Конструкции и материалы солнечных элементов реферат

Обновлено: 02.07.2024

Самыми распространенными из выпускаемых промышленных солнечных элементов являются плоские пластинчатые кремниевые элементы. Кроме этого существуют разнообразные и многочисленные типы и конструкции, которые разрабатываются для повышения эффективности и уменьшения стоимости солнечных элементов. В табл. 8.2 кратко приведены сведения о различных солнечных элементах.

Гомопереходы. Они возникают, если в одном и том же кристалле полупроводника формируется контакт двух областей с разными типами проводимости или различными концентрациями примеси. Упоминавшиеся ранее кремниевые фотоэлементы содержат гомопереходы. В таких солнечных элементах ширина запрещенной зоны постоянна (см. рис. 8.37, а).

Рисунок 8.37 – Типы переходов, используемых в солнечных элементах:

а – гомопереход – основной материал и ширина запрещенной зоны постоянны; б – гетеропереход – основной материал и ширина запрещенной зоны меняются; в – структура Шоттки металл–полупроводник (МП), показана с добавочным потенциальным барьером, имеющий важное значение противоотражательный слой не показан; г – структура Шоттки металл–диэлектрик–полупроводник (МДП)

Гетеропереходы. В этом случае переход возникает при контакте двух различных по химическому составу полупроводников, поэтому на границе раздела меняется ширина запрещенной зоны (см. рис. 8.36, б). В гетеропереходах происходит генерация носителей при поглощении фотонов сразу на двух частотах. При этом увеличивается доля фотонов, участвующих в генерации фототока, и уменьшаются потери, связанные с избытком энергии фотонов ( ). Обычно полупроводники с более широкой запрещенной зоной располагаются на лицевой поверхности фотоэлемента, а с более узкой – под ними.

Но для образования гетероперехода необходимо согласование постоянных кристаллических решеток материалов, ориентации осей и типа решетки. Примерами фотоэлементов с гетеропереходами является Ga_1-_xAl_xAs на GaAs (КПД около 12%) и SnО₂ на кремнии –типа, где КПД около 10%.

Большинство авторов научных работ предлагают создавать элементы с монотонно уменьшающейся шириной запрещенной зоны – так называемые фотоэлементы со ступенчатой запрещенной зоной. Производство таких фотоэлементов достаточно сложно и трудоемко, но в принципе возможно.

Рассмотрим зависимость энергии носителей от их квазиимпульса (см. рис. 8.38) Если в процессе собственного поглощения света квазиимпульс электрона меняется несущественно при переходе из валентной зоны в зону проводимости, то такие переходы называются прямыми (переходы возможны при условии ).

Рисунок 8.38 – Зоны Бриллюэна, диаграммы: энергия носителей – квазиимпульс:

а – прямые переходы через запрещенную зону (GaAs); б – непрямые переходы (Si);

– энергия электронов; – энергия дырок; – энергия фононов ( – частота фонона)

В случае, когда дно зоны проводимости и потолок валентной зоны соответствует различным квазиимпульсам (см. рис. 8.38), переход также оказывается возможным, если электрон, поглощая фотон, одновременно поглощает или испускает фонон. Это непрямые переходы. Условие перехода можно записать в виде:

где – энергия фонона.

Необходимость испускания или поглощения фонона делает непрямые переходы значительно менее вероятными, чем прямые, поэтому коэффициент поглощения света, обусловленный непрямыми переходами, намного меньше. Так, например, для кремния (переходы через запрещенную зону – непрямые) показатель поглощения ниже, чем для арсенида галлия (прямые межзонные переходы), в связи с этим кремниевые элементы приходится изготавливать большей толщины.

При контакте металла и полупроводника (МП) образуется –переход (см. рис. 8.37, в). Преимуществом такой схемы является простота конструкции, так как металл может быть осажден в виде тонкой пленки на основной материал. Недостатки этой схемы заключаются в том, что от металлической поверхности выше отражение и, следовательно, больше потери на входе; кроме того, высоки рекомбинационные потери в зоне перехода.

В процессе изготовления очень трудно избежать появления тонкого изолирующего слоя окисла между металлом и полупроводником. Этот изолирующий слой способствует подавлению поверхностной рекомбинации, поэтому, контролируя его толщину, можно получить фотоэлементы с лучшими характеристиками (металл-оксид-полупроводник – МОП) или металл-диэлектрик-полупроводник – МДП) (см. рис. 8.37, г)

В последние годы стали проводиться интенсивные исследования органических материалов, обладающих полупроводниковыми свойствами. Сравнительная дешевизна органических материалов делает развитие этого направления весьма перспективным. К настоящему времени у таких фотоэлементов достигнут КПД в 1…2%, однако имеются все основания ожидать в самое ближайшее время повышения его до 10%.

Существуют и другие идеи для повышения КПД фотоэлементов, но они находятся пока на стадии научных исследований.

8.2.7. Характеристика материалов для солнечных элементов.
Внутренняя структура солнечных элементов

Для производства солнечных фотоэлементов в основном используют кремний, арсенид галлия (GaAs) и сульфид кадмия (CdS). Безусловно, наибольшее промышленное применение имеет монокристаллический кремний.

Рассмотрим кратко еще два материала, которые используются для изготовления фотоэлементов.

Арсенид галлия (GaAs) – это полупроводниковый материал, имеющий запрещенную зону шириной =1,43 эВ. Такая ширина запрещенной зоны близка к оптимальной (1,5 эВ) для солнечного элемента в условиях освещенности . Гетеропереходы с Ga_1-xAl_xAs имеют промышленное значение. Теоретически эффективность фотоэлементов на основе GaAs может достичь почти 25%, реальные устройства имеют КПД около 16%. Относительно высокий показатель поглощения требует тщательного контроля глубины слоев, кроме того, может быть высокой скорость поверхностной рекомбинации.

Сульфид кадмия (CdS) часто используется для изготовления фотоэлементов. Обычно такие фотоэлементы производятся вакуумным напылением тонких пленок или химическим осаждением. Нижний слой CdS делается типа, а слой типа из Сu_xS формируется в процессе химического травления. Граница между и слоями представляет собой гетеропереход, который, к сожалению, легко разрушается вследствие диффузии ионов меди в CdS и различных химических изменений в процессе изготовления.

Наиболее часто используются следующие типы структур фотоэлементов.

1. Составные элементы. Эти элементы представляют собой совокупность –переходов с последовательно уменьшающейся шириной запрещенной зоны, соединенных так, что свет приходит к материалу с наибольшей шириной запрещенной зоны. Фотоны с энергиями, меньше ширины первой запрещенной зоны ( ), проходят до следующего – перехода и т.д.

2. Вертикальные многопереходные элементы (ВМЭ). Эти элементы изготавливаются двух типов:

а) в виде последовательного соединения. В этом случае в столбик последовательно соединяются до 100 одинаковых –переходов (см. рис. 8.39, а). Свет проникает через боковые поверхности переходов, так что разность потенциалов на выходе (около 50 В) представляет собой сумму последовательных потенциалов –переходов. Ток определяется только поглощенным боковой поверхностью радиационным потоком, поэтому он является небольшим.

б) возможно параллельное соединение –переходов. В этом случае фотоэлемент обычно изготавливается в виде решетки, так, чтобы фотоны более эффективно поглощались в зонах переходов (см. рис. 8.39, б).

Одной из возможных разновидностей фотоэлементов является тонкополосные элементы. Традиционные кремниевые фотоэлементы в качестве существенного недостатка имеет значительную стоимость, так как материал перед этим выращивается в виде монокристалла, а затем вырезается толщиной 100…300 мкм и обрабатывается химически. Поэтому представляется весьма перспективной конструкция из напыленных при испарении или распыленных слоев. Сам кремний имеет высокую температуру кипения (2620ºС) и в парообразном состоянии химически очень активен и поэтому сложен в обращении.

Рисунок 8.39 – Последовательное (а) и параллельное (б) соединение вертикальных многопереходных элементов (ВМЭ):

1 – металлические контакты; 2 – металлический контакт с областью; 3 – металлический контакт с областью

Тем не менее возможно напыление аморфных соединений кремния в электрическом разряде в газообразном силане SiH₄. Существуют и другие методы вакуумного напыления кремния.

