Det fotovoltaiske princip og fotoelektrokemiske solceller

1
Det fotovoltaiske princip og fotoelektrokemiske
solceller Kristian O. Sylvester-Hvid Kemisk
Laboratorium III Kemisk Institut Københavns
Universitet E-mail ksh_at_theory.ki.ku.dk Web
www.sylvesterhvid.dk/kristian
2
Planen for i dag
1. time SC 1300 Wm-2 - kan det betale sig at
udnytte solens energi? Sol-fysik og
termodynamisk begrænsninger Hvordan virker en
solcelle? det fotovoltaiske (PV)
princip Effektivitetsbegrænsninger 2. time Den
fri elektron-gas, båndteori og elektrisk ledning
i halvledere. Den traditionelle solcelle og
pn-overgangen Tyndfilms solceller Ladningsadskil
lelse via molekyler CT tilstande
Fotosyntese Foto-elektrokemiske solceller
3
Solen som energikilde
Tindre 107 K Tydre 5700 K
ME 6.3 107 Wm-2
SC 1367 Wm-2
Samlet strålingsfluks til jorden 1.8 1017 W
1.8 105 TW
4
Størrelsesordener
Fotosyntese globalt 90 TW ved maks. 5
effektivitet.
Fluks ind 1.8 105 TW
Globalt forbrug 16.8 TW (1990)
500 km
http//www.electrosolar.co.uk/page1.htm
5
Energiens manifestationer
6
Solen som sort legeme
Plancks strålingslov
Wm-2 nm-1
http//csep10.phys.utk.edu/guidry/java/planck/plan
ck.html
7
Inklination og air mass
AM0 jE 1353 Wm-2 og 338 Wm-2 i middel året
rundt AM1 Solindfald ved ækvator I
Saudi-Arabien 2500 kWh/(m2 år) og i middel 285
W/m2 året rundt AM1.5 anvendes som standard
med jE 1000 W/m2 I Tyskland 1000 kWh/(m2 år)
og i middel 115 W/m2 året rundt
8
Solens irradians spektrum
9
Den lette løsning ikke altid den bedste!
Virkningsgrad for en Carnot-proces ? ?
W/QH 1 - TL/TH
Solvarme anlæg (passiv udnyttelse)
Solceller (aktiv udnyttelse)
Ved TH 2000 K og TL 298 K er udnyttelsen 85
- dvs. 100 W/m2
Sollys omdannes 100 til termisk energi. Med
TH 353K og TL 298 K kan 15 af 115W/m2 (18
W/m2) omsættes til kraft
10
Det fotovoltaiske princip
Ladnings-adskillelse
sollys
11
Effektivitetsbegrænsninger pga. polykromatisk lys
12
Effektivitet versus båndgab
Effektivitet P strøm ?spænding
Wm-2 nm-1
13
Maks. effektivitet for enkelt båndgabs-solcelle
Teoretisk ydelse 30 (Shockey/Queissar) ved
DE 1.4 eV
A. Goetzberger et al, Mat. Sci. Engn.R 40 1 (2003)
14
Drude/Sommerfeld model af metal
Fri elektrongas af NA elektroner ? NA
én-elektron-tilstande (plane bølger)
Na 1s22s2sp6 s31
Evac
kz
Ew
N(E)
kF
N
ky
kx
E
EF
L ??
15
Elektroner i et periodisk potential
l 2p/k
Én-elektron Block bølgefunktioner
hvor f(r) har periodiciteten svarende til retning
k i gitteret. Elektroner kan ikke bevæge sig
frit for alle k For bølgelængder (lh/2v)
svarende til Bragg spredning har vi derfor
Forbudte energier bånddannelse
16
Elektroner i et periodisk potential II
Fri elektron gas
Svagt perturberet elektron gas
N(E)
N(E)
EF
EF
17
Ladningstransport i metaller og halvledere
EF
Båndgab
EF
EF
Metallisk
Metallisk
Isolator
Iboende halv-leder
Extrinsikke halv-leder
p-type
n-type
T 300K kbT ? 0.025 eV
CB
Donor niveauer
Acceptor niveauer
VB
(P doteret Si)
(B doteret Si)
18
Opbygning af en traditionel solcelle
Silicium facts 2. mest udbredte
grundstof Hovedgruppe IV 1s2 2s2 2p6 3s2
3p2 Ledningsevne 10 -12 106 /cm W
19
Gasfase ? Krystallinsk fase
Ledningsbånd
båndgap
Bindingsenergi (eV).
Valensbånd
