Solceller. Mikkel Jørgensen Seniorforsker Institut for Energikonvertering og Lagring DTU

Transkript

1 Solceller Mikkel Jørgensen Seniorforsker Institut for Energikonvertering og Lagring DTU

2 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 07 April 2017

3 Hvor får vi energien fra? TW 47 TW 1 TW = W Energi (Joule) = Effekt (Watt) * tid (sekunder) 3 07 April 2017

4 Energikilder Forbrug okt. 2014: 5.67*10 20 J= 18 TW*365*24*3600s 4 07 April 2017

5 To måder at høste energien fra solen Termiske solfangere Lys -> varmt vand ARCON anlæg i Silkeborg: m 2, til varmen til 4400 huse (20% af Silkeborg) 5 07 April 2017

6 Solceller Lys -> elektricitet 6 07 April 2017

7 Historie 1839 AE Becquerel observerer den fotovoltaiske effekt 1905 A Einstein forklarer den fotoelektriske effekt 1953 G Pearson opfinder lithiumsilicium solceller 1954 Bell Labs 6% celle 1883 C Fritts 1% selen/guld cell 1887 H Herz opdager den fotoelektriske effekt 1918 J Czochralski fremstilling af enkelt-krystaller 1962 Telstar satellit med solceller 7 07 April 2017

8 Definition af en Photovoltaisk Celle (Solcelle) A photovoltaic cell is a specialized semiconductor diode electronic device that converts light energy into electrical energy Technopedia hν + Solar Cell - V + - e - 8

9 Den Fotovoltaiske Effekt Opdaget I 1839 af Alexandre-Edmond Becquerel er at lys der absorberes af 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 mellem pladerne. V Lys 9

10 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 E lys = h υ = h c λ 10

11 Hvordan virker solceller? 11

12 Fremstilling Kvarts (SiO 2 ) til Silicium (Si) Siemens processen April 2017

13 Fremstilling af Monokrystallinske Solceller April 2017

14 Fremstilling Ætsning, Doping Metal elektroder April 2017

15 Fremstilling Elektriske forbindelse i serie Inspektion Fremstilling af modul April 2017

16 Elektrisk forbindelse af solceller i et panel: i parallel eller i serie I parallel: høj strøm/lav spænding I serie: høj spænding/lav strøm April 2017

17 Hvor effektive er solceller og hvordan måler vi det? Effektivitet = 100 Elektrisk Energi Produceret % Energi fra Solen 17

18 1 Sol Reference Air Mass 1.5G Spectrum Sun is o above the horizon Global spectrum = direct + diffuse light; ca W/m 2 AM1.0 is the solar spectrum outside the atmosphere Blackbody radiation at 5778 K 18

19 Irradiance (W/m 2 /nm) Current Density (ma/cm 2 ) Bandgap (V) Max PCE (%) Shockley-Queisser Grænsen for effektivitet ca 30% for Si 1,8 Si 70 3,0 35 1,6 1,4 1, ,5 2, ,0 0, , ,6 0,4 0, ,0 0, , ,0 0 Wavelength (nm) 19

20 Strøm og Spændings Karakteristik (I-V måling) SMU: Source measure unit 20

21 Effektivitetsmåling PCE: Power Conversion Efficiency PCE = 100 J MPP V MPP P in % = I SC V OC FF Area P in %; FF = 100 I MPP V MPP I SC V OC Max. effekt 21

22 Hvor effektive er silicium solceller Type Effektivitet Monokrystallinsk 20-22% Polykrystallinsk 14-16% Tyndfilm (amorf) 7-12% 22

23 Hvor skinner solen? 23

24 Hvor skinner solen? 24

25 Hvor meget af Jorden skulle vi dække med solceller for få nok energi? 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) April 2017

26 Hvor meget af Danmark skulle vi dække? El-forbrug DK: GWh (2016) 1 m 2 silicium solceller giver ca 333 kwh/år Ca 90 km 2 svarende til Ærø (87.5 km 2 ) ~2% April 2017

27 Effekt og Energi Effekt (Watt) = Spænding (Volt) * Strøm (Ampere) Energi (Joule) = Effekt (Watt) * tid (sekunder) 1 kwh = J (1000 W * 3600 s) 6 kw Solceller ~ 18 m 2 (producerer ca 6000 kwh/år) En typisk dansker bruger ca kwh/år April 2017

28 Døgn- og årstidsvariation 28

29 Sol paneler i delvis skygge Smart Grid and Renewable Energy, 2013, 4, Maximum 2 Maxima Delvis skygge 29

30 Tre generationer af solceller Silicium CdTe, CIGS Organiske solceller, Grätzel celler, Perovskites, CZTSSe, Quantum Dot 30

31 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 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

32 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

33 Multi Junction solceller Gallium Arsenide triple junction 33

34 Concentrated Solar Photovoltaics Low concentration PV (2-100 suns) High concentration PV (1000 suns) 34

35 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) Waldpolenz solar park near Leipzig 40 MW 35

36 Organiske Solceller Organiske molekyler (polymerer) er den aktive komponent der både absorberer lyset og omdanner det til elektricitet. 36

37 Organiske Solceller Inspiration fra fotosyntesen: CO 2 + H 2 O + Lys -> Sukker Klorofyl 37

38 Organiske molekyler og solceller Hvad skal de kunne? 1. Absorbere lyset 2. Omdanne lyset til elektriske ladninger 3. Transportere ladningerne til elektroder 38

39 Konjugerede molekyler 39

40 Organiske molekyler og solceller 40

41 Grid Electrode HTL Acceptor Polymer + _ ETL Electrode 41

42 En helt anden måde at lave solceller på Rulle-til-rulle trykning af organiske solceller på plastik 42

43 Nogle projekter med organiske solceller Free OPV demonstrator 2011 OEA demonstrator lamper med batteri og solcelle March November

44 Fleksible solceller 44

45 Solceller på en ballon 45

46 Solceller på vandet 46

47 Udendørs installation Hurtigere end nogen anden solcelleteknologi 47

48 Sol parken på Risø-DTU Adv. Mater. DOI: /adma

49 Tak for i dag og mere information på: