Преобразование солнечной энергии в

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
AM ( x) =
x 1
,
x 0 sin θ
(3.1.1)
где x – атмосферное давление, Па;
x 0 – нормальное атмосферное давление (1,013·105 Па);
θ – угол высоты Солнца над горизонтом.
Наиболее характерной в земных условиях является величина АМ1,5
( θ = 41o 49′ ). Она принята за стандартную при интегральной поверхностной
плотности солнечного излучения E C = 835 Вт/м2. Это необходимо для обеспечении сравнимости результатов исследований различных солнечных элементов. На рис. 3.1.1 приведено спектральное распределение потока фотонов
внеатмосферного (АМ0) и наземного стандартизованного (АМ1,5) солнечноhttp://dhes.ime.mrsu.ru - Кафедра теплоэнергетических систем
1
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
соотношения
hv = h
c
λ
=
1,24
λ
,
(3.1.2)
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.
http://dhes.ime.mrsu.ru - Кафедра теплоэнергетических систем
2
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) E g
λг =
1,24
.
Eg
(3.1.3)
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 струкhttp://dhes.ime.mrsu.ru - Кафедра теплоэнергетических систем
3
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)
туры (тонкие полосы, соединенные относительно широкой шиной). Контакт pили 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
http://dhes.ime.mrsu.ru - Кафедра теплоэнергетических систем
4
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 pобласть. 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 I ф . Величина I ф равна числу фотогенерированных носителей, прошедших через p–nпереход в единицу времени
http://dhes.ime.mrsu.ru - Кафедра теплоэнергетических систем
5
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)
Iф = q
Pи
,
hv
(3.3.1)
где q – величина заряда электрона;
Pи – 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 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
I к. з = I ф .
(3.3.2)
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
⎛ qU
⎞
I т = I 0 ⎜ e kT − 1⎟ = I ф ,
⎜
⎟
⎝
⎠
(3.3.3)
где k – постоянная Больцмана, 1,38·10-23 Дж/К=0,86·10-4 эВ/К;
T – абсолютная тмпература, К;
I 0 – ток насыщения (представляет сумму токов неосновных носителей);
Полный ток через p-n-переход равен
⎛ qU
⎞
I = I 0 ⎜ e kT − 1⎟ − I ф .
⎜
⎟
⎝
⎠
(3.3.4)
Эта формула описывает вольт-амперную характеристику освещенного p–nhttp://dhes.ime.mrsu.ru - Кафедра теплоэнергетических систем
6
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)
перехода.
Напряжение смещения
U=
⎞
kT ⎛ I ф + I
ln⎜⎜
+ 1⎟⎟ ,
q ⎝ I0
⎠
(3.3.5)
откуда напряжение холостого хода
U х. х =
⎞
kT ⎛ I ф
ln⎜⎜
+ 1⎟⎟ .
q ⎝ I0
⎠
(3.3.6)
Рассмотрим подключение к p–n-переходу варьируемого сопротивления
нагрузки. Направление тока в нагрузке всегда совпадает с направлением I ф ,
а сам ток нагрузки I н равен результирующему току через p–n-переход
(3.3.4). Принимая направление тока I ф за положительное, для I н можно записать
⎞
⎛ qU н
kT
⎜
Iн = Iф − I0 e
− 1⎟ ,
⎟
⎜
⎠
⎝
(3.3.7)
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 I ф = 1 А изображена 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 R н фототок перераспределяется между нагрузкой и p–nпереходом.
http://dhes.ime.mrsu.ru - Кафедра теплоэнергетических систем
7
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))
qU н
⎛
⎜
P = I нU н = U н I ф − I 0 e AkT
⎜
⎝
⎞
⎟.
⎟
⎠
(3.3.8)
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 (aSi:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.
Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернати-
вы 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 досhttp://dhes.ime.mrsu.ru - Кафедра теплоэнергетических систем
8
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 аSi: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 за-
прещенной зоны 1,43 эВ;
- повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется
слой толщиной всего в несколько микрон;
- высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективно-
стью 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
http://dhes.ime.mrsu.ru - Кафедра теплоэнергетических систем
9
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 фо-
товольтаики. 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 пуhttp://dhes.ime.mrsu.ru - Кафедра теплоэнергетических систем
10
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)
ти 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.
Литература
1. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. – Л.: Наука, 1989. –
310 с.
2. Андреев В.М. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. //
Соросовский образовательный журнал. – 1996. – №7. – С. 93-98.
3. Бринкворт Б. Солнечная энергия для человека. Пер. с англ. В.Н. Оглоблева. Под ред. и предисл. Б.В. Тарнижевского. – М.: Мир, 1976. – 291 с.
4. Мейтин М. Фотовольтаика: материалы, технологии, перспективы.
5. Фаворский О.Н. Установки для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. – М.: Высшая. школа, 1965. – 288 с.
http://dhes.ime.mrsu.ru - Кафедра теплоэнергетических систем
11
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)
Содержание
3. Физические основы процессов преобразования солнечной энергии ............ 1
3.1. Интенсивность солнечного излучения........................................................... 1
3.2. Фотоэлектрические свойства p–n перехода .................................................. 3
3.3. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента ............................... 5
3.4. Конструкции и материалы солнечных элементов ........................................ 8
Литература ............................................................................................................. 11
http://dhes.ime.mrsu.ru - Кафедра теплоэнергетических систем
12