Реферат: Сонячна енергетика

25.08.2015

Сонячна енергетика

Альтернативні та відновлювані джерела енергії, такі як енергія вітру і сонячного світла, гідро — і геотермальна енергія, у всьому світі привертають все більше уваги. Зростаючий інтерес до них викликаний екологічними міркуваннями, з одного боку, і обмеженістю традиційних земних ресурсів — з іншого. Особливе місце серед альтернативних і поновлюваних джерел енергії займають фотоелектричні перетворювачі сонячної енергії, вивчення яких перетворилося в окремий науковий напрям – фотовольтаїку.

Проте висока вартість сонячних елементів до недавнього часу закривала їм шлях в області, де без них можна обійтися. Але часи змінюються, і економічно передові держави у своїх національних програмах вже стимулюють масове застосування сонячних батарей. Що це — данина моді, транснаціональне лобіювання чиїхось інтересів чи стійка тенденція, час якої настав?

Джерело, який не вичерпається.

Джерелом енергії сонячного випромінювання служить термоядерна реакція – кожну секунду на Сонці

6*1011 кг водню перетворюється в гелій. Дефект маси при цьому становить 4000 кг, що відповідно до співвідношенням Ейнштейна E=mc2 призводить до виділення 4*1020 Дж енергії. Основна частина цієї енергії випускається у вигляді електромагнітного випромінювання в діапазоні 0,2–3 мкм. Оскільки повна маса Сонця

2*1030 кг, воно повинно перебувати в досить стабільному стані понад 10 млрд. років з постійним виділенням енергії.

Інтенсивність сонячного випромінювання у вільному просторі на відстані, що дорівнює середній відстані між Землею і Сонцем, називається сонячною постійною. Її величина – 1353 Вт/м2. При проходженні через атмосферу сонячне світло послаблюється в основному із-за поглинання інфрачервоного випромінювання парами води, ультрафіолетового випромінювання – озоном і розсіювання випромінювання частками атмосферного пилу та аерозолю. Показник атмосферного впливу на інтенсивність сонячного випромінювання, що доходить до земної поверхні, називається «повітряною масою» (АМ). АМ визначається як секанс кута між Сонцем і зенітом.

На рис.1 показано спектральний розподіл інтенсивності сонячного випромінювання в різних умовах. Верхня крива (АМ0) відповідає сонячному спектру за межами земної атмосфери (наприклад, на борту космічного корабля), тобто при нульовій повітряній масі. Вона апроксимується розподілом інтенсивності випромінювання абсолютно чорного тіла при температурі 5800 К. Криві АМ1 та АМ2 ілюструють спектральний розподіл сонячного випромінювання на поверхні Землі, коли Сонце в зеніті і при куті між Сонцем і зенітом 60°, відповідно. При цьому повна потужність випромінювання – відповідно близько 925 і 691 Вт/м2. Середня інтенсивність випромінювання на Землі приблизно збігається з інтенсивністю випромінювання при АМ=1,5 (Сонце – під кутом 45° до горизонту).

Рис. 1 Розподіл інтенсивності по спектру сонячного випромінювання

Таким чином, при використанні високоефективних методів перетворення енергії Сонце може забезпечувати бурхливо зростаючі потреби в ній практично вічно.

Основні принципи роботи сонячних батарей

Рис.2. Конструкція сонячного элементаПростейшая конструкція сонячного елемента (СЕ) – приладу для перетворення енергії сонячного випромінювання – на основі монокристалічного кремнію показана на рис. 2. На малій глибині від поверхні кремнієвої пластини p-типу сформований p-n-перехід з тонким металевим контактом. На тильний бік пластини завдано суцільний металевий контакт.

Найпростіша конструкція сонячного елемента (СЕ) – приладу для перетворення енергії сонячного випромінювання – на основі монокристалічного кремнію показана на рис. 2. На малій глибині від поверхні кремнієвої пластини p-типу сформований p-n-перехід з тонким металевим контактом. На тильний бік пластини завдано суцільний металевий контакт.

