Возобновляемые источники энергии

Возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнечного света, гидро- и геотермальная энергия, в мире привлекают больше внимания. Растущий интерес к ним вызван экологическими соображениями, с одной стороны, и ограниченностью обыденных земных ресурсов — с другой. Особое место среди других и возобновляемых источников энергии занимают фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии, исследование которых перевоплотился в отдельное научное направление – фотовольтаику.

но высочайшая стоимость солнечных частей до недавнешнего времени закрывала им путь в области, где без их возможно обойтись. Но времена меняются, и экономически передовые страны в собственных муниципальных программках уже стимулируют общее применение солнечных батарей. Что это — дань моде, транснациональное лоббирование чьих-то интересов или устойчивая тенденция, время которой пришло?

На рис.1 Показано спектральное рассредотачивание интенсивности солнечного излучения в различных критериях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту галлактического корабля), т.Е. При нулевой воздушной массе. Она аппроксимируется рассредотачиванием интенсивности излучения вполне темного тела при температуре 5 тыщ восемьсот К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное рассредотачивание солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле меж Солнцем и зенитом 60°, соответственно. При всем этом полная мощность излучения – соответственно порядка Девятьсот 20 5 и 600 девяносто один Вт/м2. Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце – под углом 45° к горизонту).

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция – каждую секунду на Солнце

6*1011 кг водорода преобразуется в гелий. Недостаток массы при всем этом составляет Четыре тыщи кг, что согласно соотношению Эйнштейна E=mc2 приводит к выделению 4*1020 Дж энергии. Основная часть данной энергии испускается в виде электрического излучения в диапазоне 0,2–3 мкм. Так как полная масса Солнца

Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равном среднему расстоянию меж Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Её величина – Одна тыща триста 50 три Вт/м2. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в главном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, уф-излучения – озоном и рассеяния излучения частичками атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного воздействия на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется “воздушной массой” (АМ). АМ определяется как секанс угла меж Солнцем и зенитом.

Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое поблизости p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и имеющимся в нем электронным полем выносятся в n-область. Аналогично и лишниие дырки, сделанные в n-слое, отчасти переносятся в p-слой (рис. 3А). В конечном итоге n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Понижается исходная контактная разность потенциалов меж p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. 3Б). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному.

U = (kT/q)ln((Iph-I)Is/+1)

где Is– ток насыщения, а Iph – фототок.

ВАХ разъясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис. 5), Включающая источник тока Iph=SqN0Q, где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q – безразмерный множитель (употребляется и другая p-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, контактирующего с n-областью. В конечном итоге вырастает плотность тока недлинного замыкания благодаря отражающей возможности железной подложки и наименьшему оптическому поглощению света легированными фосфором пленками a-Si:H (n-область) по сопоставлению с легированными бором р-слоями.

большая мощность, снимаемая с Один см2, равна

P = Iph*U = x*Iкз*Uхх,

где x – коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики, Iкз – ток недлинного замыкания, Uхх – напряжение холостого хода.

* относительная нечувствительность к нагреву батарей на базе GaAs;

Для действенной работы солнечных частей необходимо соблюдение ряда критерий:

Один из более многообещающих материалов для сотворения высокоэффективных солнечных батарей — арсенид галлия. Это разъясняется таким его чертами, как:

* генерируемые при освещении электроны и дырки должны отлично собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;

* солнечный элемент должен владеть важной высотой барьера в полупроводниковом переходе;

10–15%. Ширина оптической щели данного слоя (1,6 эВ) безупречна для поглощения зеленой области солнечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть спектра, для этого используетсяi-слой

Пока больший КПД экспериментальных частей на базе а-Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (

создание структур на базе монокристаллического кремния, удовлетворяющих данным требованиям, – процесс технологически накладный и трудозатратный. Потому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на базе бесформенного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Бесформенный кремний выступил в качестве более дешевенькой кандидатуры монокристаллическому. 1-ые СЭ на его базе были изготовлены в Одна тыща девятьсот 70 5 году. Оптическое поглощение бесформенного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Потому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н шириной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Не считая того, благодаря имеющимся технологиям получения тонких пленок бесформенного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, подходящих для СЭ на базе монокристаллического кремния. По сопоставлению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на базе a-Si:Н делают при более низких температурах (300°С): можно употреблять дешевенькие стеклянные подложки, что уменьшит расход кремния в 20 раз.

