ВОДОРОД — горючее XXI ВЕКА

По воззрению неких профессионалов, одним из более многообещающих видов синтетических топлив энергетики XXI века является молекулярный водород. Посреди его плюсов можно выделить:

1) высшую энергоемкость; в расчете на единицу массы водород превосходит все природные горючего: природный газ в 2,6 раза, нефть в 3,3 раза, целлюлозу в 8,З раза;

2) химико-экологическую чистоту; единственным продуктом его окисления в всех режимах (при горении либо химическом окислении) является вода (окись азота, являющаяся побочным продуктом сгорания водорода в воздухе, появляется в жалких количествах);

3) фактически неистощимые припасы дешевенького сырья — воды, содержащей более 10% (по массе) водорода;

Это объ-ясняется таким его особенностями, как:

Не считая того, водород — не только лишь высокоэффективное горючее, да и ценное сырье для хим индустрии.

Препятствием к практическому использованию водорода в качестве синтетического горючего является его высочайшая цена. К тому же хранение и внедрение такового горючего в огромных количествах связаны с некими трудностями. Так, при использовании водорода в качестве горючего в авто движках его масса составит меньше 1% массы баллона, в каком он находится. Но эти задачи не носят принципного нрава. Заместо водорода, лежащего в газовых баллонах, подразумевается, к примеру, использовать химически связанный сплавами неких металлов водород. Так, лантан-никелевые и железо-титановые сплавы могут обратимо связывать 100 объемов водорода на Один объем сплава.

СОЛНЕЧНО-ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Невзирая на все достоинства водорода в качестве синтетического горючего, принципным остается вопрос об источнике энергии для получения водорода из воды. В главном рассматриваются три других источника: термоядерная, атомная и солнечная энергия. Но способности широкого использования внутренней (термоядерной и атомной) энергии неразрывно связаны с неувязкой термического загрязнения среды — нарушения термического баланса и увеличения температуры Земли. На эту делему в первый раз указал академик Н.Н. Семенов. Согласно его оценкам, перегрев Земли на 3-4°С может привести к глобальному нехорошему изменению климата. При современных темпах развития энергетики на базе внутренних источников тепла изменение климата Земли может наступить уже в наиблежайшие 30-50 лет. Это определяет принципное ограничение предстоящего развития энергетики на базе внутренних источников энергии и провоцирует поиск новых источников, не вызывающих нарушения термического баланса Земли. С этой точки зрения солнечная энергия является одним из более экологически незапятнанных источников энергии. В связи с этим появляется вопрос: способна ли энергетика, основанная на использовании солнечного излучения в Качестве первичного источника энергии, обеспечить энерго потребности населения земли?

Годичное потребление энергии населением земли за счет всех источников энергии в текущее время составляет -1017 ккал. Сопоставление этой величины с потоком поглощаемой Землей солнечной энергии (

полное сопротивление, включенное поочередно с солнеч-ным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтоб уменьшить утраты мощности (джоулево тепло) в процессе работы;

В связи с большенными резервами и экологической чистотой в последние годы все более пользующейся популярностью становится концепция солнечно-водородной энергетики, основанной на преобразовании солнечной энергии в хим в итоге разложения воды и сочетающей внутри себя все плюсы водорода в качестве горючего и солнечной энергии в качестве первичного источника. Схема таковой безупречной солнечно-водородной энергетики, включающей фоторазложение воды с следующим транспортом и преобразованием водородного горючего в комфортную для употребления электронную форму энергии, представлена на схеме 2.

Необходимо подчеркнуть, что по сопоставлению с прямым преобразованием солнечной энергии в электронную на базе полупроводниковых солнечных батарей промежуточное аккумулирование солнечной энергии в топливной форме водорода в рамках солнечно-водородной энергетики удачно решает делему дневной и сезонной зависимости потока солнечной энергии.

В текущее время предложено несколько главных путей для разложения воды под действием солнечного излучения. Некие из их являются косвенными. К примеру, термохимические способы, основанные на использовании тепла, приобретенного за счет солнечной энергии, либо электролиз воды за счет электроэнергии от полупроводниковых солнечных батарей либо термических электрических станций. Но исследование природного процесса конверсии солнечной энергии в хим (фотосинтеза) указывает принципную возможность прямого фотохимического разложения воды солнечным светом. В связи с этим в последние годы очень активно развиваются фотохимические способы получения водорода из воды, основанные или на искусственных фотохимических системах, или на применении био систем (растений, микроскопичных водных растений, фототропных микробов), фотосинтетический аппарат которых может быть применен для выделения водорода — биофотолиз воды.

Из ежедневного опыта понятно, что незапятнанная вода в любом агрегатном состоянии совсем прозрачна для падающего на поверхность Земли солнечного света, основная часть которого приходится на область видимого и близкого инфракрасного излучения (0,3-1,0 мкм). Приметное поглощение электрического излучения водой, способного привести к ее фоторазложению, начинается только с длин волн короче 0,2 мкм, фактически отсутствующих в диапазоне солнечного излучения, достигающего поверхности Земли. Это значит, что процессы прямого фотолиза воды с ролью ее электронно-возбужденных состояний не могут быть применены для конверсии солнечной энергии в хим. Таким макаром, как и в природном фотосинте-зе, действенное фотохимическое разложение воды солнечным светом может быть лишь на базе фо-токаталитических процессов.

