Solceller - media.unf.dk · DTU Energy, Technical University of Denmark 30 March 2017 Hvorfor se...

Solceller

Mikkel Jørgensen

Seniorforsker

Institut for Energikonvertering og Lagring

DTU

07 April 2017DTU Energy, Technical University of Denmark

Oversigt

• 1. Solenergi og silicium solceller

– Generelt om energi fra solen

– Hvordan virker solceller?

– Silicium solceller

– Effektivitet (Einstein, Shockley-Queisser)

• 2. Andre typer af solceller

– Hvilke alternativer til silicium findes der?

– Solceller lavet af plastik

2


Hvor får vi energien fra?

3

173.000 TW

47 TW

1 TW = 1012 W

Energi (Joule) = Effekt (Watt) * tid (sekunder)


Energikilder

4

Forbrug okt. 2014:

5.67*1020 J=

18 TW*365*24*3600s


To måder at høste energien fra solen

• Termiske solfangere

• Lys -> varmt vand

5

ARCON anlæg i Silkeborg: 156.694 m2, til varmen til 4400 huse (20% af Silkeborg)


SolcellerLys -> elektricitet

6


Historie

7

1839 AE Becquerel observerer den fotovoltaiske effekt

1883 C Fritts 1% selen/guld cell

1887 H Herzopdager den fotoelektriske effekt

1905 A Einstein forklarer den fotoelektriske effekt

1918 J Czochralskifremstilling afenkelt-krystaller

1953 G Pearson opfinder lithium-silicium solceller

1954 Bell Labs 6% celle

1962 Telstar satellitmed solceller

30 March 2017DTU Energy, Technical University of Denmark

Definition af en Photovoltaisk Celle (Solcelle)

• ”A photovoltaic cell is a specialized semiconductor diode electronic device that converts light energy into electrical energy” – Technopedia

8

Solar Cell V

+

-

e-

hν

+ -


Den Fotovoltaiske Effekt

• Opdaget I 1839 af Alexandre-Edmond Becquerel er at lys der absorberesaf visse materialer kan give anledning til en elektrisk spænding og strøm.

• Hvis to plader af Platin eller Guld sænkes ned i en opløsning, der belyses fra den ene side, opstår der en elektrisk spænding mellempladerne.

9

V

Lys


Hvordan virker solceller?Den fotoelektriske effekt

• Først observeret af Heinrich Hertz i 1887

• Forklaret af Albert Einstein 1905 (Nobel prisen 1921)

• Lys består af fotoner med en energi der afhænger af bølgelængden

10

𝐸𝑙𝑦𝑠 = ℎ ∙ 𝜐 =ℎ ∙ 𝑐

𝜆


Hvordan virker solceller?

11


Fremstilling

12

Kvarts (SiO2) til Silicium (Si)

Siemens processen


Fremstilling af Monokrystallinske Solceller

13


Fremstilling

14

Ætsning, Doping

Metal elektroder


Fremstilling

15

Elektriskeforbindelse i serie

Fremstilling af modul

Inspektion


Elektrisk forbindelse af solceller i et panel:i parallel eller i serie

16

I parallel: høj strøm/lav spænding

I serie: høj spænding/lav strøm


Hvor effektive er solceller og hvordan måler vi det?

17

𝑬𝒇𝒇𝒆𝒌𝒕𝒊𝒗𝒊𝒕𝒆𝒕 = 𝟏𝟎𝟎 ∙𝑬𝒍𝒆𝒌𝒕𝒓𝒊𝒔𝒌 𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊 𝑷𝒓𝒐𝒅𝒖𝒄𝒆𝒓𝒆𝒕

𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊 𝒇𝒓𝒂 𝑺𝒐𝒍𝒆𝒏%


1 Sol Reference

• Air Mass 1.5G Spectrum

• Sun is 41.81o above the horizon

• Global spectrum = direct + diffuse light; ca. 1000 W/m2

18

AM1.0 is the solar spectrum outside the atmosphere

Blackbody radiation at 5778 K


Shockley-Queisser Grænsen for effektivitet

• ca 30% for Si

19

500 1000 1500 2000 2500

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

Irra

dia

nce (

W/m

2/n

m)

Wavelength (nm)

0

10

20

30

40

50

60

70

Cu

rren

t D

en

sit

y (

mA

/cm

2)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Ban

dg

ap

(V

)

Si

0

5

10

15

20

25

30

35

Max P

CE

(%

)


Strøm og Spændings Karakteristik(I-V måling)

20

SMU: Source measure unit


Effektivitetsmåling

• PCE: Power Conversion Efficiency

• 𝑃𝐶𝐸 = 100 ∙𝐽𝑀𝑃𝑃∙𝑉𝑀𝑃𝑃

𝑃𝑖𝑛% =

𝐼𝑆𝐶∙𝑉𝑂𝐶∙𝐹𝐹

𝐴𝑟𝑒𝑎∙𝑃𝑖𝑛%;𝐹𝐹 = 100 ∙

𝐼𝑀𝑃𝑃∙𝑉𝑀𝑃𝑃

𝐼𝑆𝐶∙𝑉𝑂𝐶

21

Max. effekt


Hvor effektive er silicium solceller

22

Type Effektivitet

Monokrystallinsk 20-22%

Polykrystallinsk 14-16%

Tyndfilm (amorf) 7-12%


Hvor skinner solen?