Коли СЕ висвітлюється, поглинені фотони генерують нерівноважні електрон-діркові пари. Електрони, що генеруються у p-шарі поблизу p-n-переходу, підходять до p-n-переходу і існуючим в ньому електричним полем виносяться в n-область. Аналогічно і надлишкові дірки, створені в n-шарі, частково переносяться в p-шар (рис. 3а). В результаті n-шар набуває додатковий негативний заряд, а p-шарі – позитивний. Знижується первісна контактна різниця потенціалів між p — і n-шарами напівпровідника, і в зовнішньому ланцюзі з’являється напруга (рис. 3б). Негативного полюса джерела струму відповідає n-шар, а p-шар – позитивного.

Рис.3. Зонна модель розімкнутого p-n-переходу: а) — в початковий момент освітлення; б) — зміна зонної моделі під дією постійного освітлення і виникнення фотоерс

Величина сталої фотоерс при освітленні переходу випромінюванням постійної інтенсивності описується рівнянням вольт-амперної характеристики (ВАХ) (рис. 4):

U = (kT/q)ln((Iph-I)Is/+1)

де Is– струм насичення, а Iph – фотострум.

ВАХ пояснює еквівалентна схема фотоелемента (рис. 5), що включає джерело струму Iph=SqN0Q, де S – площа фотоелемента, а коефіцієнт збирання Q – безрозмірний множник (

Рис.4. Вольт-амперна характеристика сонячного елементу

Рівняння ВАХ справедливо і при освітленні фотоелемента світлом довільного спектрального складу, змінюється лише значення фотоструму Iph. Максимальна потужність, що відбирається в тому випадку, коли фотоелемент знаходиться в режимі, зазначеному точки а (див. рис. 4).

Рис.5. Еквівалентна схема сонячного елементу

Максимальна потужність, що знімається з 1 см2, дорівнює

P = Iph*U = x*Ікз*Uхх,

де x – коефіцієнт форми або коефіцієнт заповнення вольт-амперної характеристики, Ікз – струм короткого замикання, Uхх – напруга холостого ходу.

Проблеми знаходження і використання конструкцій та матеріалів для сонячних елементів

Для ефективної роботи сонячних елементів необхідно дотримання ряду умов:

* оптичний коефіцієнт поглинання (a) активного шару напівпровідника повинен бути досить великим, щоб забезпечити поглинання значної частини енергії сонячного світла в межах товщини шару;

* генеруються при освітленні електрони і дірки мають ефективно збиратися на контактних електродах з обох сторін активного шару;

* сонячний елемент повинен володіти значною висотою бар’єру в напівпровідниковому переході;

* повне опір, включене послідовно з сонячним елементом (виключаючи опір навантаження), повинно бути малим для того, щоб зменшити втрати потужності (джоулево тепло) в процесі роботи;

* структура тонкої плівки повинна бути однорідною по всій активній області сонячного елемента, щоб виключити закорочування і вплив шунтуючих опорів на характеристики елемента.

Виробництво структур на основі монокристалічного кремнію, що задовольняють даним вимогам, – процес технологічно складний і дорогий. Тому увагу було звернено на такі матеріали, як сплави на основі аморфного кремнію (a-Si:H), арсенід галію і полікристалічні напівпровідники.

Аморфний кремній виступив в якості більш дешевої альтернативи монокристаллическому. Перші СЕ на його основі були створені в 1975 році. Оптичне поглинання аморфного кремнію в 20 разів вище, ніж кристалічного. Тому для істотного поглинання видимого світла достатньо плівки а-Si:Н товщиною 0,5–1,0 мкм замість дорогих кремнієвих 300-мкм підкладок. Крім того, завдяки існуючим технологіям отримання тонких плівок аморфного кремнію великої площі не потрібно операції різання, шліфування і полірування, необхідних для СЕ на основі монокристалічного кремнію. Порівняно з поликристаллическими кремнієвими елементами вироби на основі a-Si:Н проводять при більш низьких температурах (300°С): можна використовувати дешеві скляні підкладки, що скоротить витрати кремнію в 20 разів.

