1 АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ НАВЕДЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ
1.1 Физические основы фотоэффекта
Фотоэлектрический эффект или фотоэффект – испускание электронов веществом под действием света (или любого другого электромагнитного излучения).
Процесс преобразования солнечной энергии в электрическую энергию основан на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечных излучении.
Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p – n переходов) или путем соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрошенной зоны – энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счет изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещенной зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.
Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом[1].
1.2 Типы фотоэлементов и принципы их работы
Фотоэлемент – это электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века. Солнечные элементы изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Фотоэлементы, как правило, выполняются из полупроводниковых материалов соединенных между собой, образуя потенциальный барьер. Их работа основана на явлении p-n перехода возникающего под воздействием солнечного излучения. Фотоны, попадая на фотоэлемент в зону полупроводника с большей шириной запрещенной зоны, «выбивает» электроны, которые начинают движение к зоне N, а затем пройдя через цепь (нагрузку) связываются с положительными зарядами (дырками). В результате движения электронов образуется разность потенциалов, или напряжение.
Большая часть из коммерческий выпускаемых в настоящее время солнечных элементов (СЭ) изготавливается из кремния (химический символ Si). Фотоэлементы являются ключевым звеном в создании солнечных батарей. Как правило, солнечные батареи состоят из кремния с различной степенью кристаллизации. Поэтому, глядя на отдельные ячейки фотоэлементов солнечной батареи можно увидеть, что они имеют различные цвета и оттенки. Некоторые элементы имеют расцветки от темно-синего до черного, другие, голубые с частичками кристаллов и т.д. Цвет ячейки зависит от технологии производства и используемого материала.
СЭ может быть следующих типов:
- монокристаллический;
- поликристаллический;
- аморфный.
Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле.
1.2.1 Монокристалические солнечные элементы
Солнечные панели из монокристаллических фотоэлектрических элементов более эффективны, но и более дороги в пересчете на ватт мощности. Их КПД, как правило, в диапазоне 14-16%. Обычно монокристаллические элементы имеют форму многоугольников, которыми трудно заполнить всю площадь панели без остатка. В результате удельная мощность солнечной батареи несколько ниже, чем удельная мощность отдельного ее элемента.
Рисунок 1.2 Монокристалический солнечный элемент
1.2.2 Поликристаллические солнечные элементы
Солнечные панели из поликристаллических фотоэлектрических элементов наиболее распространены ввиду оптимального соотношения цены и КПД среди всех разновидностей панелей. Производство поликристаллического кремния происходит при медленном охлаждении кремниевого расплава. Эти элементы характеризуются эффективностью в диапазоне 14-18%. Меньшее значение КПД объясняется наличием внутри кристалла поликристаллического кремния областей, отделенных зернистыми границами, которые препятствуют более высокой производительности элементов. Однако цена таких элементов ниже. Обычно поликристаллические фотоэлементы обладают синим цветом с четко выраженными кристаллами кремния.
Фотоэлемент на основе поликристаллического кремния показан на рисунке 1.
Рисунок 1 Фотоэлемент на основе поликристаллического кремния
1.2.3 Аморфные солнечные элементы
Солнечные элементы из аморфного кремния представляют собой тончайшие слои кремния, полученные путем напыления в вакууме на стекло, пластик или фольгу из высококачественного металла. КПД солнечной панели на основе аморфного кремния составляет всего 5-6 %, что вызвано более быстрым, чем у кристаллических видов, выгоранием слоев кремния под воздействием солнечной радиации. Поэтому эффективность солнечных батарей на основе аморфного кремния уже через два месяца эксплуатации снижается почти на 20%, а через год-полтора батарея может совсем выйти из строя.
Внешне панель из аморфного кремния выглядит блекло-сероватой.
Производство элементов из аморфного кремния является безотходным, что существенно уменьшает их стоимость. Несмотря на низкий КПД, элементы из аморфного кремния способны более эффективно использовать рассеянный солнечный свет, а при нагреве элементов выход электроэнергии больше, чем у кристаллических в аналогичных условиях.
Исходным материалом для производства кремниевых аморфных фотоэлементов является силан (SiH4), так называемый кремневодород, который наносится на материал подложки. Слой нанесенного кремния в 100 раз тоньше кристаллического кремниевого фотоэлемента.