1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
20
p- og n-type silicium
Mobilt hul
P
Mobil elektron
B dotering ? p-type halvleder
P dotering ? n-type halvleder
Donor niveauer
Acceptor niveauer
21
Dannelse af pn-overgang
Elektrisk felt
22
pn-overgang som foto-diode
Ledningsniveau
Sollys
DE
Valensniveau
Positiv bag-elektrode
p-type silicium
n-type silicium
Transparent front-elektrode og anti-reflekscoating
23
Det optimal båndgab
A. Goetzberger et al, Mat. Sci. Engn.R 40 1 (2003)
24
PV kapløbet..
25
Opsummering for 1. generations solceller
Ulemper Fremstilles af monokrystallinsk silicium
(wafers) prissat af computerindustrien Energikræv
ende produktionsproces (40 af omkostninger til
fremstilling af Si) Gallium som begrænset
ressource Begrænsede dimensioner Skrøbelige,
tunge og stive Energy Payback Time 4
år Højteknologisk produktion
Fordele Færdigudviklet teknologi Effektivitet
10 15 i praksis Holder mere end 20 år
26
2. generations solceller tyndfilm solceller
Ønskværdige egenskaber Minimalt materiale
forbrug Fleksibilitet Mindre EPT (lt 2 år) Høj
produktionshastighed
27
De mest udbredte tyndfilm solceller
CIGS
a-SiH
CdTe
28
Opsummering for 2. generations solceller
Type Marked ? () EPT Levetid/stabilitet Res.
Begrænsning a-Si (tyndfilm) 13 6-9 2.7
år Taber 20-40 i Ge begyndelsen CdTe
(tyndfilm) -- 6-9 1.8 år Ustabil og
svært Te reproducerbar CIGS
(tyndfilm) -- 11-18 2 år gt 20 år In, Ga
Problemer Tidskrævende materiale
deponering Holdbarhed og stabilitet Lavere
effektivitet Miljøskadelige materialer
29
Betingelser for ladningsadskillelse
Effektiv ladningsadskillelse ved Stor
dielektrisk konstant (ok) Skærmede ladningsbærer
(ok) Stor afstand mellem e- og h ved dannelse
30
Ladningsadskillelse via enkelt molekyler
Foto induceret ladningsoverførsel (CT) i
farvestoffet
LUMO
HOMO
Laveste uokkuperede molekyle-orbital (LUMO)
Højest okkuperede molekyle-orbital (HOMO)
X nm
31
Charge Transfer i naturen
Fotosyntese Lys induceret MLCT i
chlorophyl Omsætning af lys til kemisk energi
med 2-3 effektivitet.
32
Foto-elektrokemisk solcelle
e
h
33
Opbygning af foto-elektrokemisk solcelle
34
Karakteristika for foto-elektrokemisk solcelle
pn-overgang erstattet af n-type -- kromofor --
elektrolyt konfig. TiO2 (anatase) er n-type
halvleder med 3 eV båndgab (UV) 3D nanoporøst
netværk (Roughness factor gt 1000) Ru farvestof
med MLCT fotofysik og kraftig og bred
absorption Stærk koordination til TiO2
Fungerer som effektivt båndgab I-/I3- fungerer
som p-type leder Elektrolyt giver stor overflade
med diffusionskontrolleret h transport
35
Nano-krystallinsk TiO2 og Ru-farvestoffet
Partikelstørrelse 15 nm ruhedsfaktor 1000
36
Kinetik i den fotoelektrokemisk solcelle
37
Opsummering for Grätzel solceller

• Fordele
• Farvestof med kraftig absorption
• HOMO-LUMO gab kan tunes
• Effektivitet 10 i lab. 5 i moduler
• Temperaturstabilitet
• Variabel transparent
• Lavteknologisk produktion
• Prisbillig ved bygningsintegration

• Problemer
• Indkapsling
• Giftig solvent system
• Langtidsholdbarhed

38
Bygningsintegration
Velegnet i glasfacader Variable
transparens Selektiv IR absorption Forskellige
farver
39
Oprydning i Nanolab.
40
Nano1 vinderholdet 2003 - 0.26 effektivitet