DEE Aurinkosähkön perusteet

Transkriptio

1 DEE Aurinkosähkön perusteet Yleistietomateriaalia luentojen tueksi Aurinkokennotyypit: Mitä erilaisia aurinkokennotyyppejä on olemassa, ja miten ne poikkeavat ominaisuuksiltaan toisistaan? Yksikiteisen piiaurinkokennon valmistaminen: Mitä työvaiheita korkealaatuisen piiaurinkokennon valmistus sisältää? 1 PERINTEISET PIIAURINKOKENNOT Materiaalina yksi- ja monikiteinen pii Energia-aukko noin 1.1 ev. Hyötysuhteiden maksimit noin 16% (yksikiteinen) ja 14% (monikiteinen). Maailmanlaajuinen markkinaosuus laskentatavasta riippuen luokkaa 80-90%. Vahvuuksina luotettavuus ja pitkälle kehitetty valmistustekniikka. Heikkoutena korkeahko hinta. Epäsuoran energia-aukon puolijohde Þ ei sovellu ohutkalvomateriaaliksi. Fotonien absorboitumiseen vaadittava paksuus luokkaa 100 mm, mekaanisista syistä käytännön kennoilla paksuus luokkaa mm. 2 1

2 OHUTKALVOAURINKOKENNOT (1/4) Ohutkalvotyyppisiä aurinkokennoja pystytään lähtökohtaisesti valmistamaan ainoastaan suoran energia-aukon puolijohteista. Kun kennomateriaalina käytetään suoran energia-aukon materiaalia, fotonien absorboitumiseen vaadittavaa paksuus on vain luokkaa muutama mm. Galliumarsenidi (GaAs) Säännöllinen kiderakenne Þ selkeä energia-aukko (noin 1.4 ev). Suora energia-aukko Þ ohutkalvomateriaali. Pari prosenttiyksikköä parempi hyötysuhde kuin kiteisellä piillä. Kallis ja myrkyllinen (As) Þ käyttö rajoittunut erikoissovelluksiin. Käytetään myös moniliitoskennoissa, joissa eri aallonpituudet absorboituvat eri kerroksissa Þ päästään jopa 40%:n hyötysuhteeseen. 3 OHUTKALVOAURINKOKENNOT (2/4) Kadmiumtelluridi (CdTe) Epäsäännöllisempi kiderakenne kuin GaAs:llä, energia-aukko noin 1.5 ev. Teoriassa hieman korkeampi hyötysuhde kuin kiteisellä piillä, mutta kiderakenteen virheet lisäävät rekombinaatiota ja laskevat hyötysuhdetta. Suora energia-aukko Þ ohutkalvomateriaali. Nykyisin valmistettavat CdTe-kennot ovat CdTe/CdS-kennoja, joissa n-tyypin puolijohde on kadmiumsulfidia (CdS). CdS:n energia-aukko on noin 2.4 ev, joten se absorboi erittäin lyhytaaltoista auringonsäteilyä ( 520 nm).. CdTe:hen liittyy valmistusteknisiä ongelmia, mutta toisaalta sitä pidetään yhtenä ympäristöystävällisimmistä kadmiumin sijoituskohteista. 4 2

3 OHUTKALVOAURINKOKENNOT (3/4) Kupari-indiumdiselenidi (CIS) Valmistuksen kannalta anteeksiantava materiaali, sillä kiderakenteen virheet eivät laske merkittävästi hyötysuhdetta. Energia-aukko noin 1 ev. Suora energia-aukko Þ ohutkalvomateriaali. Suuri osa fotonien energiasta muuttuu lämmöksi Þ heikohko hyötysuhde. Parhaat CIS-kennot on saatu valmistettua siten, että n-tyypin materiaali on CdS, eli sama kuin CdTe-kennoissa. CIS:n ominaisuuksia saadaan parannettua galliumin avulla Þ CIGS. Samalla energia-aukko ja hyötysuhde nousevat piin lukemiin. CIGS on ehkäpä lupaavin toisen sukupolven aurinkokennomateriaali, sillä se on valmistuskustannuksiltaan kilpailijoitaan edullisempi. 5 OHUTKALVOAURINKOKENNOT (4/4) Amorfinen pii (a-si) Epäsuora energia-aukko, mutta silti ohutkalvomateriaali. Kyse on siitä, että amorfisella piillä ei ole säännöllistä kiderakennetta. Siksi energia-aukko vaihtelee merkittävästi (keskimäärin noin 1.75 ev). Materiaali absorboi vaihtelevan energia-aukon ansiosta tehokkaasti valoa, mutta voimakas rekombinaatio laskee hyötysuhdetta (noin 6%). Puhtaassa a-si:ssä on liian paljon sallittuja energiatiloja energia-aukon sisällä Þ rekombinaatio on liian voimakasta aurinkokennokäyttöön. Sallittujen energiatilojen määrää saadaan pienennettyä seostamalla a-si:tä vetyatomeilla. 5-10%:n pitoisuus vetyä on osoittautunut toimivaksi. Halpa materiaali, yleisesti käytössä kulutuselektroniikassa. 6 3