В сравнении с кристаллическими кремниевыми элементами аморфные обладают рядом преимуществ, одним из которых является возможность и сравнительная простота создания элементов большой площади (более 1 м) при более низких температурах осаждения, а также наличие специфических полупроводниковых свойств, которыми можно управлять для получения требуемых характеристик, подбирая оптимальные комбинации компонентов пленки.
Рисунок 1.2.3 Аморфная солнечная батарея
1.3Виды фотоэлементов
Для эффективной работы фотоэлементов необходимо соблюдение ряда условий:
- оптический коэффициент поглощения (а) активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;
- солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;
- генерируемые при освещенииэлектроны и дырки должны эффективно собиратся на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;
- полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должны малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;
- структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной облости солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.
1.4 Фотоэлементы первого поколения
Рабочим элементом этих ячеек являются пластины монокристаллического илимультикристаллического кремния. Фотоэлементы этого типа составляют более 80% всехфотоэлементов. Монокристаллические пластины получают, разрезая слитки монокристалловкремния, выращенных методом плавающей зоны, или методом Чохральского.Мультикристаллические пластины получают, разрезая поликристаллические слиткикремния, полученные при направленной кристаллизации в тигле.
Эти пластины состоят из ориентированных монокристаллов кремния размером отнескольких миллиметров до сантиметра и более. Пластины нарезают механическимспособом или лазером. Толщина пластин составляет 200-300 мкм. Кремниевые солнечныеэлементы с рекордной эффективностью фотопреобразования в 24,7% выполнены на основемонокристаллического кремния, выращенного методом плавающей зоны. Используямонокристаллический кремний, выращенный методом Чохральского, который существеннодешевле, чем монокристаллический кремний, полученный методом плавающей зоны,компания Sanyo (Япония) освоила промышленное производство солнечных панелей сосредней эффективностью ~20%, а на элементах размером ~100 см2 была достигнута
эффективность в 21,5%. Особенностью этих элементов является наличие дополнительныхслоевширокозонного полупроводника (в случае элементов Sanyo - это аморфный кремний,осажденный методом PECVD) с обеих сторон кремниевой пластины, что повышает ихэффективность.
За последние 30-40 лет были разработаны более 20 технологий, направленных наснижение потерь кремния при производстве пластин кремния из слитков. В частности,
разработан метод роста восьмигранных слитков кремния (вместо круглых), основанный навытягивании слитков из расплава при помощи восьмигранной графитовой фильеры. Тонкиевосьмигранные листы кремния, нарезанные из таких слитков, позволяют их плотнуюукладку при производстве модулей без потерь кремния на придание им такой рациональнойформы. Также разработаны малоотходные технологии резки слитков, в частности, резка
проволочной пилой, позволяющая уменьшить ширину реза и получать листы кремниятолщиной до 100 мкм. В настоящее время широко используется лазерная резка,позволяющая повысить производительность процесса. Другой способ, позволяющий болееэффективно использовать монокристаллический кремний, состоит в том, что слитокразрезают на прямоугольные пластины толщиной 1-2 мм, которые, используя технику
микромашинной резки, нарезают на пластинки толщиной ~50 мкм, шириной соответственно1-2 мм и длиной до 10 см.
К элементам первого поколения можно отнести и элементы, использующие толстые(~100-300 мкм) листы кремния, полученные «бесслитковым» способом прямо из расплавакремния. В соответствии с одним способом, называемым «полоса со струнами»(theStringRibbonprocess), две струны (натянутых волокна) из высокотемпературногодиэлектрического материала протягиваются через маленькие отверстия в дне графитовоготигля с расплавом кремния. Струны ограничивают полоску кремния, стабилизируют ее крайи позволяют проводить непрерывное вытягивание полоски из расплава при постоянномпополнении кремния в тигле. Обычно ширина полоски составляет около 8 см, а толщина100-150 мкм. Одновременно из одного тигля можно вытягивать несколько полосок. Струнысохраняются в полоске на протяжении всего процесса изготовления солнечного модуля.Качество получаемого кремния аналогично мультикристаллическому материалу и позволяетпроизводить модули с эффективностью 14%. В соответствии с другим способом черезрасплав кремния протягивается лента из графитовой фольги, на обеих сторонах которойкристаллизуется кремний. После обрезания края ленты ее нарезают на листы необходимогоразмера и проводят их термоокислительную обработку, в результате которой графитвыгорает и от каждой заготовки остаются два листа кремния толщиной ~150 мкм. Этотспособ отличается высокой производительностью. Также широко применяется способ,состоящий в плавлении порошка или гранул кремния на высокотемпературных подложках споследующей кристаллизацией; листы кремния отделяют от подложек, которыеиспользуются многократно. Скорость процесса 3 м/мин при ширине ленты 20 см и более,толщина ленты не более 1 мм. Ленты состоят из столбчатых кристаллов, прорастающих на
всю толщину ленты и имеющих размер около миллиметра. Способ отличается простотой иочень большой производительностью, но модули, изготовляемые из такого материала, имеютэффективность только около 9%.
