1. Термоэлектрические преобразователи

В основе прямого преобразования тепловой энергии солнечного излучения в электричество лежит эффект Зеебека, открытый в 1821 го­ду. Если спаять концами два проводника разного химического состава и поместить спаи в среды с разными температурами, то между ними воз­никает термо-ЭДС:

^Е = а^(Т1 - ^Т 2^),

где Т₁ - абсолютная температура горячего спая; Т₂ - абсолютная тем­пература холодного спая; а - коэффициент пропорциональности.

В цепи проводников возникает ток I, причем горячий спай за се­кунду поглощает теплоту из нагретого источника в количестве Q₁ = aZJ1, а холодный спай отдает теплоту низкотемпературному телу в

количестве Q₂ = аТ₂1. Разность подведенной и отведенной теплоты со­ставляет секундную работу тока L, Вт:

L = a(T - T₂) 1.

Отношение работы к подведенной теплоте есть термический КПД процесса преобразования:

_п = L a(T-T₂) 1 = t-t.

' Q1 aT_x1 T ■

Таким образом, КПД идеального термоэлектрического преобразо­вателя совпадает с термическим КПД цикла Карно и полностью опреде­ляется абсолютными температурами холодного и горячего спаев. В ре­альных преобразователях имеют место потери из-за электрического со­противления проводников, их теплопроводности и термического сопро­тивления теплообмену спаев с окружающими средами. Поэтому дейст­вительный КПД установки равен:

T _- T

п п 1 2

где Поэ < 1 - относительный электрический КПД преобразователя.

При использовании металлических термоэлектродов КПД термо­электрических преобразователей очень мал - не превышает сотых долей процента. Значительный эффект дает применение полупроводников - КПД возрастает до величины порядка 10 %.

В современных термоэлектрических генераторах полупроводни­ковые термоэлементы, в которых горячие спаи нагреваются солнечны­ми лучами, соединены последовательно. Такого рода генераторы при­меняются в качестве автономных источников электроэнергии для по­требителей малой мощности - маяков, морских сигнальных буев и т. п.

2. Фотоэлектрические преобразователи

Фотоэлектрическая генерация энергии обусловлена пространст­венным разделением положительных и отрицательных носителей заряда при поглощении в полупроводнике электромагнитного излучения. В присутствии электрического поля эти заряды могут создавать во внешней цепи электрический ток. В местах переходов или неоднород­ностей материала существуют внутренние электростатические поля. Внутренние поля фотоэлементов на основе структур полупроводник - полупроводник или металл - полупроводник создают разность потен­циалов около 0,5 В и плотность тока порядка 200 А/м при плотности потока солнечного излучения около 1 кВт/м .

Устройства на полупроводниковых переходах обычно называются фотоэлементами или солнечными элементами. Они сами являются ис­точниками ЭДС. Фотоэлектрические устройства преобразуют лучистую энергию в электрическую. Солнечные элементы генерируют электриче­ский ток в прямой зависимости от суточных, сезонных и случайных из­менений облученности.

Эффективность использования солнечной энергии зависит не только от КПД фотоэлемента, но и от согласованности динамической нагрузки во внешней цепи.

В современной солнечной энергетике широко применяются полу­проводниковые преобразователи из химически чистого кристаллическо­го кремния.

Кремний - широко распространенный в земной коре элемент, пе­сок и кварц - это диоксид кремния.

Простейший солнечный элемент на основе монокристаллического кремния представляет собой следующую конструкцию: на малой глуби­не от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован р-п- переход с тонким металлическим контактом; на тыльную сторону пла­стины нанесен сплошной металлический контакт.

Пусть р-п-переход расположен вблизи от освещаемой поверхно­сти полупроводника. При использовании солнечного элемента в качест­ве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки R_H. Рассмотрим вначале два крайних случая: R_H = 0 (режим короткого замыкания) и R_H = да (режим холостого хода). Зонные диаграммы для этих режимов изображены на рис. 6.1. (а, б).