Поки максимальний ККД експериментальних елементів на основі а-Si:Н – 12% – дещо нижчий ККД кристалічних кремнієвих СЕ (

15%). Однак не виключено, що з розвитком технології ККД елементів на основі а-Si:Н досягне теоретичного стелі – 16 %.

Найбільш прості конструкції СЕ з а-Si:Н були створені на основі структури метал – напівпровідник (діод Шотки) (рис. 6). Незважаючи на видиму простоту, їх реалізація досить проблематична – металевий електрод повинен бути прозорим і рівномірним по товщині, а всі стани на межі метал/а-Si:Н – стабільними в часі. найчастіше сонячні елементи на основі а-Si:Н формують на стрічці з нержавіючої сталі або на скляних підкладках, покритих провідним шаром.

Рис.6. Конструкція фотоелемента з бар’єром Шоткі

При використанні скляних підкладок на них наносять прозору для світла провідну оксидну плівку (ТЗН) з Sn2, In2O3 або Sn2+In2O3 (ITO), що дозволяє висвітлювати елемент через скло. Оскільки у нелегованого шару електронна провідність виражена слабо, бар’єр Шоткі створюється за рахунок осадження металевих плівок з високою роботою виходу (Pt, Rh, Pd), яка зумовлює утворення області позитивного об’ємного заряду (збідненого шару) в а-Si:Н.

При нанесенні аморфного кремнію на металеву підкладку утворюється небажаний потенційний бар’єр а-Si:Н/металева підкладка, висоту якого необхідно зменшувати. Для цього використовують підкладки з металів з малою роботою виходу (Mo, Ni, Nb). Перед нанесенням аморфного кремнію бажано осадити на металевій підкладці тонкий шар (10-30 нм)-Si:Н, легований фосфором. Не рекомендується використовувати в якості матеріалів електродів легко дифундує в аморфний кремній метали (наприклад, Au і Al), а також Cu і Ag, оскільки а-Si:Н має погану адгезію до них. Зазначимо, що Uxx сонячних елементів з бар’єром Шоткі на основі а-Si:Н зазвичай не перевищує 0,6 В.

Більш високою ефективністю володіють СЕ на основі аморфного кремнію з p-i-n-структурою (рис.7). У цьому «заслуга» широкої нелегованої i-області a-Si:H, поглинає значну частку світла. Але виникає проблема – дифузійна довжина дірок в a-Si:H дуже мала (

100 нм), тому в сонячних елементах на основі a-Si:H носії заряду досягають електродів в основному тільки завдяки внутрішньому електричному полю, т.тобто за рахунок дрейфу носіїв заряду. В СЕ на основі кристалічних напівпровідників носії заряду, маючи більшу дифузійну довжину (100 – 200 мкм), досягають електродів і у відсутність електричного поля. Оскільки в простому p-n-переході в a-Si:H область сильного електричного поля дуже вузька і дифузійна довжина носіїв заряду мала, здебільшого СЕ не відбувається ефективного розподілу носіїв заряду, що генеруються при поглинанні світла. Отже, для отримання ефективних СЕ на основі p-i-n-сруктури аморфного гідрогенізованого кремнію необхідно домогтися у всій i-області однорідного потужного внутрішнього електричного поля, достатнього для досягнення довжини дрейфу носіїв, сумірного з розмірами області поглинання (див. рис. 7).

Рис.7. Енергетична зонна діаграма p-i-n-структури (а) та розрахунковий розподіл електричного поля (б)

Рис.8. р-i-n-Структура на скляній (а) і сталевий (б) підкладці

Дана задача вирішується, якщо при виготовленні p-i-n-структури першим формувати p-шар (рис.8). Для його створення необхідно невелику кількість бору (

У той же час, якщо першим осаджувати n-шар, то наявність залишкового фосфору змінює властивості i-шару. Формування p-шару на поверхні прозорого провідного електрода забезпечує з ним хороший електричний контакт. Однак товщина p-шару повинна бути мала (10 нм), щоб основна частина світла поглиналась в i-області.

