Solceller - Teori og praksis Solcellers virkningsgrad, effekt og elektriske egenskaper.

Transkript

1 Universitetet i Oslo FYS1210 Elektronikk med prosjektoppgave Solceller - Teori og praksis Solcellers virkningsgrad, effekt og elektriske egenskaper. Sindre Rannem Bilden 27. april 2016 Labdag: Tirsdag Labgruppe: 3

2 Bakgrunn For systemer som er avskilt energinettverket på jorden kan energi være en utfordring. I satellitter er vekt en viktig faktor i tillegg til en langvarig energitilgang, dette utelukker løsninger som store batterier og andre lagringssystemer uten energitilførsel. Solenergi er en energikilde som er lett tilgjengelig utenfor jordens atmosfære og derfor vil solceller være et naturlig valg for satelitter. Solceller kommer i mange forskjellige typer hvor egenskaper og effektiviteter er varierende. Den vanligste solcellen på markedet er basert på silisium, disse kan være monokrystallinsk (én krystall) eller multikrystallinsk (flere små krystaller som er koblet sammen). Mindre kjente halvleder-solcelletyper er av for eksempel gallium-arsenid (GaAs), dadium-tellurid (CdT e). Andre typer solceller kan være Grätzel celler som basere seg på organisk materialer sammen med halvledermaterialer. Teori Elektronene ønsker å ha laves mulig energi, i materialer kan ikke elektronene ha samme energi så etterhvert som de laveste energiene blir okkupert av elektroner må elektronene legge seg med stadig litt høyere energi. Noen energier er tillatt og andre er ikke tillatt, dette kalles energibånd og båndgap, se Figur 1. I halvledere er ett bånd helt E Ledningsbånd Båndgap alensbånd Figur 1: Energibånd og båndgap der det nederste energibåndet er fyllt av elektroner (grått) og det øverste energibåndet er tomt (hvit). fullt av elektroner mens det neste båndet er helt tomt for elektroner. Dette gjør at elektronene ikke kan bevege seg og halvlederen egentlig ikke leder strøm. Når halvlederen varmes nok eller får lys på seg vil den termiske energien eller energien i fotonene gjøre at elektronene kan hoppe i energi opp til det tomme båndet. Dette elektronet kan bevege seg lett og lede strøm. På samme måte vil det mangle et elekron i båndet hvor elektronet hoppet fra så elektronene kan bevege seg relativt lett her også. Det er lettere å tenke på at det er et hull i båndet som beveger seg. For å få et halvledermateriale til å lettere lede strøm kan man dope materialet med atomer av andre typer, med enten ett elektron for mye eller for lite. På denne måten får man enten en negativt eller positivt dopet halvleder. ed å dope én side av et halvledermateriale positivt og den andre siden negativt vil det oppstå en energiovergang i materialet som ofte kalles en PN-overgang, dette gir opphav til diodeegenskaper. [1] E n-type p-type Figur 2: En PN-overgang som viser et fullt valensbånd (nederst) opp mot et tomt ledningsbånd (øverst). En fotodiode er en diode som har et båndgap med samme energi som forskjellig lys. Det er dette som gir lysemitterende doder (LED) og noen typer lyssensorer. En solcelle baserer seg direkte på at en fotodiode belyses, når et foton treffer den positivt dopede siden av overgangen vil et elektron i valensbåndet gå opp i energi og havne i ledningsbåndet. Siden potensielle energien i den positivt dopede siden er høyere enn den negativt dopede siden vil elektronet bevege seg fra x 1

