BME VIK, Elektronikus Eszközök Tanszéke
Témavezető: Dr. Mizsei János
Fotovoltaikus eszközök hőmérsékletfüggésének és termikus viselkedésének vizsgálata és modellezése
A napelemek hőmérsékletfüggése és termikus viselkedése egy közismert jelenség, amelynek következményeivel a szakemberek tisztában is vannak, és amit a gyakorlati megvalósításoknál valamilyen mértékben figyelembe is vesznek. A tématerület elméleti megalapozottsága és a jelenségek mélyebb megértése, gyártási paraméterekkel való összefüggései és az ebben rejlő tervezési és optimalizálási lehetőségek azonban egy erősen elhanyagoltak. Kutatásaim célja, hogy a napelemek hőmérsékletfüggését és termikus viselkedését tervezhető jelenségnek feltételezve feltárjam a fotovoltaikus eszközök hőmérsékletfüggéseit befolyásoló tényezőket és a napelemek termikus viselkedését, elméleti magyarázatokkal szolgáljak az egyes jelenségekre, végül pedig ezen ismeretekből a napelemek viselkedését pontosan leíró együttes elektromos és termikus modelleket állítsak fel.
Kutatásaimat a BME Elektronikus Eszközök Tanszékének Félvezető-technológiai Laboratóriumában végzem. A 2012-ben létesített tisztatéri laboratóriumunkban egyszerűbb félvezető-technológiai lépések elvégezhetők, így előállíthatók kísérleti napelemstruktúrák vagy félvezető szenzorok, de akár egyszerűbb mikro- és nanoelektronikai eszközök is. Tanszékünk emellett nagy nemzetközi elismertségnek örvend elektronikus eszközök termikus vizsgálatának területén.
Mint minden félvezető eszköz, a napelemek és egyéb fotovoltaikus eszközök is jelentős hőmérsékletfüggést mutatnak. Ezt a hőmérsékletfüggést a felhasználás során ugyan figyelembe veszik, de a gyártók és fejlesztők a hőmérsékletfüggést inkább egy elkerülhetetlen, előnytelen adottságként kezelik, mintsem a napelem egy tervezhető és optimalizálható jellemzőjeként. Tankönyvek szintjén léteznek elméleti leírások és egyszerű levezetések a fotovoltaikus eszközök hőmérsékletfüggésére, de ezek csak szemléltetésre alkalmasak, a felhasználáshoz szükséges hőmérsékleti együtthatókat pedig általában kész eszközökön végzett mérésekkel határozzák meg, a hőmérsékleti együtthatók előzetes tudatos „tervezése” nélkül.
Annak, hogy a fotovoltaikus eszközök hőmérsékletfüggését és a termikus viselkedését előre tervezni és optimalizálni lehessen, alapvetően két feltétele van. Az egyik egy szemléletváltás, hogy a fotovoltaikus eszközök hőmérsékletfüggését és termikus viselkedését egy befolyásolható tényezőnek tekintsük, a másik pedig kiterjedt kutatások indítása az egyes anyag- és technológia paramétereknek, valamint a szerkezeti felépítésnek a hőmérsékletfüggésre és a termikus viselkedésre gyakorlott hatásának vizsgálata és elméleti megalapozottságú magyarázata céljából.
Napjainkban jellemző, hogy a napelemgyártók alapanyag-megtakarítás céljából folyamatosan törekednek a napelemek vastagságának csökkentésére (1. ábra). Továbbá, egyre gyakrabban merül fel az igény chipekbe integrált napelemek és fényérzékelők iránt. Ezeknél a struktúráknál a fotoaktív réteg a technológia adottságokból eredően igen vékony. Így egyre több eszköznél felmerül az a kérdés, hogy a fotoaktív réteg vastagsága milyen hatással van az eszközök hőmérsékletfüggésére.
1. ábra: Napelemek vastagságának várható alakulása közeljövőben (ITRPV roadmap 2014)
Kutatásaim hosszú távú célja, hogy jobb képet kapjunk a fotovoltaikus eszközök hőmérsékletfüggését befolyásoló tényezőkről, illetve a napelemek termikus viselkedéséről, mindezt elméleti magyarázattal és gyakorlatban is használható modellekkel kiegészítve.
Remélem továbbá, hogy kutatási eredményeim segítenek a szakmában elterjeszteni azt a szemléletet, hogy a napelemek hőmérsékletfüggése és termikus viselkedése nem egy elkerülhetetlen, hátrányos adottság, hanem egy tervezhető és optimalizálható paraméter, ezzel hozzájárulva a kedvezőbb üzemi paraméterekkel rendelkező fotovoltaikus eszközök fejlesztéséhez.
