1.3 Современные разработки преобразователей солнечной энергии
В настоящее время солнечная энергетика является одним из наиболее перспективных видов возобновляемой энергетики.
В России в настоящее время имеется восемь предприятий, имеющих технологии и производственные мощности для изготовления 2 МВт солнечных элементов.
В 1992 году на двух заводах объединения "Интеграл" в г.Минске освоено массовое производство солнечных элементов по технологии, разработанной в соответствии с программой "Экологически чистая энергетика" во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии. Производственные мощности этих заводов позволяют выпускать ежегодно 1-2 МВт солнечных элементов и модулей без перестройки основного производства.
Создано экспериментальное устройство – полупроводниковый преобразователь солнечной энергии в электрическую размером 48х48 мм на основе широкозонного полупроводника-кремния, который может использоваться как элемент-модуль солнечной электростанции. Устройство выполнено структурой р-i Si-резкий переход i-n+ Si резкий переход с верхним омическим контактом из проводящего светопрозрачного слоя, изготовленного из окиси олова-индия. р+-слой выполнен толщиной 0,1 микрон из кремния, легированном бором до концентрации NА = 1021 см-3. р+-слой 3 контактирующий с р+-слоем сформирован путем легирования бором с концентрацией NА = 1021 см-3 .
Сильнолегированный n+-слой выполнен из кремния, он легирован донорной примесью до концентрации NА = 1021 см-3, его толщина соответствует толщине подложки. На верхний омический контакт – проводящий слой нанесен внешний электрический вывод, представляющий слой алюминия + никель толщиной 2 микрона и шириной 2 мм по периметру края проводящего слоя. Конструкция фоточувствительной структуры размещена на алюминиевом основании размером 48 x 48 мм, толщиной 1 мм и соединена с ним токопроводящим клеем.
Экспериментальный полупроводниковый преобразователь солнечной энергии размером полезной площади 46 х 46 мм при интенсивности солнечного излучения РΣ = 65 мВт/см2 позволяет получать рабочий ток I = 1,2 А, рабочее напряжение 0,9 В, полезную выходную мощность Рвых = 1,2 Вт(≥480Вт/ м2).
Сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) разработали новое уникальное устройство – фотоэлектрохимический суперконденсатор – способное прямо преобразовывать солнечную световую энергию в электрическую и параллельно накапливать ее с высокой плотностью в двойном электрическом слое электродов на основе различных нанопористых материалов. Разработанное устройство может быть использовано в автономных солнечных электростанциях, системах освещения, для обеспечения жизнедеятельности частных и государственных учреждений [43].
В современных солнечных фотоэлектрических станциях энергия Солнца прямо преобразуется в электрическую с помощью полупроводниковых солнечных элементов. Часть энергии для обеспечения бесперебойного снабжения потребителя при этом сохраняется в накопителях. В качестве накопителей в автономных солнечных электростанциях обычно используются герметичные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи с регулируемым клапаном (Valve Regulated Lead Acid – VRLA). Однако цена за 1 kWh энергии, отдаваемой таким аккумулятором в течение всего срока службы, составляет немало.
Сотрудники ФИАН нашли способ уменьшения стоимости солнечной электроэнергии. С этой целью, а также с целью продлить срок службы накопителя энергии солнечных электростанций в Троицком технопарке ФИАН была смоделирована и разработана конструкция принципиально нового устройства – фотоэлектрохимического суперконденсатора (Photoelectrochemical Supercapacitor — PES), совмещающего в себе полупроводниковый солнечный элемент и накопитель энергии с двойным электрическим слоем на основе нанопористых материалов.
Устройство состоит из многокомпонентного фотоэлектрода (он может быть изготовлен на основе различных полупроводниковых материалов), нанопористых отрицательного и положительного электродов, пористого сепаратора, разделяющего положительный и отрицательный электроды, и электролита.
Cолнечный свет поглощается фотоэлектродом, в результате чего возбуждаются электронно-дырочные пары. Это стандартный процесс – поглощенный квант света переводит электрон на другой, более высокий, энергетический уровень, он становится свободным, а на его месте образуется свободная дырка. Дальше в фотоэлектроде происходит быстрое разделение электронов и дырок, что создает концентрации свободных фотоэлектронов и фотодырок. Фотоэлектроны переносятся в объем стенок пор нанопористого отрицательного электрода, а фотодырки по внешней цепи – в положительный электрод. При этом заряд избыточных электронов в стенках нанопор отрицательного электрода компенсируется зарядом концентрированных у поверхности стенок положительных ионов электролита. В результате описанных процессов на границе раздела «стенка нанопоры – электролит» по всей развитой поверхности отрицательного электрода образуется двойной электрический слой (EDL). По мере зарядного процесса фотогенерированные электроны накапливаются в его электрической емкости, что поляризует электрохимический потенциал отрицательного электрода в область отрицательных значений. А в положительном электроде аналогичным образом образуется двойной электрический слой из фотодырок и отрицательных ионов электролита. В качестве положительных электродов PES-фотоконденсаторов используются также различные пористые окислительно-восстановительные материалы. Во время заряда активный материал положительного электрода окисляется, а при разряде – восстанавливается.