Однако наиболее распространенными тонкопленочным фотоэлементом является элемент на основе сульфида кадмия (CdS).

Но во многих случаях материал имеет аморфную структуру, и поэтому получить достаточно высокий КПД удается с трудом. Очевидно, в ближайшем будущем окажется возможным изготовление таких фотоэлементов.

Важной особенностью хорошего фотоэлемента является его поверхность. С целью увеличения КПД применяют отражающие и текстурированные поверхности. Лицевая поверхность таких солнечных элементов может быть сконструирована таким образом, чтобы отраженное от поверхности излучение возвращалось к ней обратно (см. рис. 8.34). Некоторые системы могут быть изготовлены механически, другие – текстурированы химическим травлением.

Методы исследования в анатомии и физиологии: Гиппократ около 460- около 370гг. до н.э. ученый изучал.

Обряды и обрядовый фольклор: составляли словесно-музыкальные, драматические, игровые, хореографические жанры, которые.

Средневековье: основные этапы и закономерности развития: Эпоху Античности в Европе сменяет Средневековье. С чем связано.

Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблю-дение ряда условий:

оптический коэффициент поглощения (а) активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;

генерируемые при освещении электроны и дырки должны эф-фективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;

солнечный элемент должен обладать значительной высотой ба-рьера в полупроводниковом переходе;

полное сопротивление, включенное последовательно с солнеч-ным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;

структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачива-ние и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.

Производство структур на основе монокристаллического крем-ния, удовлетворяющих данным требованиям, - процесс технологи-чески сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обраще-но на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники [4].

Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой аль-тернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе бы-ли созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного крем-ния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существен-ного поглощения видимого света достаточно пленки a-Si:H толщи-ной 0,5-1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм под-ложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получе-ния 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 осно-ве a-Si:H производят при более низких температурах (300°С): мож-но использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит рас-ход кремния в 20 раз.

Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на ос-нове a-Si:H - 12% - несколько ниже КПД кристаллических кремни-евых СЭ (-15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе a-Si:H достигнет теоретического потолка -16%.

Наиболее простые конструкции СЭ из a-Si:H были созданы на основе структуры металл - полупроводник (диод Шотки) (рис. 5).

Несмотря на видимую простоту, их реализация достаточно про-блематична - металлический электрод должен быть прозрач-ным и равномерным по толщи-не, а все состояния на границе металл/a-SiiH - стабильными во времени. Чаще всего солнечные элементы на основе a-Si:H фор-мируют на ленте из нержавею-щей стали или на стеклянных подложках, покрытых проводя-щим слоем. При использовании стеклянных подложек на них наносят прозрачную для света проводящую ок-сидную пленку (ТСО) из Sn0₂, In₂0₃ или Sn0₂+ln₂0₃ (ITO), что позво-ляет освещать элемент через стекло. Поскольку у нелегированного слоя электронная проводимость выражена слабо, барьер Шотки со-здается за счет осаждения металлических пленок с высокой работой выхода (Rt, Rh, Pd), которая обуславливает образование области по-ложительного объемного заряда (обедненного слоя) в a-Si:H.

При нанесении аморфного кремния на металлическую подложку образуется нежелательный потенциальный барьер а-Si:H/металли-ческая подложка, высоту которого необходимо уменьшать. Для это-го используют подложки из металлов с малой работой выхода (Мо, Ni, Nb). Перед нанесением аморфного кремния желательно осадить на металлической подложке тонкий слой (10-30 нм) a-Si:H, легиро-ванный фосфором. Не рекомендуется использовать в качестве ма-териалов электродов легко диффундирующие в аморфный кремний металлы (например, Аи и AI), а также Сu и Аg, поскольку a-Si:H об-ладает плохой адгезией к ним. Отметим, что U_xx солнечных элемен-тов с барьером Шотки на основе a-Si:H обычно не превышает 0,6 В.

