SMG-4300: Yhteenveto kolmannesta luennosta PN-liitokseen perustuva aurinkokenno on kuin diodi, jossa auringonsäteily synnyttää estosuuntaisen virran. Aurinkokennon maksimiteho P max voidaan lausua tyhjäkäyntijännitteen V oc ja oikosulkuvirran I sc avulla käyttämällä täytekerrointa f : P max = fv oc I sc. Lämpötila ja säteilytehotihes vaikuttavat aurinkokennoon seuraavasti: Tyhjäkäyntijännite pienenee merkittävästi lämpötilan kasvaessa. Tyhkäkäyntijännite ei riipu merkittävästi säteilytehotiheydestä. Oikosulkuvirta ei riipu merkittävästi lämpötilasta. Oikosulkuvirta riippuu lineaarisesti säteilytehotiheydestä. Aurinkokennon hyötysuhde on kennosta saatavan sähkötehon ja kennolle tulevan säteilytehon osamäärä. 1
SMG-4300: Yhteenveto neljännestä luennosta Väriaineaurinkokenno on lupaava ratkaisu nanomateriaalien hyödyntämiseksi aurinkokennoissa. Aktiivisen elektrodin huokoinen nanopartikkeliverkosto mahdollistaa suuren väriainemäärän kiinnittymisen puolijohteen pinnalle. Aktiivinen elektrodi on upotettu elektrolyyttiin, jotta valon vaikutuksesta syntyneet väriainekationit voivat pelkistyä jättäen näin vapaita elektroneja puolijohteen johtavuusvyölle. Merkittävä haittareaktio on johtavuusvyön elektronien rekombinaatio elektrolyytin kanssa. Sekä kokeellinen että teoreettinen tutkimus on vilkasta. Mallintamisessa nojaudutaan tyypillisesti puolijohteen ja elektrolyytin energiatilamalleihin sekä varauksen säilymiseen perustuviin jatkuvuusyhtälöihin. Perusidea on, että valon ohjaamat kemialliset reaktiot kytkeytyvät elektrolyytin ja nanorakenteisen puolijohteen kautta kennon tuottamaa sähköenergiaa kuvaaviin sähkömagneettisiin suureisiin. 2
SMG-4300 Aurinkosähkö ja Tuulivoima Aurinkosähkön 5. luento Aurinkokennotyypit Mitä erilaisia aurinkokennotyyppejä on olemassa, ja miten ne poikkeavat ominaisuuksiltaan toisistaan? Yksikiteisen piiaurinkokennon valmistaminen: Mitä työvaiheita korkealaatuisen piiaurinkokennon valmistus sisältää? 3
AURINKOKENNOTYYPIT (1/5) Perinteiset piiaurinkokennot: Yksi- ja monikiteiset piikennot (energia-aukko E g noin 1.1 ev). Hyötysuhteiden maksimit 16% (yksikiteinen) ja 14% (monikiteinen). Maailmanlaajuinen markkinaosuus noin 90%. Vahvuuksina luotettavuus ja pitkälle kehitetty valmistustekniikka. Heikkoutena korkeahko hinta. Epäsuora energia-aukko ei sovellu ohutkalvomateriaaliksi. 4
AURINKOKENNOTYYPIT (2/5) Amorfinen pii (a-si): Ei säännöllistä kiderakennetta E g vaihtelee (keskimäärin 1.75 ev). Puhtaassa a-si:ssä on liian paljon sallittuja energiatiloja energia-aukon sisällä rekombinaatio liian voimakasta aurinkokennokäyttöön. Kun puhdas amorfinen pii sisältää 5-10% vetyatomeja, sallittujen energiatilojen määrä energia-aukon sisällä laskee. Valo absorboituu a-si:ssä lyhyellä etäisyydellä ohutkalvomateriaali. Paljon rekombinaatiota alhainen hyötysuhde (n. 6%) 5
AURINKOKENNOTYYPIT (3/5) Galliumarsenidi (GaAs): Säännöllinen kiderakenne selkeä energia-aukko (1.4 ev). Suora energia-aukko ohutkalvomateriaali. Pari prosenttiyksikköä parempi hyötysuhde kuin kiteisellä piillä. Kallis ja myrkyllinen (As) käyttö rajoittunut erikoissovelluksiin. Käytetään myös moniliitoskennoissa, joissa eri aallonpituudet absorboituvat eri kerroksissa päästään jopa 30%:n hyötysuhteeseen. 6
AURINKOKENNOTYYPIT (4/5) Kadmiumtelluridi (CdTe): Epäsäännöllisempi kiderakenne kuin GaAs:lla, energia-aukko 1.5 ev. Teoriassa hieman korkeampi hyötysuhde kuin kiteisellä piillä, mutta kiderakenteen virheet lisäävät rekombinaatiota ja laskevat hyötysuhdetta. Suora energia-aukko ohutkalvomateriaali. Nykyisin valmistettavat CdTe-kennot ovat CdTe/CdS-kennoja, joissa n- tyypin puolijohde on kadmiumsulfidia (CdS). CdS:n energia-aukko on 2.4 ev, eli se absorboi vain hyvin lyhytaaltoista säteilyä (λ 520 nm). Kadmium on erilaisissa louhintaprosesseissa vapautuva ympäristömyrkky. On esitetty, että CdTe-kennot ovat yksi ympäristöystävällisimmistä kadmiumin sijoituskohteista. 7
AURINKOKENNOTYYPIT (5/5) Kupari-indiumdiselenidi (CIS): Valmistuksen kannalta anteeksiantava materiaali, sillä kiderakenteen virheet eivät laske merkittävästi hyötysuhdetta. Suora energia-aukko ohutkalvomateriaali. Energia-aukko noin 1 ev. Suuri osa fotonien energiasta muuttuu lämmöksi huono hyötysuhde. Parhaat CIS-kennot on saatu valmistettua siten, että n-tyypin puolijohde tehdään CdS:sta, samaan tapaan kuin CdTe:lla. CIS:n ominaisuuksia saadaan parannettua galliumin avulla CIGS. E g nousee 1.2 ev:iin, ja samalla hyötysuhde nousee piin lukemiin. CIGS on yksi lupaavimmista aurinkokennomateriaaleista. Suurin syy tähän on valmistustekniikan alhaiset kustannukset em. kennoihin verrattuna. Väriaineaurinkokennot: Nanotekniikkaa hyödyntävä aurinkokenno. Ei vielä kaupallinen tuote, mutta vilkkaan tutkimuksen kohde. Tavoitteena erittäin halvat valmistuskustannukset. 8
AURINKOKENNOTYYPPIEN MARKKINAOSUUDET 9
YKSIKITEISEN PIIAURINKOKENNON VALMISTAMINEN 1) Piin erottaminen hiekasta. 2) Puhdistaminen elektroniikkateollisuudelle kelpaavaksi. 3) Monikiteisestä piistä yksikiteiseksi piiksi. 4) Yksikiteisestä piitangosta aurinkokennoksi. 5) Kotelointi ja kytkentä säänkestäviksi paneeleiksi. 10
1. PIIN EROTTAMINEN HIEKASTA Hiekkaa kuumennetaan valokaariuunissa hiilen kanssa: SiO2 + 2C Si + 2CO. Saadaan piitä metalliteollisuuden tarpeisiin: "metallurgical grade". Menetelmä on halpa (n. 2 /kg) ja energiataloudellinen (n. 50 kwh/kg), mutta syntyvä pii on liian epäpuhdasta (98-99%) elektroniikkateollisuuden tarpeisiin. 2. PUHDISTAMINEN ELEKTRONIIKKATEOLLISUUDELLE KELPAAVAKSI Elektroniikkateollisuuden tarpeisiin pii puhdistetaan Siemens-prosessilla. Saadaan "semiconductor grade" -piitä, jonka puhtausaste on luokkaa 99.99999% (0.1 ppm). Menetelmä on kallis (n. 50 /kg) ja kuluttaa paljon energiaa (n. 200 kwh/kg). 11
SIEMENS-PROSESSIN VAIHEET Piihiukkaset liuotetaan suolahappoon: Si + 3HCl SiHCl 3 + H 2. Trikloorisilaani SiHCl 3 tislataan useita kertoja. Puhdasta piitä saada kemiallisella höyrykasvatuksella (n. 1000 o C): SiHCl 3 + H 2 Si + 3HCl. Piisauvan ympärille koostuu monikiteistä, puhdasta piitä. 12
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-menetelmä). Yksikiteistämisen motivaatio on aurinkokennon hyötysuhteen lievä kasvu, sillä yhdenmukainen kiderakenne vähentää rekombinaatiota. CZ-menetelmä 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
4. YKSIKITEISESTÄ PIITANGOSTA AURINKOKENNOKSI (1/2) Yksikiteinen piitanko sahataan noin 100 µm:n paksuisiksi kiekoiksi. Paksuus määräytyy pääosin fotonien absorboitumismatkasta piissä. Tämän jälkeen p-tyyppisen piikiekon pinta tehdään n-tyyppiseksi fosforidiffuusiolla. Kiekkojen pintaan muodostuu fosforia sisältävä oksidikerros. Korkean lämpötilan (800-900 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
TYHJIÖHAIHDUTUS Aluksi ARC lisätään kennon etupuolelle. Tämän jälkeen tehdään metallikontaktit. Kerrostettava metalli kuumennetaan höyryksi. Kuuma metallihöyry tiivistyy kylmän kennon pinnalle. Takakontakti (p-puoli) 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 noin 0.5 V, ja kennosta saatava teho on noin 1.2 W. Kennot kytketään sarjaan, jotta paneelista saatava jännite saadaan käyttökelpoiseksi. Useimmat kaupalliset piipaneelit koostuvan 36 kennon sarjaankytkennästä. Tällöin paneelista käytännössä saatava jännite on sopiva 12 V:n akun lataamiseen. 18
KOTELOINNILTA VAADITTAVIA OMINAISUUKSIA Mekaaninen suojaaminen: Tukirakenne 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. Sähköinen eristäminen UV-sietoisuus Sietoisuus lämpötilavaihteluille ( 50 +50 o C). Lämpöeristys, koska kennojen suorituskyky heikkenee lämpötilan noustessa. 19
KITEISTEN PIIAURINKOPANEELIEN TUNNISTAMINEN Monikiteisen piiaurinkokennon monikiteisyys on nähtävissä silmällä, kun kennoa valaistaan. Lisäksi kennot ovat aidosti suorakaiteen muotoisia. Yksikiteisen piiaurinkokennon tunnistaminen perustuu CZ-menetelmän tuottamiin poikkileikkaukseltaan pyöreisiin tankoihin. Siksi yksikiteisten piikennojen muoto ei ole aito suorakaide. 20
YHTEENVETO: HIEKASTA YKSIKITEISEKSI PIIAURINKOPANEELIKSI 21