ФОТОВОЛЬТАНИКА: МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНОЛОГИИ, ПЕРСПЕКТИВЫ. Одна из лучших обзорных статей.

Введение от EnergyFuture.RU: статья написана в 2000 г. и немного устарела с точки зрения последних достижений фотовольтаники, но для желающих разобраться в ВАХ, трендах и теоретических деталях самое то.

ИСТОЧНИК, КОТОРЫЙ НЕ ИССЯКНЕТ

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция – каждую секунду на Солнце ~6 1011 кг водорода превращается в гелий. Дефект массы при этом составляет 4000 кг, что согласно соотношению Эйнштейна E=mc2 приводит к выделению 4 1020 Дж энергии. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2–3 мкм. Поскольку полная масса Солнца ~2 1030кг, оно должно пребывать в достаточно стабильном состоянии свыше 10 миллиард. лет с постоянным выделением энергии. Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина – 1353 Вт/м2.

При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется “воздушной массой”(АМ). АМ определяется как секанс угла между Солнцем и зенитом.

На рис.1 показано спектральное распределение интенсивности солнечного излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0)

Рис.1. Распределение интенсивности по спектру солнечного излучения

соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле между Солнцем и зенитом 60 , соответственно. При этом полная мощность излучения – соответственно порядка 925 и 691 Вт/м2. Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце – под углом 45 к горизонту) [1].
Таким образом, при использовании высокоэффективных методов преобразования энергии Солнце может обеспечивать бурнорастущие потребности в ней практически вечно.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния показана на рис. 2.


На малой глубине от поверхности кремниевой пластины  p-типа сформирован  p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт. Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис. 3а).

В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- иn-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. 3б). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному.

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением
вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис. 4):

где Is – ток насыщения, а Iph – фототок. ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис. 5), включающая источник тока Iph=SqN0Q, где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q – безразмерный множитель (<1), показывающий, какая доля всех созданных светом электронно-дырочных пар (SN0) собирается p-n-переходом. Параллельно источнику тока включен  p-n-переход, ток через который равен  Is[eqU/kT –1].  p-n-Переход шунтирует нагрузку, и приувеличении напряжения ток через него быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление  R) отбирается ток I.  Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока  Iph. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой  а (см.рис. 4).

Максимальная мощность, снимаемая с 1 см2, равна P = Iph U = x Iкз Uхх , где x– коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики, Iкз – ток короткого замыкания, Uхх –напряжение холостого хода

КОНСТРУКЦИИ И МАТЕРИАЛЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда условий:

  • оптический коэффициент поглощения (a) активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного светав пределах толщины слоя;
  • генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон
  • солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;
  • полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;
  • структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристик элемента.
  • Производство структур на основе монокристаллического кремния, удовлетворяющих данным требованиям, – процесс технологи-

чески сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния

(a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники [2]. Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой аль-

тернативы монокристаллическому [3]. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного крем-

ния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300 С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз. Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка– 16 %.

Наиболее простые конструкции СЭ из а-Si:Н были созданы на основе структуры металл – полупроводник (диод Шотки) (рис. 6).

Еще записи на эту же тему:



Страницы: 1 2 3 4

Оставить комментарий (Зарегистрируйтесь и пишите коментарии без CAPTCHи !)

 
© 2008-2018 EnergyFuture.RU Профессионально об энергетике. All rights reserved. Перепечатка материалов разрешается при условии установки активной гиперссылки на EnergyFuture.RU.