3 den positive til den negative siden. Om man legger kontaktpunkter i hver sin ende av solcellen vil det gå en strøm i kretsen så lenge det er lys på solcellen. Forskjellen i potensiell energi for overgangen avgjøres av hvilke materialer som brukes og hvor mye de dopes. En høyere doping gir høyere kontaktpotensiale, men om man doper for mye vil materialene ikke lede strøm like godt. Spenningen man kan få ut av en solcelle er begrenset av potensialforskjellen i overgangen og varierer med temperatur og lysforhold. Halvledermaterialer kan kun absorbere lys med energi lik eller litt høyere enn båndgapet. Dette gjør at et halvledermateriale ikke kan utnytte hele lysspekteret fra solen til å lage strøm. Den teoretiske maksimale effektiviteten til et solcellemateriale kalles ofte Shockley-Queisser grensen og baserer seg på den innstrålte effekten fra solen og hvilken del av lysspekteret som kan utnyttes. [2] Effektiviteten vises ofte i et diagram for forskjellige strålingsintensiteter, se Figur 3 Den heltrukne linjen kallt AM0 i Figur 3 er innstråling utenfor jordens atmosfære. Den gir lavere effektivitet enn for AM1.5 som er innenfor jordens atmosfære, men kan derimot gi samme eller høyere effekt. Dette er fordi jordens atmosfære absorberer deler av strålingen som kommer fra solen så solcellen har mindre lys som går til spille innenfor atmosfæren. Inngstålingsverdier defineres ved hvor mye atmosfære som lyset må gjennom. Hvor mye atmosfære lyset må gå gjennom defineres av AM = 1 cos θ der θ er hvilken vinkel solen står. Oslo ligger på ca 60 N, ved måledato ( ) trekkes en del av jordens helling fra denne vinkelen, vi har derfor omtrent θ = 50 som vil si omtrent AM1.5. Dette er lurt å kompansere for når det gjøres målinger i atmosfære på utstyr som skal utenfor atmosfæren. For å øke effektiviteten til en solcelle kan man legge forskjellige halvledermaterialer i flere lag. Dette gjør at man kan utnytte en større del av sollyset. Lys med lav energi har lettere for å gå gjennom et materiale, så for å få en høy effektivitet legger man materialene med høyes båndgap lengst ut og lavest båndgap lengst inn, som vist i Figur 4. E Solcelle λ Ledningsbånd alensbånd Figur 4: Illustrasjon av en solcelle med flere lag. x Figur 3: Diagram over effektiviteten til et solcellemateriale gitt størrelsen på båndgapet til halvledermaterialet. Hensikt Hensikten med forsøket er å kartlegge virkningsgrad, maksimal effekt, indre motstand og andre viktige parametere hos en solcelle fra Spectrolab for å undersøke om den kan passe på satelitten CubeSTAR. Det er ukjent hvilke materialer 2

4 solcellen består av men leverandøren påstår en effektivitet på over 20% og opp til 30% [4]. R Metode På en solcelle vil en I D D karakteristikk beskrive mye ved solcellen både belyst og ubelyst. Det ble gjort en karakteristikk med påsatt eksternspenning i mørke, og én hvor solcellen var spenningskilden. R L D R I Utstyr En serie på to solceller fra Spectrolab ble brukt under hele testen. Arealet på én solcelle er på 26.43cm 2 og er formet som i Figur 5. Det ble også 0.6cm 0.8cm 3.9cm Figur 6: Måleoppsett av I D D for en foroverspent solcelle. motstand på R L = 100Ω og ble spenningsfallet fra ubelastet ble notert. Serien av solceller ble så koblet til kretsen vist i Figur 7. Spenningsfallet R 6.9cm R L D R I Figur 5: Areal av solcellen brukt en motstand på 100Ω og to på 12Ω (Kan erstattes med én motstand på 6Ω). Et potmeter på 250Ω ble også brukt. To voltmetere ble brukt til målinger. Eksperimentelt I D D -karakteristikken ble først kartlagt for den ubelyste foroverspente solcellen. En krets vist i Figur 6 ble brukt til å måle karakteristikken. Spenningen over serien av solceller og lastmotstanden ble logget paralellt hvor kildespenningen ble variert gradvis. Spenningen solcellen leverer ubelatet ble målt ved forskjellige miljøer, inndendørs, gjennom en glassrute, i overskyet vær og direkte sollys. Solcellene ble koblet til en Figur 7: Måleoppsett av I D D for en belyst solcelle. R over R L = 6Ω og D over solcellene ble kartlagt i direkte sollys ved å variere potmeteret gradvis. Resultater Resultatene fra karakteriseringen av den ubelyste solcellen ligger i Tabell 1 og er illustrert i Figur 8. Spenningen oc fra en serie med solceller uten ekstern lastmotstand ble målt til oc = 3.9 med innendørs belysning og oc = 5.12 med direkte sollys. 3