Более высокой эффективностью обладают СЭ на основе аморф-ного кремния с р-i-n-структурой (рис.6). В этом "заслуга" рис. 6 широкой нелегированной i-области a-Si:H, поглощающей существенную до-лю света. Но возникает проблема - диффузионная длина дырок в a-Si:H очень мала (-100 нм), поэтому в солнечных элементах на ос-нове a-Si:H носители заряда достигают электродов в основном только благодаря внутреннему электрическому полю, т.е. за счет дрейфа носителей заряда. В СЭ на основе кристаллических полу-проводников носители заряда, имея большую диффузионную дли ну (100 - 200 мкм), достигают электродов и в отсутствие элек-трического поля. Поскольку в простом p-n-переходе в a-Si:H область сильного электрическо-го поля очень узка и диффузи-онная длина носителей заряда мала, в большей части СЭ не происходит эффективного раз-деления носителей заряда, ге-нерируемых при поглощении света. Следовательно, для полу-чения эффективных СЭ на осно-ве р-i-n-сруктуры аморфного ги-дрогенизированного кремния необходимо добиться во всей А области однородного мощного внутреннего электрического по-ля, достаточного для достижения длины дрейфа носителей, соизмеримого с размерами области по-глощения (см. рис. 6).

Данная задача решается, если при изготовлении р-i-n-структуры первым формировать р-слой (рис.7). Для его создания необходимо небольшое количество бора ( 18 см 3 ), а значит, существенного загрязнения нелегированного слоя не происходит.

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

Используется и другая р-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, контакти-рующего с n-областью. В результате возрастает плотность тока ко-роткого замыкания благодаря отражающей способности металли-ческой подложки и меньшему оптическому поглощению света леги-рованными фосфором пленками a-Si:H (n-область) по сравнению с легированными бором р-слоями.

Проблема с применением рассмотренных р-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 перпен-дикулярно к поверхности фор-мируется р-i-n-структура a-Si:H (рис. 8). Такой СЭ не требует прозрачного проводящего окси-да в качестве контакта и широкозонного р-слоя для создания прозрачного оконного слоя, его можно изготовить посредством стандартных технологий микроэле-ктроники.

Один из наиболее перспективных материалов для создания вы-сокоэффективных солнечных батарей - арсенид галлия.

Это объ-ясняется таким его особенностями, как:

почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ши-рина 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 эф-фективностью делает этот материал чрезвычайно привлекатель-ным для использования в космических аппаратах;

относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе
GaAs;

характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфо-ром или индием дополняют характеристики GaAs, что расширя-ет 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 соста-ва. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять ге-нерацией носителей заряда, что в кремниевых СЭ ограничено до-пустимым уровнем легирования. Типичный СЭ на основе GaAs со-стоит из очень тонкого слоя AIGaAs в качестве окна.

Основной недостаток арсенида галлия - высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подлож-ках или подложках многократного использования.

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перс-пективны для солнечной энергетики.

Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного из-лучения у диселенида меди и индия (CulnSe₂) - 99 % света погло-щается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны - 1,0 эВ) [4]. Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CulnSe₂ является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CulnSe₂ увеличивает шири-ну запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства. Один из основных способов получения CulnSe₂ - электрохимиче-ское осаждение из растворов CuS0₄, ln₂(S0₄)₃ и Se0₂ в деионизо-ванной воде при соотношении компонентов Cu:ln:Se как 1:5:3 и рН =1,2-2,0.

Еще один перспективный материал для фотовольтаики - теллу-рид кадмия (СdТе). У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излуче-ния. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe с Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.

Подобно CulnSe₂, наилучшие элементы на основе CdTe включа-ют гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова ис-пользуется как позрачный контакт и просветляющее покрытие. Се-рьезная проблема на пути применения CdTe - высокое сопротив-ление слоя р-СоТе, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CoTe/ZnTe (рис. 9).

