1.UVOD Fotovoltaika je ena najbolj okolju prijaznih - Bio

1.UVOD
Fotovoltaika je ena najbolj okolju prijaznih tehnologij, kar jih poznamo. Problem je, ker je
energija iz sončnih celic dražja od kovnencionalne energije.(jedrske elektrarne, termoelektrarne).
Energija iz sončnih celic pa bo postala cenejša, z razvojem novih materialov in tehnologij. Sončne
celice so uporabne tudi v vesolju. Z njimi pridobivajo eletkrično energijo sateliti.
Prva uporaba sončnih celic je bila prav na satelitih.
Sončne celice so v bistvu prirejene diode.
In sicer takšne diode, ki jih uporabljamo v računalnikih, radijskih sprejemnikih itd...
Sedanje silicijeve sončne celice imajo življensko dobo približno 40 let. Tudi njihov izkoristek pada
z časom. Sončne celice lahko uporabljamo doma za svoje potrebe po elektriki, lahko pa energijo
tudi prodajamo v omrežje. Problem pri sončnih celic je, če hiša na kateri so sončne celice, zagori.
V tem primeru, se hiše ne sme gasiti z vodo, ker bi lahko nastal kratek stik.
2.MATERIALI ZA SONČNE CELICE, POLPREVODNIKI IN FIZIKA TRDNE SNOVI
Stukturo energijskega pasu nam reši Schroedingerjeva enačba:
2m
2
∇ ψ+ 2 ( E−U ( ⃗r ))ψ=0
ℏ
Rešitev te enačbe so orbitale s , p x , p y , p z ...
Elektroni polnijo valenčni pas od dna proti vrhu. Blizu vrha valenčnega pasu so stanja prazna-to so
pozitivno nabiti delci(luknje).Donorji znižajo prevodni pas v n-tipu, akceptorji zvišajo valenčni pas
v p-tipu.
Pri dopiranju, se prevodni pas zniža, valenčni pa zviša, tako da se energija prepovedanega pasu
zmanjša. Obema se poveča energija.
a)Neposredni prepovedani pas
Direkten prepovedani pas imajo elementi: GaAs,GaInP in CdTe.
Valenčni elektron absorbira foton in preskoči v prevodno stanje.
E1
p
Vsaka energija elektrona z energijo
in gibalno količino kristala 1
v valenčnem pasu se dodeli določeni energiji E 2 in gibalni količini p 2 kristala v
prevodnem pasu. Gibalna količini sta enaki. p 1 = p 2 , ker gre elektron samo v navpični smeri.
Elektroni na vrhu valenčnega pasu tudi zaradi toplote odletijo v prevodni pas.
Fundamentalna absorbcija=elektron gre neposredno iz valenčnega pasu v prevodni
pas, za sabo pusti luknjo.
m √ 2mn (E 2−E c ) −3 −1
cm eV
Gostota nabojev v prevodnem pasu: g c (E 2 )= n
π 2 ℏ3
m √ 2m p ( E v −E 1 ) −3 −1
cm eV
Gostota nabojev v valenčnem pasu: g v (E 1 )= p
π2 ℏ 3
−3
−1
g ( E )=[ cm eV ]
Če pomnožimo gostoto nabojev s količino naboja, dobimo prostornino na kateri se
nahajajo ti naboji. Če poznamo prostornino na kateri se nahajajo ti naboji, lahko prostornino
pomnožimo z gostoto in dobimo velikost naboja.
Absorbcijski koeficient je sorazmeren z:
 (h ) je sorazmeren z  P12 qv ( E1 ) qc ( E2 )
Večji kot je absorbcijski koeficient, večja je absorbcija sončne energije na sončni celici.
α≈ A √ h ν− E g
.
b)Posredni prepovedani pas.
Posredni prepovedani pas imata silicij in germanij. Imamo nov delec in sicer fonon.(ang. phonon).
Fononi so delci z relativno majhno energijo in visoko gibalno količino(p).
Fonon je kvantiziran paket nihanja atomov v kristalni mreži okrog ravnovesne lege, kar je zvok.