5 D [] I D [µa] Tabell 1: Måleresultater fra diodekarakterisering av ubelyst solcelle. D [] I D [µa] Tabell 2: Måleresultater fra karakterisering av belyst solcelle. Figur 8: Graf fra diodekarakterisering av ubelyst solcelle. Figur 9: Graf fra karakterisering av belyst solcelle. 4

6 Beregninger ed å montere en ekstern lastmotstand på R L = 100Ω ble spenningen redusert til R = 5.8, 0.04 under oc. Den indre motstanden R I kan finnes ved å se på spenningsfallet opp mot strømmen i kretsen. R I = oc ( ) L = R RL mA 0.78Ω ed å se på definisjonen P = I kan man få grafen i Figur 10 som viser effekten gitt spenning. Her finner man P max = 1.03W som maksimal avgitt effekt. Denne effekten får man ved å legge en lastmostand med R L = 20Ω illustrert i Figur 11. Om man ser på avgitt effekt per areal får man P max A = 1.03W cm 2 195W m 2 som sammenliknet med en innstrålt effekt på 1000W m 2 gir dette en virkningsgrad på 195W m 2 = 19.5% 1000W m 2 Figur 10: Graf over en solcelle sin avgitte effekt ved spenning. Figur 11: Illustrasjon av lastmotstanden som må til for å nå maksimal effektivitet. Stiginingen til linjen definerer motstanden. Diskusjon I mørke har solcellen en god diodekarakteristikk som likner dioder fra tidligere laboratorieoppgaver, én kilde til små feil er at solcellen ikke var i et totalt mørke og satte opp en lav spenning (1m ) uavhengig av den eksterne spenningskilden. Denne spenningen var derimot så liten at den sannsynligvis vil kunne neglisjeres. I direkte sollys leverer solcellene en spenning oc = 5.12 som vil si 2.56 per celle, dette er en god spenning per celle sett opp mot silisiumsolceller på 0.6 per celle. Den høye spenningen kommer sannsynligvis av at solcellen har flere lag hvor potensialet synker nedover lagene. Den indre motstanden i solcellen ble målt til R I = 0.78Ω som var lavere enn forventet. Dette kan komme av varierende innstrålt effekt på måletidspunktet selv om det ble forsøkt å unngå variasjonene. Den maksimale elektriske effekten levert av solcellen ble oppnådd med en lastmotstand på R L = 20Ω og var på P max = 1.03W med en virkningsgrad på 19.5%. irkningsgraden ligger i området av det teoretiske maksimaet for én halvlederovergang og er lavere enn en teoretisk maks for en solcelle med flere overganger. Den store reduksjonen kommer sannsynligvis fra flere for- 5

7 mer for rekombinasjon, der defekter i materialet, temperatur og kontaktpunkter gir redusert virkningsgrad. irkningsgraden er 10% lavere enn hva leverandøren påstår de tilbyr, som kan komme av urenheter på overflaten, måleoppsett eller andre faktorer. Om virkningsgraden beholdes kan man grovt forutse hvilken effekt man kan få utenfor atmosfæren. AM0 har en innstråling på 1366W m 2 [3] og effekten per areal vil derfor bli W m 2. Effekt levert av hver solcelle blir grovt sett 0.7W. Fra dette kan man finne et anslag over hvor mange solceller som behøves til å drive utstyret og liknende. Referanser [1] Sanjay Kumar Banerjee Ben G. Streetman. Solid State Electronic Devices. I: 7 (2015), s [2] Martin A. Green. Solar Cells. I: (1998), s [3] RReDC. Solar Spectra: Air Mass Zero. http : / / rredc. nrel. gov / solar / spectra/am0/. [Online; accessed 27-April- 2016] [4] Spectrolab. Photovoltaics. http : / / www. spectrolab. com / solarcells. htm. [Online; accessed 27-April-2016] Konklusjon Solcellene har en relativt beskjeden virkningsgrad i forhold til hva leverandøren sier de tilbyr. Det finnes sannsynligvis andre leverandører på markedet som leverer solceller med bedre virkningsgrad men om dette er bedre alternativer er et spørsmål om nødvendig effekt opp mot pris. 6