1.5 Фотоэлементы второго поколения
Рабочим элементом этих ячеек являются тонкие пленки полупроводников как неорганических, так и органических.
1.5.1 Фотоэлементы на основе аморфного кремния
Тонкие пленки аморфного кремния наиболее часто получают методом осаждения изпаровой фазы с использованием плазмы (PECVD). В качестве источника кремнияиспользуют силан или его производные. Температура осаждения 250-400оС, что позволяетиспользовать в качестве подложек не только металлические ленты, но также стекло и дажеполимерные пленки. В случае гибких подложек, таких как металлические или полимерныеленты, осаждение может проводиться в непрерывном процессе при протяжке ленты-
подложки через реактор. Эта технология отличается высокой производительностью, апленки – соответственно низкой стоимостью.
Аморфный кремний всегда содержит водород в количестве от 5 до 20 ат. %, которыйблокирует оборванные связи кремния, поэтому он является гидрогенизированной формойкремния. Гидрогенизированный аморфный кремний (aSi:H) является прямозоннымполупроводником с шириной запрещенной зоны 1,7 эВ и высоким коэффициентомоптического поглощения (α>105 cm-1 для фотонов с энергией Е>1,7 эВ). Это означает, что
пленка толщиной всего несколько микрон поглотит большую часть солнечного излучения.При легировании пленки аморфного кремния германием ширина запрещенной зоныуменьшается, а при добавлении углерода – увеличивается. Это позволяет создаватьсолнечные элементы с двумя или тремя гетеропереходами, перекрывающими практическивесь солнечный спектр. Эффективность фотопреобразования таких элементов достигает12%. Недостатком является деградация физических свойств элемента под действиемсолнечного излучения – эффект Штеблера-Вронского (theStaebler-Wronskieffect). Чтобыповысить стабильность свойств фотоэлементов в качестве полупроводника используют неаморфный кремний, но двухфазный материал, содержащий включения микро или нано
кристаллов кремния в аморфной матрице, который известен как микрокристаллический илинанокристаллический кремний. Такой материал получается при добавлении водорода вреакционную смесь. При высоком содержании кристаллической фазы свойства материалавсе больше соответствуют свойствам мультикристаллического кремния. Помимо ячеек наоснове двухфазного материала разрабатываются гибридные ячейки: аморфныйSi/микрокристаллический (нанокристаллический) Si, которые в литературе называют«микро-морфные» устройства. Эти устройства обладают более высокой эффективностью истабильностью, чем устройства на основе только аморфного кремния. Следует отметить, чтопленки аморфного кремния нашли и другое применение – в качестве пассивирующегопокрытия пластин монокристаллического кремния модулей первого поколения. Такоепокрытие снижает поверхностную рекомбинацию носителей заряда на два порядка, чтоприводит к существенному повышению эффективности фотопреобразования. Эти элементыразработаны компанией Sanyo (Япония) и получили название «гетеропереходы свнутреннимтонкимслоем» ("HeterojunctionwithIntrinsicThinlayer - HIT). Компания Sanyoналадила промышленный выпуск модулей на основе HIT-структуры с эффективностьюпреобразования 21,5%.
