Hiệu suất chuyển đổi năng lượng Pin mặt trời

Ảnh hưởn ủ PIN MẶT TRỜI - PH3370 HIỆU SUẤT CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG CỦA PIN MẶT TRỜI 4  Do quá trình hồi phục, điện tử và lỗ trống giải phóng năng lượng ΔE=hv-Eg cho mạng tinh thể vật rắn

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT



BÁO CÁO MÔN HỌC

Giảng viên hướng dẫn: GS - TS D ơ N ọc Huyền Sinh viên thực hiện: Lê Quốc Hải 20090929

Đoà T Tâ 20092329

Ngô Quang Trung 20092863

Hà Nội, tháng 10/2013

Trang 2

MỤC LỤC

Phần I Ả ở 3

I.1 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện 3

I.1.1 Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất 4

I.1.2 Các phương pháp cải thiện hiệu suất pin mặt trời 6

Phần II Ả ởng c ộ sáng 8

II.1 Các yếu tố ảnh hưởng của cường độ sáng 8

II.2 Khắc phục hạn chế của cường độ sáng để nâng cao hiệu suất 10

Phần III Ả ởng c a nhi ộ 12

III.1 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến bề rộng vùng cấm của vật liệu 12

III.2 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến dòng ngắn mạch 13

III.3 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến thế hở mạch 14

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

Trang 3

Phần I Ảnh hưởn ủ PIN MẶT TRỜI - PH3370

HIỆU SUẤT CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG CỦA PIN MẶT TRỜI 3

Phần I Ả ở

I.1 Hi u suất của quá trình biến đổ q n đ n

 Giới hạn lý thuyết cảu hiệu suất η biến đổi năng lượng quang điện của hệ hai mức năng lượng

Trong đó J0(λ) là mật độ photon có bước sóng λ; J0(λ)dλ là tổng số photon tới có bước sóng trong khoảng λ đến λ+dλ; hc/λ là năng lượng của photon Tử số của phương trình trên năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình quang điện (coi như toàn bộ photon có bước sóng λ<λC đều bị hấp thụ) Mẫu số là tổng năng lượng các photon tới hệ Như vậy η là một hàm số của Eg được trình bày như hình dưới 1.2

Hình 1.1 Hiệu suất của quá trình biến

đổi quang điện phụ thuộc vào độ rộng

vùng cấm của vật liệu

Hình 1.2 Năng lượng tổn hao và hiệu suất

biến đổi quang điện của Si

- Như thấy trên hình, η có giá trị cực đại ηmax = 0.44 xung quanh giá trị Eg = 1.5eV Kết quả này có tính tổng quát và áp dụng cho các hệ 2 mức năng lượng bất kỳ

- Năng lượng tổn hao trong một quá trình biến đổi quang điện chủ yếu do 2 nguyên nhân sau:

 Các photon có năng lượng < Eg không bị điện tử hấp thụ mà truyền quan vật rắn

Trang 4

 Do quá trình hồi phục, điện tử và lỗ trống giải phóng năng lượng ΔE=hv-Eg

cho mạng tinh thể vật rắn để tới đáy các vùng năng lượng

- Đối với bán dẫn Silicon Si, Eg = 1,16eV, tính toán cho thấy 23% mất mát năng lượng do photon truyền qua, 33% bị mất do quá trình hồi phục của điện tử và lỗ trống được chỉ ra trên hình 1.2 Như vậy đối với quá trình quang điện trên vật liệu Si thì η<0.44

I.1.1 Các tham số ảnh hưởn đến chế độ làm vi c và hi u suất

- Có 5 tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin mặt trời:

 Điện trở nội(điện trở nối tiếp) RS

 Điện trở sơn Ssh

 Dòng bão hòa IS

 Cường độ bức xạ mặt trời E

 Nhiệt độ của pin T

- Điều kiện bức xạ bình thường(không hội tụ) các tham số trên có thể xem như các tham số độc lập, trừ dòng điện bão hòa IS và nhiệt độ T

 Hi u suất pin mặt trời phụ thuộ ào đ n trở sơn (R sh ) à đ n trở nội (R S )

- Điện trở sơn Rsh đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc p-n, phụ thuộc công nghệ chế tạo lớp tiếp xúc Thông thường giá trị của Rsh khá lớn, nên dòng dò có thể bỏ qua

- Điện trở RS là tổng của các điện trở: điện trở tiếp xúc giữa điện cực dưới và bán dẫn p, R1 ; điện trở lớp bán dẫn kim loại p, R; điện trở lớp bán dẫn n, R3; điện trở tiếp xúc giữa bán dẫn n và cực kim loại trên , R4 điện trở của cực lưới kim loại mặt trên ,R5 và điện trở của các thanh góp kim loại mặt trên , R6







1

6 5 4 3 2 1

i i

R

- Sự tăng hoặc giảm Rsh ảnh hưởng xấu đến công suất phát điện của pin mặt trời Về mặt đồ thị, các điện trở này sẽ làm biến dạng đường đặc trưng V-A, RS gây ra sự giảm độ nghiêng của đường đặc trưng I=f(V) trong miền làm việc như một nguồn thế Còn điện trở sơn Rsh làm tăng góc nghiêng của đường đặc trưng trong miền pin mặt trời làm việc như một nguồn dòng

Trang 5

Hình 2.1 Đặc trưng V-A của pin mặt

trời phụ thuộc điện trở nội R S

Hình 2.2 Đặc trưng V-A của pin mặt trời phụ thuộc điện trở sơn R Sh

 Hi u suất pin mặt trời phụ thuộc vào v t li u chế tạo pin mặt trời

- Thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời

là độ rộng vùng cấm của vật liệu chế tạo pin mặt trời.Lý thuyết và thực nghiệm đã cho thấy rằng, để có hiệu suất η > 8% thì độ rộng vùng cấm của vật liệu phải trong khoảng 1.0eV đến 1.6eV Hình 2.3 cho thấy sự phụ thuộc cảu hiệu suất biến đổi quang điện vào

độ rộng vùng cấm Eg của một số vật liệu ở 300K

Hình 2.3 sự phụ thuộc của hiệu suất quang điện vào độ rộng của vùng cấm của vật liệu ở 300k

- Ta thấy rằng, S có vùng cấm Eg=1.16eV không phải vật liệu tốt nhất để sản xuất pin mặt trời Các vật liệu khác như InP, GaAs, CdTe, AlSb, InP cũng nằm trong vùng

Trang 6

cấm cho giới hạn cho hiệu suất cao nói trên Các pin mặt trời từ các vật liệu này thường được chế tạo dưới dạng màng mỏng vô định hình Bảng 1 cho hiệu suất biến đổi quang điện lý thuyết của một số vật liệu pin mặt trời

Bảng 1 Hiệu suất lý thuyết của một số vật liệu pin mặt trời

- Một trong các công nghệ triển vọng để giảm giá thành pin mặt trời là công nghệ pin mặt trời màng mỏng vô định hình Ngoài ra nhờ công nghệ này, người ta không những chế tạo được các pin mặt trời có một lớp tiếp xúc pn có diện tích lớn mà còn tạo được các pin mặt trời có nhiều lớp tiếp xúc pn cho hiệu suất biến đổi quang điện cao từ 8%-15%

Bảng 2 Các vật liệu chế tạo pin mặt trời màng mỏng

I.1.2 Cá phươn pháp ải thi n hi u suất pin mặt trời

- Giới hạn thực tế của hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời ở 250C trên 2 mức năng lượng là 25% Nguyên nhân là do hệ thống 2 mức năng lượng chỉ có thể hấpthụ các photon tới có năng lượng >Eg Còn các photon có năng lượng < Eg bị truyền

Trang 7

qua vật liệu mà không gây ra hiệu ứng quang điện Do đó, người ta đã tìm kiếm các sơ đồ khác để tận dụng phần năng lượng truyền qua đó Dưới đây là các hệ thống pin mặt trời gồm nhiều mức năng lượng

 Sơ đồ h thống gồm 3 mứ năn ượng

- Xét 1 hệ gồm nhiều mức năng lượng có vùng cấm giảm dần Eg1>Eg2>Eg3 như hình 2.4 Khi ánh sáng được chiếu tới vật liệu, các photon có năng lượng > Eg1 sẽ được hệ thứ nhất hấp thụ, các photon có năng lượng < Eg1 sẽ được lớp tiếp xúc thứ 2 hấp thụ, các photon có năng lượng < Eg2 sẽ được lớp thứ 3 hấp thụ Như vậy, một sơ đồ như trên có thể hấp thụ được tất cả các photon có mức năng lượng Eg3 < Eg < Eg1 và Eg > Eg1 thay vì chỉ có các photon có năng lượng >Eg1 bị hấp thụ Như vậy hiệu suất của hệ thống này sẽ cao hơn (khoảng 40%)

Hình 2.4 Cấu trúc pin mặt trời nhiều

mức năng lượng

Hình 2.5 Sơ đồ năng lượng của lớp tiếp xúc của vật liệu có năng lượng

vùng cấm giảm dần

 Pin mặt trờ ó độ rộng vung cấm giảm dần (The graded band gap cell_GBGC)