Kvantizacija pomeni, da imamo dobro določene frekvence in pa gibalne količine, podobno kot pri
fotonih. Fononi so alternativni opis za termično(toplotno) nihanje snovi. Pri fononih je zveza med
gibalno količino količino in frekvenco za vsako snov drugačna. Z fononi se pa ukvarja fizika trdne
h
p λ=
λ
snovi. Gibalna količina fotona je
. Detekcija posameznih fononov je kaj statični
1
γ=
p=mv γ
šum(prasketanje). Gibalna količina elektrona je pa
v2
1− 2
c
√
Absorbcija je:
Elektron absorbira foton. Četudi ima foton dovolj visoko energijo, elektron še vedno ne gre v
prevodni pas. V prevodni pas gre tako, da elektron nato absorbira fonon. To velja, če je
h ν<E 2−E 1
Emisija je:
Če elektron absorbira foton in velja
h ν>E 2−E 1
, potem elektron odda fonon in preskoči v
prevodno stanje.
Svetloba pri materialih z posrednim prepovedanim pasom, prehaja globlje v material, kot pa pri
materialih z neposrednim prepovedanim pasom. Absorbcija fotona je možna tudi v materialih z
neposrednim prepovedanim pasom.
Kranz-Keldysh efekt-absorbcija v prisotnosti električnega polja. Obstaja tudi absorbcija, s pomočjo
stanj, ki se nahajajo v prepovedanem pasu.
Idealno je, če imamo veliko polnih stanj v valenčnem pasu in veliko praznih stanj v prevodnem
pasu. Zgodi se pa tudi ravno obratno, ko imamo veliko število polnih stanj v prevodnem pasu in
veliko število praznih stanj v valenčnem pasu. To se pa zgodi v močno dopiranih materialih(BGN)
in pa v (Burstein-Moss shift).
c)Rekombinacije
Ko polprevodnik osvetlimo, se pokvari ravnovesje med naboji v njem. Ko osvetlitev preneha
nastane rekombinacija. Elektron iz prevodnega pasu spet zapolni luknjo v valenčnem pasu.
Obstaja več vrst rekombinacije:
-Rekombinacija preko napak v prepovedanem pasu.
-Rekombinacija s sevanjem(LED diode, polprevodniški laserji).
-Augerjeva rekombinacija.
Elektroni in luknje se gibljejo v nasprotni smeri.
d)Nedopirani
Nedopirani materiali, so materiali, ki so zgrajeni iz enega samega elementa ali spojine.
e)Dopirani(n-tip, p-tip)
Nečistoče, ki so pri siliciju se pri rasti kristala ionizirajo(pri nizkih temperaturah), s tem nastanejo
prosti elektroni in luknje. Siliciju primešamo bor in fosfor.
atomi nečistoč
Koncentracije nečistoč so izražene v atomi silicija ppm(parts per million).Ppm znaša največ
0,3. Koncentracije nečistoč se da neposredno izmeriti z analitičnimi inštrumenti.
Posredno se izmeri koncentracija nečistoc, da izmerimo čas rekombinacije(čas ko preneha
osvetlitev in elektron zapolne luknjo, to je čas ko se sistem povrne v prvotno stanje).
Tranzicijske kovine Fe, Cr, Ni ta čas znižajo, zato se zniža tudi izkoristek sončnih celic.
Zelo čisti kristali silicija(z zelo malo dopiranja) imajo ta čas 10000 µs.
Polprevodniki, ki so dopirani z fosforjem in borom imajo te vrednosti med 50 µs in 300 µs.
Sončne celice zahtevajo ta čas minimalno 25 µs. Če so dopirani s fosforjem imamo n-tip, če so
dopirani z borom imamo p-tip.
f) E g , λ g .
E g=širina prepovedanega pasu
λ g =najmanjša valovna dolžina potrebna za preskok elektrona v prevodni pas.
c
λg
g)Kristalografska zgradba in struktura
Poleg silicija se uporabljajo tudi naslednji materiali: GaAs, GaInP, CdTe, Cu(InGa), Se2 .