1.5.2 Фотоэлементы на основе кристаллических пленок кремния
Материалом альтернативным и монокристаллическому, и аморфному кремниюявляются поликристаллические пленки кремния. Поликристаллический Si устойчив квоздействию солнечного излучения аналогично монокристаллическому материалу и приэтом обеспечивает более высокую эффективность фотопреобразования, чем аморфныйкремний. Благодаря высокой электропроводности кремния фотоэлементы на основе
поликристаллического материала не требуют применения прозрачного электрода. Однако втаких элементах необходимо использовать светопоглощающий слой, поскольку оптическоепоглощение в поликристаллическом кремнии намного меньше, чем в аморфном.Электрические свойства поликристаллического кремния, в частности время жизни носителейзаряда, определяющие эффективность фотопреобразования, зависят от размера и ориентациикристаллитов. В настоящее время разработано несколько способов производстваполикристаллических пленок кремния, например, химическое осаждение из паровой фазы cиспользованием горячего филамента (hot-wire CVD), или газотранспортный метод сиспользованием йода. Оба метода обладают высокой скоростью осаждения – до 3 мкм/мин,однако второй метод имеет некоторые преимущества: он работает при атмосферномдавлении и позволяет получать крупнокристаллические пленки с размером кристаллитов 5-20 мкм. Еще один метод получения поликристаллических пленок кремния – индуцированная
металлами кристаллизация аморфной пленки кремния. В отличие от первых двух методов,когда поликристаллические пленки получаются прямо в процессе осаждения, в этом методепроисходит кристаллизация аморфной пленки в результате ее контакта с металлом, которыйускоряет кристаллизацию. Типично процесс проводят при температурах 450-600оС и
времени от 10 до 70 часов. (Средняя скорость распространения фронта кристаллизациисоставляет 2-3 мкм/ч при 550оС.) Оказывается, что скорость кристаллизации можноувеличить, если процесс проводить в постоянном электрическом поле умереннойнапряженности. Например, при напряженности поля 80 В/см время кристаллизации при5000С составляет всего 10 мин.
Эффект индуцирования кристаллизации аморфного кремния присущ многимметаллам. Эти металлы условно разделяют на две группы: образующие эвтектику скремнием (например:Al, Au, Ag) и образующие силициды (например: Ni, Pd). Наиболееинтенсивно изучаются такие инициаторы кристаллизации, как Al и Ni, поскольку онишироко применяются в технологии полупроводниковых устройств. Несмотря на то, чтоэффект индуцирования кристаллизации известен около 40 лет, его механизм остается еще вомногом непонятным. Метод индуцированной кристаллизации позволяет получить пленкикремния высокого совершенства, состоящие из больших кристаллитов вплоть до 100 мкм впоперечнике, при этом в ряде случаев получаются текстурированные пленки кремния.
Кроме этого метода в настоящее время разрабатываются специальные методы,позволяющие получать текстурированные пленки кремния и германия: осаждение нанаклонную подложку (InclinedSurfaceDeposition- ISD), осаждение в присутствии пучка ионоввысокой энергии, направленного под определенным углом к подложке(IonBeamAssistedDeposition - IBAD), осаждение на металлическую подложку с биаксиальнойтекстурой. Первые два метода отличаются универсальностью и позволяют формироватьтекстурированные пленки различных материалов практически на любых, в том числеполикристаллических и аморфных, подложках. Недостатками этих методов являются ихбольшая энергозатратность и необходимость использования высокого вакуума, что делаетзатруднительным промышленное масштабирование этих технологий. Третий метод ужешироко используется для формирования текстурированных пленок YBa2Cu3Ox. Высокоориентированные пленки германия также были получены на биаксиально текстурированныхметаллических лентах. Это позволило создать солнечный модуль на основе тонких пленоксоединений III-V групп с эффективностью 30%. По этой технологии в 2008 году в США
организовано промышленное производство солнечных модулей (компания Wakonda).
1.5.3 Фотоэлементы на основе кристаллических пленок CdTe
Теллурид кадмия является одним из перспективных материалов для производствавысокоэффективных и дешевых солнечных модулей. Этот материал является прямозоннымполупроводником с большим коэффициентом оптического поглощения (~105 см-1) ввидимом диапазоне и имеет почти идеальную ширину запрещенной зоны (1,5 эВ) для ячеек содним переходом. Благодаря этому пленка CdTe толщиной всего несколько микронпоглощает ~90% солнечного излучения. В настоящее время разработаны разнообразныепромышленно эффективные технологии получения пленок CdTe, такие как сублимация,осаждение из аэрозоля или «мокрая» печать, рост из раствора, электроосаждение, различныефизические методы испарения/осаждения. Все эти методы позволяют получать пленки CdTeбольшой площади с большой скоростью осаждения: ~1 м2/мин. Рекордная эффективностьячейки на основе CdTe составляет 16,5%, модуля коммерческого размера –11%; а типичныекоммерческие модули имеют эффективность 7–9%.