4 AURINKOKENNOTUTKIMUKSEN NYKYSUUNTAUKSET (1/2) Väriaineaurinkokennot ja orgaaniset aurinkokennot ovat esimerkkejä nanotekniikan hyödyntämisestä aurinkosähkön tuotannossa. Molempiin kennotyyppeihin panostetaan tällä hetkellä merkittävästi tutkimusvaroja. Väriaineaurinkokenno toimii eri periaatteella kuin tavalliset puolijohdekennot. Perinteisissä puolijohdekennoissa auringonsäteily synnyttää puolijohteeseen vapaita varauksenkuljettajia, ja tyhjennysalueen sähkökenttä erottelee varaukset ehkäisten rekombinaatiota. Väriaineaurinkokennon toiminnan kannalta on oleellista, ettei puolijohde absorboi auringonsäteilyä. Valo absorboituu puolijohdepartikkelien pintaan kiinnittyneissä väriainemolekyyleissä, ja absorption seurauksena väriainemolekyyleistä siirtyy elektroneja puolijohteeseen. Jos puolijohde absorboisi valoa, väriainemolekyyleistä puolijohteeseen siirtyneet elektronit rekombinoituisivat puolijohteen aukkojen kanssa. Sekä väriaineaurinkokennojen että orgaanisten aurinkokennojen tavoitteena on erittäin halpa tuotanto piin lukemia lähentelevällä hyötysuhteella. 7 AURINKOKENNOTUTKIMUKSEN NYKYSUUNTAUKSET (2/2) Moniliitosaurinkokennoilla tavoitellaan mahdollisimman korkeaa hyötysuhdetta. Kyseessä on useasta (useimmiten kolmesta) eri ohutkalvomateriaalista tehty rakenne, jossa suurimman energia-aukon puolijohdeliitos on päällimmäisenä. Yksikerroskennoissa heikko hyötysuhde on pääosin seuraus siitä, että suuri osa fotonien energiasta muuttuu lämmöksi tai jää kokonaan absorboitumatta. Kun kerrostetaan useita eri pn-liitoksia siten, että suurin energia-aukko on päällimmäisenä, suurienergisimmät fotonit absorboituvat ensin. Matalaenergisemmät fotonit jatkavat syvemmälle kennoon, jossa niitä toivottavasti on vastassa toinen, sopivammalla energia-aukolla varustettu, pn-liitos. Tällä tekniikalla on periaatteessa mahdollista valmistaa 50%:n hyötysuhdetta hipovia aurinkokennoja. Valmistus on vaikeaa ja kallista, ja hintaa pyritäänkin yleensä laskemaan käyttämällä erittäin pientä kennoa, johon konsentroidaan säteilyä linssien avulla. 8 4

5 AURINKOKENNOTYYPPIEN MARKKINAOSUUDET Oleellista on huomata, että aktiivisesta kennotutkimuksesta huolimatta kiteinen pii (c-si) hallitsee edelleen markkinoita. Kiteisen piin markkinaosuus on laskentatavasta riippuen luokkaa 80-95%. Oheisessa piirakassa kiteisen piin osuus on 92%. Jos elektroniikkateollisuus (taskulaskimet, kellot, ym.) otetaan mukaan, amorfisen piin osuus kasvaa, jolloin kiteisen piin osuus putoaa. 9 YKSIKITEISEN PIIAURINKOKENNON VALMISTAMINEN 1) Piin erottaminen hiekasta 2) Piin puhdistaminen elektroniikkateollisuudelle kelpaavaksi 3) Monikiteisestä piistä yksikiteiseksi piiksi 4) Yksikiteisestä piitangosta aurinkokennoksi 5) Kotelointi ja kytkentä säänkestäviksi paneeleiksi 10 5

6 1) PIIN EROTTAMINEN HIEKASTA Hiekkaa kuumennetaan valokaariuunissa hiilen kanssa: SiO 2 + 2C Si + 2CO. Saadaan piitä metalliteollisuuden tarpeisiin: "metallurgical grade". Menetelmä on halpa (n. 2 /kg) ja melko energiataloudellinen (n. 50 kwh/kg), mutta syntyvä pii on liian epäpuhdasta (98-99%) elektroniikkateollisuudelle. 2) PIIN PUHDISTAMINEN ELEKTRONIIKKATEOLLISUUDELLE KELPAAVAKSI Elektroniikkateollisuuden tarpeisiin pii puhdistetaan Siemens-prosessilla. Saadaan "semiconductor grade" -piitä, jonka puhtausaste on luokkaa % (0.1 ppm). Menetelmä on kallis (n. 50 /kg) ja kuluttaa paljon energiaa (n. 200 kwh/kg). 11 SIEMENS-PROSESSIN VAIHEET i) Epäpuhtauksia sisältävät piihiukkaset liuotetaan suolahappoon: Si + 3HCl SiHCl 3 + H 2. ii) Trikloorisilaani (SiHCl 3 ) puhdistetaan tislaamalla. iii) Puhdasta piitä saadaan kemiallisella höyrykasvatuksella (n o C): SiHCl 3 + H 2 Si + 3HCl. iv) Piisauvan ympärille kerrostuu monikiteistä, puhdasta piitä. 12 6

