Historia abreviada de las celdas solares fotovoltaicas
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Historia abreviada de las celdas solares fotovoltaicas
“FABRICACION, Y MODIFICACION DE MATERIALES SEMICONDUCTORES NANOESTRUCTURADOS PARA APLICACIONES EN CELDAS SOLARES ” Enrique A. Dalchiele Instituto de Física, Facultad de Ingeniería, Montevideo, URUGUAY Historia abreviada de las celdas solares fotovoltaicas 1941 Russell Ohl (Bell Labs) discover the silicon p-n junction and the effect of light on the junction 1954 Bell Labs researchers Pearson, Chapin, e Fuller demonstrated the photovoltaic cell with 4.5% efficiency 1 Energy conversion strategies Fuel Light Electricity Fuels CO Electricity O2 2 H 2 e e Sugar sc H2O M sc M H 2O O2 Photosynthesis Efficiency: Cost: ~3% Cheap Semiconductor/Liquid Junctions 10-17% Middle Photovoltaics 25% Expensive Solar cell – working principle. p-n junction 2 Timeline of energy conversion efficiency PV power costs ($/Wp) as a function of module efficiency and areal cost (Martin Green, 2004) ShockleyQueisser limit For PV to be cost competitive with whole sale electricity, power cost needs to be ca. 5 cents/kWh ($ 1.00/W p) 3 Estrategias para la reducción de costos Cuarzo GM(ca.99%) GS(99.9999%). 40-50% costo de un módulo PV. Usar material PV más barato (Si no tan puro, u otros materiales). Más trabajo por fotón. Usar menos material PV. Requerimientos materiales para celdas solares Abundant material. LowLow-cost material. LowLow-cost synthesis. NonNon-toxic material. Stable material. High mobility. High carrier lifetime. Suitable band gap. Control of conduction type. Control of resistivity. resistivity. 4 Energy Payback Time (EPBT) EPBT is length of time PV system takes to generate amount of energy put into system. Three factors determine the EPBT: -Amount of illumination received by PV cells -Conversion efficiency of PV cell -Manufacturing technology used to make PV cell Energy Payback Time (EPBT) SingleSingle- NonNon-ribbon crystal multicrystalline silicon silicon EPBT 2.7 (Years) 2.2 Cheap Substrate (Cadmium Telluride) DSSC Multicrystalline silicon 1.7 1.0 < 1.0 Ribbon 5 Comparación de los principios físicos entre celdas solares con juntura pp-n plana y radial tipo nanovarillas. nanovarillas. Semiconductor Ln/p c-Si a-Si:H 2002002000 µm 300 nm α-Fe2O3 2-20 nm Comparación de los principios físicos entre celdas solares con juntura pp-n plana y radial tipo nanovarillas. nanovarillas. Brendan M. Kayes, Harry A. Atwater, Nathan S. Lewis, J. Appl. Phys., 97, 114302, 2005. Zhiyong Fan et al., Nano Res. 2, 829, 2009. 6 Nanohilos de Silicio Nanohilos de Silicio 7 Propiedades ópticas de arreglos de nanohilos de Silicio. Propiedades fotovoltaicas de arreglos de nanohilos de Silicio. 