Ячейка на основе CdTe состоит из стеклянной подложки с нанесенным слоемпрозрачного проводника (SnO2:F, In2O3 или Zn2SnO4), затем n-CdS (<100 нм), далее p-CdTe(1-3 мкм), поверх которого наносится металлический электрод (Ni-Al). Свойства этих ячеекне сильно зависят от вариаций технологических параметров получения пленок, что удобнодля промышленного производства. Критическими аспектами технологии являютсярекристаллизация пленок CdTe с использованием CdCl2 в качестве флюса, а такжепредотвращение диффузии Ni в пленку СdTe при формировании металлического электрода(для этого в состав электрода вводят небольшое количество меди).
Основными недостатками этих фотоэлементов являются экологические имедицинские проблемы, связанные с вредным влиянием кадмия. Однако проведенныеисследования показывают, что все требования безопасного производства и утилизации этихфотоэлементов могут быть соблюдены при вполне умеренных затратах.
1.5.4 Фотоэлементы на основе кристаллических пленок CuInSe2 (CIS)
CuInSe2 является еще одним перспективным материалом для солнечных элементов.Современный рекорд эффективности для лабораторных устройств на основе CIS сдобавлением Ga составляет 19,5%, что превышает эффективность элементов наполикристаллическом кремнии. Модули коммерческого размера имеют эффективность более13%. Типичная структура ячейки на основе CIS состоит из подложки (натриево-кальциево-
силикатное стекло, или гибкая подложка из нержавеющей стали или полиимида), на которуюнанесен Мо (1 мкм; осаждается при комнатной температуре), затем слой Cu(In-Ga)Se2 (~1мкм), затем CdS (~70 нм), поверх которого наносится прозрачная проводящая пленка ZnO(~350 нм). Были также изготовлены ячейки с эффективностью 18,6%, не содержащие кадмия,
в которых CdSзаменен на ZnS. Для получения крупнокристаллических пленок CIGSвысокого совершенства на разных этапах их синтеза варьируют стехиометрию по меди ииндию. Одним из ключевых аспектов технологии является присутствие натрия, для чегоиспользуют Na-содержащее стекло или натрий вводят дополнительно в виде различныхсолей в случае использования металлических или полимерных подложек. Недостатком этих
устройств является сложность получения высококачественных пленок CIGS, обусловленнаясложностью фазовой диаграммы этого четверного соединения, а также деградация свойств врезультате атмосферного влияния. Для повышения надежности и ресурса работыфотоэлементов на основе пленок CIGS необходимо понять механизмы деградации ихсвойств и разработать эффективную технологию их герметизации для длительного
использования в условиях атмосферы.
1.5.5 Фотоэлементы на основе кристаллических пленок III-V групп
Полупроводниковые материалы на основе соединений групп III (Al, Ga, In) и V (N, P, As, Sb) известны с 1950 года, а в начале 1960-х годов были созданы и первые фотоэлементына основе арсенида галлия, которые тут же нашли применение в космических исследованияхблагодаря устойчивости к космическому излучению и высокой эффективностифотопреобразования. Из всех соединений групп III-V наиболее широко применяются InP иGaAs, поскольку они имеют почти идеальную ширину запрещенной зоны в 1,4 эВ.
Наибольшая эффективность на структурах с одним переходом была достигнута натонкопленочных устройствах, сформированных методом газофазной эпитаксии: 25,8% дляGaAs и 21,9% для InP.
Недостатком устройств на пленках соединений III-V групп является высокаястоимость подложек, обеспечивающих эпитаксиальный рост этих материалов. Кроме этого,эффективность фотопреобразования пленок очень чувствительна к примесям и структурнымдефектам, что не позволяет упростить технологию их осаждения и снизить стоимостьпроизводства ячеек. Выход их этой ситуации: использовать ячейки с несколькимипереходами, обеспечивающими более полное поглощение солнечного спектра, а такжеиспользовать концентрирование солнечной энергии с большой площади на небольшойфотоэлемент. В этом случае вместо дорогостоящего фотоэлемента используетсясущественно более дешевое концентрирующее устройство, например, линза Френеля. Врезультате стоимость фотоэлемента снижается пропорционально степени концентрированиясолнечного излучения. Современный рекорд эффективности фотопреобразования,достигнутый на структуре с тремя переходами при концентрировании в 364 раза, составляет41,6%. Увеличение количества гетеропереходов больше 3 приводит к значительномуудорожанию фотоэлемента, поэтому основной рынок для высокоэффективных устройств счетырьмя и более гетеропереходами –аэрокосмическая промышленность.
