critic sa se reflecte total (sa iasa din

    celula).

    reflector

    suprafata rugoasa

    w

    lumina

    Se presupune ca lumina imprastiata de suprafata frontala parcurge in medie o distanta w2

    inainte de a ajunge la suprafata din spate.

    a) Daca suprafata din spate este un reflector perfect, aratati, presupunand reflexii interne

    multiple, ca drumul mediu al razelor care intra in celula este . wnl s24=b) Daca suprafata din spate este un reflector imperfect cu reflectivitate R, aratati ca drumul

    mediu al razelor devine

    )/11(1)1(2

    2snR

    wRl +=

    Daca , cat de mare trebuie sa fie R ca sa avem o crestere a drumului mediu de 20 ori ? 3=sn

  • Concluzii Cercetarea in domeniul celulelor solare a avansat foarte mult, iar aplicatiile acestora s-au

    dezvoltat foarte rapid. De la primele celule solare (vezi figura de mai jos, stanga) si primele

    baterii solare demonstrate in 1954 (figura de mai jos, centru), pana la prima retea de

    comunicatii rurale in America (figura de mai jos, dreapta), a trecut doar un an.

    Partea frontala si spatele primelor celule solare comerciale fabricate de Northern Electricity in

    1961 aratau ca in figura de mai jos stanga si, respectiv, centru. O celula solara moderna pe

    baza de filme subtiri este aratata in figura de mai jos, dreapta, pentru comparatie.

    Primul satelit care a folosit celule solare din Si a fost Vanguard I, lansat in 1958 si a

    carui transmisii au fost receptionate pana in 1964 (figura de mai jos, stanga), iar primul satelit

    care a folosit celule solare din GaAs este satelitul britanic STRV (Space Technology Research

    Vehicle), care a fost lansat in 1994 si a continuat sa transmita pana in 1998 (vezi figura de

    mai jos, dreapta).

  • Primele vehicule spatiale (care nu au orbite circumterestre) si care au folosit celule

    solare din GaAs au fost Mars Global Surveyor, lansat in 1996, si Mars Climate Orbiter (vezi

    figura de mai jos, stanga) si Deep Space 1 (figura de mai jos, dreapta), ambele lansate in 1998

    Mars Global Surveyor avea patru panouri solare, doua din GaAs si doua din Si, care

    produceau 980 W, Mars Climate Orbiter avea trei panouri solare cu o suprafata de 11 m2

    continand celule multi-jonctiune tandem GaAs/Ge, fiecare capabila sa genereze 1000 W pe

    Pamant si 500 W pe Marte, iar Deep Space 1 avea 8 panouri cu dimensiuni de 160 cm 113

    cm care incorporeaza celule tandem GaInP2/GaAs/Ge cu concentratori si care asigura 2500 W

    la 100 V. Celulele solare tandem GaInP2/GaAs/Ge cu eficiente de conversie mai mari ca 29%

    sunt cele mai folosite astazi in aplicatii spatiale, generand pe orbita (in diferiti sateliti) mai

    mult de 820 kW. Suprafata panourilor solare creste pe masura ce satelitii si vehiculele spatiale

    devin mai sofisticate. In figura de mai jos este aratata Spatia Statiala Internationale.

  • Pe de alta parte, contributia celulelor solare la producerea electricitatii pe Pamant a

    luat o amploare din ce in ce mai mare, fiind deosebit de utila in regiuni izolate. In figurile de

    mai jos, stanga, centru si dreapta sunt exemple de celule solare folosite, respectiv, in iurte

    izolate din China, in locuinte lacustre din trestie de pe lacul Titicaca din Bolivia, si in

    comunitati rurale din India.

    Folosirea celulelor solare la iluminatul strazilor (figura de mai jos, stanga), a corturilor (figura

    de mai jos, centru) si la alimentarea diverselor echipamente agricole, de exemplu, cum ar fi

    tractorul din figura de mai jos, dreapta, sunt din ce in ce mai raspandite.

  • Estimarile arata ca in 2050 ar fi nevoie de 30 TW/an energie care sa nu fie produsa pe

    baza de carbon/combustibil fosil pentru a satisface nevoile unei populatii de 10-11 miliarde de

    oameni daca rata de crestere globala a economiei ar fi de 2% pe an. Acesta cifra este calculata

    pornind de la cantitatea de CO2 atmosferic care poate fi tolerata fara a avea un impact major

    asupra schimbarii climei globale. In prezent, aceasta cantitate este de 275 ppm (in crestere

    fata de 175 ppm CO2 inainte de revolutia industriala), si s-ar putea stabiliza la 400 ppm in

    2050. In prezent, consumul anual a 6 miliarde oameni este 13 TW/an. O mare parte din

    aceasta energie ar putea fi generata folosind celule solare. Celulele solare ar putea sa fie

    utilizate nu numai in panouri solare montate pe case sau in uzine solare, ci am putea avea

    (vezi figurile de mai jos) avioane solare, imbracaminte si accesorii fotovoltaice, plante de

    apartament fotovoltaice, sau masini si vapoare solare. Toate acestea sunt in stadiu de prototip.

    Recent, avionul solar din figura de mai jos, denumit Solar Impulse, a efectuat primul zbor de

    noapte, folosind acumulatori care inmagazineaza energia generata in timpul zilei de catre

    panourile solare. Folosind cunostintele acumulate in acest curs (si in altele in cadrul

    programului de masterat), puteti contribui activ la aceasta revolutie tehnologica.


Recommended