Материал: Повышение эффективности энергетической системы Казахстана за счёт внедрения солнечной электроэнергетики

На основе структуры металл-полупроводник (Диод Шотки) были изобретены наиболее упрощенные конструкции фотоэлемента изa-Si:Н (в соответствии с рисунком 6).

Рисунок 6.Конструкция фотоэлемента с барьером Шотки

Несмотря на кажущеюся техническую не сложность, реализация этих фотоэлементов проблематична - все состояния на границе металла a-Si: Н должны быть абсолютно стабильными во времени. Металлический электрод должен обладать следующими характеристиками: равномерность по толщине и прозрачность. В основном фотоэлементы на основе аморфного кремния размещают на стеклянных подложках, с нанесением проводящего слоя. Так же фотоэлемент формируют на ленте из нержавеющей стали.

При формировки a-Si:Н на металлическую подложку формируется негативный потенциальный барьер металлическая подложка/аморфный кремний. Необходимо уменьшать высоту данного барьера. С этой целью применяются металлические подложки с малой работой выхода (молибден, никель, неодим). Рекомендуется перед нанесением a-Si:Н осадить на металлической подложке слой (10-30 нм) легированного фосфора. Не целесообразно применения для материалов электрода легко вступающие в реакцию с аморфным кремнием металлы: золото, алюминий, медь и серебро. Это связано с плохой адгезией аморфного кремния по отношению к этим металлам. Напряжение холостого хода (Uxx) фотоэлементов с барьером Шоткине выше 0,6 В.

Процесс использования стеклянных подложек отличается тем что на них наносится специальная прозрачная для света оксидная пленка из оксида олова, трехвалентного оксида индия или из индий 3 олово 4 оксида(SnO2+In2O3).Это позволяет освещать элемент через стекло. Барьер Шотки возникает в свези осаждения металлических пленок с высокой работой выхода, в свези со слабым негелированием слоя электронной проводимости фотоэлемента на основе кремния. Фотоэлементы на основе аморфного кремния с структурой p-i-n обладают более высокой производительностью. Эффективность увеличивается за счет нелегированной i-области, поглощающею основную долю света. Но и этот вид фотоэлементов не лишен недостатков: очень малая (~100 нм) диффузионная длина дырок. За счет этого в фотоэлектрических солнечных элементах на основе аморфного кремния носители заряда достигают электродов за счет дрейфа носителя заряда тесть благодаря внутреннему электрическому полю. Носители заряда в фотоэлементе на основе кристаллических полупроводников, имея большую диффузионную длину (100 - 200 мкм), и в отсутствие электрического поля достигают электродов. Поскольку в простом p-n-переходе в a-Si:H диффузионная длина носителей заряда мала область сильного электрического поля очень узка, в большей части фотоэлемента эффективного разделения носителей заряда не генерируемых при поглощении света происходит,. для получения эффективных СЭ на основе p-i-n-сруктуры аморфного гидрогенизированного кремния необходимо добиться достаточного для достижения длины дрейфа носителей соизмеримого с размерами области поглощения во всей i-области однородного мощного внутреннего электрического поля, (в соответствии с рисунком 7).

Рисунок 7. Энергетическая зонная диаграмма p-i-n-структуры (а) и расчетное распределение электрического поля (б)

Данная задача решается, если при изготовлении p-i-n-структуры первым формировать p-слой (в соответствии с рисунком. 8).

Рисунок 8. р-i-n-Структура

Для его создания необходимо небольшое количество бора (<1018 см³), а значит, существенного загрязнения нелегированного слоя не происходит.

В то же время, если первым осаждать n-слой, то наличие остаточного фосфора изменяет свойства i-слоя. Формирование p-слоя на поверхности прозрачного проводящего электрода обеспечивает с ним хороший электрический контакт. Однако толщина p-слоя должна быть мала (10 нм), чтобы основная часть света поглощалась в i-области.

Используется и другая p-i-n-структура СЭ на основе a-Si:H с подложкой из металлической фольги, в частности из нержавеющей стали. Свет попадает со стороны прозрачного электрода, контактирующего с n-областью. В результате возрастает плотность тока короткого замыкания благодаря отражающей способности металлической подложки и меньшему оптическому поглощению света легированными фосфором пленками a-Si:H (n-область) по сравнению с легированными бором р-слоями.

