1 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 1 www.cie.unam.mx TUTORIAL COURSE International Conference on Solar Cells January 21-23, 2008 20th January, 2008 Cochin University of Science and Technology PRINCIPLES OF SOLAR CELLS Aarón Sánchez Juárez Depto. Materiales Solares [email protected]

2 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 2 www.cie.unam.mx GOALS To give some fundamentals phenomena about the photovoltaic effect and an outlook of solar cells devices.

3 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 3 www.cie.unam.mx IT IS THE POWER ELECTRICITY GENERATION IN AN OPTOELECTRONIC DEVICE DUE TO THE LIGHT ABSORPTION. DEVICES THAT ARE ABLE TO TRANSFORM LIGHT IN ELECTRICITY ARE COMMON CALLED PHOTOVOLTAIC GENERATORS THE MINIMUM UNIT IN WHICH PV EFFECT IS PRODUCED IS CALLED SOLAR CELL POWER IN SOLAR CELL POWER OUT  = Po / Pi ¿What is the Photovoltaic effect? SOME IMPORTANT DEFINITIONS EFFICIENCY CONCEPT

4 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 4 www.cie.unam.mx SOLAR LIGHT: PHOTONS Photo-generate Voltage: photovoltage Photo-generate current: photocurrent SOLAR CELL Physical evidence of PV effect STANDARD TEST CONDITIONS Light intensity: 1.0 kW/m 2 Cell temperature: 25ºC Air Mass: 1.5 Photon energy Ep = h E = 1.240/ : wavelenght in µm

5 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 5 www.cie.unam.mx SOLAR LIGHT Voltmeter ( - )( + ) How solar cell works? SOLAR CELL Ei field zone Negative charge accumulation Positive charge accumulation Electron and Hole ~ 0.60 ~ 0.00 NO LIGHT N P

6 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 6 www.cie.unam.mx Borrowed from: How a solar cell works?

7 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 7 www.cie.unam.mx Area 100 cm 2 2 0.74.2 VOLTMETER (High resistance) (-) ( + )( + ) AMPERMETER (Zero resistance) I = 0 amp Voc = 0.7 Volt Isc = 4.0 Amper V= 0 volt Electric parameters in a solar cell device The open circuit voltage Voc: maximum voltage photo-generated The short circuit current Isc: maximum current photo-generate UNSW PERL: Best m-Si solar cell; Green et al. Prog. Photovolt: Res. Appl. 2007; 15, 35-40 STC

8 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 8 www.cie.unam.mx IMPORTANT FACTS  V OC only depends on the solar cell material.  I CC varies proportionally with intensity of light.  I CC varies proportionally with the solar cell area.  Temperature affects the electrical properties of the solar cell: reduce V OC, power and efficiency

9 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 9 www.cie.unam.mx Area 100 cm 2 0.54 2.5 VOLTMETER Vop = 0.54 volts (-) (+)(+) AMPERMETER (Impedancia=0) Iop = 2.5 A Electric load I V v1v1 v2v2 Voc Vm I2I2 I1I1 Im Isc Maximum area rectangle Maximum power point PM = I M V M SOLAR RADIATION POWER ( Pi ) Electric parameters for a coupling solar cell-load Iop and Vop are the current consumed and voltage operation for the electric load coupled directly to a solar cell

10 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 10 www.cie.unam.mx Linear behavior indicates: I  V I = m V m = 1 / R I V Where V= Voltage (Volt) I = Current (Amper) R = Resistence(ohm) Ohm Law V = R I R I + - V Less value for R Bigger value for R Ampmeter Voltmeter

11 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 11 www.cie.unam.mx V I VcVc I PN + V I Ri I-V CHARACTERISTIC FOR A SOLAR CELL UNDER DARK CONDITIONS Typical I vs V curve Equivalent circuit Typical p-n junction Diodo Electrical characteristic I D =I 0 ( e qV/AkT –1)

12 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 12 www.cie.unam.mx I-V characteristic for a solar cell under illumination V + I D Ri VLVL I L I S V ILIL I Equivalent circuit Typical I vs V curve I S = I D -I L

13 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 13 www.cie.unam.mx V I VcVc I PN I V ILIL …Less… Iqual to… V M V CA I M I CC Corriente (A) Voltaje (V) I V Graphic interpretation

