Ekologiczne źródła energii - Przemysłowy Instytut Elektroniki

II Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna „EKOLOGIA W ELEKTRONICE”
Przemysłowy Instytut Elektroniki
Warszawa, 5-6.12.2002
EKOLOGICZNE ŹRÓDŁA ENERGII
Włodzimierz MOCNY
Przemysłowy Instytut Elektroniki
00-241 Warszawa, ul. Długa 44/50, 831-52-21 w. 270, [email protected]
W artykule zostały omówione zagadnienia związane z przetwarzaniem energii
słonecznej w energią elektryczną. Omówiony został również system pomiarowy
przeznaczony do określania jakości materiałów używanych przy produkcji ogniw
słonecznych. Badana próbka jest oświetlana światłem monochromatycznym. Dla
różnych długości fali promieniowania padającego mierzony jest prąd zwarcia
fotoogniwa. Na tej podstawie wyliczana jest droga dyfuzji. Metoda pozwala ocenić
gęstość defektów i poziom zanieczyszczeń w badanej próbce.
1. POZYSKIWANIE ENERGII SŁONECZNEJ
Rozwój społeczny i gospodarczy każdego państwa wiąże się ze zwiększonym
zapotrzebowaniem na energię elektryczną. Z tego powodu światowa produkcja
surowców energetycznych systematycznie wzrasta. W krajach wysoko rozwiniętych
udało się utrzymać zużycie energii na tym samym poziomie. Było to możliwe dzięki
oszczędzaniu energii i polepszaniu współczynnika sprawności przy jej wytwarzaniu.
Według przewidywań do pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną wybieranych
będzie wiele dróg:
• umocni się korzystanie z kopalnych źródeł energii,
• w coraz szerszym zakresie korzystać się będzie z alternatywnych źródeł energii.
Klasyczne źródła ropy naftowej wystarczą na 100 lat. Złoża ropy w piaskach i łupkach
wystarczą na kolejne 100 lat. Złoża węgla kamiennego mogą być eksploatowane przez
1000 lat. Do tej pory do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystywano głównie
energię powstającą podczas spalanie węgla. Dziś wiemy, że istnieją inne źródła energii,
z których możemy korzystać.
82
Perspektywy wyczerpania się zapasów paliw kopalnych oraz obawy o stan
środowiska naturalnego człowieka znacznie zwiększyły zainteresowanie odnawialnymi
źródłami energii.
Światowe zużycie energii
Światowe złoża gazu
Światowe złoża ropy
Światowe złoża uranu
Światowe złoża węgla
Energia słoneczna
Zużyta
w fotosyntezie
Rys. 1. Światowe zasoby energetyczne
W konsekwencji nastąpił poważny wzrostu ich zastosowań w wielu krajach. Od roku
1990 ilość energii (ciepła i energii elektrycznej) wytwarzanej z energii promieniowania
słonecznego wzrosła ponad dwukrotnie, a z energii wiatru czterokrotnie. Po podpisaniu
Protokołu z Kioto w grudniu 1997 roku odnawialne źródła energii weszły w nowy i
ważny etap rozwoju.
Technologie odnawialnych źródeł energii rozwinęły się już do takiego stopnia, że
mogą konkurować z konwencjonalnymi systemami energetycznymi. Odnawialne źródła
energii są źródłami lokalnymi. Mogą one:
- zwiększyć poziom bezpieczeństwa energetycznego zmniejszając eksport
paliw kopalnych,
- stworzyć nowe miejsca pracy, szczególnie w małych i średnich
przedsiębiorstwach,
- promować rozwój regionalny.
Modułowy charakter większości technologii odnawialnych źródeł energii pozwala na
ich stopniową rozbudowę w miarę potrzeb, co ułatwia ich finansowanie. Pamiętać
należy również o olbrzymich korzyściach dla środowiska naturalnego człowieka
płynących ze stosowania tych technologii.