* структура узенькой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и воздействие шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.

Подобно CuInSe2, лучшие элементы на базе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова употребляется как позрачный контакт и просветляющее покрытие. Суровая неувязка на пути внедрения CdTe – высочайшее сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большущим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe (рис. 10).

более простые конструкции СЭ из а-Si:Н были изготовлены на базе структуры сплав – полупроводник (диодик Шотки) (рис. 6). Невзирая на видимую простоту, их реализация достаточно проблематична – железный электрод должен быть прозрачным и равномерным по толщине, а все состояния на границе сплав/а-Si:Н – размеренными во времени. Чаще всего солнечные элементы на базе а-Si:Н сформировывают на ленте из нержавеющей стали или на стеклянных подложках, покрытых проводящим слоем.

При использовании стеклянных подложек на их наносят прозрачную для света проводящую оксидную пленку (ТСО) из SnO2, In2O3 или SnO2+In2O3 (ITO), что позволяет освещать элемент через стекло. Так как у нелегированного слоя электрическая проводимость выражена слабо, барьер Шотки создается за счет осаждения железных пленок с высочайшей работой выхода (Pt, Rh, Pd), которая обуславливает образование области положительного огромного заряда (обедненного слоя) в а-Si:Н.

При нанесении бесформенного кремния на железную подложку возникает ненужный вероятный барьер а-Si:Н/железная подложка, высоту которого необходимо уменьшать. Для этого употребляют подложки из металлов с малой работой выхода (Mo, Ni, Nb). Перед нанесением бесформенного кремния лучше осадить на железной подложке узенький слой (10–30 нм) а-Si:Н, легированный фосфором. Не рекомендуется употреблять в качестве материалов электродов просто диффундирующие в бесформенный кремний сплавы (например, Au и Al), также Cu и Ag, так как а-Si:Н обладает плохой адгезией к ним. Отметим, что Uxx солнечных частей с барьером Шотки на базе а-Si:Н обычно не превосходит 0,6 В.

Возобновляемые источники энергии

Более высочайшей эффективностью обладают СЭ на базе бесформенного кремния с p-i-n-структурой (рис.7). В этом “заслуга” широкой нелегированной i-области a-Si:H, всасывающей существенную долю света. Но появляется неувязка – диффузионная длина дырок в a-Si:H совершенно мала (

100 нм), потому в солнечных элементах на базе 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 полупроводников носители заряда, имея гигантскую диффузионную длину (100 – Двести мкм), добиваются электродов и в отсутствие электронного поля. Так как в ординарном p-n-переходе в a-Si:H область массивного электронного поля совершенно узка и диффузионная длина носителей заряда мала, в большей части СЭ не происходит действенного разделения носителей заряда, генерируемых при поглощении света. Как следует, для получения действенных СЭ на базе p-i-n-сруктуры бесформенного гидрогенизированного кремния необходимо достигнуть во всей i-области однородного громоздкого внутреннего электронного поля, достаточного для награды длины дрейфа носителей, соизмеримого с размерами области поглощения (см. Рис. 7).

Данная задача решается, если при изготовлении p-i-n-структуры первым сформировывать p-слой (рис.8). Для его сотворения необходимо малеханькое количество бора. В то же время, если первым осаждать n-слой, то наличие остаточного фосфора изменяет свойства i-слоя. Формирование p-слоя на поверхности прозрачного проводящего электрода обеспечивает с ним неплохой электронный контакт. Но толщина p-слоя должна быть мала (10 нм), чтобы основная часть света поглощалась в i-области.

Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом случайного спектрального состава, изменяется только значение фототока Iph. Большая мощность отбирается в этом случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а.

Неувязка с применением рассмотренных p-i-n-частей в том, что их можно сделать лучше только в одном измерении. Значительно больше способностей в этом плане предоставляет СЭ с поперечным переходом [4]: на изолирующей подложке перпендикулярно к поверхности формируется p-i-n-структура a-Si:H (рис. 9). Такой СЭ не просит прозрачного проводящего оксида в качестве контакта и широкозонного p-слоя для сотворения прозрачного оконного слоя, его можно сделать средством обыденных технологий микроэлектроники.

* оптический коэффициент поглощения (a) активного слоя полупроводника должен быть достаточно не малым, чтобы обеспечить поглощение важной части энергии солнечного света в границах толщины слоя;

* фактически безупречная для однопереходных солнечных частей ширина нелегальной зоны 1,43 эВ;

* завышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой шириной всего в несколько микрон;

* высочайшая радиационная стойкость, что совместно с высочайшей эффективностью делает этот материал очень симпатичным для использования в галлактических аппаратах;

трудности нахождения и использования конструкций и материалов для солнечных частей

* характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании СЭ

основное достоинство арсенида галлия и сплавов на его базе —широкий диапазон способностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на базе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых СЭ ограничено допустимым уровнем легирования. Обыденный СЭ на базе GaAs состоит из совершенно узенького слоя AlGaAs в качестве окна.

Основной недостаток арсенида галлия – высочайшая стоимость. Для удешевления производства предлагается сформировывать СЭ на более дешевеньких подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках неоднократного использования.

Поликристаллические тонкие пленки также очень перспективны для солнечной энергетики.

Очень высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – Девяносто девять % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина нелегальной зоны – 1,0 эВ) [2,5]. более всераспространенным материалом для производства окна солнечной батареи на базе CuInSe2 является CdS. Временами для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Некординально галлия в слое CuInSe2 наращивает ширину нелегальной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, как следует, повышению эффективности устройства. Один из основных методов получения CuInSe2 — химическое осаждение из смесей CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонент Cu:In:Se как 1:5:3 и pH »1,2–2,0.

Очередной многообещающий материал для фотовольтаики — теллурид кадмия (CdTe). У него фактически безупречная ширина нелегальной зоны (1,44 эВ) и совершенно высочайшая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Не считая того, технологически несложно получать различные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для сотворения слоев с данными свойствами.

Более ответственный шаг формирования СЭ на базе CdS/CdTe – осаждение всасывающего слоя CdTe шириной 1,5–6 мкм. Для этого употребляют различные способы: сублимацию/конденсацию, химическое осаждение, трафаретную печать, хим осаждение из газовой фазы и распыление. Пленки CdTe, приобретенные данными методами, обладают высочайшей подвижностью носителей заряда, а СЭ на их базе – высочайшими значениями КПД, от 10 до 16%.

CuGaSe2 также очень увлекателен как тонкопленочный элемент солнечных батарей. Благодаря нелегальной зоне шириной 1,68 эВ он употребляется как верхний элемент тандемной солнечной батареи с нижним элементом из CuInSe2. Слои CuGaSe2 сформировывают способом поочередного осаждения тепловым испарением тонких слоев Ga, Se и Cu на поверхность стеклянной подложки, покрытой слоем молибдена шириной Один мкм (рис.11). Дальше из приобретенной структуры в установке резвого теплового отжига в течение 5 минут при температуре 550°С получают соединение CuGaSe2.

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 является Cu2ZnSnS4. Его основное достоинство в том, что входящие в него составляющие широко всераспространены в природе и нетоксичны. Но пока достигнута эффективность преобразования всего в 2,3% при использовании гетероперехода Cu2ZnSnS4 и CdS/ZnO.