Наиболее ответственный этап формирования СЭ на осно-ве CdS/CdTe - осаждение по-глощающего слоя CdTe толщи-ной 1,5-6 мкм. Для этого ис-пользуют различные способы: сублимацию/конденсацию, электрохимическое осаждение, трафаретную печать, химичес-кое осаждение из газовой фазы и распыление. Пленки СdТе, по-лученные данными методами, обладают высокой подвижностью носителей заряда, а СЭ на их ос-нове - 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 бата-реи с нижним элементом из CulnSe₂. Слои CuGaSe₂ формируют пу-тем последовательного осаждения термическим испарением тон-ких слоев Ga, Se и Си на поверхность стеклянной подложки, покры-той слоем молибдена толщиной 1 мкм . Далее из получен-ной 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 10 4 см -1 явля-ется Cu₂ZnSnS₄. Его главное достоинство в том, что входящие в не-го 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 орга-нические материалы, В частности, КПД СЭ на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок --11%. Немаловажно, что подложками в таких элементах могут вы-ступать полимерные пленки.

Основа СЭ данного типа - широкозонный полупроводник, обыч-но ТiO₂, покрытый монослоем органического красителя, как прави-ло - цис-(NСS)₂бис(4,4ДИкарбокси-2,2бипиридин)-рутением (II) (рис.12). Фотоэлектрод такого устройства представляет собой на-нопористую пленку ТiO₂ толщиной 1 мкм, осажденную на ТСО на стекле. Отражающим электродом служит тонкий слой Pt, осажден-ный на ТСО на стекле. Пространство между двумя электродами заполняют электролитом, обычно содержащим иодид/трииодид

Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении краси-теля и быстрой инжекции электрона в зону проводимости ТiO₂. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электри-ческий ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.

Для солнечной батареи на эффекте Шотки используют фталоцианин - органический полупроводник р-типа. В нем наиболее привлекают высокая фотопроводимость в видимой области спект-ра 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 C₆₀/p-Si в связи с их способностью к сильному поглощению в коротковолновой области солнечного спектра. Поликристаллический фуллерен С₆₀ толщи-ной ~1 мкм осаждают на кремниевую подложку в глубоком вакууме. Далее на слой С₆₀ наносят алюминиевые контакты. В качестве зад-него контакта используется сплав Ga_xln_y на позолоченной подложке.

Термофотовольтаическое производство электроэнергии, т.е. преобразование длинноволнового (теплового) излучения посредством фотовольтаических ячеек было открыто в 1960 году и вызыва-ет все больший интерес, особенно в связи с современными дости-жениями в области создания узкозонных полупроводников. В термофотовольтаической ячейке тепло преобразуется в электроэнергию посредством селек-тивных эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов -эрбия и иттербия. Эти вещества поглощают инфракрасное излу-чение и вновь излучают его в уз-ком энергетическом диапазоне. Излучение может быть эффек-тивно преобразовано с помо-щью фотовольтаической ячейки с соответствующей шириной за-прещенной зоны. В качестве ма-териала для фотоэлектрической ячейки более всего подходит ln_xGa_1-_xAs,поскольку он позволя-ет добиться необходимой шири-ны запрещенной зоны.

В типичном многопереход-ном солнечном элементе одиночные фотоэле-менты расположены друг за дру-гом таким образом, что солнеч-ный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наиболь-шей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проника-ют в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д.

Основное направление исследований в области каскадных эле-ментов связано с использованием арсенида галлия в качестве од-ного или нескольких компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35 %. Кроме того, в каскадных элементах широко применяются аморфный кремний, сплавы на его основе (a-Si_1-_xC_x:H, a-Si_1-_xGe_x:H), а также CulnSe₂.

Каскадная батарея, в которой верхним элементом служит структура на основе GalnP с n-AllnP в качестве окна, далее следует туннельный диод на GaAs для прохождения но-сителей между элементами и нижний элемент из GaAs.

Весьма перспективны каскадные батареи, состоящие из трех элементов с различной шириной запрещенной зоны (рис.13). Верхний слой, поглощающий коротковолновую область сол-нечного спектра, сформирован из сплава на основе a-Si:H с шири-ной оптической щели 1,8 эВ. Для серединного элемента в качест-ве слоя i-типа использован сплав a-SiGe:H с содержанием германия 10-15%. Ширина оптической щели данного слоя (1,6 эВ) иде-альна для поглощения зеленой области солнечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть спектра, для этого используется i-слой a-SiGe:H с концентрацией гер-мания 40-50%. Непоглощенный свет отражается от заднего кон-такта на основе Ag/ZnO. Все три элемента каскадной солнечной батареи связаны между собой сильнолегированными слоями, образующими туннельные пере-ходы между соседними элемен-тами.

