Авторы: Темертей Н.В., Левшов А.В.
Источник: Инновационные перспективы Донбасса
Рассмотрены особенности фотоэлектрических преобразователей различных видов, описаны их достоинства и недостатки, а также перспективы использования.
Земные ресурсы ограничены и по мере развития человечества всё больше и больше истощаются. В связи с этим в настоящее время огромное внимание стало уделяться альтернативным источникам энергии. Наибольший интерес в этом направлении вызывает солнечная энергия, с помощью которой может происходить генерация электричества. Главными элементами такой генерации являются солнечные батареи. Они получают все более широкое применение в различных системах энергоснабжения от радионавигационной аппаратуры, систем распределенной генерации («крышные» солнечные электростанции) до космических аппаратов, электромобилей и даже самолетов. Применение солнечной энергии поможет значительно сократить потребность в земных ресурсах и внесёт огромный вклад в мировую экосистему.
Целью данной работы является оценка фотоэлементов различных типов путем проведения их сравнительного анализа.
Фотоэлементами (ФЭ) называются устройства для прямого преобразования световой или солнечной энергии в энергию электрическую. ФЭ, которые используют как источник электрической энергии, называют фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП).
Принцип работы ФЭП основан на явлении фотоэффекта, под которым понимается электрическое явление, происходящее при освещении вещества светом. Различают внешний и внутренний фотоэффект. Под внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) понимают выход электронов из металлов, а внутренним (вентильным) фотоэффектом называется перемещение зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (p–n).
Все фотоэлементы по принципу действия делятся на 2 класса [1]:
1) Вакуумные и газонаполненные, которые основаны на внешнем фотоэффекте. Для их работы необходимо с помощью дополнительного источника постоянного напряжения создать электрическое поле определенной величины, чтобы обеспечить попадание всех выбиваемых светом из катода электронов на анод.
2) Полупроводниковые ФЭ с запирающим слоем или вентильные (кремниевые, германиевые, селеновые и т.д.), которые основаны на внутреннем фотоэффекте. Под действием светового излучения они вырабатывают собственную ЭДС. ФЭ на основе кремния получили наибольшее распространение.
Путь от понимания того, что такое солнечный свет до современных технологий его преобразования в электрическую энергию ознаменован открытиями таких ученых как М.Фарадей, Э. Беккерель, Д. Максвелл, Г.Герц, А.Г.Столетов, М.Планк и др. Альберт Эйнштейн в 1921 году был удостоен Нобелевской премии за объяснение законов внешнего фотоэффекта. Исследования истории открытия фотоэлементов были проведены советским ученым Ж.И. Алферовым. В своей работе «Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики» он описал сложные пути создания новых открытий в области энергетики. Первые эксперименты с твердотельными фотоэлектрическими элементами на основе селена проводились Адамсом и Деем в Лондоне в 1876 г. Более полувека понадобилось для того, чтобы появились первые солнечные фотоэлементы с эффективностью, едва превышающей 1%. Ими стали разработанные в 1930–е годы в Физико-техническом институте серно–таллиевые фотоэлементы с запорным слоем. Исследования выполнялись под руководством основателя института академика А.Ф. Иоффе, который уже в то время (1938 г.) впервые внес на рассмотрение правительства СССР программу энергетического использования солнечных фотоэлектрических крыш. Однако для старта фотоэлектрической энергетики (даже без учета экономических соображений) требовалась существенно большая эффективность. Решающим для этого направления явилось создание кремниевых фотоэлементов с p–n–переходом, имевших КПД около 6%. В начале 50–х годов ХХ века был изобретен метод Чохральского, который применяется для выращивания кристаллического кремния.
Первое практическое использование кремниевых солнечных батарей для энергетических целей имело место в околоземном космическом пространстве. В 1958 г. были запущены искусственные спутники Земли, оснащенные такими батареями — советский «Спутник–3» и американский «Авангард–1» [2].
В 1970 г. в СССР Жоресом Алферовым и его командой была создана первая высокоэффективная солнечная батарея с использованием гетероструктурных (с применением галия — Ga и мышьяка — As) фотоэлектрических преобразователей [3].
На данный момент все известные в мире фотоэлементы делятся на две большие группы: кристаллические кремниевые и тонкопленочные [4]. В последнее время появилась тенденция к использованию еще одного вида фотоэлементов, основанных на органических соединениях.
Кристаллические кремниевые в свою очередь делятся на монокристаллические и поликристаллические фотоэлементы.
В основе производства монокристаллических ФЭ лежит метод Чохольского. Монокристалл кремния вырастает из семени, медленно вытягивающегося из кремниевого расплава. Полученные в результате стержни нарезаются на диски толщиной 0,2–0,4 мм. Затем диски подвергаются ряду производственных операций: обтачивание, очистка и шлифовка, защитные покрытия, антирефлексионные покрытия, металлизация, превращающих их в собственно монокристаллические фотоэлементы.