Використовується й інша p-i-n-структура СЕ на основі a-Si:H з підкладкою з металевої фольги, зокрема з нержавіючої сталі. Світло потрапляє з боку прозорого електрода, що контактує з n-областю. В результаті зростає щільність струму короткого замикання завдяки відбивної здатності металевої підкладки і меншому оптичного поглинання світла легованими фосфором плівками a-Si:H (n-область) в порівнянні з легованими бором р-шарами.

Рис.9. Сонячна батарея з поперечним переходом

Проблема з застосуванням розглянутих p-i-n-елементів в тому, що їх можна оптимізувати тільки в одному вимірі. Значно більше можливостей в цьому плані надає СЕ з поперечним переходом [4]: на ізолювальній підкладці перпендикулярно до поверхні формується p-i-n-структура a-Si:H (рис. 9). Такий СЕ не вимагає прозорого провідного оксиду в якості контакту та широкозонного p-шару для створення прозорого віконного шару, його можна виготовити за допомогою стандартних технологій мікроелектроніки.

Один з найбільш перспективних матеріалів для створення високоефективних сонячних батарей — арсенід галію. Це пояснюється такими його особливостями, як:

* майже ідеальна для одноперехідних сонячних елементів ширина забороненої зони 1,43 ев;

* підвищена здатність до поглинання сонячного випромінювання: потрібно шар товщиною всього в декілька мікрон;

* висока радіаційна стійкість, що разом з високою ефективністю робить цей матеріал надзвичайно привабливим для використання в космічних апаратах;

* відносна нечутливість до нагрівання батарей на основі GaAs;

* характеристики сплавів GaAs з алюмінієм, миш’яком, фосфором або індієм доповнюють характеристики GaAs, що розширює можливості при проектуванні СЕ

Головне достоїнство арсеніду галію і сплавів на його основі —широкий діапазон можливостей для дизайну СЕ. Фотоелемент на основі GaAs може складатися з декількох шарів різного складу. Це дозволяє розробнику з великою точністю управляти генерацією носіїв заряду, що в кремнієвих СЕ обмежений допустимим рівнем легування. Типовий СЕ на основі GaAs складається з дуже тонкого шару AlGaAs в якості вікна.

Основний недолік арсеніду галію – висока вартість. Для здешевлення виробництва пропонується формувати СЕ на більш дешевих підкладках; вирощувати шари GaAs на видаляються підкладках або підкладках багаторазового використання.

тонкі Полікристалічні плівки також дуже перспективні для сонячної енергетики.

Рис.10. Структура сонячного елемента на основі CdTe

надзвичайно висока здатність до поглинання сонячного випромінювання у диселенида міді і індія (CuInSe2) – 99 % світла поглинається в першому мікрон цього матеріалу (ширина забороненої зони – 1,0 ев) [2,5]. Найбільш поширеним матеріалом для виготовлення вікна сонячної батареї на основі CuInSe2 є CdS. Іноді для поліпшення прозорості вікна в сульфід кадмію додають цинк. Трохи галію в шарі CuInSe2 збільшує ширину забороненої зони, що призводить до зростання напруги холостого ходу і, отже, підвищенню ефективності пристрою. Один з основних способів отримання CuInSe2 — електрохімічне осадження з розчинів CuSO4, In2(SO4)3 і Seo 2 в деіонізованої води при співвідношенні компонентів Cu:In:Se як 1:5:3 pH »1,2–2,0.

Ще один перспективний матеріал для фотовольтаїки — телурид кадмію (CdTe). У нього майже ідеальна ширина забороненої зони (1,44 ев) і дуже висока здатність до поглинання випромінювання. Плівки CdTe досить дешеві у виготовленні. Крім того, технологічно нескладно отримувати різноманітні сплави CdTe c Zn, Hg та іншими елементами для створення шарів із заданими властивостями.