ФОТОКАТАЛИЗ И ФОТОСЕНСИБИЛИЗАЦИЯ

Специфичной особенностью фотокаталити-ческих процессов по сопоставлению с обыденным темновым катализом является, с одной стороны, чув-ствительность хим системы к действию света и, с другой — возможность воплощения ка-талитических реакций перевоплощения субстрата в продукт с положительным конфигурацией свободной энергии системы AG 0. В связи с этим при разра-ботке искусственных фотокаталитических систем разложения воды солнечным светом употребляют явления фотосенсибилизации и фотокатализа. Фо-тосенсибилизация — это изменение спектральной области чувствительности хим соединений, происходящее вследствие процессов переноса энергии либо электрона от веществ, именуемых сенсибилизаторами, которые поглощают свет дру-гой спектральной области (обычно более длинно-волновой). Фотокатализ — это явление индуцирова-ния хим перевоплощений при действии света -на системы, содержащие хим соединения -участники реакции и вещества, именуемые фото-катализаторами, которые индуцируют при погло-щении света хим перевоплощения участников реакции, неоднократно вступая с ними в хим взаимодействия и регенерируя собственный состав после каждого цикла промежных взаимодействий.

Необходимо подчеркнуть, что в чистом виде явление как фотокатализа, так и фотосенсибилизации встреча-ется изредка. В большинстве фотокаталитических процессов одни и те же вещества делают функ-цию и фотосенсибилизатора и фотокатализатора. Так, к примеру, в фотокаталитическом процессе при-родного растительного фотосинтеза, приводящего в общем виде к восстановлению углекислого газа до органических соединений и окислению воды:

хлорофилл (ХЛ) выступает и фотосенсибилизато-ром и фотокатализатором. Более 90% хлорофилла растительной клеточки заходит в состав хлорофилл-белковых комплексов, выполняющих функцию фо-тосенсибилизатора (S) и обеспечивающих эффек-тивное поглощение солнечного излучения в резуль-тате их электрического возбуждения (S—»-S*). Такие комплексы играют роль специфичной антенны для улавливания солнечного света, характеризующегося относительно низкой плотностью потока энергии на единицу поверхности (средняя интенсивность падающего на поверхность Земли света в южных районах РФ составляет -2,2 * 10-2 ккал/(см2 * с)). Энергия электрического возбуждения антенных комплексов с эффективностью, близкой к 100%, передается димеру Р хлорофилла (S* + Р—Р*), входящему в состав обскурантистского центра и выполняющему функцию фотокатализатора суммарного процесса переноса электронов от воды к никотина-мидадениндинуклеотид фосфату (NADP+):

Наибольшая мощность, снимаемая с Один см2, равна

БИОФОТОЛИЗ ВОДЫ

Главные фотокаталитические процессы природного фотосинтеза растений, протекающие в обскурантистском центре и описываемые так именуемой Z-схемой (схема 3) с 2-мя фотосистемами ФС1 и ФС2, были тщательно рассмотрены в [2]. В общем виде обскурантистский центр каждой фотосистемы содержит фотокатализаторы Р700 и Р680 на базе хлорофилла, первичные акцепторы А1, А2 и доноры D1, D2 электрона, цепь электрического транспорта (ЦЭТ), соединяющую две фотосистемы, также катализаторы образования О2 и NADPH.

Очередной многообещающий материал для фотовольтаики — теллу-рид кадмия (СdТе). У него практически безупречная ширина нелегальной зоны (1,44 эВ) и очень высочайшая способность к поглощению излуче-ния. Пленки CdTe довольно дешевы в изготовлении. Не считая того, технологически нетрудно получать различные сплавы CdTe с Zn, Hg и другими элементами для сотворения слоев с данными качествами.

ВОДОРОД - горючее XXI ВЕКА

10-10 с) реакций с ролью фотокатализаторов.

Это приводит как к действенной регенерации фотокатализатора, так и высочайшему (90%) КПД разделения зарядов, возникающих на доноре и акцепторе электрона фотосистемы после поглощения кванта света.

Выделение из растительных клеток хлоропластов с сохранением их фотосинтезирующих параметров открывает возможность использования уникального природного фотосинтетического аппарата для получения водорода из воды — биофотолиза воды. Задачка сводится сначала к организации в ФС1 каталитического процесса восстановления не NADP+, а воды. Понятно, что конечным акцептором электронов в ФС2 является железо-серный белок ферредоксин (Фд), восстановленная форма которого в присутствии особых катализаторов способна выделять водород из воды. Разработанные к истинному времени модельные биохимические системы фотолиза воды на базе выделенных из растительных клеток хлоропластов (схема 4) содержат два общих элемента: электронтранспортную цепь (ЦЭТ) фотосинтеза и катализатор образования водорода, в качестве которого могут быть применены как био (гидрогеназа), так и неорганические (коллоидная Pt) катализаторы. В то же время в качестве восстановителя воды может выступать как конкретно ферредоксин, так и специально введенный в систему промежный переносчик электрона М, способный акцептиро-вать электроны из электронтранспортной цепи хлоропластов и в предстоящем каталитически восста-навливать воду (схема 4).

Двухстадийный процесс разложения воды в по-следнем случае позволяет выполнить разделение водорода и кислорода, так как выделение газов происходит на различных стадиях.