Преимуществом монокристаллических ФЭ являются: высокий КПД (порядка 10–16 %) и долгий срок службы (более 20 лет). К недостаткам монокристаллических ФЭ относятся: высокая стоимость, 50–70% которой составляет цена самого кремния, и уменьшение их КПД при облачности или затемнении, что не является проблемой для космоса, так как там нет облаков, но может стать непреодолимым препятствием на Земле.
Образование поликристаллического кремния происходит при медленном охлаждении кремниевого расплава. В отличие от монокристаллических, такие элементы характеризуются более низким КПД (порядка 11%) и меньшим сроком службы (около 10 лет), однако, они имеют меньшую цену и меньше зависят от затемнения. Более низкая их эффективность объясняется наличием внутри кристалла поликристаллического кремния областей, отделенных своеобразными зернистыми границами, которые и препятствуют более высокой производительности элементов.
На данный момент самыми популярными видами тонкопленочных фотоэлементов являются элементы из аморфного кремния, CIS (CIGS) и кадмий–теллуровые (CdTe).
Первые солнечные электростанции на его основе были созданы в 1975 году. Если провести сравнительный анализ аморфного кремния с монокристаллическим, то можно наблюдать такие отличия:
У теллурида кадмия 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. Однако КПД таких элементов небольшой — около 9%. Кроме того, кадмий является вредным токсичным элементом, что также является его недостатком.
CIS — CopperIndiumSelenide, соединения селена с медью и индием и CIGS — CopperIndiumGalliumSelenide, соединение селена с медью, индием и галлием. Такие элементы не содержат кремния. Их основу составляет селен, в который добавляются соединения меди, индия и галлия. КПД этих элементов составляет порядка 11%, который является самым большим среди тонкопленочных элементов. Кроме того, такие элементы более эффективны, чем кристаллические в облачную, пасмурную погоду и вечерние часы, что является их преимуществом. Они обладают так называемым «Сэффектом светового насыщения» то есть, если оставить их на солнце без подключенной нагрузки на несколько часов, их эффективность повышается на 10%.
Это достаточно новый вид фотоэлементов на основе органических соединений, который пока характеризуется небольшим КПД (порядка 5–7%), хотя есть образцы, в которых удалось добиться порядка 20%. Преимуществом этих ФЭ является дешевизна при массовом производстве, экологичность, возможность наносить их на любые поверхности (даже сгибаемые). В перспективе возможно увеличение КПД.
Также одним из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей является арсенид галлия. Это объясняется следующими его особенностями:
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.
Одной из основных задач ученых, развивающих солнечные технологии, является повышение КПД фотоэлементов. Для повышения КПД используют полупроводники на основе гетеросоединения (типа арсенида галлия и алюминия), концентраторы солнечной радиации в виде зеркал (с кратностью концентрации 50–7100). В последние годы, КПД солнечных преобразователей получивших широкое коммерческое использование составляет 11–715%, в лабораторных условиях показатели эффективности преобразования достигают значений близких к 25% для однослойных структур и около 32 % для многослойных. Последнее достижение в этой области — КПД солнечных батарей, достигающий 43%. Эта работа выполнена австралийскими и американскими учеными. Такой высокий показатель удалось получить за счет многоэлементной структуры, состоящей из 6 ячеек, которые преобразуют в электричество различные участки светового спектра, в том числе красного и инфракрасного, несущих около половины всей энергии солнечного излучения. Кроме того, они использовали специальные концентраторы солнечного излучения, многократно увеличивавшие интенсивность инсоляции (до 2000 раз).
Среди всех вышеперечисленных разновидностей ФЭ, элементы на основе кремния наиболее эффективны, так как кремний обладает рядом преимуществ [4]: является наиболее распространенным после кислорода элементом на Земле; производство кремния хорошо освоено. Согласно теории, для солнечного спектра наиболее выгодная мощность получается у ФЭП, изготовленных из полупроводников с шириной запрещенной зоны Еgот1 до 1.5 эВ (для кремния Еg=1,12эв). Кремниевые ФЭП менее чувствительны к температурным колебаниям (более термостойкие, чем германиевые). Кремний позволяет достигнуть минимальных потерь на отражение. На поверхности кремния легко образуется окисная пленка, которая обладает абсолютной прозрачностью. Коэффициент преломления пленки имеет промежуточные значения между коэффициентом преломления кремния и окружающей среды, что уменьшает отражение света непосредственно от поверхности самого кремния.
Проведенный анализ различных видов фотоэлементов, позволяет сделать вывод, что наиболее высокотехнологичными и эффективными в использовании в настоящее время являются, несмотря на их относительно высокую стоимость, фотоэлементы на основе кремния.