Проблема с применением рассмотренных p-i-n-элементов в том, что их можно оптимизировать только в одном измерении. Значительно больше возможностей в этом плане предоставляет СЭ с поперечным переходом: на изолирующей подложке перпендикулярно к поверхности формируется p-i-n-структура a-Si:H (в соответствии с рисунком 9).

Рисунок 9. Солнечная батарея с поперечным переходом

Такой СЭ не требует прозрачного проводящего оксида в качестве контакта и широкозонного p-слоя для создания прозрачного оконного слоя, его можно изготовить посредством стандартных технологий микроэлектроники. Один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей - арсенид галлия. Это объясняется таким его особенностями, как:

·        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 СЭ

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 разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых СЭ ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный СЭ 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. Еще один перспективный материал для фотовольтаики - теллурид кадмия (CdTe). У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Получение разнообразных сплавов CdTe c Zn, Hg с другими элементами для создания сплавов с определенными свойствами с технической стороны вопроса не отличаются особо крупными затратами. 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. Эта проблема решилась после добавления в p-i-nструктуру CdTe/ZnTe гетероперехода, добавление структуры снизило высокое сопротивление. Наиболее ответственный этап формирования СЭ на основе CdS/CdTe - осаждение поглощающего слоя CdTe толщиной 1,5-6 мкм. Для этого используют различные способы: сублимацию/конденсацию, электрохимическое осаждение, трафаретную печать, химическое осаждение из газовой фазы и распыление. Пленки CdTe, полученные данными методами, обладают высокой подвижностью носителей заряда, а СЭ на их основе - высокими значениями КПД, от 10 до 16%. CuGaSe2 также весьма интересен как тонкопленочный элемент солнечных батарей. Благодаря запрещенной зоне шириной 1,68 эВ он используется как верхний элемент тандемной солнечной батареи с нижним элементом из CuInSe2. Слои CuGaSe2 формируют путем последовательного осаждения термическим испарением тонких слоев Ga, Se и Cu на поверхность стеклянной подложки, покрытой слоем молибдена толщиной 1 мкм .Далее из полученной структуры в установке быстрого термического отжига в течение пяти минут при температуре 550°С получают соединение CuGaSe2.

Одним из перспективных материалов для дешевых солнечных батарей благодаря приемлемой ширине запрещенной зоны (1,4-1,5 эВ) и большому коэффициенту поглощения 104 см-1 является Cu2ZnSnS4. Его главное достоинство в том, что входящие в него компоненты широко распространены в природе и нетоксичны. Однако пока достигнута эффективность преобразования всего в 2,3% при использовании гетероперехода Cu2ZnSnS4 и CdS/ZnO. Среди СЭ особое место занимают батареи, использующие органические материалы. В частности, КПД СЭ на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок - ~11 %. Немаловажно, что подложками в таких элементах могут выступать полимерные пленки. Основа СЭ данного типа - широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органического красителя, как правило - цис-(NCS) 2бис (4,4’-дикарбокси - 2,2’бипиридин) - рутением (II) (в соответствии с рисунком 10).

Рисунок 10. Солнечная батарея на основе органических материалов

Фотоэлектрод такого устройства представляет собой на нопористую пленку TiO2 толщиной 1 мкм, осажденную на ТСО на стекле. Отражающим электродом служит тонкий слой Pt, осажденный на TCO на стекле. Пространство между двумя электродами заполняют электролитом, обычно содержащим иодид/трииодид (I-/I3-). 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. Иодид минуя электролит к фотоэлектролиту, попутно восстанавливает окислительный краситель инжектируя электрон в зону проводимости. Для солнечной батареи на эффекте Шотки используют фталоцианин - органический полупроводник p-типа. В нем наиболее привлекают высокая фотопроводимость в видимой области спектра и термическая стабильность. Основной недостаток - низкое время жизни носителей вследствие большого числа ловушек. Для повышения времени жизни фталоцианин легируют фуллеренами или 2-, 4-, 7-тринитрофлуореноном, создающими акцепторные уровни.

Фуллерены (С60) также весьма перспективны для органических солнечных батарей на основе гетероструктур С60/p-Si в связи с их способностью к сильному поглощению в коротковолновой области солнечного спектра. Поликристаллический фуллерен С60 толщиной ~1 мкм осаждают на кремниевую подложку в глубоком вакууме. Далее на слой С60 наносят алюминиевые контакты. В качестве заднего контакта используется сплав GaxIny на позолоченной подложке.

