solnechnye batarei
.pdfВведение.
Состояние и перспективы использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.
Производство энергии из традиционных источников, учитывая все возрастающую потребность в ней, губительно сказывается на экологическом состоянии планеты. Тепловые электростанции, выделяющие в процессе работы огромные количества углекислого газа, вызывают парниковый эффект, являющийся причиной глобального потепления климата. Выбросы оксидов серы и азота достаточно велики даже при наличии дорогостоящих очистных сооружений. В соединении с атмосферной влагой, эти оксиды вызывают кислотные дожди, приводящие к гибели лесов, уменьшению рыбных запасов, снижению плодородности почвы. В кислой воде повышается растворимость тяжелых металлов и их соединений, которые могут попадать в питьевую воду. Еще более опасны и непредсказуемы атомные электростанции, выбрасывающие в атмосферу около 26 тонн радиоактивных отходов в день. Кроме этого велик риск аварий на АЭС,
могущих стать катастрофой для всего человечества. Все это вызывает справедливую тревогу экологов.
Другой проблемой традиционной энергетики, использующей главным образом ископаемые виды топлива - нефть, газ, уголь, является истощение их запасов, которые далеко не бесконечны. Поэтому их называют невозобновляемыми источниками энергии. Потребление нефти в мире в течение одного года эквивалентно ее количеству, образующемуся за 2 млн.
лет. Истощение ресурсов повышает себестоимость и трудоемкость добычи, а
также сокращение объемов добываемого топлива. Запасов же урана, по подсчетам специалистов, хватит не более, чем на 50 лет.
Сокращение запасов природных энергоресурсов, неизбежное загрязнение окружающей среды поставили человечество перед необходимостью поиска и использования новых возобновляемых источников энергии. Источников энергии на Земле много, но их уже сейчас
катастрофически не хватает. По прогнозам экспертов к 2020 году энергии потребуется почти в три раза больше, чем в настоящее время. Кризис 70-х
годов двадцатого века стал первым вестником энергетического кризиса,
вызвавшим повышенный интерес к альтернативным возобновляемым источникам энергии. Такими источниками являются:
-солнечная энергия; -энергия ветра; -гидроэнергия; -энергия биомассы.
Солнечная энергетика имеет на сегодняшний день самые широкие перспективы. Солнце – это практически неисчерпаемый источник возобновляемой экологически чистой энергии, питающей все живое на Земле. Количество солнечной энергии, падающей на поверхность Земли за неделю превышает энергию мировых запасов нефти, газа, угля и урана вместе взятых.
«Солнечное электричество» может стать альтернативой органическим видам топлива, запасы которых стремительно уменьшаются. Существующих запасов угля хватит на ближайшие 50-100 лет, а солнечной энергии еще на 2- 3 миллиарда лет. Солнце – это основной источник энергии на Земле.
Благодаря Солнцу текут реки, дует ветер, под его живительными лучами вырастает 1 квадриллион тонн растений, являющихся пищей для триллионов тонн живых организмов. Запасы торфа, угля нефти, газа, активно используемые человечеством в качестве источника энергии – это тоже работа Солнца. Растения и морские водоросли потребляют всего 3-4 процента поступающей от Солнца энергии. Остальная часть солнечной энергии просто рассеивается, расходуясь лишь на поддержание комфортной для жизнедеятельности организмов температуры в глубинах океана и на земной поверхности. В настоящее время человечество потребляет лишь одну десятитысячную часть той энергии, которую Солнце направляет к Земле. И,
если бы человек смог взять у Солнца хотя бы один процент поступающей от
него энергии, то энергетическая проблема не вставала бы перед
человечеством еще многие века. Уже более полувека Солнце обеспечивает
энергией космические аппараты на орбите. Экологически чистая и
неиссякаемая энергия Солнца – это будущее и земной энергетики.
Главный олимпийский стадион в Пекине «Гнездо птицы» вошел в десятку
лучших архитектурных сооружений 21 века. Его спортивные арены впечатляют не только своей оригинальной формой, но и самыми
современными техническими решениями. Освещение стадиона
обеспечивается энергией от солнечных батарей, размещенных на крыше и
стенах сооружений.
СОЛНЕЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Солнечный преобразователь или солнечный фотоэлемент, представляет собой полупроводниковый прибор, преобразующий оптическое солнечное излучение в электрическую энергию.
Совокупность солнечных преобразователей, объединенных в единой, как правило, плоской, панельной конструкции называется солнечной батареей. Солнечные батареи являются основным источником энергии на спутниках и космических энергоустановках различной мощности.
Поскольку сол нечные преобразователи (СП) предназначены для преобразования сол нечной энергии, необходимо ст ремиться идеально, согласовать их спектр альные характеристики со спектро м излучения Солнца. На Рис.1 приведено р аспределение солнечной энергии по спектру: кривая 1 соответствует солнечному спектру в свободном простр анстве за пределами атмосферы, т.е. в условиях работы СП на спутни ках и космических летающих аппаратах; 2 - солнечный спектр на поверхности Земли, когда Солнце находится в зените. Для первого случая (кривая 1) полная мощность излучения составляет 1353 Вт/м2, для второго - 925 Вт/м2
Рис.1
Рассмотрим основные физические процессы протек ающие в солнечном преобразователе.
Воснове устройства обычного солнечного элемента лежит
освещаемый р-n переход, работающий без внешнего электрического смещения. В солнечных элементах используется собственное поглощение, при этом на ионизацию одного атома достаточно энергии hv= Ез. Остальная энергия фотонов переходит в тепло. Скорость генерации при удалении от поверхности умен ьшается, при этом
Рис.2
короткие волны поглощаются в более верхних слоях по сравнению с более длинными. Скорост ь генерации электронно-дырочных пар в функции расстояния от п оверхности солнечного элемента (Рис.2.а) для длинноволнового и коротковолнового излучения привед ены на Рис.2.б, где заштрихованная часть соответствует р-n переходу. П оскольку в верхних слоях образуется множество фотоносителей, за счет диф фузии они начинают перемещаться в сто рону обедненной области перехода, где разделяются внутренним полем р-n перехода. Электроны остаются в n- области, а дырки, для которых поле перехода является ускоряющим, перебрасываются в р- область. Электроны и дырки, появляющиеся в обедненном слое под действием света, выносятся из него сильным электричес ким полем перехода, практически не рекомбинируя. Поэтому фототок обедненного слоя, определяется числом фотонов, поглощаемых в этом слое в единицу времени.
Полный фототок, возникающий в фотоэлементе при поглощении света, равен сумме дырочно го и электронного токов, протекаю щих через границы перехода, и дрейфового фототока, рожденного непосредственно в р-n переходе.
Если цепь элемента разомкнута, фотоносители накапливаются в соответствующих об ластях и компенсируют часть объемного заряда ионов примеси в обедненной области р-n перехода. Потенциальный барьер на переходе уменьшается пропорционально величине компенсации этого заряда, и на выводах элемента возникает напряжение х олостого хода Uxx. Это явление называ ется фотогальваническим эффектом (см. лекцию «Фотодиоды»).
Если цепь замк нуть накоротко (Rн=0), в ней по течет ток короткого замыкания Iкз, обусловленный фотоносителями . При наличии нагрузки, т.е. когда Rн не равно 0, в цепи протекает ток меньше Iкз и на Rн создается падение напряжения Uн. Если на освещенный
элемент подавать внешнее обратное смещение, к фототоку добавля ется обратный ток р-n перехода, т.е. при обратном смещении полный ток равен Iкз+Iобр. При прямых смещениях, больших Uхх, ток инжекции через переход начинает преобладать над фототоком, и освещаемый переход работает как обычный р-n
Рис.3
переход.