- Hệ thống này là tổ hợp gồm rất nhiều lớp tiếp xúc Hình 2.5 là sơ đồ năng lượng của hệ thống GBGC Năng lượng vùng cấm giảm dần từ Eg1 đến Eg2, trong đó Eg1 là lớp

bề mặt, Eg2 là lớp tiếp xúc pn Vùng chuyển tiếp có thể xem như là vùng có năng lượng biến đổi Eg1 – Eg2 là một máy phát quang - điện Hàng rào thế năng pn có tác dụng như một máy phát quang-điện thứ 2

Trang 8

Phần II Ảnh hưởng củ ườn độ sáng PIN MẶT TRỜI - PH3370

Phần II Ả ởng c ộ sáng

II.1 Các yếu tố ảnh hưởng củ ườn độ sáng

- Hoạt động của pin mặt trời khi được chiếu sáng tập trung mang lại hai lợi ích chính:

o Thứ nhất, số lượng các tấm pin mặt trời phải thu ánh sáng mặt trời tại một khu vực cho trước ít hơn, mà chi phí sản xuất của những tấm pin này thường cao hơn so với các tế bào được thiết kế để chiếu sáng không tập trung, do đó chất lượng cao hơn (hiệu quả)

o Thứ hai, hoạt động dưới ánh sáng tập trung cung cấp lợi thế trong hiệu suất

tế bào năng lượng mặt trời Nếu ánh sáng mặt trời được tập trung bởi một

hệ số X (X mặt trời chiếu sáng), ngắn mạch tại khu vực tập trung là

- Giả định rằng các thông số của chất bán dẫn không bị ảnh hưởng bởi cường độ chiếu sáng và nhiệt độ của các tấm pin là giống nhau ở cả hai cấp độ chiếu sáng - không nhất thiết phải giả định là X rất lớn, có nghĩa là, X > 100 Tuy nhiên, những giả định này

sẽ cho phép thể hiện hiệu suất tích trữ năng lượng của các tấm pin mặt trời tập trung

- Ta có:

- Thay thế phương trình (3.162) vào phương trình (3.135) ta được:

- Mặt khác,

- Suy ra,

Trang 9

Với FF là hàm của VOC

- Do đó,

- Cả hai hệ số nhân với sự gia tăng hiệu suất của l mặt trời tương đương với cường

độ chiếu sáng tăng Vì vậy, hiệu quả của các tấm pin mặt trời tập trung tăng lên khi sự chiếu sáng tập trung tăng Ta có thể thấy mối quan hệ khi xem hình dưới đây

- Tất nhiên, có rất nhiều trở ngại để đạt được điều này Các pin mặt trời tập trung phải được làm mát, vì sự gia tăng nhiệt độ hoạt động làm giảm VOC, và hiệu suất pin

FFXsuns cũng giảm khi tăng X và dòng giảm do điện trở ký sinh

Trang 10

II.2 Khắc phục hạn chế củ ườn độ sán để nâng cao hi u suất

- Để nâng cao hiệu suất pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ sáng, người ta cải tiến lớp kính phía trên pin mặt trời để tăng hiệu suất hấp thu, giảm phản xạ ánh sáng

- Hình trên là các cấu hình của ống kính Fresnel (a) ống kính Fresnel tập trung điểm cho một tia chiếu tập trung vào khu vực hoạt động tròn của các tấm pin mặt trời (b) Tấm thẳng, hoặc một trục, ống kính Fresnel tập trung vào một số tấm pin mặt trời trong một chuỗi (c) ống kính Fresnel hình vòm thẳng

- Bên cạnh đó người ta cũng sử dụng các hệ thống giá đỡ pin mặt trời có thể xoay theo các góc, phương vị khác nhau để thu nhận ánh sáng từ mặt trời là tối đa

Trang 11

Trang 12

Phần III Ảnh hưởng của nhi độ PIN MẶT TRỜI - PH3370

Phần III Ả ởng c a nhi ộ

III.1 Sự ảnh hưởng của nhi độ đến bề rộng vùng cấm của v t li u

- Giống như tất cả các linh kiện bán dẫn khác, nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến pin mặt trời Nhiệt độ tăng sẽ làm giảm bề rộng vùng cấm của bán dẫn, do đó ảnh hưởng đến hầu hết thông số của vật liệu bán dẫn Giảm bề rộng vùng cấm của chất bán dẫn cùng sự tăng nhiệt độ có thể được thể hiện như sự tăng năng lượng của điện tử trong vật liệu Do

