CELLE SOLARICELLE SOLARI

Docente: Mauro MoscaDocente: Mauro Mosca(www.dieet.unipa.it/tfl)(www.dieet.unipa.it/tfl)

last release: 1/11/2017last release: 1/11/2017

Università di Palermo – DEIM

Principio di funzionamentoPrincipio di funzionamentoa)

b)c)

efficienza limitata da:- riflessione- fotoni poco o troppo energetici- ricombinazione- resistenze parassite

- E separa e-h

- attraversata la zona svuotata di cariche libere, gli elettroni liberi non tornano più indietro, perché il campo elettrico, impedisce a loro di invertire la marcia

-carico esterno: nel circuito si ottiene un flusso di elettroni che parte dallo strato drogato di tipo n, e si dirige verso lo strato p attraverso il carico

10-15 cm

100-150 cm

0.25-0.5m

Schema di una cella solareSchema di una cella solare

Sistemi a concentrazioneSistemi a concentrazionestampi per iniezione o termoformaturaproblema del riscaldamento

Caratteristica I-VCaratteristica I-V

cella solare = diodo di grande superficie

acircuitoaperto

incorto-circuito

Schema equivalente di una cella solareSchema equivalente di una cella solare

V

I = ID – IL

I = Is (e qV/kT – 1) - IL kTEg

p

p

Dn

n

A

ss e

D

N

D

NqNcNv

A

IJ /11

dark current

(compare in presenza di carico)

= ID

Caratteristica I-V di una cella illuminataCaratteristica I-V di una cella illuminata

IL = 100 mA

Calcolo della massima potenza d’uscitaCalcolo della massima potenza d’uscita

=

= = –= –

= –

(per I = 0)I = Is (e qV/kT – 1) - IL

alta Voc = bassa Is = elevato tempo di vita

kTEg

p

p

Dn

n

A

ss e

D

N

D

NqNcNv

A

IJ /11

= elevata qualità del materiale

Efficienza e fill factorEfficienza e fill factor

= (ISC ~ IL)

Resistenza serie e corrente di ricombinazioneResistenza serie e corrente di ricombinazione

= –I = Is (e qV/kT – 1) - IL …+ Rs

Resistenza serie:

- profondità giunzioni

- elettrodi di contatto

- concentrazioni d’impurità

- tipo di substrato (n o p)

- condizioni superficiali

Irradianza spettro solareIrradianza spettro solare

W di picco

AIR MASS = 1/cos

potenza fornita dalla cella alla temperatura di 25 °C sotto una radiazione di 1000 W/m2 e in condizioni AM = 1,5

Per poter fare dei confronti sono statedefinite delle condizioni standard di riferimento:

“air mass” (AM): massa di aria che viene attraversata dalla radiazione solare prima di incidere sulla terra

attenuazione radiazione solaredovuta a nuvole, scattering eassorbimento atmosferico: angolo tra verticale

e posizione del sole

Irradianza spettro solareIrradianza spettro solare

E < EgE > Eg

i fotoni produrranno elettroni e lacune con la stessa energia indipendentemente da quanto grande è l’eccesso di energia (h - Eg)

calore

l’efficienza di conversione dipende criticamente da come la banda di energia del semiconduttore utilizzato si accoppia con lo spettro di energia solare

0,55 m < < 0,75 m > 90%

no IR

la metà dell’energia associata allo spettro di radiazione solare non viene convertita in energia elettrica

Coefficienti di assorbimentoCoefficienti di assorbimento

log [ (cm-1)]

Solar cells: a) Wafer-based b) Thin-film

necessari soltanto pochi m di spessore

almeno 100 m

Spectrum splittingSpectrum splitting

Celle PERLCelle PERL (Passivated Emitter and Rear-Locally diffused)(Passivated Emitter and Rear-Locally diffused)

- short-circuit current losses (max I available)

•metal-finger coverage of the top surface•top-surface reflection loss•imperfect light trapping in the cell