14 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 14 www.cie.unam.mx Electric characteristics I V (a) Voltage source Current source (b)(c) RSRS ISIS RLRL ILIL IDID RSHRSH Power sources Resistances: shunt and series I S = I L - I D A

15 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 15 www.cie.unam.mx ¿What kind of materials and Which devices are suitable to build solar cells? SEMICONDUCTORS THICK THIN SILICON SINGLE AND POLICRYSTAL SILICON GaAs CdTe CuInSe 2 AMORPHOUS SINGLE AND POLICRYSTAL Best efficiencies are obtained using solid state semiconductors like silicon (Si), Gallium arsenide, Cadmium telluride, Cooper indium selenide. Junctions between two or more solid, liquid and gases materials are able to present the photovoltaic effect.

16 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 16 www.cie.unam.mx HOMOJUNCTION HETEROJUNCTION Metal-Semiconductor SCHOTTKY BARRIER S-I-S N P Traditional Solar Cells Structures PP P N I Collection grid ARC Rear metallic contact N Layer P Layer Collector-Emiter Window layer Absorber-Generator Absorber layer P TYPICAL SOLAR CELL P-N HOMOJUNCTION N N

17 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 17 www.cie.unam.mx LIGHT ABSORPTION: Photons that reach the cell with energy grater than bangap are absorbed generating electron-hole pairs, those are the photocarries which are able to produce the photocurrent. PHOTOCARRIERS SEPARATION: It is necessary to build an electric field inside the solid for separing the photocarries (electron-hole) before they recombine. The junction of two material with different type electrical conductivity can build an internal electric field: Example the P-N junction CHARGE COLLECTION: Before photocarriers have a chance to recombine and lost its energy obtained by the photon absorption, it is necessary to collect them. Thus, life time and diffusion length for the photocarries must be bigger to collect in electric metallic contacts before they recombine. Physical process

18 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 18 www.cie.unam.mx Energy Band Formation E2E1E2E1 Energy band 1 atom Bring 2 atoms Bring many together atoms together Electron Nucleus Orbitals Atom E1E2E1E2 Some physics semiconductors properties

19 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 19 www.cie.unam.mx Semiconductor Energy Bands Semiconductor: Full valence band, Empty conduction band Electrical conductivity is thermal activate. At ºK, semiconductors are like insolators. Band Gap Concept At room temperature, electrons at the top of the balance band acquire the enough energy to jump the energy band gap Filled Bands Valence Band Conduction Band Empty Bands Band gapE

20 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 20 www.cie.unam.mx Absorption process Band Gap Eg Photon energy Ep = h h < Eg No absorption h = Eg h > Eg electro-hole photogeneration

21 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 21 www.cie.unam.mx How thick to absorb the light? Direct transition  (h ) = C(h -Eg) 1/2 Indirect transition Io I I = Io exp (-  x)  (h ) = C(h -(Eg- E ph )) 2  > 10 4 cm -1  ~ 10 4 cm -1

22 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 22 www.cie.unam.mx How thick to absorb the light? GaAs Eg=1.42 Direct  > 10 4 cm -1 90% absorption for a thick of 2.3µm Si Eg=1.12 Indirect  ~10 2 cm -1 90% absorption for a thick of 230.0 µm

23 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 23 www.cie.unam.mx Doping: Silicon case Group IV 4 valence electrons Si P B extra electron Hole (missing electron) Pure SiliconDoped Silicon N-type P-type Introduce Phosphorus Introduce Boron Group VGroup III 5 valence electrons3 valence electrons No mobile carriers Electrical conductivity modification

24 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 24 www.cie.unam.mx P-N Junction P P N Hole diffusion Electron diffusion Internal Electric Field N ++++++ ------ How to build an Internal electric Field?

25 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 25 www.cie.unam.mx Materials combination to form junctions Borrowed from: A. L. Fahrenbruch and r. H. Bube; Fundamentals of Solar Cells; PV Solar Energy Conversion Homojunction with indirect band gap material Heterojunction with indirect band gap material Homojunction with direct band gap material Heterojunction with direct band gap material

26 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 26 www.cie.unam.mx P-N Junction under Illumination LIGHT Charge Concentration Electric Field Energy Band Diagram Optically Generated Current!!