1.5.6 Фотоэлементы на основе органических материалов
В последнее время солнечные элементы на основе органических материаловвызывают все больший интерес как исследователей, так и компаний, производящихсолнечные элементы. Это связано с постоянным ростом эффективности этих устройств. Такв декабре 2009 года компания Solarmer (США) сообщила о фотоэффективности в 7,9%, а ужев июле 2010 года эта же компания заявила о новом рекорде в 8,13%. Несмотря на то, что
эффективность фотопреобразования органических фотоэлементов выглядит довольноскромно по сравнению с неорганическими фотоэлементами, однако эти устройства обладаютцелым рядом положительных свойств, благодаря которым они составляют реальнуюконкуренцию неорганическим элементам. К этим свойствам относятся малый расход инизкая стоимость материалов, их экологическая безопасность и дешевая утилизация, оченьнизкая стоимость производства, гибкость модулей и связанное с этим удобствотранспортировки и монтажа. Благодаря этому компания Solarmer заявила, что в ближайшеевремя она достигнет стоимости электроэнергии, производимой органическими элементами, в350,12-0,15 $/кВт·ч или <1$/Вт, что соответствует лучшим образцам неорганическихтонкопленочных фотоэлементов второго поколения.
Органические полупроводники могут быть как мономерами, например, красители, таки полимерами. Допирование органических полупроводников может быть осуществленовведением посторонних атомов или молекул. Например, р-типа полупроводники получаютвводя галогены, нитрогруппу, органические молекулы, такие как 2,4,7-тирнитрофлуоренонили орто-хлоранил, а также полупроводники с большим сродством к электрону: фуллеренили диамидпирилена. n-типа проводимость можно получить вводя щелочные металлы илиполупроводники с низким потенциалом ионизации.
Простейшей архитектурой для полимерного фотоэлемента является планарнаягетероструктура, в которой на пленку фотоактивного полимера (донор) наносится пленкаэлектронного акцептора, на которые с двух сторон наносятся электроды. В настоящее времяв качестве фотоактивного материала используются полимеры с сопряженными С-С связями,модифицированные фуллеренами. В полимерных полупроводниках, в отличие отнеорганических полупроводников, поглощенный фотон генерирует экситон, т.е. электрон-дырочную пару, связанную кулоновскими силами. Эта электронейтральная квазичастицадиффундирует к донорно-акцепторной границе, где происходит ее диссоциация насвободные электрон и дырку, дающие вклад в фототок. Типичная длина диффузии экситоновв органических полупроводниках составляет 1-10 нм. Такой же толщины должна быть ипленка фотоактивного полимера, однако при такой толщине эта пленка имеет очень низкийкоэффициент оптического поглощения. Одним из способов решения этой парадигмыявляется использование объемных гетеропереходов, когда донорный и акцепторныйматериалы образуют фазово-разделенную систему, например, при расслоении раствора
полимеров или при деполимеризации раствора блоксополимера с последующейполимеризацией двух фаз из составляющих его мономерных блоков, например, приупорядочении раствора блоксополимеров. Варьируя материалы, растворители, ихконцентрации и условия процесса, можно получать взаимопроникающие системы фаз схарактерным размером 1-10 нм. Другим решением является созданиеупорядоченныхгетероструктур. Наиболее часто эта концепция реализуется в так называемыхгибридных, т.е. органических/неорганических структурах, например, когда фотоактивный
полимер заполняет поры TiO2, или наночастицы кремния заполняют полимерную матрицу,образуя перколяционную систему, или структуру из наностержнейInP, выращенных напроводящей подложке, заполняют полимером.
Недостатком фотоэлементов на основе органических материалов, помимо невысокойэффективности фотопреобразования, является проблема стабильности свойств, присущаясопряженным полимерам.
1.5.7 Фотоэлементы на красителях
Фотоэлементы на красителях также принадлежат к тонкопленочным солнечнымэлементам. Этот тип фотоэлементов был изобретен в 1991 году швейцарским ученымГретцелем (Grätzel), и поэтому их еще называются «ячейка Гретцела». Первая ячейкаГретцела состояла из анода (толщиной 10 мкм) в виде высокопористогонанокристаллического диоксида титана, поверхность которого покрыта мономолекулярнымслоем красителя и который был сформирован на стеклянной подложке, покрытой слоемпрозрачного проводящего оксида. Пористый анод пропитывался жидким йоднымэлектролитом. Катодом являлась платина.