Rövidebb távlatokban tekintve, kutatásaim két alapvető részre oszthatók. Az első a manapság egyre terjedő vékony fotoaktív rétegű fotovoltaikus eszközöknél felmerülő azon fontos kérdés, hogy a fotoaktív réteg vastagsága milyen mértékben befolyásolja a napelem hőmérsékletfüggését, és ezen keresztül a gyakorlati használhatóságát. Ezen kérdéskört mélyrehatóan vizsgáltam speciálisan e célra készített napelem minták, célzott mérések és a mérési eredményekből származtatott modellek segítségével. Egy másik fontos technológiai paraméter, amelynek a hőmérsékletfüggésre gyakorolt hatását hasonló módon vizsgáltam, a napelem soros ellenállása.
Kutatásaim második nagyobb területét a napelemmodulok termikus viselkedésének vizsgálata és modellezése képezi. A napelemek a beérkező fényenergia kb. 20 %-át alakítják villamos energiává, a maradék energiának hő formájában kell eltávoznia, ami a napelemmodult erősen felmelegíti, ezért fontos, hogy a hő minél hatékonyabban távozhasson a napelemből. A melegedés folyamatának vizsgálatával és modellezésével fontos információk nyerhetők a napelemek statikus és tranziens termikus viselkedéséről egyaránt. Ezek az információk a napelemmodulok célzott termikus optimalizálását és pontos üzemi modellek felállítását teszik lehetővé.
2. ábra: Napelemstruktúra jellemző felépítése
Hőmérsékletfüggés a fotoaktív réteg vastagságának függvényében
A fotoaktív réteg vastagságának a fotovoltaikus eszközök hőmérsékletfüggésére gyakorolt hatását olyan speciális mintákon vizsgáltam, amelyek kizárólag a fotoaktív réteg vastagságában tértek el egymástól. Az ilyen minták előállításához egy mintakészítési eljárást dolgoztam ki (3. ábra), amelynek fontos eleme, hogy az összes minta egyszerre, egy hordozóra készül, ezzel kiküszöbölve a technológiai és az egyes szilícium szeletek közötti szórásokat. A tanszékünk tisztatéri laboratóriumában így előállított minták áram-feszültség karakterisztikáit és spektrális válaszfüggvényeit különböző hőmérsékleteken és különböző fényintenzitások mellett felvéve a mérései eredményekből extrahálhatók a napelemek jellemző paraméterei és azok hőmérsékletfüggése. Az egyes mérési eredményekre egydiódás, Lambert-féle W-függvényen alapuló ötparaméteres modellt alkalmazva a modell fizikai tartalommal rendelkező egyes paramétereinek hőmérsékletfüggése is meghatározható, ami a spektrális válaszok eredményeivel együtt elméleti magyarázatot is nyújt a mért eredményekre. A modell paramétereinek hőmérsékletfüggéseit meghatározva olyan félempírikus modellek állíthatók fel, amelyek pontosan leírják a napelem hőmérsékletfüggő működését.
3. ábra: Fotoaktív rétegvastagság hatásának vizsgálatára fejlesztett mintakészítési eljárás
Termikus viselkedés vizsgálata
Tokozott napelemcellák (napelemmodulok) termikus viselkedésének vizsgálatához a legfontosabb információt az adja, ha fel tudjuk térképezni és elemezni tudjuk a hő keletkezési helye (általában a p-n átmenet) és a környezet közötti hőutat, azaz azokat a hőellenállásokat és hőkapacitásokat, amelyeken a napelem által leadandó hőnek át kell jutni ahhoz, hogy a környezetbe jusson. Erre adaptálható a félvezető eszközök hőellenállásának és hőkapacitásának meghatározására szolgáló, mára már JEDEC szabvánnyá vált módszer, a termikus tranziens mérés (4. ábra). A termikus tranziens mérés tokozott elektronikus eszközök esetében egy jól bevált módszer, de napelemek mérése esetén az eszközök eltérő felépítése miatt számos kihívást rejt. A napelemek fényérzékenysége és eltérő tokozási anyagai könnyen orvosolható problémák, nagyobb kihívást jelent azonban az eszközök mérete és az elektronikus eszközöknél szokványos értékektől nagyságrendileg eltérő teljesítménysűrűsége. Mivel a hagyományos – kisméretű és nagy teljesítménysűrűségű – eszközökön végzett termikus tranziens mérés esetén nem kell figyelembe venni a közegek közötti hőátadást és a hősugárzást, addig a nagy felületű és kis teljesítménysűrűségű napelemek esetében a hő számottevő része hősugárzással távozik. Ezért a termikus tranziens tesztelést DCP-elrendezésben (dual cold plate – kétoldalas termosztálás) kell végezni, továbbá az ideális mérési paraméterek megválasztása is nagyobb kihívást jelent.
