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Presentation Transcript

  1. Solar 101 2011-10-31 Joseph Sullivan MIT

  2. Outline • Solar Resource • Overview of Solar Cell Operation • Device Design • Future Technologies

  3. Solar Energy Basics Input: Solar Radiation Output: Electricity Electricity Output Power = S × η Solar Radiation Input Power [S] Daily: Instantaneous: Solar Insolation Solar Input Power Module Efficiency Image: solarenergyfact.org

  4. Solar Resource US

  5. World Resource Map

  6. Properties of Sunlight λ λ Photons are quantized particles of light, and carry a certain energy: Ephoton = hc/λ Images: http://deepimpact.umd.edu/science/spectroscopy.html and wikipedia.org

  7. Solar Spectrum

  8. Semiconductor Light Absorption III IV V Si

  9. Semiconductor Light Absorption Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si

  10. Ephoton < EG Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si

  11. Ephoton > EG Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si

  12. Photo-generated mobile electron Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si

  13. GaAs (Eg = 1.4) and Solar Spectrum Not Absorbed Absorbed

  14. Doping a Semiconductor III IV V P B

  15. Doping a Semiconductor Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P

  16. P introduces a mobile negative charge and a static positive charge Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P+

  17. B introduces a mobile positve charge and a static negative charge Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si B

  18. B introduces a mobile positve charge and a static negative charge B- Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si

  19. Let’s Make a PN Junction Solar Cell!

  20. Doping a Semiconductor Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si

  21. Formation of PN Junction Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P+ P+ P+ P+ P+ P+ Si

  22. Formation of PN Junction B- B- B- B- Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P+ P+ P+ P+ P+ P+ Si Si Si Si Si

  23. Formation of PN Junction B- B- B- B- Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P+ P+ P+ P+ P+ P+ Si High density of mobile negative charges High density of mobile positive charges

  24. Formation of PN Junction B- B- B- B- Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P+ P+ P+ P+ P+ P+ Si Si Si Si Si

  25. Formation of PN Junction B- B- B- B- Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P+ P+ P+ P+ P+ P+ Si - +

  26. Formation of PN Junction B- B- B- B- Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P+ P+ P+ P+ P+ P+ Si ξ

  27. Formation of PN Junction B- B- B- B- Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P+ P+ P+ P+ P+ P+ Si ξ

  28. Formation of PN Junction B- B- B- B- Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P+ P+ P+ P+ P+ P+ Si ξ

  29. Solar Cell Operation B- B- B- B- Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P+ P+ P+ P+ P+ P+ Si ξ

  30. Solar Cell Operation B- B- B- B- Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P+ P+ P+ P+ P+ P+ Si ξ

  31. Imbalance of Charge B- B- B- B- Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P+ P+ P+ P+ P+ P+ Si ξ

  32. B- B- B- B- Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P+ P+ P+ P+ P+ P+ Si Si ξ

  33. B- B- B- B- Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P+ P+ P+ P+ P+ P+ Si Si ξ

  34. Solar Cell Macro-Scale LIGHT Front metal contact Phosphourous-doped layer Back Metal Contact Boron-doped layer

  35. Solar Cell Design

  36. Material Selection • Power Output = V × I

  37. Material Selection • Power Output = V × I • V  as Eg

  38. Material Selection • Power Output = V × I • V  as Eg • I  as Eg

  39. Material Selection • Power Output = V × I • V  as Eg • I  as Eg A. Goetzberger, C. Hebling, S. Hans-Werner, Materials Science and Engineering: R: Reports2003, 40, 1-46.

  40. Reflection Losses Incident Reflected Air Semiconductor

  41. Reflection Losses - Texturization

  42. Reflection Losses - ARC

  43. Breakdown Cost of Solar

  44. Breakdown Cost of Solar Fath et al. IEEE PVSC Proceedings 2009.

  45. Breakdown Cost of Solar Fath et al. IEEE PVSC Proceedings 2009.

  46. Breakdown Cost of Solar Fath et al. IEEE PVSC Proceedings 2009.

  47. Breakdown Cost of Solar Fath et al. IEEE PVSC Proceedings 2009.

  48. Breakdown Cost of Solar http://www.hawkestechnical.com/solar-module.asp Fath et al. IEEE PVSC Proceedings 2009.

  49. PV Learning Curve

  50. Silicon Wafer Sawing http://www.crs-reprocessing.com/resources/paper2 Kerf Losses 50% Silicon ingot utilization  http://pryroda.biz/picture-gallery/titan-p_picture-gallery/