Układy regulacji
Moduł
Falownik
Bateria
akumulatorów
Ogniwo
Zespół modułów
Licznik
Gniazdo
zasilające
Sieć energetyczna
Rys. 2. Przykładowe rozwiązanie systemu fotowoltaicznego
System fotowoltaiczny składa się z modułów fotowoltaicznych, oraz elementów
dostosowujących wytwarzany w fotoogniwach prąd stały do potrzeb zasilanych
urządzeń. Jeżeli system jest przewidziany do dostarczania energii elektrycznej w nocy,
83
konieczne jest stosowanie odpowiedniego układu magazynowania energii (akumulatory)
wyprodukowanej w ciągu dnia. Jeżeli system zasila urządzenie stałoprądowe potrzebny
jest kontroler napięcia. Do zasilania z systemu fotowoltaicznego urządzeń
zmiennoprądowych konieczne jest użycie falownika.
Najpowszechniejszym materiałem używanym do produkcji ogniw słonecznych jest
krzem. Największe sprawności przetwarzania promieniowania słonecznego (do 30 %)
uzyskuje się z ogniw wytworzonych z arsenku galu (GaAs), ale jednocześnie ogniwa te
są najdroższe. Typowe fotoogniwo to płytka półprzewodnikowa z krzemu krystalicznego
lub polikrystalicznego. W materiale płytki uformowana jest bariera potencjału w postaci
złącza p-n. Grubość płytek zawiera się w granicach 200 - 400 mikrometrów. Na przednią
i tylną stronę płytki naniesione są metaliczne połączenia. Stanowią kontakty
przewodzące prąd wytworzony w fotoogniwie.
a)
b)
Rys. 3. Płytka fotoogniwa a) krzem monokrystaliczny b) krzem polikrystaliczny
Ogniwa z krzemu monokrystalicznego wykonywane są z płytek o kształcie
okrągłym, a następnie przycinane na kwadraty dla zwiększenia upakowania na
powierzchni modułu. Monokrystaliczne fotoogniwa wykazują najwyższe sprawności
przetwarzania energii ze wszystkich ogniw krzemowych. Są jednak najdroższe w
produkcji. W badaniach laboratoryjnych pojedyncze ogniwa osiągają sprawności rzędu
24%. Ogniwa produkowane na skalę masową mają sprawności około 17%.
Polikrystaliczne fotoogniwa krzemowe wykonane są z dużych prostopadłościennych
bloków krzemu o dużych ziarnach. Bloki te są cięte na prostokątne płytki, w których
również formowana jest bariera potencjału. Polikrystaliczne fotoogniwa są mniej
wydajne niż monokrystaliczne, jednak ich koszt produkcji jest niższy. Podstawowymi
zaletami technologii wykorzystującej krzem są: możliwość wykorzystania doświadczeń
przemysłu półprzewodnikowego, relatywnie wysokie sprawności przetwarzania
promieniowania słonecznego, prostota i bardzo dobra stabilność pracy. Ich wady to duże
zużycie dużo drogiego materiału w produkcji. Mają też ograniczoną wielkość i muszą
być łączone w moduły. Przewiduje się, że następna generacja fotoogniw będzie się
opierać na technologiach cienkowarstwowych. Dzięki stosowaniu jedynie bardzo
cienkich warstw (grubości pojedynczych mikrometrów) drogiego materiału
półprzewodnikowego na tanich podłożach o dużej powierzchni można będzie znacznie
zredukować całkowity koszt fotoogniwa. Ogniwa cienkowarstwowe są wprawdzie mniej
sprawne od najlepszych ogniw z krzemu krystalicznego, ale oczekuje się, że w
przyszłości, przy produkcji na skalę masową, będą one znacznie tańsze. Obecnie
najbardziej zaawansowane ogniwa cienkowarstwowe wykonywane są z krzemu
amorficznego (a-Si) i jego stopów (a-SiGe, a-SiC). Technologia pojedynczych,
podwójnych i potrójnych ogniw jest dobrze rozwinięta. Ogniwa potrójne osiągnęły w
84
skali laboratoryjnej sprawność 13%. Ogniwa z krzemu amorficznego są powszechnie
używane w produktach wymagających małej mocy zasilania (kalkulatory kieszonkowe,
zegarki, itp.). Zaletami ogniw wytworzonych z krzemu amorficznego są: mały koszt
materiału, niewielkie zużycie energii przy produkcji, możliwość osadzania na giętkich
podłożach, zintegrowane połączenia i możliwość uzyskania dużych powierzchni ogniw.