A jól elvégzett termikus tranziens vizsgálatok eredményeiből kiszámíthatjuk az úgy nevezett struktúrafüggvényt, amely az egyes eszközök jellemző, egydimenziós hőútjában levő hőellenállásokat és hőkapacitásokat adja meg. Ezek ismeretében a napelemre felírható egy termikus RC-hálózat, amely leírja a napelem statikus és dinamikus termikus viselkedését, illetve felhasználható modellalkotásra. A struktúrafüggvény a napelemmodul rétegszerkezetéről is tartalmaz információt, így a napelemszerkezetek elemzésénél és optimalizálásánál is segítséget nyújt.
4. ábra: Termikus tranziens mérés napelemeken
A kísérleti mintákon végzett vizsgálatok egyértelműen kimutatták, hogy a fotoaktív réteg vastagsága befolyásolja a napelemek paramétereinek hőmérsékletfüggését. A fotoaktív réteg vastagsága lényegében az áram hőmérsékletfüggését befolyásolja, a feszültség hőmérsékletfüggése nem változik a fotaktív-réteg vastagságának függvényében. Mivel a feszültség hőmérsékletfüggése egy nagyságrenddel nagyobb, mint az áramé, összességében a fotoaktív réteg vastagság csak kisebb mértékben változtatja meg a napelem üzemi paramétereinek hőmérsékletfüggését, azonban általánosan elmondható, hogy vékonyabb fotoaktív rétegek, azaz vékonyabb napelemek esetén a hőmérsékletfüggés nagyobb lesz. Ez üzemi szempontból ugyan nem jelent túlságosan nagy problémát az egyre vékonyabb kivitelben készülő napelemek esetében, a jelenséget azonban figyelembe kell venni, főként az eszközök pontos modellezésénél. Az áram megemelkedett hőmérsékletfüggésének magyarázata a cellát alkotó szilícium abszorpciós tényezőjének hőmérsékletfüggésében rejlik. Mivel az abszorpciós tényező még hullámhosszfüggő is, az egyes hullámhosszú fénykomponensek elnyelődési mélysége más és más. Túl vékony szeletek csak az UV-tartományközeli fényt tudják teljesen elnyelni, az ennél nagyobb hullámhosszúakat csak részben. Mivel az abszorpciós tényező a hőmérséklet függvényében emelkedik, a részben elnyelt hullámhosszoknál a fény nagyobb hányada nyelődik el, ezzel növelve a fotogenerált töltéshordozók számát, és ezzel az áramot. Minél vastagabb a szelet, annál szélesebb hullámhossztartományt nyel el teljesen, így a növekvő hőmérséklet okozta áramnövekedés is kisebb lesz, hiszen a félvezető már alacsonyabb hőmérsékleteken is elnyelte a fény nagy részét. Ezt az elméletet alátámasztják a hőmérsékletfüggő spektrális válaszmérések is, amelyek jól mutatják, hogy a hőmérsékletfüggés leginkább a közeli infravörös tartományban jelentkezik (5. ábra), és a szelet vékonyodásával már a látható tartományra is kiterjed, illetve az infravörös tartományban is megnövekszik a hőmérsékletfüggés.
5. ábra: Napelem spektrális válasza a hőmérséklet függvényében
Hőmérsékletfüggés a soros ellenállás függvényében
Napelemeknél ugyan nem okoz jelentős üzemi problémát, hogy a fotoaktív réteg csökkenő vastagsága miatt az áram hőmérsékletfüggése megnövekszik, azonban fotovoltaikus fényérzékelőknél általában az eszköz rövidzárási áramát mérik, ezért a nagyobb hőmérsékletfüggés nagyobb pontatlanságokat okozhat. Kutatásaim során kimutattam, hogy a soros ellenállás növekedésével a hőmérsékletfüggés csökken, ezért ilyen eszközök esetén a fotoaktív réteg vastagságának csökkenéséből eredő hőmérsékletfüggés-növekedés kompenzálható, vagy legalábbis csökkenthető a soros ellenállás optimalizált megválasztásával (6. ábra).
6. ábra: Optimalizált és nem optimalizált soros ellenállású fényérzékelő rövidzárási áramának hőmérsékletfüggése
Termikus tranziens-mérés adaptálása napelem szerkezetekhez
A termikus tranziens mérés sikeres adaptálása napelemekre már önmagában eredménynek nevezhető, hiszen a napelemek megbízható és helyes méréséhez a standard méréstechnikában több helyen is újítások voltak szükségesek. A termikus tranziens méréssel kinyerhetők a paraméterek (hőellenállás és hőkapacitás), amelyekből felépíthető a napelem termikus modellezésére szolgáló termikus RC-hálózat (7. ábra). Továbbá, a mérési eredményekből szétválaszthatók a napelemstruktúra tényleges hőellenállását és a hősugárzást, illetve konvekciót jellemző összetevők (8. ábra). A hősugárzást ezen eredményekből egy hőmérsékletfüggő hőellenállásként lehet extrahálni. Mivel ez a paraméter elméleti módon csak bonyolultan számítható ki, a hősugárzást jellemző, mért adatokból származtatott modellkomponens nagy könnyítést jelent a napelemek termikus modellezésénél.
