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
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