Фототермические и фотоэлектрические преобразователи света

солнце энергетический свет фотоэлектрический Существуют два основных способа преобразования солнечной энергии: фототермический и фотоэлектрический. В первом, простейшем, теплоноситель (чаще всего вода) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и используется для отопления помещений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) — тепловыми аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) — химическими. Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1 за день может нагреть 50−70 л воды до температуры 80−90хС. Работающие по такому принципу типовые гелиоустановки снабжают горячей водой многие дома в южных районах.

И все же будущее солнечной энергетики — за прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов — солнечных батарей. Еще в 30-х годах прошлого века, когда кпд первых фотоэлементов едва доходил до 1%, об этом говорил основатель Физико-технического института (ФТИ) академик А. Ф. Иоффе. Предвидение ученого воплотилось в жизнь в конце 1950;х годов с запуском искусственных спутников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей.

В фотоэлектрических преобразователях солнечной энергии используется кремний с добавками других элементов, образующих структуру с р-n-переходом. Схема работы полупроводникового кремниевого фотоэлемента достаточно проста: в р-слое полупроводника создается «дырочная» (положительная) проводимость, а в n-слое — электронная (отрицательная). На границе слоев возникает потенциальный барьер, препятствующий перемещению носителей (электронов и «дырок») из одного слоя в другой (в таком стационарном состоянии ток не течет по всему полупроводнику). Когда же на фотоэлемент падает свет (поток фотонов), фотоны, поглощаясь, создают пары электрон-" дырка", которые, подходя к границе слоев, понижают потенциальный барьер, давая возможность носителям беспрепятственно проходить из слоя в слой. В полупроводнике возникает наведенная электродвижущая сила (ЭДС), и он становится источником электрического тока. Величина фото-ЭДС будет тем больше, чем интенсивнее световой поток.

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис. 2):

Рис. 2 Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

На рис. 3 представлена схема эквивалентного солнечного элемента. Параллельно источнику тока включен p-n-переход, ток через который равен Is (-1). P-n-переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток I.

Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iph. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой, а (см. рис. 2).

Рис. 3 Эквивалентная схема солнечного элемента

Максимальная мощность, снимаемая с 1, равна.

P = Iph· U = x· Iкз·Uхх, (1).

где x — коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики, Iкз — ток короткого замыкания, Uхх — напряжение холостого хода.

Эффективность современных кремниевых (а также на основе арсенида галлия) фотоэлементов достаточно высока (их кпд достигает 10−20%), а чем выше кпд, тем меньше требуемая площадь солнечных батарей, которая даже в малой энергетике составляет десятки квадратных метров. Большим достижением полупроводниковой промышленности стала разработка кремниевых фотоэлементов, обладающих кпд до 40%. Последнее важное направление в развитии солнечной энергетики — создание более дешевых и удобных фотопреобразователей: ленточных поликристаллических кремниевых панелей, тонких пленок аморфного кремния, а также других полупроводниковых материалов. Самым высокоэффективным из них оказался алюминий-галлий-мышьяк, его промышленная разработка только начинается. Большую перспективу открывают гетероструктурные полупроводники, эффективность которых в два раза выше, чем простых кремниевых образцов. За открытие гетероструктур и их внедрение продолжатель работ А. Ф. Иоффе директор ФТИ академик Ж. И. Алферов получил в 2000 году Нобелевскую премию (см. «Наука и жизнь» № 4, 2001 г.). ФЭП (фотоэлектрические преобразователи) на основе соединения мышьяка с галлием (GaAs), как известно, имеют более высокий, чем кремниевые ФЭП, теоретический КПД, так как ширина запрещённой зоны у них практически совпадает с оптимальной шириной запрещённой зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии =1,4 эВ. У кремниевых этот показатель =1,1 эВ. Вследствие более высокого уровня поглощения солнечного излучения, определяемого прямыми оптическими переходами в GaAs, высокие КПД ФЭП на их основе могут быть получены при значительно меньшей по сравнению с кремнием толщине ФЭП. Принципиально достаточно иметь толщину ГФП 5−6 мкм для получения КПД порядка 20%, тогда как толщина кремниевых элементов не может быть менее 50 — 100 мкм без заметного снижения их КПД. Это обстоятельство позволяет рассчитывать на создание лёгких плёночных ГФП, для производства которых потребуется сравнительно мало исходного материала, особенно если в качестве подложки удастся использовать не GaAs, а другой материал, например синтетический сапфир (Al2 O3).