Подібно CuInSe2, найкращі елементи на основі CdTe включають гетеропереход з CdS в якості віконного шару. Оксид олова використовується як позрачный контакт і просвітлююче покриття. Серйозна проблема на шляху застосування CdTe – високий опір шару p-CdTe, що призводить до великим внутрішнім втрат. Але вона вирішена в p-i-n-структуру з гетеропереходом CdTe/ZnTe (рис. 10).

Найбільш відповідальний етап формування СЕ на основі CdS/CdTe – осадження поглинаючого шару CdTe завтовшки 1,5–6 мкм. Для цього використовують різні способи: сублімацію/конденсацію, електрохімічне осадження, трафаретний друк, хімічне осадження з газової фази і розпорошення. Плівки CdTe, одержані цими методами, володіють високою рухливістю носіїв заряду, а СЕ на їх основі – високими значеннями ККД, від 10 до 16%.

CuGaSe2 також вельми цікавий як тонкоплівковий елемент сонячних батарей. Завдяки забороненій зоні шириною 1,68 ев він використовується як верхній елемент тандемною сонячної батареї з нижнім елементом з CuInSe2. Шари CuGaSe2 формують шляхом послідовного осадження термічним випаровуванням тонких шарів Ga, Se і Cu на поверхню скляної підкладки, покритої шаром молібдену товщиною 1 мкм (рис.11). Далі з отриманої структури в установці швидкого термічного відпалу протягом п’яти хвилин при температурі 550°С отримують з’єднання CuGaSe2.

Рис.11. Отримання плівок CuGaSe2

Одним з перспективних матеріалів для дешевих сонячних батарей завдяки прийнятній ширині забороненої зони (1,4–1,5 ев) і великим коефіцієнтом поглинання 104 см-1 є Cu2ZnSnS4. Його головне достоїнство в тому, що вхідні в неї компоненти широко поширені в природі і нетоксичні. Однак поки досягнута ефективність перетворення всього в 2,3% при використанні гетероперехода Cu2ZnSnS4 і CdS/ZnO.

Серед СЕ особливе місце займають батареї, що використовують органічні матеріали. Зокрема, ККД СЕ на основі діоксиду титану, покритого органічним барвником, дуже високий –

11 %. Важливо, що підкладками в таких елементах можуть виступати полімерні плівки.

Основа СЕ даного типу – широкозонный напівпровідник, зазвичай TiO2, покритий монослоем органічного барвника, як правило – цис-(NCS)2бис(4,4′-дикарбокси-2,2’бипиридин)-рутенієм (II) (рис.12). Фотоэлектрод такого пристрою являє собою нанопористую плівку TiO2 товщиною 1 мкм, осаджений на ТЗН на склі. Відображає електродом служить тонкий шар Pt, осаджений на TCO на склі. Простір між двома електродами заповнюють електролітом, зазвичай містить йодид/трииодид

(I-/I3-).

Принцип роботи елемента заснований на фотовозбуждении барвника і швидкої інжекції електрона в зону провідності TiO2. При цьому молекула барвника окислюється, через елемент йде електричний струм і на платиновому електроді відбувається відновлення трииодида до иодида. Потім іодіда проходить через електроліт до фотоэлектроду, де відновлює окислений барвник.

Для сонячної батареї на ефекті Шоткі використовують фталоціанін – органічний напівпровідник p-типу. В ньому найбільш приваблюють висока фотопроводимость у видимій області спектру і термічна стабільність. Основний недолік – низький час життя носіїв внаслідок великої кількості пасток. Для підвищення часу життя фталоціанін легують фуллеренами або 2-, 4-, 7-тринитрофлуореноном, створюють акцепторні рівні.

Рис.12. Сонячна батарея на основі органічних матеріалів

Фулерени (С60) також вельми перспективні для органічних сонячних батарей на основі гетероструктур С60/p-Si у зв’язку з їх здатністю до сильного поглинання в короткохвильовій області сонячного спектра. Полікристалічний фулерен С60 завтовшки

1 мкм осаджують на кремнієву підкладку в глибокому вакуумі. Далі на шар С60 наносять алюмінієві контакти. В якості заднього контакту використовується сплав GaxIny на позолоченою підкладці.

