SMG-4300: Yhteenveto toisesta luennosta. Miten puolijohde eroaa johteista ja eristeistä elektronivyörakenteen kannalta?

Transkriptio

1 SMG-4300: Yhteenveto toisesta luennosta Miten puolijohde eroaa johteista ja eristeistä elektronivyörakenteen kannalta? Puolijohteesta tulee sähköä johtava, kun valenssivyön elektronit saavat vähintään energia-aukon verran energiaa noustakseen johtavuusvyölle. Valojänniteilmiö: auringonsäteilyn energia synnyttää puolijohteeseen vapaita varauksenkuljettajia. Valtaosa AM1.5-säteilystä pystyy synnyttämään piihin vapaita varauksenkuljettajia. PN-liitos tarvitaan auringonsäteilyn synnyttämien varauksenkuljettajien erottelemiseen: puhtaassa puolijohteessa johtavuusvyölle nousseet elektronit putoavat nopeasti takaisin valenssivyölle. PN-liitoksen sähkökenttä saa fotonien synnyttämät varauksenkuljettajat liikkeelle. Auringonvalo synnyttää sähkövirran pn-liitokseen! 1

2 SMG-4300 Aurinkosähkö ja Tuulivoima Aurinkosähkön 3. luento Tavoitteena on ymmärtää, miten lämpötilan ja säteilytehotiheyden muutokset vaikuttavat aurinkokennon toimintaan. Aurinkokennon sijaiskytkentä ja virta-jännite-käyrä: Miten aurinkokennon toiminta poikkeaa normaalin diodin toiminnasta? Aurinkokennon virta-jännite-käyrä: tyhjäkäyntijännite, oikosulkuvirta, täytekerroin. Olosuhteet ja hyötysuhde: Miksi ja miten lämpötilan ja säteilytehotiheyden muutokset vaikuttavat aurinkokennon toimintaan? Mitä aurinkokennon hyötysuhde tarkoittaa, ja mitkä tekijät siihen vaikuttavat? 2

3 PN-LIITOKSEN VIRTA-JÄNNITE-YHTÄLÖ Aurinkokennot ovat pn-liitoksia (diodeja), joilla on suuri pn-liitoksen pinta-ala. Elektroniikkasovelluksissa diodia käytetään siten, että sen yli syötetään joko myötä- tai estosuuntainen jännite. Tällöin diodi johtaa tai ei johda sähköä. Aurinkokenno vastaa rakenteellisesti diodia, mutta aurinkokennoa ei käytetä samalla tavalla kuin diodia. Aurinkokennon yli ei siis syötetä jännitettä, vaan auringonsäteily synnyttää sähkövirran pn-liitokseen. Vaikka aurinkokennoa käytetäänkin eri periaatteella kuin diodia, molemmille kuitenkin pätee pn-liitoksen virta (I pn ) - jännite (V) -yhtälö: ev I = I exp 1, pn 0 kt jossa e on elektronin varaus, k on Boltzmannin vakio, T on lämpötila Kelvinasteina, ja I 0 on ns. saturaatiovirta. 3

4 AURINKOKENNON JA DIODIN TOIMINNALLINEN ERO (1/4) Aurinkokennon sijaiskytkentänä voidaan käyttää virtalähteen ja diodin rinnankytkentää. Diodi kuvaa pn-liitosta, ja lähdevirta kuvaa sitä virtaa, jonka auringonsäteily synnyttää pn-liitokseen. ev I = I1 I0 exp 1 kt 4

5 AURINKOKENNON JA DIODIN TOIMINNALLINEN ERO (2/4) Tarkastellaan ensin pelkkää diodia, eli poistetaan virtalähde sijaiskytkennästä. Tällöin virraksi I tulee: I ev = I0 exp 1. kt Kun V on negatiivinen, yllä olevan lausekkeen exp-termi menee käytännössä nollaksi. Tällöin pätee I I 0. Kun V on positiivinen, yllä olevan lausekkeen exp-termi kasvaa nopeasti V:n funktiona. Tällöin I on negatiivinen, ja sen itseisarvo kasvaa nopeasti. Täten on saatu muodostettua I(V)-käyristä ylempi. Tavallinen diodi toimii juuri näin. 5