В первом случае зонная диаграмма освещенного р-«-перехода не отличается от зонной диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между «- и p-областями. Однако через р-«-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 р-«-перехода и попадают в «-область. Остальные электроны диф­фундируют к р-«-переходу, стараясь восполнить их убыль, и в конеч­ном итоге также попадают в «-область. В «-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.

а б в

Рис. 6.1. Зонные энергетические диаграммы р-п-перехода при освещении в

разных режимах: а - короткого замыкания; б - холостого хода; в - включения на сопротивление нагрузки

При разомкнутой внешней цепи р-п-перехода (рис. 6.1, б) фото­электроны, попадая в «-область, накапливаются в ней и заряжают n- область отрицательно. Остающиеся в p-области избыточные дырки за­

ряжают p-область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода U_xx. Полярность

U_{x x} соответствует прямому смещению p-^перехода.

Поток генерированных светом носителей образует фототок 1ф.

Величина 1ф равна числу фотогенерированных носителей, прошедших

через p-^переход в единицу времени:

p..

¹ ф = q

^ф ■*hv’

где q - величина заряда электрона; Р_и - мощность поглощенного моно­хроматического излучения.

Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощен­ный фотон с энергией hv > E_g создает одну электронно-дырочную пару.

Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si.

При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элемен­те режим короткого замыкания (рис. 6.1, а) эквивалентен нулевому на­пряжению смещения p-«-перехода, поэтому ток короткого замыкания I_з равен фототоку:

1. кз ¹ ф .

В режиме холостого хода (рис. 6.1, б) фототок уравновешивается «темновым» током I_m - прямым током через p-^переход, возникаю­щим при напряжении смещения U_xx . Абсолютное значение «темново- го» тока:

~

-1

^rqu_x

1. m

   = L

   = ¹0^eXP

AkT

откуда при 1_ф >> I₀:

A

AkT ln k,

ln

I

kT

q

^q

J

о

гдеk - постоянная Больцмана, 1,38-10^-23 Дж/К = 0,86-10'⁴ эВ/К; Т - аб­солютная температура, К; I₀ - ток насыщения; A - параметр вольт- амперной характеристики p-^перехода, меняющийся для разных отрез­ков графика от 1 до 2 по следующему закону:

A = 0,434—AU, kT

где AU - приращение напряжения при приращении плотности тока (или абсолютного значения тока) по касательной на один порядок.

«Темновой» ток сопровождается рекомбинацией неосновных но­сителей тока (в данном случае - электронов в p-области). При актах ре­комбинации потенциальная энергия электронно-дырочных пар выделя­ется либо посредством излучения фотонов с hv « E_g, либо расходуется

на нагревание кристаллической решетки. Оба процесса схематически показаны дополнительными стрелками на рис. 6.1, б. Таким образом, режим холостого хода солнечного элемента эквивалентен режиму рабо­ты светодиодов, а также выпрямительных диодов в пропускном направ­лении.

Найдем обобщенное выражение для вольт-амперной характери­стики освещенного p-^перехода. Для этого предположим, что к нему подключен источник питания с варьируемым напряжением. При поло­жительном напряжении смещения фототок ^ вычитается из «темново-

го» тока p-^перехода, а при отрицательном - суммируется с ним. Вы­ражение для вольт-амперной характеристики записывается в виде:

qU

I = L

1

I

exp

AkT

Рассмотрим подключение к p-^переходу варьируемого сопротив­ления нагрузки (рис. 6.1, в). Направление тока в нагрузке всегда совпа­дает с направлением ^, а сам ток нагрузки I_H равен результирующему

току через p-п-переход. Принимая направление тока ^ за положитель­ное, для I можно записать:

qUн AkT

-1

I.. = I, - L

exp

где U_H - напряжение на нагрузке, равное напряжению на p-^переходе.

Последнее выражение описывает нагрузочную вольт-амперную характеристику освещенного p-^перехода.

При известных параметрах нагрузочной вольт-амперной характе­ристики и заданном значении R_H величины I_H и U_H находятся методом последовательных приближений.