Рис.13. Схема термофотоэлектрического сонячного елемента

Термофотовольтаическое виробництво електроенергії, т.е. перетворення довгохвильового (теплового) випромінювання за допомогою фотовольтаїчних осередків було відкрито в 1960 році і викликає все більший інтерес, особливо у зв’язку з сучасними досягненнями в галузі створення узкозонных напівпровідників. У термофотовольтаической осередку (рис.13) тепло перетворюється в електроенергію за допомогою селективних емітерів з оксидів рідкоземельних елементів – эрбия і ітербій. Ці речовини поглинають інфрачервоне випромінювання і знову випромінюють його у вузькому енергетичному діапазоні. Випромінювання може бути ефективно перетворена з допомогою фотовольтаїчної комірки з відповідною шириною забороненої зони. В якості матеріалу для фотоелектричної осередку найбільше підходить InxGa1-xAs, оскільки він дозволяє домогтися необхідної ширини забороненої зони.

Каскадні сонячні елементи

Більшість сучасних СЕ володіють одним p-n-переходом. В такому елементі вільні носії заряду створюються тільки тими фотони, енергія яких більше або дорівнює ширині забороненої зони. Іншими словами, фотоелектричний відгук одноперехідного елемента обмежений частиною сонячного спектра, енергія якого вище ширини забороненої зони, а фотони меншою енергії не використовуються. Подолати це обмеження позвляют багатошарові структури з двох і більше СЕ з різною шириною забороненої зони. Такі елементи називаються многопереходными, каскадними або тандемными. Оскільки вони працюють зі значно більшою частиною сонячного спектра, ефективність фотоелектричного перетворення у них вище.

В типовому многопереходном сонячному елементі (рис.14) одиночні фотоелементи розташовані один за одним таким чином, що сонячне світло спочатку потрапляє на елемент з найбільшою шириною забороненої зони, при цьому поглинаються фотони з найбільшою енергією. Пропущені верхнім шаром фотони проникають в наступний елемент з меншою шириною забороненої зони і т. д.

Рис.14. Принцип побудови многопереходного сонячного елемента

Основний напрямок досліджень в області каскадних елементів пов’язано з використанням арсеніду галію в якості одного або кількох компонентів. Ефективність перетворення подібних СЕ досягає 35 %. Крім того в каскадних елементах широко застосовуються аморфний кремній, сплави на його основі

(a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), а також CuInSe2.

Рис.15. Каскадний елемент

На рис.15 зображена каскадна батарея, в якій верхнім елементом служить структура на основі GaInP c n-AlInP в якості вікна, далі слід тунельний діод на GaAs для проходження носіїв між елементами і нижній елемент з GaAs.

Рис.16. Трьохкаскадний сонячний елемент на основі сплавів a-SiGe:H

Дуже перспективні каскадні батареї, що складаються з трьох елементів з різною шириною забороненої зони (рис.16). Верхній шар, що поглинає короткохвильову область сонячного спектра, сформований із сплаву на основі a-Si:H до ширини оптичної щілини 1,8 ев. Для серединного елемента в якості шару i-типу використаний сплав a-SiGe:H з вмістом німеччина

10-15%. Ширина оптичної щілини даного шару (1,6 ев) ідеальна для поглинання зеленій області сонячного спектра. Нижня частина СЕ поглинає довгохвильову частину спектра, для цього используетсяі-шар

a-SiGe:H з концентрацією німеччина 40-50%. Непоглощенный світло відбивається від заднього контакту на основі Ag/Zn. Всі три елементи каскадної сонячної батареї пов’язані між собою сильнолегированными шарами, утворюють тунельні переходи між сусідніми елементами.

Короткий опис статті: сонячна енергетика Текст роботи з дисципліни Фізика. Текст роботи з дисципліни Фізика.

Джерело: Реферат: Сонячна енергетика

Також ви можете прочитати