Fotoogniwo jest podstawowym elementem systemu fotowoltaicznego. Pojedyncze
ogniwo produkuje zazwyczaj pomiędzy 1 a 2 W mocy elektrycznej co jest
niewystarczające dla większości zastosowań. Dla uzyskania większych napięć lub
prądów ogniwa łączone są szeregowo lub równolegle tworząc moduł fotowoltaiczny.
Moc takich modułów (dostępne na rynku maja powierzchnię od 0,3 do 1 m2) wyrażana
jest w watach mocy szczytowej zdefiniowanych jako moc dostarczana przez nie w
warunkach standardowych (STC), tj. przy promieniowaniu słonecznym AM1.5 o mocy
1000 W/m2 i temperaturze otoczenia 25°C i zwykle kształtuje się pomiędzy 30 a 120
Wp. Moduły są hermetyzowane, aby uchronić je przed korozją, wilgocią,
zanieczyszczeniami i wpływami atmosfery. Obudowy ogniw muszą być trwałe,
ponieważ od modułów fotowoltaicznych oczekuje się czasów życia przynajmniej 20 - 30
lat. Na rynku znajduje się szeroki wachlarz modułów o różnej wielkości pokrywający
zapotrzebowanie na szybko rosnącą ilość zastosowań fotowoltaicznych. Wytwarza się
specjalne moduły, które są zintegrowane z dachami lub fasadami budynków.
Produkowane są również moduły szczególnie odporne na korozję wywołaną słoną wodą
morską. Znajdują one zastosowanie na łodziach żaglowych, znakach nawigacyjnych i
latarniach morskich. Czas zwrotu kosztów energii waha się od 2 do 6 lat w zależności od
regionu i klimatu. Cienkowarstwowe moduły fotowoltaiczne są tańsze, przy produkcji
masowej, niż moduły z krzemu krystalicznego, ale mają niższe wydajności. Większość
dostępnych obecnie na rynku modułów z krzemu amorficznego ma sprawności
pomiędzy 4 % a 8 %. Zwrot kosztów energii szacowany jest na 1 do 3 lat.
Rys. 4. Przykłady modułów fotowoltaicznych
Nie istnieją praktycznie żadne ograniczenia w zastosowaniu modułów
fotowoltaicznych. Mogą być instalowane w dowolnej ilości i konfiguracji. Instalacja
może dostarczać zarówno prąd stały jak i przemienny. Może być podłączona do sieci
energetycznej (sprzedając wyprodukowaną energię) lub też być zupełnie autonomiczną.
Moduły fotowoltaiczne mogą mieć następujące zastosowania:
• w domach mieszkalnych i domkach letniskowych - zasilanie całości lub części
obiektu,
• do zasilanie pomp obiegowych do kolektorów słonecznych,
• przy zasilaniu nadajników radiowych, telewizyjnych, telekomunikacyjnych, BTSów, itp.,
85
• w instalacjach oświetleniowych, w tym w oświetleniu pasów startowych na
lotniskach,
• w instalacjach alarmowych i TV przemysłowej - jako pewne i niezależne źródło
zasilania,
• w reklamach świetlnych i oświetleniu tablic reklamowych - jest to często tańsze
niż podłączenie do sieci,
• do zasilania urządzeń na łodziach i statkach oraz w samochodach kempingowych,
• jako niezależne źródło energii dla pomp, przepompowni i linii produkcyjnych,
• jako jedyne źródło energii dla stacji meteorologicznych i innej aparatury
badawczo - pomiarowej, w miejscach trudnodostępnych, gdzie nie ma sieci
energetycznej,
• do produkcji prądu w elektrowniach słonecznych,
2. KONTROLA MATERIAŁÓW DO PRODUKCJI
FOTOOGNIW
Aby zapewnić możliwie wysoką sprawność produkowanych fotoogniw niezmiernie
ważne jest posiadanie możliwości oceny materiałów używanych do ich produkcji. W
ostatnich latach zaczęto stosować do badań defektów w krzemie oprócz metody EBIC
(Elektron Beam Induced Current) metodę indukcji fotoprądów wiązką światła. Nosi ona
nazwę LBIC (Light Beam Induced Current). Pomiar prądu indukowanego wiązką
światła pozwala wyznaczyć długość drogi dyfuzji nośników mniejszościowych L oraz
gęstość rekombinacji defektowej krzemu γ. Wartości L i γ silnie zależą od gęstości
defektów lub poziomu zanieczyszczeń. Nie jest możliwe bezpośrednie wyznaczanie tych
wartości z danych pomiarowych. Zwykle do analizy LBIC używa się danych
pomiarowych określonych zależnością (1):
C = ( I o − I def ) / I o
(1)
gdzie:
Io – prąd podłoża,
Idef – prąd mierzony w obszarze defektu.