Энергетическая эффективность преобразования солнечной энергии в хим для разработан-ных в текущее время модельных систем биофото-лиза воды не превосходит 0,2%, тогда как теоретиче-ское предельное значение составляет -17%. 2-ой значимой неувязкой является недостающая стабильность разработанных биосистем фотолиза воды во времени (до 30 дней). Решение этих про-блем дозволит перейти к созданию фактически применимых устройств конверсии солнечной энер-гии в хим на базе биокаталитических си-стем фотолиза воды.

ИСКУССТВЕННЫЕ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РАЗЛОЖЕНИЯ ВОДЫ

Сделанный природой в процессе эволюции уникаль-ный восьмиквантовый фотосинтетический аппа-рат, включающий две фотосистемы, объединенные сложной многоступенчатой электрон-транспортной цепью, обеспечивает не только лишь окисление воды и восстановление NADP+, да и синтез энергоемких соединений аденозинтрифосфата из аденозинди-фосфата и неорганического фосфата, которые в предстоящем делают роль универсального ис-точника энергии в клеточке, обеспечивая протекание большинства биохимических процессов [1-3]. В связи с этим заманчивым представляется создание искусственных фотокаталитических систем, вы-полняющих узкоспециализированную функцию фоторазложение воды. При всем этом нет необходимос-ти моделировать весь непростой механизм фотосин-теза, а следует использовать только главные прин-ципы фотохимического преобразования солнечной энергии в хим.

Так как выделение одной Молекулы кислоро-да просит разложения 2-ух молекул воды, энергети-ческие издержки на проведение 1-го каталитичес-кого цикла фоторазложения воды при комнатной температуре не могут быть меньше 113,4 ккал/моль, что соответствует энергии квантов ультрафиолетового света (К — 0,252 мкм), фактически отсутствующих в диапазоне солнечного излучения (0,3-1,0 мкм), падающего на поверхность Земли. Это значит, что исходя из убеждений более полного использования солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, более рациональной является четырех-квантовая схема процесса разложения воды, при котором каждый квант света употребляется для переноса 1-го электрона. В данном случае пороговая длина волны света составляет 1,008 мкм, что соответствует красноватой границе солнечного излучения и как следствие этого обеспечивает наивысшую эффективность преобразования солнечной энергии в хим. Таким макаром, в отличие от природного фотосинтеза искусственные фотокаталитические системы разложения воды могли бы работать по принципу не двухтактного (см. схему 3), а однотактного фотонасоса.

Каскадная батарея, в какой верхним элементом служит структура на базе GalnP с n-AllnP в качестве окна, дальше следует туннельный диодик на GaAs для прохождения но-сителей меж элементами и нижний элемент из GaAs.

) в зоне проводимости и поло-жительно заряженная дырка (р+) в заполненной зоне — растягиваются в различные стороны электриче-ским полем, имеющимся на границе полупро-водник-раствор, и участвуют в последующих катали-тических процессах восстановления и окисления воды в присутствии нанесенных на поверхность по-лупроводника катализаторов Pt и RuO2. Иммобили-зация на поверхности полупроводника разных органических и неорганических красителей, вы-полняющих функцию фотосенсибилизатора S , позволяет обеспечивать -10% КПД преоб-разования солнечной энергии в хим. Основная неувязка для практического внедрения таких систем — предотвращение фотокоррозии по-лупроводников и увеличение стабильности систем во времени. В молекулярных фотокаталитических системах разложения воды в качестве фотокатализатора, до-норов и акцепторов электрона, участвующих в реак-циях, употребляются личные хими-ческие соединения, удовлетворяющие неким требованиям. Фотокатализаторы должны обеспе-чивать насыщенное поглощение солнечного излу-чения, иметь высокоэнергетические, долгоживущие возбужденные состояния (ФК*), способные участвовать в бимолекулярных реакциях переноса электрона, владеть высочайшей хим и фотохимической устойчивостью и отлично регенерировать свою форму в итоге взаимодействия с промежуточ-ными акцепторами либо донорами. Вместе с фотохимической и хим устойчи-востью главным требованием к промежным донорам и акцепторам электрона является их спо-собность участвовать в обратимых каталитических процессах выделения водорода и кислорода из воды.

В текущее время показана возможность ис-пользования в качестве компонент молекуляр-ных фотокаталитических систем довольно боль-шого круга хим соединений различной природы. Так, в качестве фотокатализаторов пред-ложены системы на базе органических красите-лей, соединений переходных металлов, поРФиринов, фталоцианинов и их металлокомплексов.

Основной прогресс, достигнутый в разработке молекулярных фотокаталитических систем разло-жения воды, связан с созданием так именуемых жертвенных систем, моделирующих фотосистемы растительного фотосинтеза и осуществляющих выделение или водорода, или кислорода из воды с одновременным необратимым расходованием жерт-вы — специально добавленного донора либо акцепто-ра электрона. Примером таковой жертвенной системы фотокаталитического восстановления воды являет-ся система, содержащая трисбипиридильные ком-плексы рутения и родия [Ru(bpy)3]2+, [Rh(bpy)3]3+ в качестве фотокатализатора и промежного ак-цептора электрона. Фотовозбуждение таковой систе-мы приводит к фотостимулированному переносу электрона:

и следующему каталитическому выделению во-дорода из воды на платиновом катализаторе:

В качестве необратимо используемой жертвы, обес-печивающей регенерацию фотокатализатора, ис-пользуется триэтаноламин.

