2 Нетрадиционные преобразователи энергии

1. Фотоэлектрические преобразователи

Простейшая конструкция солнечного элемента на основе монокристаллического кремния показана на рис. 2.1. 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.

Р-n-переход расположен вблизи от освещаемой поверхности полупроводника.

Рисунок 2.1 – Конструкция простейшего солнечного элемента

При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки R_н. Рассмотрим вначале два крайних случая: R_н= 0 (режим короткого замыкания) и R_н =∞ (режим холостого хода). Зонные диаграммы для этих режимов изображены на рис. 2.2. а, б.

а – в режиме короткого замыкания; б – холостого хода; в – включения на сопротивление нагрузки.

Рисунок 2.2 – Зонные энергетические диаграммы p-n-перехода при освещении

В первом случае зонная диаграмма освещенного p-n-перехода не отличается от зонной диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между n- и p- областями. Однако через p-n-переход и внешний проводник течет ток, обусловленный фотогенерацией электронно-дырочных пар в p-области. Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственной близости от области объемного заряда, увлекаются электрическим полем p-n-перехода и попадают в n-область. Остальные электроны диффундируют к p-n-переходу, стараясь восполнить их убыль, и в конечном итоге также попадают в n-область. В n-области возникает направленное движение электронов к тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт к p-области. На границе контакта к p-области происходит рекомбинация подошедших сюда электронов с фотогенерированными дырками.

При разомкнутой внешней цепи p-n-перехода (рис. 2.2 б) фотоэлектроны, попадая в n-область, накапливаются в ней и заряжают n-область отрицательно.

Остающиеся в p-области избыточные дырки заряжают p-область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода U_Х.Х . Полярность U_Х.Х соответствует прямому смещению p-n-перехода.

Поток генерированных светом носителей образует фототок I_Ф. Величина I_Ф равна числу фотогенерированных носителей, прошедших через p-n-переход в единицу времени

,

(2.1)

где q – величина заряда электрона;

P_и – мощность поглощенного монохроматического излучения.

Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощенный фотон с энергией создает одну электронно-дырочную пару. Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si и GaAs.

Рассмотрим подключение к p-n-переходу варьируемого сопротивления нагрузки (рис. 2.2, в). Направление тока в нагрузке всегда совпадает с направлением I_Ф , а сам ток нагрузки I_Н равен результирующему току через p-n-переход (см. (2.1)). Принимая направление тока I_Ф за положительное, для I_Н можно записать

,

(2.2)

где U_н – напряжение на нагрузке, равное напряжению на p-n-переходе.

Электрическая мощность, выделяемая в нагрузке, определяется по формуле (пренебрегаем единицей в формуле (2.2))

,

(2.3)

В режимах короткого замыкания и холостого хода Р = 0, поскольку либо U_н , либо I_Н равны нулю.

Для производства фотоэлементов наиболее эффективно применение монокристаллического кремния. Однако процесс его получения очень технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния ( - Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфный кремний выступает в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки -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 -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 -Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе -Si:Н достигнет теоретического потолка – 16 %.

Арсенид галлия – один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей. Это объясняется следующими его особенностями:

• почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ;

• повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;

• высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;

• относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;

• характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании солнечных элементов.

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе – широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe₂) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ). Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe₂ увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства.

Теллурид кадмия (CdTe) – еще один перспективный материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами. Подобно CuInSe₂, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe – высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают высокой подвижностью носителей заряда, а солнечные элементы на их основе – высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, использующие органические материалы. Коэффициент полезного действия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок ~11%. Основа солнечны элементов данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO₂, покрытый монослоем органического красителя. Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO₂. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.

Начиная с 70-х годов правительства индустриальных стран израс­ходовали биллион долларов на разработки фотоэлектрических преобразователей. За последние 10 лет стоимость фотоэлектричес­ких преобразователей снижалась и в 1993 г. достигла 3,5÷4,75 дол/Вт, а стоимость полу­чаемой энергии 25÷40 центов/(кВт/ч). Миро­вой объем производства с 6,5 МВт в 1980 г. увеличился до 29 МВт в 1987 г. и в 1993 г. составил более 60 МВт.

Наилучшим примером использования таких систем является Доминиканская республика, где 2 тыс. домов имеют фотоэлектрические установки, сконструированные в последние 9 лет. Стоимость такой установки 2 тыс. дол.

В Шри-Ланке израсходовано 10 млн. дол на электрификацию 60 тыс. домов с помощью фотосистем. Стоимость установки мощностью 50 Вт, включающая фотопанель, источник света и аккумуляторную батарею, составляет 500 дол.

Для успешного внедрения фотосистем их удельная стоимость должна быть снижена в 3-5 раз прежде, чем появятся крупные энер­госистемы.