6 AURINKOKENNON JA DIODIN TOIMINNALLINEN ERO (3/4) Altistetaan sitten pn-liitos valolle, eli otetaan virtalähde I l kytkentään mukaan. Tällöin aurinkokennon virraksi I tulee: ev I = I1 I0 exp 1. kt Kun V on negatiivinen, yllä olevan lausekkeen exp-termi menee käytännössä nollaksi. Tällöin pätee I I 1 + I 0. Kun V on positiivinen, I muuttuu negatiiviseksi, kun myötäsuuntaisen diodin virta I pn ylittää valon synnyttämän virran I l. Täten on saatu muodostettua V (I )-käyristä alempi. Johtopäätös: aurinkokenno on kuin diodi, jossa auringonsäteily synnyttää estosuuntaisen virran! 6

7 AURINKOKENNON JA DIODIN TOIMINNALLINEN ERO (4/4) Diodissa positiivinen virta kulkee pn-liitoksen sisällä p-puolelta n-puolelle. Aurinkokennossa auringonsäteilyn synnyttämät johtavuuselektronit kulkevat pnliitoksen sisällä p-puolelta n-puolelle. Koska sähkövirta on määritelty positiivisten varausten liikkeeksi, virta kulkee aurinkokennossa pn-liitoksen sisällä n-puolelta p-puolelle, eli eri suuntaan kuin myötäsuuntaan biasoidussa diodissa. 7

8 AURINKOKENNON VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄ Kun aurinkokennon tuottama virta oletetaan positiiviseksi, saadaan oheisen kuvan mukainen I(V)-käyrä. Aurinkokennon tyhjäkäyntijännite V oc on I(V)-käyrän suurin jännitteen arvo. Tällöin kennon virta on 0 A. Aurinkokennon oikosulkuvirta I sc on I(V)-käyrän suurin virran arvo. Tällöin kennon yli oleva jännite on 0 V. Aurinkokennon maksimiteho P max on se I (V)-käyrän piste, jossa V:n ja I:n tulo on suurin. Käytännössä P max löytyy aina I(V)-käyrän mutkasta. P max voidaan lausua V oc :n ja I sc :n avulla täytekerrointa f käyttäen: P = fv I max oc sc. 8

9 OLOSUHTEIDEN VAIKUTUS AURINKOKENNON TOIMINTAAN Aurinkokennoja käytetään erilaisissa olosuhteissa. Kaksi olosuhdemuuttujaa, jotka vaikuttavat merkittävästi aurinkokennon toimintaan, ovat kennon lämpötila T ja kennolle tuleva säteilytehotiheys G. Oletetaan, ettei täytekerroin f riipu olosuhteista. Tämä ei tarkkaan ottaen pidä paikkaansa, mutta on kuitenkin tässä yhteydessä kelvollinen oletus. Kun selvitetään, miten V oc ja I sc riippuvat lämpötilasta ja säteilytehotiheydestä, saadaan selville, miten aurinkokennon I(V)-käyrä ja maksimiteho riippuvat olosuhteista. Tyhjäkäynnitteeksi V oc (I = 0 A) ja oikosulkuvirraksi I sc (V = 0 V) saadaan: I ev exp 1 = I kt oc 0 l e 0 Isc = I1 I0 exp 1 kt exp ev I = + 1 kt I oc l I I I [ ] 0 = 1 1 sc 1 0 V oc I sc kt I = e + I0 = I l l ln 1 9