Выполнить замкнутый, не требующий введе-ния дополнительно используемых веществ цикл фо-торазложения воды солнечным светом в молеку-лярных фотокаталитических системах еще пока не удается. Основной задачей является разработка способов предотвращения реакции рекомбинации первичных товаров фоторазделения зарядов, которая протекает намного резвее, чем сложные каталитические реакции окисления и восста-новления воды. Подразумевается, что такая зада-ча может быть решена при переходе к молекулярно-организованным системам, позволяющим (по ана-логии с природным фотосинтезом) получать прост-ранственно разбитые продукты фоторазделения зарядов. Исследования в этом направлении интен-сивно развиваются в ближайшее время.

Главные Механизмы работы СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

Простая конструкция солнечного элемента (СЭ) — устройства для преобразования энергии солнечного излучения — на базе монокристаллического кремния. На малой глубине от поверхности кремниевой плас-тины р-типа сформирован р-п- переход с узким металличес-ким контактом. На тыльную сто-рону пластинки нанесен сплошной железный кон-такт.

Когда СЭ освещается, погло-щенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в р-слое поблизости р-n-перехода, подходят к p-n-переходу и сущест-вующим в нем электронным полем выносятся в n-область. Анало-гично и лишниие дырки, сделанные в n-слое, отчасти перено-сятся в р-слой (рис. Два а). В итоге n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а р-слой — положительный. Понижается начальная контактная разность потенциалов меж р- и n-слоями полупроводника, и во наружной цепи возникает напряжение (рис. Два 6). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а р-слой — положительному.

Одним из многообещающих материалов для дешевеньких солнечных батарей благодаря применимой ширине нелегальной зоны (1,4-1,5 эВ) и большенному коэффициенту поглощения 100 четыре см-1 явля-ется Cu2ZnSnS4. Его главное достоинство в том, что входящие в не-го составляющие обширно всераспространены в природе и нетоксичны. Но пока достигнута эффективность преобразования всего в 2,3% при использовании гетероперехода Cu2ZnSnS4 и CdS/ZnO.

где Is- ток насыщения, a Iph фототoк.

Поликристаллические тонкие пленки также очень перс-пективны для солнечной энергетики.

Очень перспективны каскадные батареи, состоящие из 3-х частей с различной шириной нелегальной зоны (рис.13). Верхний слой, всасывающий коротковолновую область сол-нечного диапазона, сформирован из сплава на базе a-Si:H с шири-ной оптической щели 1,8 эВ. Для серединного элемента в качест-ве слоя i-типа применен сплав a-SiGe:H с содержанием германия 10-15%. Ширина оптической щели данного слоя (1,6 эВ) иде-альна для поглощения зеленоватой области солнечного диапазона. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть диапазона, для этого употребляется i-слой a-SiGe:H с концентрацией гер-мания 40-50%. Непоглощенный свет отражается от заднего кон-такта на базе Ag/ZnO. Все три элемента каскадной солнечной батареи связаны меж собой сильнолегированными слоями, образующими туннельные пере-ходы меж примыкающими элемен-тами.

Восстановленная форма NADPH участвует в последующих темновых биохимических реакциях, приводящих к образованию органических соединений из углекислого газа.

где Ј — коэффициент формы либо коэффициент наполнения вольт амперной свойства, IКЗ ток недлинного замыкания, Uxx напряжение холостого хода.

КОНСТРУКЦИИ И МАТЕРИАЛЫ СОЛНЕЧНЫХ Частей

Для действенной работы солнечных частей нужно соблю-дение ряда критерий:

оптический коэффициент поглощения (а) активного слоя полупроводника должен быть довольно огромным, чтоб обеспечить поглощение значимой части энергии солнечного света в границах толщины слоя;

генерируемые при освещении электроны и дырки должны эф-фективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;

солнечный элемент должен владеть значимой высотой ба-рьера в полупроводниковом переходе;

8 * Одна тыща 20 ккал/год), внедрение которой не превосходит Два * 10-3 % (схема 1), указывает, что резервы солнечной энергии существенно превосходят не только лишь современные, да и будущие энерго потребности населения земли.

структура узкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтоб исключить закорачива-ние и воздействие шунтирующих сопротивлений на свойства элемента.

Создание структур на базе монокристаллического крем-ния, удовлетворяющих данным требованиям, — процесс технологи-чески накладный и трудозатратный. Потому внимание было обраще-но на такие материалы, как сплавы на базе бесформенного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники [4].

Бесформенный кремний выступил в качестве более дешевенькой аль-тернативы монокристаллическому. 1-ые СЭ на его базе бы-ли сделаны в Одна тыща девятьсот 70 5 году. Оптическое поглощение бесформенного крем-ния в 20 раз выше, чем кристаллического. Потому для существен-ного поглощения видимого света довольно пленки a-Si:H толщи-ной 0,5-1,0 мкм заместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм под-ложек. Не считая того, благодаря имеющимся технологиям получе-ния тонких пленок бесформенного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, нужных для СЭ на базе монокристаллического кремния. По сопоставлению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на осно-ве a-Si:H создают при более низких температурах (300°С): мож-но использовать дешевенькие стеклянные подложки, что уменьшит рас-ход кремния в 20 раз.

Пока наибольший КПД экспериментальных частей на ос-нове a-Si:H — 12% — несколько ниже КПД кристаллических кремни-евых СЭ (-15%). Но не исключено, что с развитием технологии КПД частей на базе a-Si:H достигнет теоретического потолка -16%.