đó mà chỉ cần một lượng năng lượng thấp hơn để phá vỡ liên kết Trong chế độ liên kết của vùng cấm bán dẫn, năng lượng liên kết giảm cũng chính là giảm năng lượng vùng cấm Vì vậy, khi nhiệt độ tăng sẽ làm giảm bề rộng vùng cấm

- Bề rộng vùng cấm giảm theo định luật:

( ) ( )

Với a và b là các hằng số phụ thuộc vật liệu;

( ) là độ rộng vùng cấm của vật liệu ở T = 0K

Dưới đây là giá trị ( ) và a, b của một số loại vật liệu điển hình

( ) (eV) a (10-4 eV) b (K)

- Từ bảng số liệu trên, ta có thể tính được giá trị Eg của các vật liệu trên ở các vật liệu khác nhau:

T(K) 0,00 273,00 300,00 373,00 473,00 573,00 673,00

Eg, Si 1,16 1,12 1,12 1,09 1,06 1,02 0,98

Eg, GaAs 1,52 1,44 1,43 1,40 1,35 1,30 1,25

- Từ đây, ta có thể thấy rằng, tùy thuộc vào các loại vật liệu khác nhau mà sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên bề rộng vùng cấm của chúng là khác nhau, có vật liệu giảm ít nhưng có vật liệu giảm khá nhiều

Trang 13

III.2 Sự ảnh hưởng của nhi độ đến dòng ngắn mạch

- Dòng đoản mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn mạch ngoài Lúc đó, hiệu điện tehes mạch ngoài của pin V = 0V Khi đó, dòng ngắn mạch được biểu diễn bởi công thức sau:

[ (

) ]

Trong đó:

Iph là dòng quang điện sinh ra khi có ánh sáng chiếu đến (A/m2)

IS dòng bão hòa (A/m2)

q là điện tích của điện tử (C)

RS điện trở trong của pin mặt trời ( /m2)

n là hệ số l tưởng phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện công nghệ chế tạo pin mặt trời

Rsh điện trở sơn (điện trở dòng dò) ( /m2)

- các điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tụ) thì hiệu ứng điện trở nối tiếp RS có thể bỏ qua, và ID = 0 và do đó có thể suy ra:

- Trong đó:

E là cường độ sáng

là hệ số t lệ

- Như vậy, ở điều kiện bình thường, dòng đoản mạch ISC của pin mặt trời t lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Hình dưới cho thấy các đường đặc trưng VA của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng Đường chấm chấm là đường nối các điểm làm việc tối ưu có công suất cực đại ở các cường độ bức xạ khác nhau

Trang 14

III.3 Sự ảnh hưởng của nhi độ đến thế hở mạch

- Thế hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở (R= ) Khi đó, dòng mạch ngoài bằng 0 Giả sử Rsh rất lớn, ta có:

[

] [

]



- Vì Iph <<IS nên có thể viết:

Trong biểu thức của VOC ta thấy nó phụ thuộc vào nhiệt độ một cách trực tiếp và gián tiếp qua dòng bão hòa IS Dòng bão hòa IS là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt và bị gia tốc bởi điện trường tiếp xúc Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng, dòng bão hòa IS cũng tăng theo hàm mũ:

(

) Trong đó:

A là diện tích bề mặt tiếp xúc pn

gth là mật độ hạt dẫn được tạo thành do kích thích nhiệt trong lớp tiếp xúc

go = gth khi T = gọi là hệ số kích thích nhiệt

- Đặt biểu thức trên vào VOC ta được:

- Sự khác nhau về điện thế khi T=0 và T>0 phụ thuộc hệ số kích thích nhiệt go và hiệu suất góp K Khi chiếu sáng với cường độ sáng cao thì Nph tăng lên và Vo càng gần

Trang 15

tới giá trị Eg/q Ngoài ra, VOC tăng theo hàm loga với donmgf quang điện Iph mà đến lượng nó lại tăng tuyến tính với cường độ bức xạ chiếu sáng Kết quả là thế hở mạch VOC

tăng theo hàm loga theo cường độ bức xạ chiếu sáng và giảm tuyến tính theo nhiệt độ tấm pin

- Hình dưới cho thấy sự phụ thuộc của đặc trưng sáng VA của pin mặt trời tinh thể

Si vào nhiệt độ

Tiêu đề	Hiệu suất chuyển đổi năng lượng pin mặt trời
Tác giả	Lê Quốc Hải, Ngô Quang Trung
Người hướng dẫn	GS - TS. Đỗ Ngọc Huyền
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Vật lý kỹ thuật
Thể loại	Báo cáo môn học
Năm xuất bản	2013
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	16
Dung lượng	1,01 MB