2 Current density (mA/cm ) 1.0 0.8 0.6 (a) n-SiNWs array VOC= 0.323 V JSC= 0.89 mA/cm FF = 0.41 η= 0.30±0.06 % 2 0.4 (b) bare n-Si VOC= 0.390 V 0.2 JSC= 0.75 mA/cm FF = 0.21 η= 0.15±0.06 % 0.0 -0.2 -0.1 0.0 0.1 2 0.2 E (V vs. SCE) 8 Otros materiales semiconductores… MATERIAL PROPIEDADES OPTOELECTRONICAS TiO2 tipotipo-n, Eg=3.37 eV (I), Lp=100=100-1000 nm. ZnO tipotipo-n, Eg=3.37 eV (D). α-Fe2O3 tipotipo-n, Eg=1.9=1.9-2.2 eV (I), Lp=2=2-4 nm. Cu2O tipotipo-p, Eg=2.0 eV (D). (Abundancia, estabilidad química y no tóxicos). ZnO vs. TiO2 9 ZnO vs. TiO2 Nanovarillas de ZnO crecidas en nuestro laboratorio. Ing. Quím. Fernando Elhordoy 10 Variación con [ZnAc] para tcorrida=1h y Eaplicado=-1.0V constantes. ZNR3 ZNR11 1mM ZNR22 5mM 0.5mM ZNR15 0.1mM Variación con [ZnAc] para tcorrida=1h y Eaplicado=-1.0V constantes. Znr3-Mean:220.1nm-S.D.:30.3nm 20 ZNR22-Mean:801.0nm-S.D.:71.4nm 16 14 12 15 Number Number 10 10 5 8 6 4 2 0 0 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 550 600 650 Diameter (nm) 750 800 850 900 950 1000 Diameter (nm) ZNR11-Mean:139.6nm-S.D.:27.8nm 30 700 ZNR15-Mean:99.2nm-S.D.:16.3nm 16 14 25 12 10 Number Number 20 15 8 6 10 4 5 2 0 0 60 80 100 120 140 160 Diameter (nm) 180 200 220 40 60 80 100 120 140 160 Diameter (nm) 11 ZnO nanowires w no na ire ax is re di io ct n 2] 00 0.26 nm [0 5 nm Extension of the photoresponse of ZnO into the visible range (Eg ZnO=3.37 eV). 12 Three possible ways to extend the photoresponse of a large bandgap semiconductor Nanohilos núcleo/corteza ZnO/CdS NANOHILOS ZnO ZnO CdS NANOHILOS ZnO/CdS Bach. Gariné Guerguerian 13 Nanohilos núcleo/corteza ZnO/CdS TEM sobre nanohilos ZnO/CdS EDS sobre nanohilo ZnO/CdS OK SK CdL ZnK O 50 Y Axis Title 40 30 20 S 22 10 20 180 16 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Distance Y Axis Title 14 12 10 8 6 4 2 Cd 0 22 -2 20 0,0 18 0,2 0,4 0,6 0,8 Distance 16 Y Axis Title 14 12 10 8 6 4 2 0 2 00 Zn -2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Distance Y Axis Title 1 50 1 00 50 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 D ist an c e Respuesta fotovoltaica nanohilos ZnO/CdS. 0.5 2 j (mA/cm ) 0.4 ZnO/CdS 0.3 0.2 luz osc. 0.1 0.0 osc. -0.1 -0.2 luz ZnO -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 E (V vs. SCE) 14 Respuesta fotovoltaica nanohilos ZnO/CdS. (Esquema de Y.Tak et al., J. Mater. Chem. 19, 5945, 2009) Nanotubos de TiO2. 100 nm 200 nm Lic. Mariana Pereyra, Dr. Eduardo Méndez, Fac. Ciencias, UDELAR. Dr. L. Martínez, Dr. D. Leinen, Dr. F. Martín, Dr. J.R. Ramos-Barrado, Universidad Málaga, España. 15 Otros materiales que estamos estudiando… α-Fe2O3 PEDOT/ZnO ZnO/Cu2O AGRADECIMIENTOS Arq. Alicia Mimbacas, Mesa Solar. Universidad de la República, Uruguay. PEDECIBA-Física. 16 Staff y Colaboraciones… Uruguay Dr. Enrique A. Dalchiele Dr. Ricardo E. Marotti. Marotti. Dr. Daniel Ariosa Dra. Dra. Cecilia Stari Lic. Lic. Agustín Badán Ing. Ing. Q. Fernando Elhordoy Bach. Gariné Guerguerian Chile Prof. Humberto Gómez, Gómez, Prof. Ricardo Schrebler, Schrebler, Dr. Rodrigo Henríquez, Henríquez, Dr. Gonzalo Riveros, Riveros, Dra. Dra. Andrea Cortes,… España Prof. J.R. RamosRamos-Barrado, Barrado, Dra. Dra. Lourdes Martínez, Martínez, Dra. Dra. Rocío Romero, Dr. Dietmar Leinen, Leinen, Dr. Francisco Martín. Martín. MUCHAS GRACIAS! 17 18