7 3) MONIKITEISESTÄ PIISTÄ YKSIKITEISEKSI PIIKSI Monikiteinen pii koostuu rakeista. Yhden rakeen sisällä on yhdenmukainen kiderakenne. Yksikiteisessä piissä on kaikkialla yhdenmukainen kiderakenne. Yksikiteisen piin voidaan siis ajatella koostuvan yhdestä rakeesta. Monikiteinen pii saadaan yksikiteiseksi Czochralski-menetelmällä (CZ). Yksikiteistämisen motivaatio on aurinkokennon hyötysuhteen lievä kasvu, sillä yhdenmukainen kiderakenne vähentää rekombinaatiota. CZ-menetelmä lisää aurinkokennon kustannuksia, sillä se kuluttaa energiaa noin 100 kwh/kg. 13 CZ-MENETELMÄ Sula monikiteinen pii on yleensä seostettu boorilla, joten siemenenä käytettävän piikiteen ympärille kerrostuu yksikiteistä p-tyypin piitä. CZ-menetelmällä syntyy poikkileikkaukseltaan pyöreä piitanko. 14 7

8 4) YKSIKITEISESTÄ PIITANGOSTA AURINKOKENNOKSI (1/2) Yksikiteinen p-tyypin piitanko sahataan luokkaa 200 mm paksuiksi kiekoiksi. Tämän jälkeen kiekon pintaan tehdään n-tyypin kerros fosforidiffuusiolla. Kiekon pintaan muodostuu fosforia sisältävä oksidikerros. Korkean lämpötilan ( o C) ansiosta fosfori diffundoituu oksidista piihin. Kiekon pinnalle muodostuu vahvasti seostettu n-tyyppinen kerros. 15 4) YKSIKITEISESTÄ PIITANGOSTA AURINKOKENNOKSI (2/2) Lopuksi sekä n- että p-puolelle lisätään metallikontaktit tyhjiöhaihdutuksella. Samaa tekniikkaa käytetään myös ARC-kerroksen (Anti-Reflection Coating) lisäämiseen kennon pinnalle. 16 8

9 TYHJIÖHAIHDUTUS Aluksi ARC lisätään kennon etupuolelle. Tämän jälkeen tehdään metallikontaktit. Kerrostettava metalli kuumennetaan höyryksi. Kuuma metallihöyry tiivistyy kylmän kennon pinnalle. Takakontakti höyrystetään koko kennon alalle. Etukontakti vaatii ruudukon, jotta valo pääsee kennolle. 17 5) KOTELOINTI JA KYTKENTÄ SÄÄNKESTÄVIKSI PANEELEIKSI Aurinkopaneeli koostuu yleensä sarjaankytketyistä aurinkokennoista. Yksittäisen piiaurinkokennon tyhjäkäyntijännite on luokkaa 0.5 V. Kennot kytketään paneelissa sarjaan, jotta paneelin jännite saadaan käyttökelpoiseksi. Useimmat kaupalliset piipaneelit koostuvat 36 kennon sarjaankytkennästä. Tällöin paneelin jännite on sopiva 12 V:n akun lataamiseen. 36:n piiaurinkokennon sarjaankytkennästä koostuvan paneelin tyypillisiä suoritusarvoja (STC) ovat: V oc» 21 V, I sc» 8 A, f» Þ P max» 125 W. 18 9

10 KOTELOINNILTA VAADITTAVIA OMINAISUUKSIA Mekaaninen suojaaminen: Tukirakenne todella hauraille kennoille ja kennojen välisille liitoksille. Suojaa sääilmiöiltä, linnuilta, putoavilta oksilta, jne... Sietoisuus hankaukselle (hiekkamyrskyt). Kemiallinen suojaaminen: Metallikontaktien ja kennojen välisten liitosten suojaaminen kosteuden aiheuttamalta korroosiolta. Muita tehtäviä: Sähköinen eristäminen, UV-sietoisuus, Sietoisuus lämpötilavaihteluille ( o C), Lämpöeristys, koska kennojen suorituskyky heikkenee lämpötilan kasvaessa. 19 KITEISTEN PIIAURINKOPANEELIEN TUNNISTAMINEN Monikiteisen piiaurinkopaneelin monikiteisyys on silminnähtävä, kun paneelia valaistaan. Lisäksi kennot ovat aidosti suorakaiteen muotoisia. Yksikiteisessä piiaurinkopaneelissa ei näy kiteisyyttä valaistaessa. Lisäksi CZ-menetelmä tuottaa pyöreitä kennoja, minkä vuoksi yksikiteisen kennon muoto ei ole paneelissakaan aito suorakaide

11 YHTEENVETO: HIEKASTA YKSIKITEISEKSI PIIAURINKOPANEELIKSI 21 11