11 %. принципиально, что подложками в таких элементах могут выступать полимерные пленки.

база СЭ данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органического красителя, обычно – цис-(NCS)2бис(4,4’-дикарбокси-2,2’бипиридин)-рутением (II) (рис.12). Фотоэлектрод такого устройства представляет собой нанопористую пленку TiO2 шириной Один мкм, осажденную на ТСО на стекле. Отражающим электродом служит узенький слой Pt, осажденный на TCO на стекле. Место меж 2-мя электродами заполняют электролитом, обычно содержащим иодид/трииодид.

Механизм работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2. При всем этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электронный ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Позже иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.

Для солнечной батареи на эффекте Шотки употребляют фталоцианин – органический полупроводник p-типа. В нем более привлекают высочайшая фотопроводимость в видимой области спектра и тепловая стабильность. Основной недостаток – низкое время жизни носителей вследствие большущего числа ловушек. Для увеличения времени жизни фталоцианин легируют фуллеренами или 2-, 4-, 7-тринитрофлуореноном, создающими акцепторные уровни.

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

1 мкм осаждают на кремниевую подложку в глубочайшем вакууме. Дальше на слой С60 наносят дюралевые контакты. В качестве заднего контакта употребляется сплав GaxIny на золотой подложке.

Термофотовольтаическое создание электроэнергии, т.Е. Преобразование длинноволнового (термического) излучения средством фотовольтаических ячеек было открыто в Одна тыща девятьсот шестьдесят году и вызывает все больший интерес, в особенности в связи с современными достижениями в области сотворения узкозонных полупроводников. В термофотовольтаической ячейке (рис.13) Тепло преобразуется в электроэнергию средством селективных эмиттеров из оксидов редкоземельных частей – эрбия и иттербия. Эти вещества поглощают инфракрасное излучение и вновь источают его в узком энергетическом диапазоне. Излучение может быть отлично преобразовано при помощи фотовольтаической ячейки с соответственной шириной нелегальной зоны. В качестве материала для фотоэлектрической ячейки более всего подходит InxGa1-xAs, так как он позволяет достигнуть подходящей ширины нелегальной зоны.

Каскадные солнечные элементы

большая часть современных СЭ обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине нелегальной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины нелегальной зоны, а фотоны наименьшей энергии не употребляются. Преодолеть это ограничение позвляют мультислойные структуры из 2-ух и поболее СЭ с различной шириной нелегальной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Так как они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у их выше.

В обыкновенном многопереходном солнечном элементе (рис.14) Одиночные фотоэлементы размещены вереницей таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с большей шириной нелегальной зоны, при всем этом поглощаются фотоны с большей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны попадают в последующий элемент с наименьшей шириной нелегальной зоны и т.Д.

Основное направление исследовательских работ в области каскадных частей связано с внедрением арсенида галлия в качестве 1-го или нескольких компонент. Эффективность преобразования похожих СЭ добивается 30 5 %. не считая того в каскадных элементах широко употребляются бесформенный кремний, сплавы на его базе: (a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), также CuInSe2.

Очень перспективны каскадные батареи, состоящие из 3-х частей с различной шириной нелегальной зоны (рис.16). Верхний слой, всасывающий коротковолновую область солнечного спектра, сформирован из сплава на базе a-Si:H с шириной оптической щели 1,8 эВ. Для серединного элемента в качестве слоя i-типа применен сплав a-SiGe:H с содержанием германия

* полное сопротивление, включенное поочередно с солнечным элементом (исключая сопротивление перегрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить утраты мощности (джоулево тепло) в процессе работы;

a-SiGe:H с концентрацией германия 40–50%. Непоглощенный свет отражается от заднего контакта на базе Ag/ZnO. Все три элемента каскадной солнечной батареи соединены меж собой сильнолегированными слоями, образующими туннельные переходы меж примыкающими элементами.

Теги: