Ответы и лекции по НИВИЭ / Лекции / Lektsii_po_NIVEI / lecture3

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)

3. Физические основы процессов преобразования солнечной энергии

3.1. Интенсивность солнечного излучения

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне длин волн λ = 0,2 −3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном за счет поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и спектральный состав солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса (АМ). При нулевой воздушной массе АМ0 у верхней границы атмосферы интенсивность излучения равна EC =1360 Вт/м2. Величина АМ1 соответствует прохождению солнечного излучения через безоблачную атмосферу до уровня моря при зенитальном расположении Солнца. Воздушная масса для любого уровня земной поверхности в любой момент дня определяется по формуле

где x – атмосферное давление, Па;

x0 – нормальное атмосферное давление (1,013·105 Па);

θ– угол высоты Солнца над горизонтом.

Наиболее характерной в земных условиях является величина АМ1,5

(θ = 41o49′). Она принята за стандартную при интегральной поверхностной плотности солнечного излучения EC =835 Вт/м2. Это необходимо для обес-

печении сравнимости результатов исследований различных солнечных элементов. На рис. 3.1.1 приведено спектральное распределение потока фотонов внеатмосферного (АМ0) и наземного стандартизованного (АМ1,5) солнечно-

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)

го излучения при перпендикулярном падении лучей на приемную площадку.

Рис. 3.1.1. Спектральное распределение потока фотонов солнечного излучения: 1– внеатмосферное излучение (АМ0); 2 – наземное стандартизованное излучение (АМ1,5); 3 – спектр излучения абсолютно черного тела при TC =5800 К. На вставке заштрихована доля полезно используемых фотонов.

Энергия фотонов, эВ, в излучении с длиной волны λ определяется из

где h – постоянная Планка, 6,626196(50)·10-34 Дж·с; c – скорость света, 2,9979250(10)·108 м/с;

λ – длина волны, мкм.

Электронвольт – работа, которую необходимо совершить, чтобы переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1 В. 1 эВ = 1,6·10-19 Дж.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)

Граничная длина волны, начиная с которой фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с шириной запрещенной зоны (характеризуется отсутствием энергетических уровней, различна по ширине для разных материалов) Eg

Более длинноволновое излучение не поглощается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования.

3.2. Фотоэлектрические свойства p–n перехода

Солнечный фотоэлемент изготавливается на основе пластины, выполненной из полупроводникового материала, например кремния (рис. 3.2.1). В пластине создаются области с p- и n- типами проводимости. Получают различные типы проводимости путем изменения типа введенных в полупроводник примесей. Например, атомы III группы Периодической системы Д.И. Менделеева, введенные в кристаллическую решетку кремния, придают последнему дырочную (положительную) проводимость, а примеси V группы – электронную (отрицательную).

Рис. 3.2.1. Конструкция простейшего солнечного элемента

Затем изготавливаются нижний и верхний электроконтакты, причем нижний контакт – сплошной, а верхний выполняется в виде гребенчатой струк-

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)

туры (тонкие полосы, соединенные относительно широкой шиной). Контакт p- или n-полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля, играющего важную роль в работе солнечного фотоэлемента.

Рассмотрим причину возникновения контактной разности потенциалов. При соединении в одном монокристалле полупроводников p- и n-типа возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- в n-полупроводник. В результате такого процесса прилегающая к p-n переходу часть полупроводника p-типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к p-n переходу часть полупроводника n-типа, наоборот, приобретет положительный заряд. Таким образом, вблизи p-n перехода образуется двойной заряженный слой, который противодействует процессу диффузии электронов и дырок. Действительно, диффузия стремится создать поток электронов из n-области в p-область, а поле заряженного слоя, наоборот, – вернуть электроны в n-область. Аналогичным образом поле в p-n переходе противодействует диффузии дырок из p- в n-область. В результате устанавливается равновесное состояние: в области p-n перехода возникает потенциальный барьер, для преодоления которого электроны из n-полупроводника и дырки из p-полупроводника должны затратить определенную энергию.