Według modelu matematycznego przedstawionego w pracy [2] współczynnik C dla
„idealnego” defektu można określić wg zależności (2):
C = f (γ ) ⋅ g ( w, L)
(2)
gdzie:
w - szerokość warstwy zubożonej,
L – droga dyfuzji nośników mniejszościowych.
Znajomość rozkładu przestrzennego L(x, y) w obszarze defektu pozwala na
prawidłową ocenę gęstości rekombinacji defektowej. Mapa L(x, y) zawiera informację o
aktywności rekombinacji i jej rozkładzie przestrzennym na płytce.
2.1.
Zasady pracy systemu
Cechą charakterystyczną próbek, które są badane przy pomocy omawianego
stanowiska jest duża wartość rezystancji szeregowej. Uniemożliwia to praktycznie
zapełnienie głębokich poziomów za pomocą skokowej zmiany polaryzacji złącza.
86
Najlepszą metodą zapełnienia centrów defektowych jest w tej sytuacji użycie
impulsowego przebiegu świetlnego i rejestracja zmian koncentracji nośników ładunków
w próbce. Schemat blokowy systemu został przedstawiony na rysunku 5. W jego skład
wchodzą następujące podsystemy przeznaczone do realizacji poszczególnych zadań:
komputer sterujący, podsystem optyczny, podsystem pomiarowy, podsystem
pozycjonowania.
Źródło światła białego
Sterownik
choppera
Chopper
RS 232 (1)
RS 232 (2)
DataScan2
Zasilacz źródła
światła
Monochromator
Moduł sterowania
silnikami krokowymi
optyka
zwierciadlana
Z
Mikromanipulator
ostrzowy
X
WY
Wzmacniacz
Lock-in
Y
WE
Sygnał referencyjny
Sterowanie choppera TTL
Sterowanie silnikiem monochromatora
Rys. 5. Schemat blokowy sytemu
System umożliwia wyznaczenie drogi dyfuzji Ln w ogniwie słonecznym, poprzez
pomiar fotoprądu wywołanego zmodulowanym światłem z zakresu 400 nm do 1100nm.
Płytka ogniwa, w wybranym miejscu xi, yi, jest oświetlona światłem
monochromatycznym zmodulowanym. Modulację światła monochromatycznego
zapewnia chopper mechaniczny. Przebieg sterujący chopperem jest również sygnałem
referencyjnym wzmacniacza Lock-in. Prąd zwarciowy jest przetwarzany na napięcie
przez przetwornik elektrometryczny I/U. Napięcie proporcjonalne do prądu
zwarciowego jest wzmacniane we wzmacniaczu Lock-in. Wyniki pomiaru są
przetwarzane na wartość cyfrową przez moduł DataScan2. System jest wyposażony w
stolik x, y (z silnikami krokowymi) umożliwiający skaning po powierzchni
standardowych ogniw o wymiarach 50 mm x 50 mm. Blat stolika umożliwia również
pomiar ogniw większych o rozmiarach do 100 mm x 100 mm. Minimalny skok stolika
1mm z rozdzielczością 0.1 mm, maksymalny krok do 10 mm, długość skoku jest
programowana.
