CELLE SOLARI
Docente: Mauro Mosca
(www.dieet.unipa.it/tfl)
A.A. 2015-16
Ricevimento: alla fine della lezione o per appuntamento
Università di Palermo – Scuola Politecnica - DEIM
Principio di funzionamento
a)
- E separa e-h
efficienza limitata da:
- attraversata la zona svuotata di cariche libere, gli
- riflessione
elettroni liberi non tornano più indietro,
perché il campo
b)
- fotoni
poco
o
troppo
energetici
c)
elettrico,
impedisce a loro di invertire la marcia
- ricombinazione
- resistenze
parassite
-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
Schema di una cella solare
0.25-0.5 mm
Sistemi a concentrazione
problema del riscaldamento
stampi per iniezione o termoformatura
Caratteristica I-V
cella solare = diodo di grande superficie
a
circuito
aperto
in
cortocircuito
Schema equivalente di una cella solare
= ID
V
I = I D – IL
I = Is (e qV/kT – 1) - IL
 dark
D p   Eg / kT
Is
D
1
1
current
n
e
Js 
 qNcNv

 N Ain presenza
(compare
A
 n N D di carico)
 p 

Caratteristica I-V di una cella illuminata
IL = 100 mA
Calcolo della massima potenza d’uscita
I = Is (e qV/kT – 1) - IL
=
–
=
=
(per I = 0)
–
=
–
=
alta Voc = bassa Is = elevato tempo di vita
 1
Is
Js 
 qNcNv
 NA
A

Dn
n
1

ND
D p   Eg / kT
e
 p 
Efficienza e fill factor
=
(ISC ~ IL)
Resistenza 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 solare
Per poter fare dei confronti:
W di picco
potenza
“air
mass” fornita
(AM): dalla cella alla
temperatura
25viene
°C sotto una
massa
di aria di
che
radiazione di
1000
W/m2 e insolare
attraversata
dalla
radiazione
condizioni
AM = sulla
1,5 terra
prima
di incidere
attenuazione radiazione solare
dovuta a nuvole,
scattering
e f
AIR MASS
= 1/cos
assorbimentof:atmosferico
angolo tra verticale
e posizione del sole
Irradianza spettro solare
E>
< Eg
di conversione
il’efficienza
fotoni
produrranno
elettroni
la metà
dell’energia
edipende
lacune criticamente
con
la spettro
stessadadi
associata
allo
come
la indipendentemente
banda
di energia
energia
radiazione
solare
non viene
del
semiconduttore
da
quanto
grande
è utilizzato
l’eccesso
convertita
in energia
elettrica
si energia
accoppia(hcon
di
n - Elog)spettro di
energia solare
0,55 mm < l < 0,75 mm
h > 90%
calore
no IR
Coefficienti di assorbimento
necessari soltanto pochi mm
di spessore
log [ (cm-1)]
almeno 100 mm
Celle al silicio: a) Wafer-based b) Thin-film
Spectrum splitting
Celle PERL
(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
- open-circuit voltage losses
•finite surface
•bulk recombination
- fill factor losses
•ohmic series resistance
Celle PERL
(Passivated Emitter and Rear-Locally diffused)
migliora le perdite di Isc
back-surface field
rear surface is closer than a diffusion
length to the junction
= 24,7%
h
migliora le perdite di Voc
reduce the impact of surface
recombination
Celle tandem monolitiche III-V
h = 340%
max
cells
Eg = 1.9 eV
passivation
by
back-surface
wide field
band-gap
strain
semiconductor
Eg = 1.42 eV
lattice constant ~ GaAs
Celle al silicio amorfo
“Staebler-Wronski” degradation (difetti creati dall’illuminazione)
Eg (amorfo)
>E
maggiore
scattering
celle “stabilizzate”
g (crist)
1,7(amorfo)
 (crist)
eV > 1,12>eV
laser patterning
film sottile
T < 300°C
h = 6%
si attacca la
decresce
ai densità
legami di stati
localizzatidel
pendenti
all’interno
Si
della gap
Cella tandem al silicio
amorfo-microcristallino
1,7 eV
a-Si:Ge:H 1
1,5
eVeV
più basso coefficiente
di assorbimento
riduce la gap
800
h = 14,5%
8%
Celle CIGS
n-type
antiriflesso (basso n)
Sodium not
improves
h only
= 20%
maggiore coefficiente di
crystallization of the film but
also increases conductivity due assorbimento
diminuisce i difetti locali
to the
sodium incorporated
at
diminuisce
la
discontinuità
(pin holes) e le fluttuazioni
grain
boundaries
orZnO
tra
le
bande
del
locali della bandgap del
defects
e delche
CIGS
CIGS
si hanno quando The bandgap of CIGS can vary
tipo p
si deposita direttamente
continuously fromNaabout 1.0 eV
Soda-lime glass
l’AZO sul CdS
(for CuInSe2) to about 1.7 eV
(for CuGaSe2)
Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)
h = 11%
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)
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)
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 controelettrodo, ovvero il catodo
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 I3nell’elettrolita per formare lo
ioduro I -
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)
transizione lenta
La soluzione in realtà è
un elettrolita iodio/ioduro
(generalmente KI).
Il triioduro nasce dalla
reazione:
I2 + I -
I 3-
La rigenerazione del dye
avviene con tempi ~ ns ed è
100 volte più veloce della
reazione di ricombinazione
con la molecola di dye ossidata
reazione veloce
Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)
band-gap del dye
maggiore di quella del
silicio
pochi fotoni della
radiazione solare
generano cariche
sistemi adatti per il
recupero della luce
di ambienti interni
(anche luce artificiale)
Aeroporto di Ginevra
(partenze)