Рассмотрим работу p-n перехода в фотоэлементах. При поглощении света в полупроводнике возбуждаются электронно-дырочные пары. В однородном полупроводнике фотовозбуждение увеличивает только энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве, то есть электроны и дырки разделяются в «пространстве энергий», но остаются рядом в геометрическом пространстве. Для разделения носителей тока и появления фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС) должна существовать дополнительная сила. Наиболее эффективное разделение неравновесных носителей имеет место именно в области p-n перехода (рис. 3.2.1). Генерированные вблизи p-n перехода «неосновные» носители (дырки в n-полупроводнике и электроны в p-полупроводнике) диффундируют к

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)

p-n переходу, подхватываются полем p-n перехода и выбрасываются в полупроводник, в котором они становятся основными носителями: электроны будут локализоваться в полупроводнике n-типа, а дырки – в полупроводнике p-типа. В результате полупроводник p-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник n-типа – отрицательный. Между n- и p-областями фотоэлемента возникает разность потенциалов – фотоЭДС, или напряжение в режиме холостого хода. Полярность фотоЭДС соответствует «прямому» смещению p-n перехода, которое понижает высоту потенциального барьера и способствует инжекции дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p- область. В результате действия этих двух противоположных механизмов – накопления носителей тока под действием света и их оттока из-за понижения высоты потенциального барьера – при разной интенсивности света устанавливается разная величина фотоЭДС. При этом величина фотоЭДС в широком диапазоне освещенностей растет пропорционально логарифму интенсивности света.

При коротком замыкании освещенного p-n перехода в электрической цепи потечет ток, пропорциональный по величине интенсивности освещения и количеству генерированных светом электронно-дырочных пар. При включении в электрическую цепь полезной нагрузки, величина тока в цепи несколько уменьшится. Обычно электрическое сопротивление полезной нагрузки в цепи солнечного элемента выбирают таким, чтобы получить максимальную отдаваемую этой нагрузке электрическую мощность.

3.3. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

Поток генерированных светом носителей образует фототок Iф . Вели-

чина Iф равна числу фотогенерированных носителей, прошедших через p–n-

переход в единицу времени

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)

где q – величина заряда электрона;

Pи – мощность поглощенного монохроматического излучения.

Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощенный фотон с энергией hv ≥ Eg создает одну электронно-дырочную пару. Это усло-

вие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si и GaAs (в кремнии внутренний фотоэффект имеет место для волн с длиной λ ≤1,1 мкм,

т.е. для видимого, ультрафиолетового и ближнего инфракрасного излучений).

При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элементе режим короткого замыкания эквивалентен нулевому напряжению смещения p–n-перехода, поэтому ток короткого замыкания I к.з равен фототоку

В режиме холостого хода фототок уравновешивается «темновым» током I т – прямым током через p–n-переход, возникающим при напряжении смещения U =U х.х . При этом через p-n-переход протекают следующие токи:

неосновных носителей, основных носителей и первичный фототок. Абсолютное значение «темнового» тока

Эта формула описывает вольт-амперную характеристику освещенного p–n-

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)

здесь U н – напряжение на нагрузке, равное напряжению на p–n-переходе.

Выражение (3.3.7) описывает нагрузочную вольт-амперную характеристику освещенного p–n-перехода. Нагрузочная вольт-амперная характеристика арсенид-галлиевого p–n-перехода для значения фототока Iф =1 А изо-

бражена на рис. 3.3.1, а.

Освещенный p–n-переход в соответствии с выражением (3.3.7) может быть представлен в виде эквивалентной схемы (рис. 3.3.1, б). Здесь источник тока имитирует генерацию постоянного фототока, не зависящего от напряжения p–n-перехода, а диод представляет собой неосвещенный p–n-переход. При варьировании Rн фототок перераспределяется между нагрузкой и p–n-

переходом.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)

Рис. 3.3.1. Нагрузочная ВАХ p–n-перехода в GaAs и характеристики Rн при

значениях 0,1 (1), 1,026 (2) и 10 Ом (3) (а) и эквивалентная схема освещенного p–n-перехода с сопротивлением нагрузки (б).

Электрическая мощность, выделяемая в нагрузке, определяется по формуле (пренебрегаем единицей в формуле (3.3.7))

В режимах короткого замыкания и холостого хода P = 0 , поскольку либо U н , либо I н равны нулю.

3.4. Конструкции и материалы солнечных элементов

Производство структур на основе монокристаллического кремния – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a- Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфный кремний выступил 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 дос-

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)

таточно 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 %.

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

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)

разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный солнечный элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

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) [2,5]. 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. Один из основных способов получения CuInSe2 – электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH>>1,2–2,0.

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 пу-