10 LÄMPÖTILAN VAIKUTUS V oc :een ja I sc :aan Tarkastellaan, miten V oc ja I sc muuttuvat, kun kennon lämpötila T muuttuu. V oc :n lausekkeen perusteella näyttäisi siltä, että V oc kasvaa lineaarisesti T:n funktiona. Tämä ei kuitenkaan käytännössä pidä paikkaansa, sillä pn-liitoksen saturaatiovirta I 0 likimain tuplaantuu 5 K:n lämpötilannousua kohti. I 0 :n kasvu johtuu vähemmistövarauksenkuljettajien (n-puolella aukot ja p- puolella elektronit) määrän lisääntymisestä lämpötilan kasvaessa Eg k J/K I exp kt 19 Eg = 1.09 ev, ev J V oc pienenee merkittävästi T:n kasvaessa. I sc kasvaa hieman lämpötilan kasvaessa, mutta I sc :n T-riippuvuutta ei yleensä tarvitse ottaa huomioon. I sc :n lievä kasvu johtuu energia-aukon pienenemisestä lämpötilan kasvaessa. 10

11 SÄTEILYTEHON VAIKUTUS V oc :een ja I sc :aan Tarkastellaan, miten V oc ja I sc muuttuvat, kun säteilytehotiheys G muuttuu. Oikosulkuvirta I sc riippuu likimain lineaarisesti säteilytehotiheydestä G. Tämä on helppo ymmärtää, koska mitä enemmän aurinkokennoon osuu fotoneja, sitä enemmän puolijohteessa virittyy elektroneja valenssivyöltä johtavuusvyölle, joten sitä suurempi on valon synnyttämä sähkövirta. Tyhjäkäyntijännite kasvaa hieman säteilytehotiheyden kasvaessa, mutta V oc :n G- riippuvuutta ei yleensä tarvitse ottaa huomioon. V oc :n heikkoa G-riippuvuutta voi tarkastella V oc :n lausekkeen avulla. Yhteenveto olosuhteiden vaikutuksesta aurinkokennon toimintaan: Tyhjäkäyntijännite pienenee merkittävästi lämpötilan kasvaessa. Tyhjäkäyntijännitteen säteilytehotiheysriippuvuus on heikko. Oikosulkuvirta riippuu likimain lineaarisesti säteilytehotiheydestä. Oikosulkuvirran lämpötilariippuvuus on heikko. 11

12 TOIMINTAOLOSUHTEIDEN VAIKUTUS Riippuvuus lämpötilasta T: dvoc mv 2.3 dt K (yhdelle piikennolle) disc A 0 dt K Riippuvuus säteilytehotiheydestä G: dvoc V I sc (G)-riippuvuus likimain lineaarinen 0 dg W m 2 12

13 TOIMINTAOLOSUHTEIDEN VAIKUTUS 13

14 AURINKOKENNOJEN STANDARDIMITTAUSOLOSUHTEET Jotta eri aurinkokennojen suoritusarvojen vertaaminen on mielekästä, on määritelty standardiolosuhteet, joissa mittaustulokset ilmoitetaan. Nämä stardardiolosuhteet ovat (STC, Standard Test Conditions): AM1.5, T cell = 25 o C, G = 1000 W/m2. 14

15 AURINKOKENNON HYÖTYSUHDE Aurinkokennon hyötysuhde on kennosta saatavan sähkötehon ja kennolle tulevan säteilytehon osamäärä. Oheiseen datalehteen liittyvän aurinkopaneelin pinta-ala A on m 2, ja tästä pinta-alasta aurinkokennojen osuus on noin 90%. Täten tarkasteltavan aurinkopaneelin hyötysuhteeksi η saadaan: P η = = GA fv I GA max oc sc = 12.8%

16 AURINKOKENNON HYÖTYSUHTEESEEN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT Fotonin ylimääräinen energia muuttuu lämmöksi (η max 44%). Toisaalta osalla fotoneista on liian vähän energiaa. Sähkövirta ei kulje häviöttömästi (resistiiviset häviöt). Kaikki varauksenkuljettajat eivät saavuta virtakontakteja (keruuhäviöt). Osa valosta heijastuu kennon pinnasta, ja toisaalta metalliset kontaktit kennon pinnalla varjostavat. Rekombinaatiota tapahtuu kidevirheissä ja puolijohde-metalli-liitoksissa. 16