•finite surface•bulk recombination

- open-circuit voltage losses

- fill factor losses•ohmic series resistance

Celle PERLCelle PERL (Passivated Emitter and Rear-Locally diffused)(Passivated Emitter and Rear-Locally diffused)

migliora le perdite di Isc

migliora le perdite di Voc = 24,7%

back-surface fieldrear surface is closer than a diffusion length to the junction

reduce the impact of surface

recombination

Celle tandem monolitiche III-VCelle tandem monolitiche III-V

max 3 cells

strain

lattice constant ~ GaAs

Eg = 1.42 eV

Eg = 1.9 eV

= 40%

back-surfacefield

passivation bywide band-gapsemiconductor

Celle al silicio amorfoCelle al silicio amorfo

Eg (amorfo) > Eg (crist) (amorfo) > (crist)

laser patterning

= 6% decresce la densità di stati localizzati all’interno della gap

“Staebler-Wronski” degradation (difetti creati da fotoni aventi energia maggiore della gap)

film sottile

si attacca ai legamipendenti del Si

T < 300°C

1,7 eV > 1,12 eV

internal scattering causato dal maggiore disordine strutturalecelle “stabilizzate”

Cella tandem al silicio Cella tandem al silicio amorfo-microcristallinoamorfo-microcristallino

a-Si:Ge:H

riduce la gap = 8% = 14,5%

1,7 eV

1,5 eV1 eV

800più basso coefficientedi assorbimento

celle triple con %Ge crescente

Soda-lime glass

Celle CIGSCelle CIGS

= 20%maggiore coefficiente diassorbimento

tipo p Na

n-type

The bandgap of CIGS can vary continuously from about 1.0 eV (for CuInSe2) to about 1.7 eV (for CuGaSe2)

Sodium not only improves crystallization of the film (grains grow larger with fewer defects) but also increases conductivity due to the sodium incorporated at grain boundaries or defects

diminuisce la discontinuitàtra le bande del ZnO e del CIGS

diminuisce i difetti locali(pin holes) e le fluttuazionilocali della bandgap delCIGS che si hanno quandosi deposita direttamentel’AZO sul CdS

antiriflesso (basso n)

Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)

= 11%

Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)

I fotoni incidenti vengono assorbiti dal colorante presente sul TiO2, provocando la promozione dell’elettrone dallo stato fondamentale (ground state) S allo stato eccitato S*

Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)

L’elettrone del colorante passa nella banda di conduzione del TiO2, lasciando il colorante nello stato ossidato S+

psss… ehi!

Do you remember that:

REDUCTION: TAKE e-

OXYDATION: GIVE e-

?GREAT!!

Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)

L’elettrone, mediante processi diffusivi e di hopping all'interno del TiO2

nanostrutturato, arriva allo strato di TCO (Transparent Conductive Oxide) che funge da anodo

Gli elettroni, raccolti al fotoanodo, fluiscono attraverso il carico R e raggiungono il contro-elettrodo, ovvero il catodo

Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)

Al contro-elettrodo gli elettroni vengono trasferiti al mezzo che trasporta le lacune, ovvero all’elettrolita Ioduro/Iodio. Tale reazione è catalizzata da un sottile strato di platino.

Gli elettroni vengono trasferiti allo ione triioduro I3

-

nell’elettrolita per formare lo

ioduro I -

Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)

Il ciclo si chiude con la rigenerazione del colorante ossidato grazie allo ioduro presente nell’elettrolita che fornisce l’elettrone perso precedentemente.

In altre parole, la molecola di colorante prende un elettrone dallo ioduro nell’elettrolita, ossidandolo in triioduro

Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)

La soluzione in realtà è un elettrolita iodio/ioduro(generalmente KI). Il triioduro nasce dallareazione:

I2 + I - I3-

La rigenerazione del dye avviene con tempi ~ ns ed è 100 volte più veloce della reazione di ricombinazionecon la molecola di dye ossidata reazione veloce

transizione lenta

Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)

band-gap del dyemaggiore di quella delsilicio

pochi fotoni dellaradiazione solare generano cariche

sistemi adatti per ilrecupero della lucedi ambienti interni(anche luce artificiale)

Aeroporto di Ginevra(partenze)