Невзирая на видимую простоту, их реализация довольно про-блематична — железный электрод должен быть прозрач-ным и равномерным по толщи-не, а все состояния на границе металл/a-SiiH — размеренными во времени. В большинстве случаев солнечные элементы на базе a-Si:H фор-мируют на ленте из нержавею-щей стали либо на стеклянных подложках, покрытых проводя-щим слоем. При использовании стеклянных подложек на их наносят прозрачную для света проводящую ок-сидную пленку (ТСО) из Sn02, In203 либо Sn02+ln203 (ITO), что позво-ляет освещать элемент через стекло. Так как у нелегированного слоя электрическая проводимость выражена слабо, барьер Шотки со-здается за счет осаждения железных пленок с высочайшей работой выхода (Rt, Rh, Pd), которая обуславливает образование области по-ложительного большого заряда (обедненного слоя) в a-Si:H.

При нанесении бесформенного кремния на железную подложку появляется ненужный возможный барьер а-Si:H/металли-ческая подложка, высоту которого нужно уменьшать. Для это-го употребляют подложки из металлов с малой работой выхода (Мо, Ni, Nb). Перед нанесением бесформенного кремния лучше осадить на железной подложке узкий слой (10-30 нм) a-Si:H, легиро-ванный фосфором. Не рекомендуется использовать в качестве ма-териалов электродов просто диффундирующие в бесформенный кремний металлы (к примеру, Аи и AI), также Сu и Аg, так как a-Si:H об-ладает нехороший адгезией к ним. Отметим, что U xx солнечных элемен-тов с барьером Шотки на базе a-Si:H обычно не превосходит 0,6 В.

требуется слой шириной всего в несколько микрон;

Данная задачка решается, если при изготовлении р-i-n-структуры первым сформировывать р-слой (рис.7). Для его сотворения нужно маленькое количество бора (1018 см3), а означает, существенного загрязнения нелегированного слоя не происходит.

В то же время, если первым осаждать n-слой, то наличие остаточного фосфора из-меняет характеристики i-слоя. Формирование p-слоя на поверхности прозрачного проводящего электрода обеспечивает с ним неплохой эле-ктрический контакт. Но толщина р-слоя должна быть мала (10 нм), чтоб основная часть света поглощалась в i-области.

Употребляется и другая р-i-n-структура СЭ на базе a-Si:H с подложкой из железной фольги, а именно из нержавеющей стали. Свет попадает со стороны прозрачного электрода, контакти-рующего с n-областью. В итоге растет плотность тока ко-роткого замыкания благодаря отражающей возможности металли-ческой подложки и наименьшему оптическому поглощению света леги-рованными фосфором пленками a-Si:H (n-область) по сопоставлению с легированными бором р-слоями.

Неувязка с применением рассмотренных р-i-n-элементов в том, что их можно улучшить исключительно в одном измерении. Существенно больше способностей в этом плане предоставляет СЭ с поперечным переходом: на изолирующей подложке перпен-дикулярно к поверхности фор-мируется р-i-n-структура a-Si:H (рис. 8). Таковой СЭ не просит прозрачного проводящего окси-да в качестве контакта и широкозонного р-слоя для сотворения прозрачного оконного слоя, его можно сделать средством стандартных технологий микроэле-ктроники.

Один из более многообещающих материалов для сотворения вы-сокоэффективных солнечных батарей — арсенид галлия.

4) возможность использования топливных частей, реакции окисления водорода и восстановления кислорода воздуха с образованием воды в каких протекают на электродах и приводят к генерации электронного тока, позволяют отлично доставлять и преобразовывать энергию в удачный для употребления электронный вид. Принципиально, что КПД современных топливных частей значительно больше КПД всех энергетических систем, основанных на сжигании горючего, и добивается в текущее время -80%, тогда как КПД дизельных движков 30%.

  • практически безупречная для однопереходных солнечных частей ши-рина нелегальной зоны 1,43 эВ;
  • завышенная способность к поглощению солнечного излучения:

Более высочайшей эффективностью владеют СЭ на базе амоРФ-ного кремния с р-i-n-структурой (рис.6). В этом награда рис. 6 широкой нелегированной i-области a-Si:H, всасывающей существенную до-лю света. Но появляется неувязка — диффузионная длина дырок в a-Si:H очень мала (-100 нм), потому в солнечных элементах на ос-нове a-Si:H носители заряда добиваются электродов в главном только благодаря внутреннему электронному полю, т.е. за счет дрейфа носителей заряда. В СЭ на базе кристаллических полу-проводников носители заряда, имея огромную диффузионную дли ну (100 — Двести мкм), добиваются электродов и в отсутствие элек-трического поля. Так как в ординарном p-n-переходе в a-Si:H область сильного электрическо-го поля очень узка и диффузи-онная длина носителей заряда мала, в большей части СЭ не происходит действенного раз-деления носителей заряда, ге-нерируемых при поглощении света. Как следует, для полу-чения действенных СЭ на осно-ве р-i-n-сруктуры бесформенного ги-дрогенизированного кремния нужно достигнуть во всей А области однородного массивного внутреннего электронного по-ля, достаточного для заслуги длины дрейфа носителей, соизмеримого с размерами области по-глощения (см. рис. 6).