Существует дос таточно много разнообразных кон струкций солнечных элементов. Рассмот рим в качестве примера устройство кремниевого солнечного элемента (Рис.3), поскольку эти приборы являются своеобразным эталоном при создании всех солнечных батарей.
При нцип действия СП на p-n переходах
Солнечный элемент, изображенный на Рис.3.а,б состоит из р-n перехода 1, сформи рованного у поверхности; лицевог о (поверхностного) полоскового омического контакта 2; просветляющего покрытия на лицевой
поверхности |
3; |
тыл ового |
сплошного омического |
контакта |
4. |
Рис.3.б |
|
иллюстрирует |
структуру |
полоскового |
электрода |
2 на виде |
сверху. |
||
Недостаток этой |
ко нструкции - наличие |
тени металлических |
контактов, |
||||
уменьшающее эффективность прибора, и большой коэффициент отражения света от поверхности элемента.
Одним из лучших по своим характеристикам является солнечный элемент, показанный на Рис.4, где 1 - текстурирова нная поверхность с повышенным уровне м легирования донорами - n+; 2 - р-область элемента; 3 - металлические контакты n+ коллектора; 4 - металличе ские выводы базы. Сверху элемент имее т просветляющее покрытие (на рисунке не изображено). В рассматриваемом элементе отсутствует тень от металлических электродов, и проще реализуются межсоединения элементов, поскольку здесь электроды располагаются на тыловой поверхности. Этот приб ор функционирует подобно биполярно му транзистору n+-р-n+ типа с изолированным n+ эмиттером, расположенным на текстурированной лицевой поверхности.
Неравновесные электронно-дырочные пары, рожд енные светом в n+
Рис.4
эмиттере (1) или р - базе (2), движутся (подобно обычно му транзистору) к n+ коллектору и разделяются коллекторным переходом. В n+ коллектор поступают электроны , а дырки остаются в р - базе, выводы которой (4) осуществляются чере з р+ области. В этом фотоэлемен те вблизи тыловой (нижней на Рис.4) поверхности перед металлическими омическими контактами созданы сильнолегированные полупроводниковые слои р. Между двумя базовыми областями р+ и р возникает потенциальный барьер препятствующий выходу электронов из р - области.
В результате р езко снижается скорость поверхностной рекомбинации электронов Si вблизи тыловой поверхности, т.е. ум еньшаются потери фотоносителей. Плотность тока короткого замы кания возрастает, повышается и напряжение холостого хода за счет роста Iкз, уменьшения рекомбинационного тока тылового контакта и из-за дополнительного потенциального барьера между р+ и р- областями. Таким образом, наличие текстурированной п оверхности, уменьшающей потери на отражение, и высоколегированных областей на тыловой поверхности позволяет получить КПД 20% и более.
Характеристики и параметры СП на p-n переходах
Рис.5
Для анализа эл ектрической цепи, в которую вкл ючен фотоэлемент, используют его эквивалентную схему, которая представлена на Рис.5. Генератор тока Iф о пределяет генерацию неравновесных носителей за счет облучения светом, диод VD моделирует идеализированны й р-n переход, ВАХ которого описывается на Рис.6 (кривая 1); параллельное сопротивление Rу обусловлено токами утечки (в действительности R y имеет большое сопротивление, поэтому его влиянием на выходную мощность можно пренебречь); последовательное сопротивление Rк опред еляется в основном сопротивлением высокоомной базовой области. Rк солнечного элемента зависит от глубины залегания перехода, концентрации примесей в n- и р-
об ластях |
и |
от |
|
конструкции |
|
ли цевого |
омического |
|
ко нтакта |
(см. Рис.3). |
|
Е го влияние |
очень |
|
значительно, |
даже |
|
пр и |
значениях, |
|
меньших одного ома.