Заряд солнечным излучением приводит к увеличению напряжения и, соответственно, накоплению электроэнергии в двойном электрическом слое обоих электродов, а во время разряда происходят обратные процессы – электроны и дырки двойного электрического слоя электродов рекомбинируют, и фотоконденсатор, отдавая запасенную энергию, возвращается в исходное положение.
1 – фотоэлектрод, 2 – отрицательный электрод, 3 – положительный электрод, 4 – сепаратор, 5 – электролит (в порах электродов и сепаратора)
Рисунок 1.5 - Конструкция и принцип работы PES-фотоконденсатора
Для изготовления электродов устройства предлагается использовать нанопористые углеродные материалы с заданным средним размером нанопор. Благодаря нанопористой структуре один грамм таких материалов будет иметь площадь поверхности до 1400–1600 м2, а электрическую емкость (в некоторых электролитах) – до 1500 фарад. Это означает, что каждый кубический сантиметр «нанопористого конденсатора» способен накопить в среднем в 1 000 000 раз больше энергии, нежели обычный классический конденсатор.
Создание принципиально нового устройства, которым является PES-фотоконденсатор, связано с применением современных достижений в различных областях фундаментальных и прикладных наук – физики полупроводников, нанотехнологии, электрохимии, материаловедения. Для широкого практического применения таких конденсаторов важны экономические и удельные энергетические показатели. Расчетная цена 1 kWh выработанной электроэнергии PES-фотоконденсатора в 3–3,5 раза дешевле.
Состав и особенности конструкции (в частности, материалы и структура фотоэлектрода, размеры нанопор, физические, электрические и электрохимические свойства нанопористых материалов электродов, тип и параметры электролита и т.п.) каждого такого устройства будут зависеть от природных условий и географического места эксплуатации, а также от требуемых выходных параметров и режимов эксплуатации.
Для того чтобы учесть все возможные факторы использования разработанного устройства и создать солнечные PES-фотоконденсаторы с оптимальными техническими параметрами, ученые создали теоретическую расчетную модель. Она представляет собой систему уравнений, которая, исходя из заданных входных/выходных параметров и условий использования, позволяет рассчитать все необходимые параметры. Ведь нужно иметь ввиду, что это уже квантоворазмерные структуры, параметры которых сильно взаимосвязаны, и несущественное изменение одного параметра любого компонента приводит к кардинальным изменениям – энергетических, мощностных и эксплуатационных параметров устройства в целом [58].
Как показывают проведенные расчеты, PES-фотоконденсаторы могут обладать удельной разрядной энергией не менее 12 Wh/kg, энергетической эффективностью 10% и циклическим ресурсом более 7 000 циклов (а это более 15 лет непрерывной эксплуатации). Cпециалисты Троицкого технопарка ФИАН уже занялись отработкой технологий изготовления и исследованиями фундаментальных свойств отдельных компонентов фотоэлектрода и нанопористых углеродных материалов с заданными параметрами. Предполагается, что при достаточном уровне финансирования для изготовления и тестирования основных параметров первых образцов PES-фотоконденсаторов с удельной разрядной энергией до 10 Wh/kg понадобится около 2,5 лет, а для изготовления прототипов промышленных образцов – 4 года.
Компания IBM разработала солнечный фотоэлемент, который эффективнее существующих аналогов на 40%, но главное – для его производства не требуются редкие и дорогостоящие материалы. Результаты исследований опубликованы в журнале Advanced Materials.
Если в промышленных образцах используются теллурид кадмия, селенид индия или галлия, то новая батарея выполнена исключительно из широко распространенных в природе химических элементов (меди, олова, цинка, серы и (или) селена). Более того, ее КПД преобразования солнечного света в электроэнергию 9,6%, в то время как у большинства промышленных образцов этот показатель не превосходит 6,7%.
Метод производства новых панелей не требует применения вакуумных технологий, использует преимущественно техники печати, напыления, нанесения покрытия методом погружения и пр. Поэтому конечная стоимость новых фотоэлементов заметно ниже, чем у конкурирующих решений.
Немецкие ученые научились получать сверхтонкие листы полупроводникового материала сульфида свинца с высокой фоточувствительностью напрямую в процессе синтеза нанокристаллов этого вещества, эти пластины могут найти применение в конструкциях фотодетекторов, а также солнечных батарей и других возобновляемых источников энергии.
Авторы изобретения показали, что в процессе синтеза нанокристаллы PbS, имеющие размеры не более трех нанометров, самоорганизуются в тонкие двумерные структуры микронных масштабов, напоминающие листы толщиной всего 2–3 нанометра. Эти листы, будучи собраны из отдельных фрагментов, тем не менее, ведут себя как единый кристалл и обладают высокой фоточувствительностью, прозрачностью и электропроводностью, что может быть использовано для создания солнечных элементов на их основе.
Вывод:
Наиболее оптимальной разработкой является фотоэлектрохимический суперконденсатор, разработанный сотрудниками физического института им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН). Так как он способен прямо преобразовывать солнечную световую энергию в электрическую и параллельно накапливать ее с высокой плотностью. В результате чего возможно уменьшить стоимость солнечной электроэнергии, а также продлить срок службы накопителя энергии солнечных электростанций.