7. ábra: Napelem termikus RC-hálózatalapú termikus modellje
8. ábra: Különböző feltételek mellett felvett struktúrafüggvények, amelyből jól láthatók a napelem hőleadásában közrejátszó komponensek
A modellezés során sikerült az egydiódás napelemmodellt alapul véve egy olyan félempirikus elektromos modellt felállítani, amely néhány hőmérsékleti együttható ismeretében pontos viselkedési leírást ad. Ezt kiegészítve a napelem termikus RC-hálózatalapú termikus modelljével egy olyan összetett elektrotermikus modellt (9. ábra) sikerült alkotni, amely a jelenlegi modellekkel ellentétben visszacsatolás nélkül is nagy pontossággal írja le a napelemek működést.
9. ábra: a kutatás során fejlesztett elektrotermikus modell felépítése
Kutatásaim eredményeit neves konferenciákon (Therminic, EUPVSEC, SEMITHERM, DTIP) mutattam be, illetve egyes eredményeim folyóiratokban jelentek meg, illetve jelennek meg folyamatosan. Kutatásaim szorosan kapcsolódnak az 100794 azonosítójú OTKA projekthez, amely napelemek újfajta modellezési és minősítési eljárásainak fejlesztését tűzte ki célul. Az ebben a projektben elért modellezési és karakterizálási eredményekre, illetve a napelemek hőmérsékletfüggő viselkedését vizsgáló kutatásaimra alapozva állítottuk össze a jelenleg elbírálás alatt álló, 116848 azonosítójú OTKA pályázatot, amelyben az egyes napelemstruktúrák együttes elektromos és termikus optimalizálásának lehetőségeit kívánjuk vizsgálni. A GOP-1.1.1-11-2012-0289 azonosítójú, napelemek energiatermelését előrejelző rendszer megvalósítására indított projekt termelési modellje (10. ábra) közvetlenül alkalmazza a kutatásaim során fejlesztett elektromos és termikus modelleket. Konzultációmmal a témában továbbá számos szakdolgozat és diplomamunka, illetve első helyezett TDK- és OTDK-dolgozat is született.
10. ábra: A GOP 1.1.1-11-2012-0289 projektben felhasznált termelési modell, amely közvetlenül felhasználja a kutatás során alkotott elektromos és termikus modellt.
1. Balázs Plesz, András Vass-Várnai
MICROELECTRONICS JOURNAL 45:(12) pp. 1710-1715. (2014)
2. B. Plesz, S. Ress, P. G. Szabó, G. Hantos, D. Dudola
Issues of Thermal Transient Testing on Photovoltaic Modules
In: Chris Bailey, Marta Rencz, Bernhard Wunderle (szerk.)
Proceedings of the 20th International Workshop on THERMal INvestigation of ICs and Systems (THERMINIC'14).
3. B. Plesz, S. Ress
Investigation of the thermal behaviour of thin crystalline silicon solar cells
In: P E Raad, M Rencz, B Wunderle, A Poppe (szerk.)
Proceedings of the 19th International Workshop on THERMal INvestigation of ICs and Systems: THERMINIC 2013.
4. B. Plesz, Á. Földváry
Thermal Behavior of c-Si Solar Cells with thin photo-active layers
In: Proceedings of the 6th International Workshop on Teaching in Photovoltaics (2012).
5. A Vass-Várnai, B Plesz, Z Sárkány, A Malek, M Rencz
Application of Thermal Transient Testing for Solar Cell Characterization
In: Paul Wesling, Kathe Ericson (szerk.)
Proceedings of the 28th IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium (SEMI-THERM'12). 360 p.
6. B Plesz, E Bándy, A Földváry
Low cost solar irradiation sensor and its thermal behaviour
MICROELECTRONICS JOURNAL 42:(5) pp. 594-600. (2011)
7. B. Plesz
Proceedings of the 17th International Workshop on THERMal INvestigation of ICs and Systems (THERMINIC'11)
8. B Plesz, Gy Horváth, A Vass-Várnai
9. B Plesz, E Bándy, Á Földváry, V Timár-Hotváth, J Mizsei
Thermal Behaviour of Thin Photo-active Layer Crystalline Solar Cells
In: Bernard Courtois, Jean Michel Karam, Ryutaro Maeda, Pascal Nouet, Peter Schneider, Hsiharng Yang (szerk.)
Collection of Papers Presented at the Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP'10). 415 p.
10. Bándy Enikő, Földváry Árpád, Plesz Balázs
Thermal Issues of Solar Irradiation Sensor
Proceedings of the 15th International Workshop on THERMal INvestigations of ICs and Systems