Silicij je lahko monokristalen, večkristalen ali amorfen. Pri monokristalu imamo imamo kristale
enega zraven drugega, torej urejeno zgradbo, zato lahko rečemo, da je praktično iz enega kristala.
Pri večkristalnem imamo kristale, ki pa niso eden zraven drugega, ampak so urejeni podobno kot
kocke sladkorja, torej so urejeni poljubno. Pri amorfnem siliciju nimamo več kristalov ampak
poljubno porazdeljene atome.
E g=h ν=h
3.SILICIJ KOT MATERIAL
Silicij se nikoli ne nahaja sam v naravi. Lahko se nahaja z kisikom, ki z njim tvori okside. Večino
zemeljske skorje, je narejeno iz različnih silikatov, ki so sestavljeni aluminija, magnezija in ostalih
silikatov.
Silicij ima širino prepovedanega pasu
E g=1,12 eV
pri temperaturi 25 stopinj celziija.
Pri tlaku (1 bar), silicij kristalizira v strukturo podobno diamantu, ki se nato pri tlaku 25GPa
spremeni v telesno centrirano strukturo. Z razliko od drugih elementov in spojin se silicij pri
ohlajanju raztegne, pri segrevanju pa skrči.
Pomembne so absorbcijske in transmiterske lastnosti pri(0,4-1,5µm) valovne dolžine svetlobe.
Silicij je celo ko je dopiran, zelo krhek. Oblikovanje silicija za sončne celice zahteva žaganje in
brušenje. Mikroelektronske aplikacije zahtevajo še poliranje. Takšne mehanske operacije se uporabljajo
tudi pri steklu.
Lastnost
Vrednost
Atomska teža
28,09
Atomska gostota
atomi
3
cm
5×10
Tališče v C
1410
Vrelišče v C
2355
2,32
g
pri 25 C
cm3
Pri taljenju se skrči za
Gostota v
22
9,50%
a)Kemijske lastnosti
Silicij je stabilen v tetravalentnem stanju in ima močno afiniteto do kisika. S kisikom tvori okside.
Umetno izoliran elementaren silicij v trenutku oksidira. Debelina tega silicijevega oksida znaša
−8
10 m
. Silicijevi oksidi se pojavljajo v MOS tranzistorjih.
Silicij in ogljik tvorita močno Si-C stabilno vez. Uporablja se v SiC polprevodnikih.
(SiH 4 )
Silicij se povezuje tudi z vodikom
. Ta se uporablja za izdelavo amorfnega silicija.
Celo amorfni silicij gledano na veliko površino imajo lahko podobno strukturo kot kristalni silicij.
Pri njih imamo pas imenovan Mobility gap. Elektroni pod temu pasom ne prevajajo(valenčni pas),
nad tem pasom pa prevajajo(prevodni pas).
Zelo pomembna je kemijska reaktivnost silicija z klorom. Njegove spojine so pomembne, ker
spreminjajo metalurški silicij do polprevodniške čistoče.
2Si+6HCl ⇒ 2HSiCl3+2H2
Silicij in germanij dobro reagirata med seboj. Kositer in svinec se ne mešata s silicijem
Povšina elementarnega silicija je oksidirana in je nereaktivna. Nevarno je, če imamo elementaren
silicij v prahu, ta nastane pri obdelavi in če imamo zraven ogenj, lahko nastanejo eksplozije.
Enokristalen silicij=vsi kristali v njem imajo enako obliko.
Večkristalen silicij=kristali imajo različno obliko.
b)Proizvodnja čistega silicija
Metalurški silicij imenujemo tudi kovinski silicij ima običajno 98.5%Si.
SiO 2 ( s )+2C( s) → Si (l )+2CO ( g )
Nastane čisti silicij v tekoči obliki in pa plin ogljikov monoksid. Zahteva se kvartz z velikostjo
zrn(10-100 mm) z primerno čistostjo in primerno toplotno prevodnostjo. Ogljik lahko dobimo iz
premoga ali lesa. Premog mora biti opran ali očiščen, da v njem ni nečistoč. Kvartz in ogljik sta
izbrana, zato da dobimo visoko kvaliteten silicij.
