Szukaj na tym blogu

piątek, 15 maja 2009

Dlaczego ogniwa fotowoltaiczne mają taką niską sprawność

Choć pracuje się nad nimi już od dziesięcioleci ogniwa fotowoltaiczne nie mogą pochwalić się wysoką sprawnością. Najbardziej wydajne ogniwa będące w masowej produkcji (z krzemu monokrystalicznego) nie osiągają nawet sprawności 20% a rekord laboratoryjny przy kilkuset krotnym skoncentrowaniu promieniowania słonecznego i wykorzystaniu ogniwa o kilku złączach PN ledwo przekroczył 40%.


Aby zrozumieć dlaczego tak trudno jest zbudować wysoce sprawne ogniwo przypomnę pokrótce zasadę jego działania. (na przykładzie krzemu).



Sercem ogniwa krzemowego jest złącze P-N. Na styku tych dwóch półprzewodników tworzy się bariera potencjału, ujemna w części P oraz dodatnia w części N. Jeżeli na ogniwo (złącze) nie padają promienie słoneczne płynie w nim mały wsteczny prąd dyfuzyjny. Aby ogniwo stało się źródłem energii musi być oświetlone a dokładnie w złącze P-N musi uderzyć foton o odpowiedniej, ściśle określonej energii która wytrąci elektron z powłoki walencyjnej półprzewodnika (pozwoli mu pokonać przerwę energetyczną). Powstaje para elektron(-) – dziura (+) a pole elektryczne związane z obecnością złącza P-N przesuwa w przeciwne strony nośniki różnych znaków. Elektrony wędrują do obszaru N a dziury (+) do obszaru P – powstaje prąd fotowoltaiczny.

Kluczem problemu niskiej sprawności jest wspomniana bariera potencjału półprzewodnika (ang. band gap). Padający na ogniwo foton nie może mieć zbyt malej energii gdyż, nie wybije elektronu z powłoki walencyjnej. Także fotony o energii przewyższającej barierę potencjału nie są w pełni użyteczne, gdyż jedynie cześć ich energii będzie wykorzystana.

Producenci ogniw fotowoltaicznych podają zazwyczaj spektrum promieniowania, w którego przedziale następuje konwersja promieniowania słonecznego na elektryczność.



Z powyższego wykresu widać, że nawet w przypadku „wysoce sprawnego” krzemu konwersja promieniowania słonecznego na energię elektryczną zachodzi głównie w części widzialnej promieniowania słonecznego (od 300 – 1200 [nm] ) dodatkowo nawet w tym wąskim zakresie konwersja nie jest 100%.

Dzięki pracom Einsteina i Planka możemy przeliczyć długość światła na energię wyrażoną w eV (elektronowolt) jaką muszą mieć fotony, aby wybić elektron walencyjny z powłoki.



po podstawieniu stałej planka i prędkości światła mamy



gdzie lambda to długość fali w [nm]


Korzystając z tego wzoru w przypadku naszego wykresu możemy policzyć że:

- maksymalna energia, jaką mogą mieć fotony to 4.1 eV – konwersja poniżej 20%
- efektywna konwersja ponad 90% - zachodzi jedynie w przedziale 1,77eV – 1.3eV
- konwersja ustaje, gdy elektrony mają energię mniejszą niż 1.1eV



Jak można stworzyć wysoce sprawne ogniwo?

- można stworzyć ogniwo o kilku złączach (z kilku różnych półprzewodników), które będą absorbować fotony z wąskiego zakresu energetycznego, ale bardzo efektywnie. - Wiele laboratoriów zajmujących się fotowoltaiką pracuje nad tym rozwiązaniem

- z uwagi, że światło ma naturę korpuskularno – falową można próbować wykorzystać jego naturę falową i tworzyć koncentratory, które będą konwertować promieniowanie do długości fal, w których zakresie następuję najwyższa konwersja – pomysł jak na razie jedynie teoretyczny.


REKLAMA

Prześlij komentarz