, dipl.ing.el. Energetski institut Hrvoje Požar - hkis.hr Bacan.pdf · – Godišnji – Dnevni 4. Spektar Sunčevog zračenja 5. Fotonaponski efekt Generiranje nosioca električnog

Sunčane ćelije treće generacije

Andro Bačan, dipl.ing.el.Energetski institut Hrvoje Požar

10. Zagrebački energetski tjedanSeminar Hrvatske komore inženjere elektrotehnike

Tehnološki park, Zagrebački velesajam, Zagreb, 17. svibnja 2019

Sadržajo Sunčevo zračenjeo Fotonaponski efekto Tehnologije sunčanih ćelijao Sunčane ćelije treće generacije

– Perovskit– Organske sunčane ćelije– Sunčane ćelije u premazu

2

Prije početka, mali kviz…

3

Vjerojatno najpoznatiji inajpopularniji znanstvenikdvadesetog stoljeća, Albert Einstein,1922. godine dobio je Nobelovunagradu za fiziku, koja mu jedodijeljena za:

1. Postavljanje opće teorije relativnosti2. Objašnjenje fotoelektričkog efekta3. Postavljanje Bose-Einsteinove

statistike

Sunčevo zračenjeo Udaljenost: 149.598.023 kmo Zračenje na površini Zemljine

atmosfere - Sunčana konstanta: 1371 W/m2

o Vremenski profil ozračenosti ovisi o nagibu i orijentaciji plohe

o Posljedica prividnog gibanja Suncao Profili

– Godišnji– Dnevni

4

Spektar Sunčevog zračenja

5

Fotonaponski efektGeneriranje nosioca električnog naboja (elektrona) u poluvodičkom

materijalu pod djelovanjem svjetla (fotona)Foton je kvant energije:

E = h*fElektron će se generirati ako je energija fotona veća od energije

vezanja od energije tzv. zabranjenog pojasaSamo dio energije fotona se predaje elektronu

Fotoni valne duljine manje od granične ne mogu generirati elektron

6

Efikasnost pretvorbe o Shockley-Queisserova granica – 34%

– Teorijski maksimalna iskoristivost pretvorbe u jednom p-n spoju

o Više p-n spojeva – povećanje efikasnosti

o „Hvatanje” fotona određene bojeo Slojevi poluvodiča moraju biti dovoljni

tanki da omoguće difuziju fotona

7

Izvor: DGS, Leitfaden Photovoltaische Anlagen

Materijal Učinkovitost na razini modulu

Potrebna površina za 1 kW

Visoko učinkoviti silicij (HIT)Monokristalinični silicij

16-18%

11-16%

5-6m2

6-9m2

Polikristaliničnisilicij

10-15% 7-10m2

Tankoslojni:Bakar-indij-diselenid (CIS)

6-11% 9-17m2

Kadmij-telurid(CdTe)

6-11% 9-17m2

Mikromorfni silicij

Amorfni silicij

7-12%

4-7%

8,5-15m2

15-26m2

Tehnologije sunčanih ćelija

Najviše dosegnute efikasnosti sunčanih ćelija u zadnjih 40 godina

9

Proizvodnja sunčanih ćelija prve generacije

10

Sirovi silicij

Taljenje (1400°C)Kristalizacija

PiljenjeIzrada blokova

Sortiranje wafera

Wafer

Kompresiranisilicij

Spajanje ćelija u serijske nizove

Obrada površineSunčana ćelija

Difuzija p i n materijalaP-n spoj

Uokvireni FN modul

Što su sunčane ćelije treće generacije?o Napredna generacija sunčanih ćelijao Više p-n spojevao Amorfni materijalio Ekspreimentalna i razvojna faza – nisu komercijalno dostupneo Očekuju se efikasnosti preko 40% (Shockley–Queisser-ovo

ograničenje)o Pojednostavljeni način proizvodnjeo Nanomaterijalio Više p-n spojevao Niža cijena