Silicij nato oksidira:
SiO (g )+0.5O 2 (g ) → SiO ( s)
SiO ( g )+0.5O 2 (g ) → SiO 2 (s)
Iz metalurškega silicija, smo dobili bolj čisti kvartz
2SiO2 ( l)+SiC (s ) → 3SiO( g )+CO ( g )
SiO ( g )+SiC ( s)→ 2Si (l )+CO ( g )
SiO 2
.
Dobili smo tekoči silicij (Si).
V tem siliciju so naslednje odvečne sestavine:
Fe: 0,2-1%
Al: 0,4-0,7%
Ca: 0,2-0,6%
Ti: 0,1-0,02%
C: 0,1-0,15%
Zato je treba ta silicij še naprej naprej izčistiti.
Tekoči silicij se sedaj najala v velikih zajemalkah(10 MT silicija), tretira se ga z oksidativnim
SiO 2
CaO
CaCO3
plinom,
,
in
. Tretiramo ga še z Al, Ca in Mg.
Nato ga vlijemo v ustrezne modele in ohladimo.
Čisti polikristalni silicij pripravljen za uporabo ima lahko največ toliko primesi:
Nečistoče:
Specifikacije
Fe,Al,Ca,Ti in ostale kovinske nečistoče
Največ 0,1ppm
C
Največ 4ppm
O
Največ 5ppm
B
Največ 0,3 ppm
P
Največ 0,1ppm
Dopiran silicij pa ima lahko toliko primesi:
nečistoče
B
P
Al
Fe
Ti
minimum(ppm 2
100
100
10
1
)
maksimum(pp 4
m)
3
300
200
20
4.SILICIJEVE SONČNE CELICE
Silicij ima štiri zunanje elektrone. N-tip siliciju je primešan atom z petimi zunanjimi elektroni. Ptipu silicija je primešan atom z tremi zunanjimi elektroni. Ko združimo p-tip in n-tip, prosti elektron
iz n-tipa preskoči v p-tip. N-tip silicija postane pozitiven, p-tip pa negativen. Med tema dvema
tipoma nastane električno polje. Ko nato svetloba izbija elektrone, jih to električno polje pospešuje.
Atomi se namreč povezujejo preko skupnih elektronskih parov.
Če bi torej primerjali sončne celice z fotoefektom na kovini, je razlika v:
-materialih.
-pri fotoefektu je potreben vakum.
-pri fotoefektu je potrebna zunanja napetost, ki žene elektrone.
-pri sončnih celicah pa ni potrebna zunanja napetost, ker že imamo električno polje med p in n
tipom.
Fotoni, ki imajo energijo manjšo, kot je širina prepovedanega pasu, grejejo sončne celice. Energija
fotonov se sprosti kot toplota, tako da je sončna celica na direktni svetlobi za 20-30 °C toplejša od
okolice.
Sončne celice proizvajajo enosmerni tok, ki ga potem z inverterjem spremenimo v izmenični tok.
Sistem sestavlja:
a)Inverter(pretvori enosmerno napetost v izmenično, regulira maksimalno in pa minimalno
napetost)
b)Akumulatorji(ne vedno)
c)Mehanska konstrukcija
Eden od načinov, kako ujeti več svetlobe od sonca, je da sončne celice položimo eno nad drugo. Te
sončne celice imajo različne velikosti prepovedanega pasu.
Sončna celica na vrhu sprejema fotone z večjo energijo, kot sončna celica pod njo.
Zato gredo fotoni, z manjšo energijo do spodnjih sončnic celic in se tam absorbirajo.
Izkoristek takih sončnih celic je 86%, medtem ko je izkoristek sončnih celic z eno plastjo 40%.
Danes na trgu prevladujejo silicijeve enoktristalne in večkristalne celice.
Teoretično gledano, lahko sončne celice delujejo enako tako v mrazu, kot v toplem vremenu.
6.MERITVE
`