  • высочайшая радиационная стойкость, что вместе с высочайшей эф-фективностью делает этот материал очень привлекатель-ным для использования в галлактических аппаратах;
  • относительная нечувствительность к нагреву батарей на базе
  • GaAs;
  • свойства сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфо-ром либо индием дополняют свойства GaAs, что расширя-ет способности при проектировании СЭ.

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его базе -широкий спектр способностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на базе GaAs может состоять из нескольких слоев различного соста-ва. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять ге-нерацией носителей заряда, что в кремниевых СЭ ограничено до-пустимым уровнем легирования. Обычный СЭ на базе GaAs со-стоит из очень узкого слоя AIGaAs в качестве окна.

ВОДОРОД - горючее XXI ВЕКА

Основной недочет арсенида галлия — высочайшая цена. Для удешевления производства предлагается сформировывать СЭ на более дешевеньких подложках; растить слои GaAs на удаляемых подлож-ках либо подложках неоднократного использования.

ВАХ объясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис. 4), включающая источник тока /ph=SqN0Q, где S — площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q- безразмерный множитель (1), показывающий, какая толика всех сделанных светом электронно-дырочных пар (5%) собирается р-n-переходом. Параллельно источнику тока включен р-n-переход, ток через который равен Is[e4u/kT-1]. р-n-Переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него стремительно растет. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток /.

Очень высока способность к поглощению солнечного из-лучения у диселенида меди и индия ( CulnSe 2 ) — Девяносто девять % света погло-щается в первом микроне этого материала (ширина нелегальной зоны — 1,0 эВ) [4]. Более всераспространенным материалом для производства окна солнечной батареи на базе CulnSe2 является CdS. Время от времени для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Мало галлия в слое CulnSe2 наращивает шири-ну нелегальной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, как следует, увеличению эффективности устройства. Один из главных методов получения CulnSe2 — электрохимиче-ское осаждение из смесей CuS04, ln2(S04)3 и Se02 в деионизо-ванной воде при соотношении компонент Cu:ln:Se как 1:5:3 и рН =1,2-2,0.

Первичные стадии фотосинтеза могут быть рассмотрены как типичный двухтактный электрический фотонасос, осуществляющий под действием 2-ух квантов света перенос 1-го электрона от воды к NADP+. Это определяет необходимость использования в суммарной реакции восьми квантов света для получения одной молекулы кислорода из воды. Такая не самая лучшая исходя из убеждений энергетики восьмиквантовая схема преобразования солнечной энергии в хим является результатом эволюционного развития процесса растительного фотосинтеза, сначало зародившегося как бактериальный. В то же время природный фотосинтез характеризуется уникальной квантовой эффективностью первичных процессов переноса электрона меж донорами и акцепторами в итоге стремительных (

Подобно CulnSe2, лучшие элементы на базе CdTe включа-ют гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова ис-пользуется как позрачный контакт и просветляющее покрытие. Се-рьезная неувязка на пути внедрения CdTe — высочайшее сопротив-ление слоя р-СоТе, что приводит к огромным внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CoTe/ZnTe (рис. 9).

Более ответственный шаг формирования СЭ на осно-ве CdS/CdTe — осаждение по-глощающего слоя CdTe толщи-ной 1,5-6 мкм. Для этого ис-пользуют разные методы: сублимацию/конденсацию, химическое осаждение, трафаретную печать, химичес-кое осаждение из газовой фазы и распыление. Пленки СdТе, по-лученные данными способами, владеют высочайшей подвижностью носителей заряда, а СЭ на их ос-нове — высочайшими значениями КПД, от 10 до 16%.

CuGaSe 2 также очень увлекателен как тонкопленочный элемент солнечных батарей. Благодаря нелегальной зоне шириной 1,68 эВ он употребляется как верхний элемент тандемной солнечной бата-реи с нижним элементом из CulnSe2. Слои CuGaSe2 сформировывают пу-тем поочередного осаждения тепловым испарением тон-ких слоев Ga, Se и Си на поверхность стеклянной подложки, покры-той слоем молибдена шириной Один мкм. Дальше из получен-ной структуры в установке резвого теплового отжига в течение 5 минут при температуре 550°С получают соединение CuGaSe2.

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением неизменной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной свойства (ВАХ):

Посреди СЭ особенное место занимают батареи, использующие орга-нические материалы, А именно, КПД СЭ на базе диоксида титана, покрытого органическим красителем, очень высок —11%. Важно, что подложками в таких элементах могут вы-ступать полимерные пленки.

Термофотовольтаическое создание электроэнергии, т.е. преобразование длинноволнового (термического) излучения средством фотовольтаических ячеек было открыто в Одна тыща девятьсот шестьдесят году и вызыва-ет все больший энтузиазм, в особенности в связи с современными дости-жениями в области сотворения узкозонных полупроводников. В термофотовольтаической ячейке тепло преобразуется в электроэнергию средством селек-тивных эмиттеров из оксидов редкоземельных частей -эрбия и иттербия. Эти вещества поглощают инфракрасное излу-чение и вновь источают его в уз-ком энергетическом спектре. Излучение может быть эффек-тивно преобразовано с помо-щью фотовольтаической ячейки с соответственной шириной за-прещенной зоны. В качестве ма-териала для фотоэлектрической ячейки более всего подходит lnxGa1-xAs,так как он позволя-ет достигнуть нужной шири-ны нелегальной зоны.