Ячейка Гретцела работает следующим образом. Свет, проходя через прозрачнуюподложку, поглощается фотоактивным красителем. Электроны, возбужденные светом вкрасителе, переходят в TiO2 и диффундируют к прозрачному проводящему электроду поддействием градиента их концентрации. Электролит замыкает электрическую цепь иобеспечивает транспорт электронов от катода (Pt) к красителю, где они рекомбинируютс
дырками, оставшимися от мигрировавших фотоэлектронов. Таким образом, в ячейкеГретцеля полупроводник (TiO2) используется только для транспорта фотоэлектронов,которые генерируются в фоточувствительном красителе. Этим ячейка Гретцелапринципиально отличается от обычных полупроводниковых фотоэлементов, в которых итранспорт, и генерация фотоэлектронов происходят в объеме полупроводника.
Недостатками ячейки Гретцела являются высокая коррозионная активностьэлектролита и высокая стоимость платины. Однако эти проблемы не являются фатальными имогут быть найдены эффективные решения для них. Например, вместо Pt уже предложеноиспользовать CoS, также предложены менее агрессивные органические электролиты.
В настоящее время рекордная эффективность фотопреобразования ячеек накрасителях составляет 11,1%, что, учитывая невысокую стоимость используемых материалови простоту технологии, делает эти фотоэлементы привлекательными для массовогоприменения.
Постоянно ведутся исследования по поиску новых более дешевых и/или болееэффективных материалов, что позволяет надеяться на повышение эффективность этихструктур. Кроме этого обычного «эволюционного» пути эффективность фотопреобразованияможно еще существенно повысить, если использовать тандемные структуры. Стандартнаяячейка Гретцела работает как фотоанод, когда фототок возникает в результатефотогенерации электронов в фотоактивном красителе. Аналогично можно создатьфотокатод, когда фотоактивный краситель генерирует дырки, или, другими словами,фотовозбужденный краситель индуцирует перенос электрона из р-типа полупроводника вкраситель. Если объединить две такие структуры, работающие как фотоанод и фотокатод, в
один элемент, то эффективность фотопреобразования может быть значительно повышена.Работы в этом направлении ведутся, но пока эффективность таких тандемных структурниже, чем у стандартной ячейки Гретцела n-типа, поскольку существующие ячейки р-типаимеют небольшой фототок, являющийся лимитирующим фактором для всей структуры.
1.6 Фотоэлементы третьего поколения
Фотоэлементы третьего поколения – это устройства, обеспечивающие высокийкоэффициент фотопреобразования при небольшом расходе материалов. Цель разработкиэтих элементов – снизить стоимость электроэнергии ниже 0,5$/Вт (желательно ниже0,2$/Вт). Способ реализации этой задачи – существенно увеличить эффективностьфотопреобразования при сохранении (или незначительном повышении) стоимостипроизводства и издержек на утилизацию и экологическую безопасность. Для осуществления
этой концепции наиболее подходящими являются тонкопленочные технологии.
Наиболее существенными механизмами, понижающими эффективность
фотоэлементов с одним гетеропереходом, являются неполное поглощение солнечногоспектра (в фототок дают вклад только фотоны с энергией, превышающей ширинузапрещенной зоны) и термализация фотоэлектронов, возбужденных фотонами с энергией,существенно превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника. Два этихмеханизма ответственны за потерю почти 50% солнечной энергии. Устранить эти потеривозможно несколькими способами. Во-первых, за счет более эффективного использованиясолнечного спектра. Для этого можно использовать нескольких гетеропереходов с разнойшириной запрещенной зоны, максимально перекрывающих солнечный спектр. Этигетеропереходы могут быть объединены в одну ячейку – так называемые «тандемные»солнечные элементы. Сюда относятся рассмотренные выше гетеропереходы: из аморфногокремния, из халькопиритов, на основе соединений III-V групп или на красителях. Такжегетеропереходы могут быть в виде индивидуальных элементов, но каждый используетсоответствующую часть солнечного спектра. Можно и трансформировать широкийсолнечный спектр в спектр с узким распределением фотонов по энергии вблизиоптимального для конкретного полупроводника значения, например, 1,1 эВ для кремния.Кроме этого, возможна многоэлектронная генерация, когда один фотон с высокой энергиейгенерирует несколько электронов. Возможно реализовать и «многофотонные» процессы –когда несколько фотонов низкой энергии (инфракрасных) генерируют один электрон.