23


Hvor skinner solen?

24


Hvor meget af Jorden skulle vi dække med solceller for få nok energi?

25

På 1 år modtager jorden så meget energi fra solen at det svarer til 2 x den totale resource fra alle “non-renewable” energi reserver vi har brugt (kul, olie, uran etc)


Hvor meget af Danmark skulle vi dække?

• El-forbrug DK: 30.087 GWh (2016)

• 1 m2 silicium solceller giver ca 333 kWh/år

• Ca 90 km2 svarende til Ærø (87.5 km2) ~2%

26


Effekt og Energi

• Effekt (Watt) = Spænding (Volt) * Strøm (Ampere)

• Energi (Joule) = Effekt (Watt) * tid (sekunder)

• 1 kWh =3.600.000 J (1000 W * 3600 s)

• 6 kW Solceller ~ 18 m2 (producerer ca 6000 kWh/år)

• En typisk dansker bruger ca 1.600 kWh/år

27


Døgn- og årstidsvariation

28


Sol paneler i delvis skygge

• Smart Grid and Renewable Energy,

• 2013, 4, 429-435

29

1 Maximum 2 MaximaDelvis skygge


Tre generationer af solceller

• Silicium

• CdTe, CIGS

• Organiske solceller, Grätzel celler, Perovskites, CZTSSe, Quantum Dot

30


Hvorfor se på alternativer til Silicium?

” In short, we use silicon for solar cells because we’re good at making silicon devices, not necessarily because silicon is the best material for solar cells.”

M. Meyer, Berkeley University 2012.

“Solar energy isn’t as always as green as you think

Do cheaper photovoltaics providing solar energy come with a higher environmental price tag?”

D. Mulvaney 2014

http://spectrum.ieee.org/green-tech/solar/solar-energy-isnt-always-as-green-as-you-think

31


Gallium Arsenide (GaAs) Solar Cells

• High efficiency GaAs solar cells used in space applications like the Mars Rover Opportunity or the International Space Station

• Efficiency: 28.8% (single junction)

• Multijunction: 46% (Fraunhofer Institute (Germany) and Soitec (France)

32


Multi Junction solceller

• Gallium Arsenide triple junction

33


Concentrated Solar Photovoltaics

• Low concentration PV (2-100 suns)

• High concentration PV (1000 suns)

34


CdTe solceller

• Research started around the 1950s

• 1.5 eV bandgap matches the solar spectrum

• Thin film solar cells, flexible

• 22% Efficiency, First Solar (US)

35

Waldpolenz solar park near Leipzig

40 MW


Organiske Solceller

• Organiske molekyler (polymerer) er den aktive komponent der bådeabsorberer lyset og omdanner det til elektricitet.

36


Organiske Solceller

• Inspiration fra fotosyntesen: CO2 + H2O + Lys -> Sukker

37

Klorofyl


Organiske molekyler og solceller

• Hvad skal de kunne?

– 1. Absorbere lyset

– 2. Omdanne lyset til elektriske ladninger

– 3. Transportere ladningerne til elektroder

38


Konjugerede molekyler

39


Organiske molekyler og solceller

40

30 March 2017DTU Energy, Technical University of Denmark41

+ _Polymer

Acceptor

ETL

HTLGrid Electrode

Electrode


En helt anden måde at lave solceller på

42

• Rulle-til-rulle trykning af organiske solceller på plastik


Nogle projekter med organiske solceller

43 6 November 2017

2011 OEA demonstrator

10.000 lamper med batteri og solcelle

Free OPV demonstrator


Fleksible solceller

44


Solceller på en ballon

45


Solceller på vandet

46


Udendørs installation

• Hurtigere end nogen anden solcelleteknologi

47


Sol parken på Risø-DTU

48

Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201302031


Tak for i dag og mere information på:

• https://infinitypv.com/

• http://plasticphotovoltaics.com/

49

https://infinitypv.com/

http://plasticphotovoltaics.com/

Solceller - media.unf.dk · DTU Energy, Technical University of Denmark 30 March 2017 Hvorfor se...

Documents

Transcript of Solceller - media.unf.dk · DTU Energy, Technical University of Denmark 30 March 2017 Hvorfor se...