Т ак |
при |
Rк=5 0м |
|
в ыходная |
мощность |
||
у меньшается |
более |
||
чем |
на |
30% |
по |
сравнению |
|
с |
|
мощностью |
|
при |
|
Rк=0. |
|
|
|
На Рис.6 проиллюстрировано вл ияние Rк на ВАХ,
Рис.6 там же показан заштрихованный прямоугольник, пло щадь которого определяет макси мальную мощность,
производимую фотоэлементом при Rк=5 0м (P = 0,27Вт), и не заштрихованный пря моугольник для мощности при Rк=0 (P = 1Вт).
В реальных солнечных элементах в отличие от идеальных прямой ток может определяться рекомбинацией носителей в р-n переходе, при этом КПД преобразования падае т. В кремниевых солнечных элементах при комнатной
температуре рекомбинационный ток приводит к снижению эффективности преобразования на 25%.
Повышение температуры также уменьшает эффективность преобразования (КПД) в основном из-за уменьшения Uxx вызванного увеличением обратного тока насыщения Iобр при больших температурах.
ВАХ СП на p – n переходах определяется выражением:
I=Iобр[eqU/kT-1]-Iф |
(1) |
где Iобр - обратный ток идеального р-n перехода; Iф- фототок.
СП на гетеропереходах
Гетеропереходы представляют собой переходы, которые образуются при контакте двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Если верхний слой, на который падает свет, сделать у фотоэлемента из полупроводника с широкой запрещенной зоной Ез1, а нижний - с узкойЕз2, то при облучении фотонами с энергией Ез1<hv< Ез2 они проходят через слой первого полупроводника и поглощаются во втором. Первый слой с широкой запрещенной зоной Ез2 играет роль оптического окна.
Основные преимущества солнечных элементов с гетеропереходами: 1) повышается спектральный отклик на коротких длинах волн при условии, что hv< Ез1 и фотоны поглощаются в обедненном слое второго полупроводника; 2) появляется возможность получения низкого последовательного сопротивления за счет сильного легирования верхнего слоя; 3) высокая радиационная стойкость при достаточно толстом и широкозонном верхнем слое полупроводника.
Солнечные элементы ALGaAs-GaAs с подложкой
Зонная энерге тическая диаграмма солнечных элементов (СЭ) представлена на Рис.7, где слой pAlxGa1-xAs является достаточно толстым (20...30 мкм) (индекс ы х и 1-х показывают долевой массо вый состав каждого компонента, х – лежит в диапазоне от 0 до 1). Для получения указанной структуры СЭ в качестве подложек применяли nGaAs. Толщина диффузионной области pGaAs обычно находилась в пределах 1...3 мкм. Концентрация носителей в pAlxGa1-xAs составила (1..5)- 1018 см-3.
Параметры сол нечных элементов ALGaAs - SaA s с подложкой
Типичная нагр узочная характеристика, измерен ная при световом потоке мощностью 1375 Вт/м, представлена на Рис.8. На образцах площадью 2...3 см2 получены следующие параметры
|
|
Ри с.8 |
|
|
|
|
СЭ: |
Uх х=0,87...0,95 |
В, |
||
|
Iкз=15...20 |
мА/см2 |
и |
||
|
КПД=10...11%. |
|
|
||
|
|
Такие |
СЭ |
с толстым |
|
Ри с.7 |
широкозон ным |
"окном" |
|||
обладают минималь ным |
последовательным сопротивл ением. |
Они |
могут |
||
работать в условиях концентрированного солнечного излучения вплоть до 1000 солнечных пост оянных. Дальнейшее усовершенствование технологии изготовления СЭ с то лстым "окном", применение просв етляющих покрытий и оптимизированной контактной сетки привело к повышению КПД до 21,6%.
Тонкопленоч ные солнечные элементы (ТСЭ) A lGaAs - GaAs |
|
|||
Тонкопленочные |
солнечные |
элементы |
изготовляются |
из |
поликристаллических или неупорядоченных полупроводниковых пленок,