Фотоэлектрический эффект

ВВЕДЕНИЕ

 

 Человечеству нужна  энергия, причем потребности в  ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получить в реакторах-размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива - водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены, и неизвестно когда они будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде, т.е. без участия в этом процессе реакторов деления. В связи с указанными проблемами становится все более необходимым использование нетрадиционных энергоресурсов, в первую очередь солнечной, ветровой, геотермальной энергии, наряду с внедрением энергосберегающих технологий.

 Среди возобновляемых  источников энергии солнечная  радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной  распространенности наиболее перспективна.

Солнечная батарея — бытовой  термин, использующий в разговорной  речи или не научной прессе. Обычно под термином «солнечная батарея» подразумевается  несколько объединённых фотоэлектрических  преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

 В отличие от солнечных  коллекторов, производящих нагрев  материала-теплоносителя, солнечная батарея производит непосредственно электричество. Хотя, для производства электричества из солнечной энергии используются и солнечные коллекторы: собранную тепловую энергию можно использовать и для вырабатывания электричества. Крупные солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.), называются Гелиоэлектростанции (ГЕЭС).

 Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Ήλιος, Helios — солнце). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы, до занимающих крыши автомобилей и зданий.

 

 Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16%, у лучших образцов до 25%. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 40,7 %.

 

 

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФОТОЭЛЕМЕНТАХ

 

Преобразование энергии  в ФЭП основано на фотоэлектрическом  эффекте. Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В солнечном элементе из полупроводникового кремния толщиной 50мкм поглощаются фотоны, и их энергия преобразуется в электрическую посредством p-n соединения.

 Переход на гетеросоединения типа арсенида галлия и алюминия, применение концентраторов солнечной радиации с кратностью концентрации 50-100 позволяет повысить КПД с 20 до 35 %. В 1989 г. фирмой “Боинг” создан двухслойный элемент, состоящий из двух полупроводников - арсенида и антимонида галия - с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37 %. В обычных кремниевых элементах инфракрасное излучение не используется, в то время как в новом элементе в первом прозрачном слое (арсенид галия) поглощается и преобразуется в электричество видимый свет, а инфракрасная часть спектра, проходящая через этот слой, поглощается и преобразуется в электричество во втором слое (антимониде галлия), в итоге КПД составляет 28%+9%=37%, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций.

 Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны - энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

 Эффективность преобразования  зависит от электрофизических  характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

 

 

1.1 Причины потерь энергии в ФЭП и способы их решения

 

 Основные необратимые  потери энергии в ФЭП связаны  с:

 

• отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя
• прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём
• рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
• рекомбинацией образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объёме ФЭП,
• внутренним сопротивлением преобразователя
• некоторыми другими физическими процессами.

 

Для уменьшения всех видов  потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:

 

• использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
• направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
• переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
• оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
• применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
• разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
• создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;

 

 Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.

 

1.2 Основные требования предъявляемые к ФЭП

 

 На солнечных электростанциях  (СЭС) можно использовать разные  типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

 

• высокая надёжность при длительном (25-30 лет) ресурсе работы;
• высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;
• приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затрат на создание системы преобразования;
• минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
• удобство техобслуживания.

 

 Некоторые перспективные  материалы трудно получить в  необходимых для создания СЭС  количествах из-за ограниченности  природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.

 Высокая производительность  может быть достигнута лишь  при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

 

1.3 Классификация фотоэллементов

 

Первое поколение фотоэлементов  это классические кремниевые элементы с традиционным p-n переходом, которые большинство из нас подразумевает под словом солнечные фотоэлементы. Как правило, это пластины из чистого монокристаллического или поликристаллического кремния толщиной 200-300 мкм. Они характеризуются высоким КПД (17-22%) и высокой себестоимостью. В настоящее время доля рынка около 82%.

 Второе поколение фотоэлементов  так же основывается на использовании p-n перехода, однако не используют кристаллический кремний как основной материал. Обычно используются следующие материалы: теллурий, кадмий (CdTe), смесь меди, индия, галлия, селен (CIGS) и аморфный кремний. Как правило, толщина поглощающего свет слоя полупроводника составляет всего от 1 до 3 мкм. Процесс производства таких фотоэлементов более автоматизирован и имеет значительно меньшую себестоимость. Основным недостатком второго поколения элементов является меньшая эффективность, чем элементы первого поколения, которая колеблется в зависимости от технологии от 7-15%. В настоящее время доля рынка около 18%.

Третье поколение фотоэлементов  также относятся к тонкопленочным технологиям, однако они лишены привычного понятия p-n перехода, следовательно и использования полупроводников. В настоящее время это поколение включает в себя разнообразные технологии, однако основным направлением является фотоэлементы на основе органических полимерных материалов.

Преимуществом фотоэлементов  третьего поколения является низкая себестоимость и простота изготовления. Главным препятствием на пути популяризации является низкая эффективность, которая  не превышает 7%. %. В настоящее время рыночная доля третьего поколения элементов не превышает 0,5%

В нашей курсовой работе будут рассмотрены фотоэлементы второго поколения.

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ  ХАЛЬКОГЕНИДЫ ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ  СОЗДАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

 

Современное состояние в области разработок солнечных элементов для космической  и наземной энергетики позволяет  перейти к использованию тонкопленочных элементов с толщиной пленки до 5 мкм. Создание дешевых тонкопленочных солнечных элементов с приемлемым к.п.д. для прямого преобразования солнечной энергии является предметом активных исследований, проводимых в последние два десятилетия.

 

2.1 Фотоэлементы  на основе кристаллических пленок  CdTe

 

Теллурид кадмия является одним из перспективных материалов для производства высокоэффективных и дешевых солнечных модулей. Этот материал является прямозонным полупроводником с большим коэффициентом оптического поглощения (~10⁵ см-1) в видимом диапазоне и имеет почти идеальную ширину запрещенной зоны (1,5 эВ) для ячеек с одним переходом. Благодаря этому пленка CdTe толщиной всего несколько микрон поглощает ~90% солнечного излучения. В настоящее время разработаны разнообразные промышленно эффективные технологии получения пленок CdTe, такие как сублимация, осаждение из аэрозоля или «мокрая» печать, рост из раствора, электроосаждение, различные физические методы испарения/осаждения. Все эти методы позволяют получать пленки CdTe большой площади с большой скоростью осаждения: ~1 м²/мин. Рекордная эффективность ячейки на основе CdTe составляет 16,5%, модуля коммерческого размера – 11%; а типичные коммерческие модули имеют эффективность 7–9%.

Ячейка на основе CdTe состоит из стеклянной подложки с нанесенным слоем прозрачного проводника (SnO₂:F, In₂O₃ или Zn₂SnO₄), затем n-CdS (<100 нм), далее p-CdTe (1-3 мкм), поверх которого наносится металлический электрод (Ni-Al). Свойства этих ячеек не сильно зависят от вариаций технологических параметров получения пленок, что удобно для промышленного производства. Критическими аспектами технологии являются рекристаллизация пленок CdTe с использованием CdCl₂ в качестве флюса, а также предотвращение диффузии Ni в пленку СdTe при формировании металлического электрода (для этого в состав электрода вводят небольшое количество меди).  

Основными недостатками этих фотоэлементов являются экологические  и медицинские проблемы, связанные  с вредным влиянием кадмия. Однако проведенные исследования показывают, что все требования безопасного  производства и утилизации этих фотоэлементов могут быть соблюдены при вполне умеренных затратах.