2.2.
Oprogramowanie systemu
Możliwe są dwa typy pomiarów:
a. pomiar punktowy prądu zwarcia lub odpowiedzi widmowej SR(λ),
b. pomiar rozkładu prądu zwarcia lub drogi dyfuzji Ln(x, y).
87
Pomiar punktowy prądu zwarcia lub współczynnika SR(λ
λ)
Zakres zmian długości światła monochromatycznego: 400nm do 1100nm. Przy
wyznaczaniu współczynnika SR(λ) pomiary badanego ogniwa są odnoszone do
wyników ogniwa wzorcowego. Przykładowe charakterystyki prądu zwarcia ogniwa
słonecznego wykonanego z krzemu monokrystalicznego pokazane są na rysunku 6.
9
I [µ
µA]
8
7
6
5
4
3
2
1
0
λ [nm]
300
400
500
600
700
800
900
1000
Rys. 6. Prąd zwarcia ogniwa dla różnych skoków λ
Pomiar rozkładu prądu zwarcia lub drogi dyfuzji w funkcji współrzędnych x, y
Zakres zmian długości światła monochromatycznego: 400 nm do 1100 nm. Do
obliczenia Ln(x, y) konieczne jest wprowadzenie przez użytkownika współczynnika
odbicia, dla każdej użytej długości fali światła, który jest niezbędny do wykonania
obliczeń. Przy pomiarze prądu zwarcia mierzony jest prąd fotoogniwa. W obu
wypadkach wyniki przetwarzania są przedstawione w postaci kolorowej mapy płaskiej.
Przykładowe rozkłady prądu zwarcia pokazane są na rysunkach 7 i 8.
Rys. 7. Rozkład prądu pomiar I
Rys. 8. Rozkład prądu pomiar II
Oprogramowanie systemu pracuje pod kontrolą systemu operacyjnego
Windows98. Komunikacja urządzeń zewnętrznych jest realizowana za pośrednictwem
88
interfejsu RS232. Wymagane są dwa takie interfejsy. Jeden dla podsystemu
pozycjonowania a drugi dla podsystemu pomiarowego.
3. WNIOSKI
System został opracowany w Przemysłowym Instytucie Elektroniki. Został on
uruchomiony we wrześniu 2001 w Laboratorium fotowoltaicznym PAN w Kozach i jest
wykorzystywany do realizacji tematu "Rozwój fotowoltaiki celem uzyskiwania energii
elektrycznej w warunkach krajowych”.
Dużą zaletą użytej metody jest bardzo dobra rozdzielczość przestrzenna, która
umożliwia tworzenie dwuwymiarowych map elektrofizycznych właściwości płytek
krzemowych służących do produkcji fotoogniw.
LITERARURA
1. Stemmer M., Martinuzzi S.: Mapping of local minority carrier diffusion length applied to
multicrystaline silicon cells. 11th EC Photovoltaic solar energy conference.
2. Emery K., Dunlavy D., Field H., Moriarty T.: Photovoltaic spectral responsivity
measurements. Natinal Renevable Energy Laboratory.
3. Jaint S. C., Tsao J., Kerwin W. J.: The spectral response and efficiency of heavily doped
emitters in silicon photovoltaic devices. Solid State Electronics Vol. 30 No. 9 pp 929-937,
1987.
4. Mills T. B.: The phase locked loop IC as a communication system building block. National
Semicondactor Application Note 46.
ECOLOGICAL SOURCES OF ENERGY
In article became talked over problems connected with transformation of solar energy
in electric energy. Talked over became also measuring - system intended to qualifying
qualities of used materials at production of solar cell. Examined sample is lighted up
monochrome - light. For different lengths of wave of radiation system measured current
of short-circuit solar cell. On this to base enumerated way of diffusion. Method permits
rate of thickness of defects and level of impurity in investigated examined sample.
89