Механизм работы элемента основан на фотовозбуждении краси-теля и резвой инжекции электрона в зону проводимости ТiO2. При всем этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электри-ческий ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Потом иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.

Для солнечной батареи на эффекте Шотки употребляют фталоцианин — органический полупроводник р-типа. В нем более завлекают высочайшая фотопроводимость в видимой области спект-ра и тепловая стабильность. Основной недочет — низкое время жизни носителей вследствие огромного числа ловушек. Для увеличения времени жизни фталоцианин легируют фуллеренами либо 2-, 4-, 7-тринитрофлуореноном, создающими акцепторные уровни.

Фуллерены (С60) также очень перспективны для органических солнечных батарей на базе гетероструктур C60/p-Si в связи с их способностью к сильному поглощению в коротковолновой области солнечного диапазона. Поликристаллический фуллерен С60 толщи-ной

1 мкм осаждают на кремниевую подложку в глубочайшем вакууме. Дальше на слой С60 наносят дюралевые контакты. В качестве зад-него контакта употребляется сплав Gaxlny на золотой подложке.

В обычном многопереход-ном солнечном элементе одиночные фотоэле-менты размещены друг за дру-гом таким макаром, что солнеч-ный свет поначалу попадает на элемент с большей шириной нелегальной зоны, при всем этом поглощаются фотоны с наиболь-шей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проника-ют в последующий элемент с наименьшей шириной нелегальной зоны и т.д.

Основное направление исследовательских работ в области каскадных эле-ментов связано с внедрением арсенида галлия в качестве од-ного либо нескольких компонент. Эффективность преобразования схожих СЭ добивается 30 5 %. Не считая того, в каскадных элементах обширно используются бесформенный кремний, сплавы на его базе (a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), также CulnSe2.

В текущее время разрабатываются два типа искусственных фотокаталитических систем: полу-проводниковая и молекулярная. В первом случае в качестве фотокатализатора употребляются полупро-водниковые материалы на базе халькогенидов, фосфидов и арсенидов переходных металлов. По-глощение кванта света приводит к переносу элек-трона меж энергетическими уровнями твердого тела, именуемыми зонами: заполненной зоной и зоной проводимости. Образующиеся за-ряды — электрон (е

Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом случайного спектрального состава, меняется только значение фототока Iр h . Наибольшая мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режи-ме, отмеченном точкой а .

Оценка солнечного теплоснабжения в РФ.

Одной из более на техническом уровне приготовленных к внедрению технологий использования солнечной энер-гии является разработка производства низкопотенци-ального тепла для отопления и жаркого водоснабже-ния. Системы солнечного теплоснабжения (CCT) полу-чили довольно обширное распространение в почти всех странах мира с подходящими климатическими усло-виями (США, Австралия, Израиль и др.). Их суммарная мощность в мире в Одна тыща девятьсот девяносто семь г. достигнула Три 000 МВт [13].

B РФ масштабы внедрения CCT относительно невелики, невзирая на то что к истинному времени разработаны и подготовлены к серийному производству солнечные коллекторы, не уступающие по своим техни-ко-экономическим показателям наилучшим забугорным аналогам [14]. Это разъясняется целым рядом обстоятельств и сначала отсутствием денег у возможных потребителей. Не считая этого, в почти всех случаях принципиальной предпосылкой является недостающая эко-номическая эффективность CCT и их неконкурентоспо-собность с классическими системами теплоснабжения [13]. B РФ эта неувязка стоит в особенности остро в связи с более жестокими (по сопоставлению со странами, внедряю-щими CCT) климатическими критериями и относитель-ной дешевизной органического горючего.

B ряде работ [13,15,16] приведены расчетные показа-тели CCT (удельная выработка энергии, коэффициент замещения нагрузки) для погодных критерий Рос-сии, но вопросам экономической конкурентоспо-собности уделено недостающее внимание. Цель на-стоящей работы — оценка экономической и экологиче-ской эффективности CCT в критериях конкуренпии с классическими энергоисточниками в широком ин-тервале конфигурации более принципиальных характеристик: кли-матических критерий и цен на органическое горючее. Так как эффективность CCT нередко очень сущест-венно находится в зависимости от местной специфичности, изготовлена попытка установить только более общие закономерности и выявить условия, при которых CCT, хотя бы в прин-ципе, могут отыскать применение в текущее время и в перспективе. Потому рассмотрены наилучшие солнеч-ные коллекторы (наибольшая термическая эффектив-ность и малая стоимость), варианты термический схемы с наименьшими потерями, также многообещающие (на период до Две тыщи 10 г.) цены на органическое горючее.

Основной энергетической чертой солнеч-ного коллектора является его КПД, равный отношению вырабатываемой (полезной) энергии к приходящей на его поверхность энергии солнечного излучения [17]

где F R — коэффициент отвода тепла из коллектора; — поглощательная способность пластинки коллектора; — пропускная способность прозрачных покрытий; U L — полный коэффициент теплопотерь коллекто-ра, Вт/(м2*0C); T 1 . — температура воды на входе в коллектор, 0C; T a — температура среды, 0C; I — плотность потока суммарной солнечной радиа-ции в плоскости коллектора, Вт/м2 .указывает, что удельная теплопроизводительность q для наилучшего коллектора находится в интервале 650. Девятьсот кВт*ч/м2 в год (Санкт-Петербург — Сочи; Якутск — юг Забайка-лья) и зависит в главном от годичного прихода солнеч-ной радиации в данной местности на горизонтальную поверхность Q и в наименьшей степени — от рассредотачивания интенсивности радиации и температуры воздуха по ме-сяцам, которые обусловливают только маленький разброс точек относительно аппроксимирующих зависимостей q ( Q ). B последующих расчетах применялась зависимость для наилучшего коллектора (тип 2). Необходимо подчеркнуть, что приобретенные значения q приблизительно на 20 % превосходят теплопроизводительность [15], определенную с учетом утрат CCT из-за неполного использования тепла.