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 кремнийвыступил 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 кри- сталлического. Поэтому для существенного поглощения видимого света дос-

таточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих крем-

ниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим техноло- гиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристалличе- скими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклян- ные 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 следую- щими 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 использо- вания 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

разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда,

что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем ле- гирования. Типичный солнечный элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для уде- шевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.

Поликристаллические тонкие пленкитакже весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света по- глощается 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 на- пряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности уст- ройства. Один из основных способов получения CuInSe2 – электрохимиче- ское 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 доста- точно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно полу- чать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для созда- ния слоев с заданными свойствами.

Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают ге-

теропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пу-

ти применения CdTe – высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к

большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропе- реходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают высокой подвижностью носите- лей заряда, а солнечные элементы на их основе – высокими значениями КПД,

Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, исполь- зующие органические материалы. Коэффициент полезного действия сол- нечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим кра- сителем, весьма высок – ~11 %. Основа солнечны элементов данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органи- ческого 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 восстанавлива-

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Немного истории

Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века. Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций. Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.

Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.

Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике.

Принцип работы

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.

Устройство

Конструкция солнечной батареи очень проста.

Основу конструкции устройства составляют:

корпус панели;
блоки преобразования;
аккумуляторы;
дополнительные устройства.

Корпус выполняет исключительно функцию скрепления конструкции, не имея больше никакой практической пользы.

Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что состоят солнечные батареи, устройство и принцип работы которых всегда одинаковый, из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность, как монокристаллическим, так и поликристаллическим методом.

От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость.

Если говорить о том, как работает солнечная батарея, то не нужно забывать об аккумуляторах. Как правило, используется два аккумулятора. Один является основным, второй — резервным. Основной накапливает электроэнергию, сразу же направляя ее в электрическую сеть. Второй накапливает избыточную электроэнергию, после чего направляет ее в сеть, когда напряжение падает.

Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата.

Очень важными элементами солнечной назвать диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя.

Как подключается

Как было сказано раньше, устройство солнечной батареи достаточно сложное. Правильная схема солнечной батареи поможет добиться максимальной эффективности. Подключать блоки преобразователей необходимо при помощи параллельно-последовательного способа, что позволит получить оптимальную мощность и максимально эффективное напряжение в электрической сети.

Разновидности солнечных батарей

Существует несколько разновидностей фотоэлементов для солнечных батарей, которые отличаются между собой строением кристаллов кремния.

Выделяют три вида фотоэлементов:

поликристаллические;
монокристаллические;
аморфные.

Первый вид панелей является более дешевым, но менее эффективным, поскольку, если кремний нанесен поликристаллическим способом, то электроны не могут двигаться прямолинейно.

Монокристаллические фотоэлементы отличаются максимальным КПД, который достигает 25 %. Стоимость таких батарей выше, но для получения 1 киловатта нужна существенно меньшая площадь фотоэлементов, чем при использовании поликристаллических панелей.

Из аморфного кремния изготавливают гибкие фотоэлементы, но их КПД самый низкий и составляет 4-6 %.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества солнечных батарей:

солнечная энергия абсолютно бесплатная;
позволяют получать экологически чистую электроэнергию;
быстро окупаются;
простая установка и принцип работы.

большая стоимость;
для удовлетворения потребностей небольшой семьи в электроэнергии нужна достаточно большая площадь фотоэлементов;
эффективность существенно падает в облачную погоду.

Как добиться максимальной эффективности

При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час. В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.

Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.

Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.

Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.

Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.

При подборе солнечной батареи очень важно обращать внимание на емкость аккумуляторов. Если нужны солнечные батареи работающие ночью, то емкость резервного аккумулятора играет ключевую роль. Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке.

Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.

Читайте также: