Солнечная фотовольтаика. Конструкции солнечных ячеек
Каталог первых двух разделов
Раздел 3. Солнечная фотовольтаика
1. Введение
2. Понятие «фотовольтаика»
3. Кремниевые солнечные ячейки: основные принципы
4. Монокристаллические ячейки кремния
5. Поликристаллический кремний
6. Арсенид галлия
7. Тонкие модули солнечных батарей
7.1. Аморфный кремний
Солнечные ячейки могут быть изготовлены очень тонкими при использовании аморфного кремний (a-Si), в котором атомы кремния атомы расположены намного менее плотно, чем в кристаллических формах, описанных ранее. В a-Si не каждый атом кремния плотно связан с кристаллической структурой, некоторые остаются в так называемом «подвешенном» состоянии и могут поглощать дополнительные свободные электроны в состоянии возбуждения, что делает любой p-n переход неэффективным.
Однако, эта проблема преодолима в значительной степени в процессе производства a-Si. Газ, содержащий кремний и водород (как например SiHJ, с небольшим количеством катализатора, например бора), напыляет кремний тонким слоем на подложку. Водород в газе нужен как донатор электронов, которые перейдут на свободные электронные орбиты кремния, образуя прочную связь из кремния и водорода. Частично его присутствует в газе также увеличивает проводимость материала.
Ячейки солнечных батарей с a-Si реализуют несколько другой тип перехода между p- и n-материалами. Так называемый переход «p-i-n» содержит чрезвычайно тонкий слой a-Si p-типа на поверхности, далее под ним следует более толстый неактивированного a-Si слой (i), и последний, нижний очень тонкий слой a-Si n-типа. Структура эта показана на рисунке:
Структура аморфной кремниевой ячейки. Верхний электрический контакт сделан из электрического проводника, но с тонким слоем оксида на стекле. Диоксид кремния формирует тонкий «барьерный слой» между стеклом и оксидом олова. Нижний контакт сделан из алюминия. В промежутке - слои p-типа, основной и аморфный кремний n-типа.
Перевод надписей. Свет. Стекло. Диоксид кремния. Верхний тонкий кондуктивный слой оксида олова. Р-тип. Аморфный кремний. N-тип. Алюминий. Нижний слой, контакт.
Во всем объеме создается эффект, подобный таковому в кристаллическом кремнии, особенно в ленточном промежутке, хотя там он менее выражен, менее концентрирован.
Аморфные кремниевые ячейки намного дешевле, чтобы производить, чем сделанные из кристаллического кремния. a-Si в результате значительно лучше поглощает свет, используется в меньшем объеме, поэтому и дешевле. Производится он при значительно более низких температурах, чем кристаллический кремний, поэтому при производстве расходуется меньше энергии, что важно при продолжительном производстве суммарно. Это также позволяет изготавливать ячейки большего размера из жесткого и гибкого материала - стали, стекла или пластика.
Но производимые сейчас ячейки с a-Si значительно менее эффективны современных поликристаллических аналогов. Максимально эффективные однопереходные, маленькие ячейки дают около 12%. Через несколько месяцев использования однопереходных ячеек из-за пребывания на солнце a-Si модули начинают разрушаться, и эффективность падает с начальных 6-10% до 4-8% и стабилизируя около этого значения.
Производители активно работали над решением проблемы деградации ячеек a-Si. Одно из предложенных решений - разработка многопереходных устройств (будут описаны дальше). Аморфные кремниевые ячейки уже широко используются в качестве энергетических источников для разнообразных потребительских изделий (как, например, калькуляторы), где требования к эффективности не так уж высоки, и всех устраивает относительно низкая стоимость.
7.2. Другие технологии производства тонких модулей
Аморфный кремний - далеко не единственный материал для производства тонких блоков солнечных батарей. Среди других многообещающих - полупроводники, в частности: CuInSe2, CIGS и CdTe. Модули, основанные на этих технологиях, имеют небольшие объемы производства.
В лабораторных условиях установлена наибольшая эффективность для тонких ячеек из CIGS - около 17%. Производимые промышленно ячейки из CIGS имеют стабильную эффективность 10% CIGS. Речь идет о продукции Shell Solar (Шел Солар), США, и Wirt Solar (Вирт Солар), Германия.
Модули с теллуридом кадмия могут быть изготовлены с применением относительно простого и недорогого процесса гальванизации. Ленточный промежуток CdTe близок к оптимальному, эффективность достигает 10%, не подвержены деградации, как это происходит с ячейками a-Si. Однако модули, содержащие кадмий, чрезвычайно ядовитую субстанция, так требуют особых условий, с мерами предосторожностей. BP Solar (Би Пи Солар), дочернее предприятие нефтекомпании BP (Би Пи), начала производство модулей с CdTe, но отказалсь от производства в 2002 году, объяснив это нежеланием клиентов верить уверениям в безопасности. Японская фирма Mаtsushitа (Матсцушита) также отказалась от производства CdTe в 2002 году, но американская компания First Solar Inc. (Фест Солар Инк.) продолжает производить модули с CdTe.
8. Мультипереходные солнечные батареи
Один из путей повышения конверсионной эффективности ячеек и модулей - многослойный мультипереход, в котором 2 и более слоев, каждый из которых извлекает свою часть энергии из спектра поступающего света. Слои дополняют друг друга. Ячейки с двумя слоями часто называют «тандемными» устройствами.
Ленточный промежуток аморфного кремния, например, может быть увеличен путем сплавления с углеродом - так, чтобы конечный продукт отвечал на голубой конец спектра. Получение сплава с германием, с другой стороны, уменьшает ленточный промежуток, так что материал лучше отвечает на красный конец спектра.
Обычно широкий ленточный переход a-Si должен быть наверху, поглощая высокоэнергетические фотоны голубого конца спектра, далее следует тонкий слой a-Si перехода, в котором тоже есть ленточный промежуток, поглощающий энергию более низких частот, которые ближе к красному концу спектра:
Структура многопереходной (мультипереходной) аморфной кремниевой ячейки.
Перевод надписей. Свет. Стекло. Диоксид кремния (SiO2). Верхний кондуктивный слой оксида олова. р-тип. Аморфный кремний с допустимым содержанием углерода. n-тип. р-тип. Аморфный кремний. n-тип. р-тип. Аморфный кремний с допустимым содержанием германия. n-тип. Индий-олово-оксид. Серебро. Нижний контакт..
Модули с мультипереходом, использующие аморфный кремний, имеющие эффективностью около 8%, производятся такими компаниями, как Unisolаr (Унисолар) и RWE. Ячейки различных типов могут также использоваться вместе в одном устройстве, как в «Hybrid HIT» (Гибрид ХИТ) модуле производства Sаnyo (Санье), в котором тонкий монокристаллический слой зажат между двумя аморфными кремниевыми слоями. Благодаря этому достигается высокая конверсионная эффективность с маленьким расходом материала и энергии. Еще один пример - тандемный модуль, производимый компанией Kаnekа (Канека), Япония, в котором верхний слой аморфного кремния сочетается с тонким слоем «микрокристаллического» кремния (размер кристаллов менее чем один микрометр в диаметре).
9. Концентрационные ФВ системы
Другим способом получения большей выхода энергии является использование зеркал или линз для концентрации поступающей солнечной энергии к ячейкам в солнечных тепловых двигателях. Это дает преимущество, так как требуются более мелкие ячейки. Ячейки удается уменьшить в несколько сот или тысяч раз. Концентрирующая система должна иметь апертуру, равную массиву эквивалентной пластины, чтобы собрать такое же количество поступающей энергии. В концентрационных системах ячейки обычно нужно охлаждать, активно или пассивно, чтобы предотвратить перегревание.
Системы с самыми высокими показателями концентрации имеют поворотные двигатели и комплексные датчики, позволяющие отслеживать положение солнца - азимут (горизонтальная ориентация) и наклонение, так что ячейки всегда получают максимальное количество солнечной энергии. Системы с низкими концентрационными свойствами часто отслеживают солнце только на одной оси и могут иметь более простые отслеживающие механизмы.
Большинство концентраторов могут использовать только прямое солнечное освещение. Это проблема в странах подобно Великобритании, где почти половина солнечного излучения рассеивается. Однако, некоторые нешаблонные проекты концентраторов позволяют собрать дополнительно часть рассеянного света, в дополнение к прямому свету (см. Boes и Luque, 1993).
10. Кремниевые сферы
Американская фирма Texas Instruments (Техас Инструментс) пошла по другому пути в создании ячеек солнечных батарей - использовала крошечные, размером для миллиметра, сферы поликристаллического кремния, уложенных с регулярными промежутками между тонкими листами алюминиевой фольги. Среди преимуществ этого подхода - возможность использовать кремний невысокой очистки. Низкосортный кремний используется в качестве стартового материала. При выплавке сфер загрязнители путем диффузии выходят на поверхность сфер. Получившиеся листы для солнечных батарей очень гибкие, что является преимуществом в некоторых устройствах:
Технология поставлена на коммерческую основу канадской фирмой Automation Tooling Systems Inc. (Аутомайшен Тулинг Системз Инк.), который строит солнечные батареи с пиковымы мощностями до 20 мегаватт.
11. Фотоэлектрохимические ячейки
Радикально отличающийся от существующих, фотоэлектрохимический способ получения дешевого электричества от солнечных батарей был изобретен исследователями Швейцарского федерального института технологии в Лозанне. (Строго говоря, фотоэлектрохимические устройства - не фотовольтаика: этот термин подразумевает устройства, выдерживающее высокую нагрузку. Электрохимические устройства содержат жидкости. Идея использования электрохимических для производства электричества из солнечного света не нова - как вы знаете, первые такие устройства на жидкостной основе создал Беккерель.
Швейцарские исследователи под руководством профессора Майкла Гратзеля (Michael Gratzel) создали устройства, более дешевые в производстве и более эффективные. Они состоят из двух тонких стеклянных пластин, которые покрывают тонким, прозрачным, электропроводным слоем оксида олова:
Принцип действия фотоэлектрохимических «гратзелевских ячеек», созданных в Швейцарском Федеральном Институте Технологии, в Лозанне.
Перевод надписей: Свет. Стекло. Текущий ток. Оксид олова. Электролит. Окисление и восстановление. Диоксид титана. Чувствительный слой. Оксид олова. Стекло.
К одной пластине добавлен тонкий слой диоксида титана (Ti02), который является полупроводником. Поверхность Ti02 шероховатая, что увеличивает светопоглощение.
В непосредственной близостью с поверхностью, покрытой Ti02, находится фоточувствительный слой из рутений или осмия толщиной в один атом. Вместе эти вещества образуют «комплекс металлотранзита». Между чувствительным Ti02 и второй стеклянной пластиной располагают более толстый слой электролита на основе йода.
При поглощении фотона подходящей длины волны светочувствительный слой передает электрон в группу проводимости диоксида титана, затем на нижний электрод, затем на внешние проводники, где те выполняют работу произведенной электроэнергией. Затем электроны возвращаются через верхний электрод, запуская процесс обратимого окисления в слое, содержащем йод. Затем электроны поступают к слою Ti02, что продолжает процесс «по кругу».
Швейцарская команда заявляла, что достигла эффективности 10% при полном солнечном свете и с сохранением ячеек стабильными долгое время. Однако некоторые исследователи не верят этому. Первые ячейки по такой технологии были изготовлены небольшими партиями в STI (Эс Ти Ай), в Австралии, и Greatcell Solar SA (Грейтсэл Солар Эс Эй), в Швейцарии. (См. Grаtzel и соавт., 1989; Grаtzel, 2001; O 'Regan и соавт., 1991, 1993.)
12. «Третье поколение» ФВ ячеек
В результате исследований появился новый класс технологий фотовольтаики, названный «третьим поколением» (блоки монокристаллов - первое, тонкие блоки - второе). Эти устройства в основном основаны на нанотехнологиях - технологиях, которые манипулируют молекулами и атомами в чрезвычайно маленьких масштабах, измеряемых в нанометрах (nm), m-9. Наночастицы в данном случае - «нанокристаллы», состоящие из чрезвычайно маленьких скоплений атомов полупроводящего материала, «квантовых точек».
В 2001 году Дрессельхаус (Dresselhаus) и Томас (Thomas) обнаружили целый новый класс материалов - нанокристаллов, квантовых точек, наноструктурных проводящих полимеров. Эти ячейки обычно содержат наночастицы с распределением по размерам и по ширине электронных ленточных промежутков. Промежутки определяют, какие длины волн могут быть поглощены. Это распределение позволяет поглощать всю энергию всего спектра солнечного света. Если такие ячейки смогут производить дешево, с оптимизированным распределением наночастиц и промежутков, это будет идеальная солнечная батарея. Это направление разработок еще очень молодо, но очень быстро развивается.
В конечном счете, если разработка ячеек третьего поколения будет успешной, то можно будет производить солнечную электроэнергию очень дешево и высокоэффективно. Например, с помощью сложенных в стопку пластмассовых листов.
В следующем посте поговорим про электрические характеристики кремниевых ФВ ячеек и модулей, изолированные и соединенные с электросетями ФВ ячейки.
Также рекомендую: Перспективы развития возобновляемой энергетики
.