Основной экономической чертой CCT, как и хоть какого энергоисточника, является цена вы-рабатываемой энергии (отношение суммарных дискон-тированных издержек к суммарному дисконтированному отпуску энергии) [18]

где k — удельные финансовложения, дол/м2; — ко-эффициент дисконтирования; — отношение годичных эксплуатационных издержек к финансовложению; T L — срок службы.

Цена энергии представляет собой минималь-ную стоимость энергии CCT, при которой проект окупается к концу срока службы T L , который составляет 10—15 лет. Таковой срок окупаемости довольно велик, в особенности для личного инвестора.

Перспективы развития фотоэлектрических технологий (создание солнечных частей).

Анализ удельной цены разрабатываемых и про-изводимых в текущее время коллекторов [13] пока-зывает, что для забугорных изделий она находится в ин-тервале 290. 500, а российских — 100. Двести 50 дол/м2. Для всей системы солнечного теплоснабжения (с учетом издержек в другие ее элементы — трубопроводы, насосы, теплоноситель, теплообменники, бак-аккумулятор) удельные финансовложения, приведенные к единице площади коллектора, растут, обычно, в 1,5-2раза.

Принимая довольно жизнеутверждающую оценку цены CCT k = l50 дол/м2. также долю эксплуата-ционных издержек д = 0,05, коэффициент дисконтирова-ния у = 0,07 1/год (для многообещающих критерий, предпо-лагающих экономическую стабилизацию и доступ-ность денег для инвестирования проек-та), можно найти цена термический энергии CCT, которая для погодных критерий Рос-сии при сроке окупаемости проекта T0 = 3-15 лет на-ходится в спектре S = 2,6. 9,8 цент/(кВт* ч).

При сравнении цены энергии S с топлив-ной составляющей цены энергии других энергоисточников SF нецелесообразно воспользоваться фактическими русскими данными по цены то-плива вследствие их недостаточной стабильности в на-стоящее время. Более надежной и беспристрастной их оценкой являются значения, приобретенные на базе оп-тимизации многообещающих топливно-энергетических балансов страны для разных сценариев развития энергетики. B истинной работе применен широкий интервал конфигурации цен (от цен самофинансирования до глобальных) по регионам РФ для периода 2006- 2010гг.[19].

Довольно всераспространенный метод учета эколо-гического эффекта НВИЭ — включение в цена энергии, производимой другим энергоисточ-ником на органическом горючем, составляющих, учи-тывающих ее «внешнюю» цена (вред, наноси-мый окружающей среде, здоровью людей, отраслям экономики и т.п.). Получаемые таким макаром оценки, лежат, обычно, в очень широком интерва-ле, что затрудняет получение на их базе определенных выводов. Другой метод — учет издержек, требуемых для обеспечения определенного уровня выбросов вредных веществ в окружающую среду. Расчеты, выпол-ненные с применением десятирегиональной модели мировой энергетической системы GEM-IOR [14], пока-зывают, что для стабилизации выбросов оранжерейных га-зов на уровне Одна тыща девятьсот девяносто г. нужны дополнительные за-траты, которые в Две тыщи 20 5 г. поменяются (зависимо от сценариев наружных критерий развития энергетики) от Шестьдесят до Двести дол/т углерода, выкидываемого в окру-жающую среду в виде CO2. Ориентируясь на эти значе-ния, можно приближенно оценить изменение эффек-тивности CCT при внедрении соответственного налога на органическое горючее для стабилизации выбросо-тепличных газов.

B таблице представлены результаты сравнения цены термический энергии, вырабатываемой CCT, (срок окупаемости 3-15 лет) в 5 регионах РФ (для последних 3-х рассмотрена только их южна» часть) и конкурирующими энергоисточниками — маленькими и средними котельными либо персональными отопительными установками на угле, газе либо мазуте, также системами электроотопления (электроэнергию производит большая ТЭС на угле). Цены на горючее [19] увеличены на 20 % для учета издержек на внутрире-гиональный транспорт. Интервал цены термический энергии определен без учета налога на выбросы, не считая этого установлен малый налог на эмиссию дву-окиси углерода, при котором CCT становятся конку-рентоспособными.

B таблице представлены результаты сравнения цены термический энергии, вырабатываемой CCT, (срок окупаемости 3-15 лет) в 5 регионах РФ (для последних 3-х рассмотрена только их южная часть) и конкурирующими энергоисточниками — маленькими и средними котельными либо персональными отопительными установками на угле, газе либо мазуте, также системами электроотопления (электроэнергию производит большая ТЭС на угле). Цены на горючее [19] увеличены на 20 % для учета издержек на внутрире-гиональный транспорт. Интервал цены термический энергии определен без учета налога на выбросы, не считая этого установлен малый налог на эмиссию дву-окиси углерода, при котором CCT становятся конку-рентоспособными.