11

Koncepti sunčanih ćelije treće generacijeo Organsko-polimerski filmovi i fluidio Heterospojo Višespojne sunčane ćelijeo Kvantne točkeo Sunčane ćelije s koncentriranjem Sunčevog zračenjao Modulacija spektra Sunčevog zračenja (konverzija prema gore i

prema dole)– Jedan foton – više elektrona

o Sunčane ćelije s vrućimnosiocima naboja

12

Tehnologije sunčanih ćelija treće generacijeo Sunčane ćelije bazirane na perovskituo Organske sunčane ćelije

– Sunčane ćelije na bazi polimerao Grätzelove sunčane ćelije – sunčane ćelije u „premazu”o Sunčane ćelije na bazi bakar-cink-kositar-sulfitao Termofotonaposke ćelijeo Kvantne točke

13

Sunčane ćelije bazirane na perovskituo Perovskit – mineral, kalcijev titanat (CaTiO3) – ime prema strukturi,

a ne prema konkretnom spojuo Teorijska maksimalna efikasnost od 31% - vrlo blizu teorijskoj

maksimalnoj efikasnosti GaAs od 34%– Dosegnute efikasnosti od 20%

o Visoka optička apsorpcija fotonao Moguća modulacija energije zabranjenog pojasa u ovisnosti o

udjelu halida (soli) u mineralnuo Obećavajuća tehnologija – očekivana cijena: 0,30 US$/Wo Nedostaci:

– Stabilnost– Korištenje olova

14

Proces proizvodnje

15

Sunčane ćelije bazirane na perovskitu - struktura

o Aktivni sloj baziran na perovskituo Heterospojo Elektrode

– Anoda – TiO2

– Katoda – laki metal – aluminij

16

Organske sunčane ćelijeo Sunčane ćelije na bazi ugljika

– Dostupan materijal – Nizak utjecaj na okoliš

o Materijali s niskom energijom zabranjenog pojasa (bandgap)

o Aktivni slojevi - heterospoj

17

Izvor: DTU, plasticphotovoltaics.orgIzvor: Konarka

Organske sunčane ćelije – princip radao Aktivni materijal – heterospojo Akceptor: polimero Donor: fuleren (nanocijevi)o Anoda – Indij – kositar oksido HTL: polistireno ETL: litij-flourido Katoda - Aluminij

18

Izvor: DTU, plasticphotovoltaics.org

Organske ćelije – aktivni slojevi

19

Organske sunčane ćelije – povećanje efikasnosti

o Tandem spojo Slaganje više aktivnih slojeva jedan na drugio Svaki sloj „hvata” svoj dio spektra

20Izvor: DTU, plasticphotovoltaics.org

Organske sunčane ćelije – načini proizvodnje

21

Izvor: DTU, plasticphotovoltaics.org

22

Izvor: DTU, plasticphotovoltaics.org

Organske sunčane ćelijeo https://youtu.be/uUyesNpNcpY - proizvodnjao https://youtu.be/o425pMjZL1Y - instalacija

o Više na: http://plasticphotovoltaics.org/

23

Sunčane ćelije u „premazu”o Dye-sensitized solar cell - Grätzelove sunčane ćelijeo Organski premazi (boje) kao aktivni slojo Princip rada sličan fotosintezio Nedostaci:o Elektrolit, odnosno aktivni sloj je fluido Korištenje rijetkih materijala za elektrode

24

Sunčane ćelije u „premazu”o Injekcija elektrona

izravno na elektrodu (TiO)

o Elektrolit kao aktivan sloj

25

Sunčane ćelije na bazi bakar-cink-kositar-sulfita

o Slične kao CIGS ćelije, ali ne koriste rijetke ili elemente štetne za okoliš

o Efikasnosti od 12%

26

Termofotonaponske sunčane ćelije

o Emiter topline – u osnovi konverter topline u infracrveno svjetlo– 900 – 1200 °C

o Sunčana ćelija u IR području

27

Primjene sunčanih ćelija treće generacijeo Smanjenje cijene – samostalna primjena

– Potreban tehnološki napredako Za poboljšanje karakteristika sunčanih ćelija prve i druge generacije

– „Hvatanje” dijela spektra– Temperaturno stabiliziranje

28

HVALA NA PAŽNJI

Andro BačanEnergetski Institut Hrvoje Požar

Savska cesta 163, Zagreb, Croatia

T: + 385 1 6326 158

[email protected]

www.eihp.hr