Таким образом, освещенный p-^переход может быть представлен в виде эквивалентной схемы, где источник тока имитирует генерацию постоянного фототока, не зависящего от напряжения p-^перехода, а диод представляет собой неосвещенный p-^переход. При варьирова­нии R_H фототок перераспределяется между нагрузкой и p-^переходом.

Электрическая мощность, выделяемая в нагрузке, определяется по формуле:

P = I hU н = IфUн -10U H exp

В

(яЦп.^л v AkT у

режимах короткого замыкания и холостого хода P = 0, посколь­ку либо I_H, либо U_H равны нулю.

Таким образом, солнечный элемент состоит из двух соединенных между собой кремниевых пластинок. Свет, падающий на верхнюю пла­стинку, выбивает из нее электроны, посылая их на нижнюю пластинку. Так создается ЭДС элемента. Последовательно соединенные элементы являются источником постоянного тока. Несколько объединенных фо­тоэлектрических преобразователей представляют собой солнечную ба­тарею.

Существует много вариантов и промышленных разработок фото­элементов и методов их изготовления. Однако все они должны удовле­творять следующим техническим требованиям:

1. Химически высокочистый исходный материал с устойчивыми свойствами.

2. Минимальная стоимость фотоэлементов при производтстве их в большом количестве. Необходимо обеспечить общий контроль за про­цессом их изготовления и высокий уровень точности.

3. Срок службы солнечных элементов не менее 20 лет в условиях воздействия окружающей среды. Рабочая температура фотоэлемента может меняться в диапазоне от -30 до +200 °С. Стабильные и защищен­ные от всех видов коррозии электрические контакты. Устройство долж­но быть водозащищенным.

4. Конструкция должна быть такова, что разрушение одного из элементов не должно приводить к выходу из строя всей системы. Для этого используются параллельные и последовательные соединения, ко­торые в случае выхода из строя каких-либо элементов исключают воз­можность выхода из строя других элементов.

5. Сборные модули пригодные для транспортировки даже в труд­нодоступные и отдаленные районы.

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 солнечные элементы 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 а-Si^ 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 солнечных элементов на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликри- сталлическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si^ 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^ - 12 %. Это несколько ниже КПД кристаллических кремние­вых солнечных элементов (~15 %). Однако не исключено, что с разви­тием технологии КПД элементов на основе а-Si^ 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 солнечных элементов. 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. 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 солнечные эле­менты 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. 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 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.

В современных условиях эффективность преобразования лучистой энергии в электрическую достигает 13.16 %, в лабораторных условиях на некоторых полупроводниках достигнута эффективность 40 %. За по­следние 40 лет стоимость кремниевых фотоэлектрических преобразова­телей снизилась в 40 раз, 1 кВт установленной мощности на фотоэлек­трических солнечных электростанциях обходится в 2500 долл.

Использование фотоэлектрических солнечных электростанций на­чиналось с космической техники, где стоимость играла второстепенную роль. «Крылья» фотоэлементов космической станции «Мир» имели площадь в сотни квадратных метров. На Луне больше года работал лу­ноход, питаемый от солнечных батарей. На американской станции «Скайлэб» батарея общей площадью 130 м обеспечивала энергопита­ние мощностью 10,5 кВт.

В наше время модули фотоэлектрических преобразователей про­изводятся в ряде стран для нужд большой энергетики. Мощности оди­ночных солнечных установок этого типа в США достигли 10 МВт, при­чем пик мощности достигается, когда Солнце находится в зените - близко к тому времени, когда суточный ход потребления энергии в сол­нечных южных субтропических штатах Америки имеет максимум в свя­зи с работой кондиционеров.

Очень важным преимуществом фотоэлектрических солнечных электростанций являются очень малые эксплуатационные затраты - мо­дули, защищенные от пыли и атмосферных осадков стеклом или плен­кой, работают десятки лет без обслуживания.

Следует ожидать, что в южных солнечных регионах России при массовом выпуске и снижении стоимости фотоэлектрических модулей такие установки окажутся конкурентоспособными в сравнении с тради­ционными, работающими на дорожающем органическом топливе.