Термофотовольтаическое производство электроэнергии, т.е. преобразование длинноволнового (теплового) излучения посредством фотовольтаических ячеек было открыто в 1960 году и вызывает все больший интерес, особенно в связи с современными достижениями в области создания узкозонных полупроводников. В термофотовольтаической ячейке (в соответствии с рисунком 11) тепло преобразуется в электроэнергию посредством селективных эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов - эрбия и иттербия.

Рисунок 11. Схема термофотоэлектрического солнечного элемента

Эти вещества поглощают инфракрасное излучение и вновь излучают его в узком энергетическом диапазоне. Излучение может быть эффективно преобразовано с помощью фотовольтаической ячейки с соответствующей шириной запрещенной зоны. Для того чтобы добиться необходимой ширены запрещенной зоны используют InxGa1-xAs, так как он более всего подходит для материала фотоэлектрической ячейки и обладает всеми необходимыми свойствами. Каскадные фотоэлементы на основе использования арсенида галия. Большинство современных фотоэлементах обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позволяют многослойные структуры из двух и более фотоэлементов с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Интенсивность их фото электропреобразования значительно выше , в свези с тем что они поглощают значительно большую часть солнечного спектра [17]. В типичном много переходном солнечном элементе одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д.

Основное направление исследований в области каскадных элементов связано с использованием арсенида галлия в качестве одного или нескольких компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35%. Кроме того в каскадных элементах широко применяются аморфный кремний, сплавы на его основе (a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), а также CuInSe2(в соответствии с рисунком 12)изображена каскадная батарея, в которой верхним элементом служит структура на основе GaInP c n-AlInP в качестве окна, далее следует туннельный диод на GaAs для прохождения носителей между элементами и нижний элемент из GaAs.

Рисунок 12. Каскадный элемент

Весьма перспективны каскадные батареи, состоящие из трех элементов с различной шириной запрещенной зоны (в соответствии с рисунком 13).

Рисунок13. Трехкаскадный солнечный элемент на основе сплавов a-SiGe:H

Верхний слой, поглощающий коротковолновую область солнечного спектра, сформирован из сплава на основе a-Si:H с шириной оптической щели 1,8 эВ. Для серединного элемента в качестве слоя i-типа использован сплав a-SiGe:H с содержанием германия ~10-15%. Ширина оптической щели данного слоя (1,6 эВ) идеальна для поглощения зеленой области солнечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть спектра, для этого используется i-слой a-SiGe:H с концентрацией германия 40-50%. Непоглощенный свет отражается от заднего контакта на основе Ag/ZnO. Между соседними отделениями создают туннельный переход создают связанные между собой сильнолегированными слоями три элемента каскадной солнечной батареи.

.3.2 Термодинамические солнечные электростанции

В устройстве термодинамических солнечных электростанций используют теплообменные элементы с селективным светопоглощающим покрытием. Они способны поглощать до 97% попадающего на них солнечного света. Эти элементы даже за счет обычного солнечного освещения могут нагреваться до 200°С и более.

С помощью них воду превращают в пар в обычных паровых котлах, что позволяет получить эффективный термодинамический цикл в паровой турбине. КПД солнечной паротурбинной установки может достигать 20% (в соответствии с рисунком 14).

Рисунок 14. 1 - прозрачная двухслойная оболочка. 2 - пористое вещество, поглощающее солнечные лучи (древесный уголь). 3 - паровая турбина. 4 - конденсатор водяного пара.

Установка работает следующим образом. Солнечные лучи, проходя через прозрачную оболочку 1, попадают на поглощающее вещество 2. В качестве поглощающего солнечную энергию вещества предполагалось использовать древесный уголь, непрерывным слоем покрывающий поверхность воды. Поглощая солнечные лучи, уголь нагревается и испаряет пропитывающую его воду. Водяной пар скапливается под куполом прозрачной оболочки. По оценочным расчетам температура поверхности угля в дневные часы при безоблачном небе должна превышать сто градусов по Цельсию. Поскольку давление водяных паров при ста градусах по Цельсию равно атмосферному, то прозрачная оболочка находится в развернутом положении. Из-под оболочки пар по паропроводу поступает на паровую турбину 3. Пройдя через турбину и, отдав свою энергию, пар охлаждается в конденсаторе 4 и превращается в воду. Температура конденсирующего пара составляет примерно сорок градусов по Цельсию. При такой температуре давление пара составляет всего одну десятую часть атмосферы, то есть перепад давления на паровой турбине составляет 0.9 атмосферы. За счет этого перепада турбина крутится и вращает электрогенератор [18].