27 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 27 www.cie.unam.mx Efficiency  Photons Can be:  Reflected off surface  Transmitted through material  Absorbed by material: Useful light! oLight must be absorbed at (or near) junction to be useful oPhotocarriers must be collected at external metallic contact In order to increase the efficiency, IRIR ITIT IOIO

28 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 28 www.cie.unam.mx Efficiency Max Theoretical Efficiency ~28% The current best (in Lab) Si = 24.7% GaAs = 26%

29 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 29 www.cie.unam.mx Existen varios materiales con los que se fabrican las Celdas Solares. Entre ellos, el que destaca es el SILICIO. El Campo Eléctrico Interno, responsable de la separación de los portadores fotogenerados, es el componente más importante de la celda solar. Este se puede lograr mediante diferentes uniones entre materiales. Destacan: HOMOUNIONES: La más popular Silicio tipo-n con silicio tipo-p HETEROUNIONES: Histórica CdS tipo-n / Cu x S tipo-p BARRERA SCHOTTKY: Unión rectificadora metal/semiconductor UNION M/I/S: Unión rectificadora metal/aislante/semiconductor. UNION S/I/S: Unión rectificadora semicond/aislante/semicond. Celda típica: SILICIO AMORFO Consideraciones Tecnologias para Fabricación de Celdas Solares

30 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 30 www.cie.unam.mx Technologic criteria to chose materials Absorber  Band gap around 1.4 eV (max abs of solar radiation and min I D ).  Direct Optical absorption  Long minority-carrier diffusion lengths  Type P Semiconductor  Conductivity ~10 -3 ( .cm) -1. Window  Eg as large as possible (Rs low)  Thickness like a thin film to reduce Rs.  Type N Semiconductor.  Electrical conductivity bigger that the absorber.

31 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 31 www.cie.unam.mx Both materials Similar value for the electron affinity. Minimum lattice mismatch. Suitable deposition methods for thin film formation and control should be available. Low electrical resistance contacts to both N- and P- type materials. Materials should be enough to allow large area cell production, no toxic, and cost competitive. Solar cell must have an operating lifetime sufficient to pay back economic and energy cost required to produce it. Technologic criteria to chose materials

32 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 32 www.cie.unam.mx Exceso de energía Generada Energía efectiva Espectro de la dencidad de energía Perdida debido a la transmisión Longitud de onda Brecha de banda prohibida de Si Eg = 1.1 (eV) Celda Solar de Silicio

33 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 33 www.cie.unam.mx Brecha de banda prohibida de GaAs Eg = 1.43 (eV) Brecha de banda prohibida de Ge Eg = 0.65 (eV) Espectro de la dencidad de energía Exceso de energía Generada Longitud de onda Celda Solar de GaAs

34 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 34 www.cie.unam.mx Diagrama de Bandas para una unión Multiple n + - n -p - p + Homouniones EfEf EvEv EcEc p+p+ p n n+n+ Semiconductor 1 2 3 4 Semiconductores Grado Banda Heterounión

35 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 35 www.cie.unam.mx Celda Solar Tandem E g3  E g2  E g1

36 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 36 www.cie.unam.mx Efficiency vs Band Gap Efficiency vs Band Gap Some new materials and new concepts

37 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 37 www.cie.unam.mx Factor de espectro para heterouniones a Base de CdS

38 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 38 www.cie.unam.mx CONCLUSIONS  Some concepts concern to the Properties of PV effect have been presented  The sequence of phenomena in the PV effect involves the following process: oPower radiation received from the sun, oAbsorption process of light, oGeneration and Transport of charge carriers in the semiconductor, oSeparation of charge carriers by the junction, and oCollection of these carriers at the contacts to the device  PV devices represent a clean energy generator with minimal ambient impacts  For terrestrial application, the cost of PV devices must competitive with actually energy technology: large production, large area, thin films cells or concentrating systems using m-Si, could be the solution

39 Centro de Investigación en Energía, UNAM Centro de Investigación en Energía, UNAM 39 www.cie.unam.mx [email protected] [email protected] Gracias