Во-вторых, за счет использования «горячих» фотоэлектронов до их термализации –«ячейки на горячих носителях». С учетом всех этих факторов эффективностьфотопреобразования при нормальной освещенности, т.е. без концентрирования солнечногоизлучения, составляет примерно 66% - термодинамический предел при освещенности,равной 1 солнцу. Абсолютный термодинамический предел, определяемый циклом Карно(при максимально возможной концентрации солнечной энергии на Земле в 46200 раз)соответствует эффективности фотопреобразования примерно 93%. Элементы третьегопоколения используют как эти, так и некоторые другие принципы. В настоящее времяпроводятся интенсивные исследования, направленные на выяснение физических основфункционирования различных типов фотоэлементов третьего поколения, которые позволяютнадеяться на их реализацию в конкретных высокоэффективных устройствах[2].
1.7 Солнечные панели выпускаемые промышленностью
Еще несколько лет назад производители солнечных батарей и не прогнозировали, какими темпами будет расти спрос на их продукцию. И некоторые из них, кто не предусмотрел такого поворота событий, оказались за бортом. Еще в 2009 году производители солнечных батарей безуспешно пытались догнать лидера, коим оставалась Германия, занимавшая 36 % мирового рынка, за ней следовали США (16 %) и Испания (9 %). Германия производила более 1 гигаватта солнечной энергии, снабжая города и поселки. Вот как выглядел рынок солнечной энергетики в 2009 году:
Рисунок 1.7.1 – Страны-лидеры в области солнечной энергетики (2009 год)
Однако со временем Китай догнал и обогнал эти страны. Сегодня, примерно 60 процентов солнечных панелей изготавливается в Китае. А ведь еще десять лет назад, Китай вообще почти не производил никакого солнечного оборудования. Но в виду, своего рода, золотой лихорадки, вызванной льготными банковскими кредитами и государственным стимулированием, в виде налогов и субсидий, Китай умчался вперед, оставив позади пионеров и прошлых лидеров технологии фотовольтаики — США (в 2006 году) и Японии (в 2008 году).
По данным за 2011 год в десятку мировых производителей солнечных батарей вошли много Китайских фирм.
Рисунок 1.7.2 – Производство солнечных батарей за 2011 год
Не стоит забывать и об отечественных производителях солнечных батарей. 25 декабря 2012 года при участии Президента Республики Казахстан Нурсултана Назарбаева был запущен первый в стране завод по производству фотоэлектрических модулей «Astana Solar». ТОО «Astana Solar» предлагает широкий спектр производимой продукции – от фотоэлектрических модулей двух типов до готовых солнечных электростанций различной мощности. Также предприятие предоставляет услуги монтажа, сервисного обслуживания. Завод оснащен европейским автоматизированным оборудованием нового поколения, позволяет производить готовые фотоэлектрические модули общей мощностью 50 МВт в год (более 217 000 фотоэлектрических модулей) с расширением в перспективе до 100 МВт.
Партнером ТОО «Astana Solar» является еще одна отечественная компания ТОО «Kazakhstan Solar Silicon», находящаяся в Усть-Каменогорске.
ТОО «Kazakhstan Solar Silicon»- компания, занимающаяся производством фотоэлектрических ячеек из кремния солнечной чистоты, применяемых для изготовления фотоэлектрических модулей, используемых для преобразования энергии солнца в электроэнергию. Дата образования предприятия - август 2011 года. Проектная мощность предприятия не менее 60 МВт у.м.
Для изготовления поликристаллических фотоэлектических модулей ТОО «Astana Solar» использует мультикристаллические кремневые пластины производимые в ТОО «Kazakhstan Solar Silicon». Размер таких пластин 156мм х 156мм. Конечным продуктом, выпускаемым ТОО «Kazakhstan Solar Silicon», являются фотоэлектрические ячейки - особый вид полупроводникового диода, способного преобразовывать видимый свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение в электрическую энергию. Преобразование энергии основано на фотоэлектрическом эффекте, возникающем в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на него солнечного излучения.
Рисунок 1.7.3 – Фотоэлектрический модуль (ТОО «Astana Solar»)
Рисунок 1.7.4 – Мультикристаллическая кремневая пластина (ТОО «Kazakhstan Solar Silicon»)
Таблица 1.7 – Сравнение модулей трех типов по разным параметрам
1.8
Список литературы
1.
2. Глиберман А.Я., Зайцева А.К. «Кремниевые солнечные батареи» Государственное энергетическое издательство Москва 1961г.
3.
Дата добавления: 2015-08-29; просмотров: 87 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| Включатель стопа для переднего тормоза | | |