ГФП обладают также более благоприятными с точки зрения требований к преобразователям СЭС эксплутационными характеристиками по сравнению с кремниевыми ФЭП. Так, в частности, возможность достижения малых начальных значений обратных токов насыщения в p-n-переходах благодаря большой ширине запрещённой зоны позволяет свести к минимуму величину отрицательных температурных градиентов КПД и оптимальной мощности ГФП и, кроме того, существенно расширять область линейной зависимости последней от плотности светового потока. Экспериментальные зависимости КПД ГФП от температуры говорят о том, что повышение равновесной температуры последних до 150−180 °С не приводит к существенному снижению их КПД и оптимальной удельной мощности. В то же время для кремниевых ФЭП повышение температуры выше 60−70 °С является почти критическим — КПД падает вдвое.

Благодаря устойчивости к высоким температурам арсенид-галлиевые ФЭП позволяют применять к ним концентраторы солнечного излучения. Рабочая температура ГФП на GaAs доходит до 180 °C, что уже является вполне рабочими температурами и для тепловых двигателей, паротурбин. Таким образом, к 30-процентному собственному КПД арсенид-галлиевых ГФП (при 150°C) можно прибавить КПД теплового двигателя, использующего сбросовое тепло охлаждающей фотоэлементы жидкости. Поэтому общий КПД установки, которая к тому же использует и третий цикл отбора низкотемпературного тепла у охлаждающей жидкости после турбины на обогрев помещений — может быть даже выше 50−60%.

Также ГФП на основе GaAs в значительно меньшей степени, чем кремниевые ФЭП, подвержены разрушению потоками протонов и электронов высоких энергий вследствие высокого уровня поглощения света в GaAs, а также малых требуемых значений времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей. Более того, эксперименты показали, что значительная часть радиационных дефектов в ГФП на основе GaAs исчезает после их термообработки (отжига) при температуре как раз порядка 150−180 °С. Если ГФП из GaAs будут постоянно работать при температуре порядка 150 °C, то степень радиационной деградации их КПД будет относительно небольшой на протяжении всего срока активного функционирования станций (особенно это касается космических солнечных энергоустановок, для которых важен малые вес и размер ФЭП и высокий КПД).

В целом можно заключить, что энергетические, массовые и эксплутационные характеристики ГФП на основе GaAs в большей степени соответствуют требованиям СЭС и СКЭС (космич.), чем характеристики кремниевых ФЭП. Однако кремний является значительно более доступным и освоенным в производстве материалом, чем арсенид галлия. Кремний широко распространён в природе, и запасы исходного сырья для создания ФЭП на его основе практически неограниченны. Технология изготовления кремниевых ФЭП хорошо отработана и непрерывно совершенствуется. Существует реальная перспектива снижения стоимости кремниевых ФЭП на один — два порядка при внедрении новых автоматизированных методов производства, позволяющих в частности, получать кремниевые ленты, солнечные элементы большой площади и т. п.

Среднее значение КПД в солнечных батареях на монокристаллическом кремнии сегодня около 12%, хотя достигает и 18%. Именно, в основном, кремниевые солнечные батареи можно видеть сегодня на крышах домов разных стран мира.

В отличие от кремния галлий является весьма дефицитным материалом, что ограничивает возможности производства ГФП на основе GaAs в количествах, необходимых для широкого внедрения. Галлий добывается в основном из бокситов, однако рассматривается также возможность его получения из угольной золы и морской воды. Самые большие запасы галлия содержатся в морской воде, однако его концентрация там весьма невелика, выход при извлечении оценивается величиной всего в 1% и, следовательно, затраты на производство будут, вероятно, чрезмерно большими. Технология производства ГФП на основе GaAs с использованием методов жидкостной и газовой эпитаксии (ориентированного роста одного монокристалла на поверхности другого, не развита ещё до такой степени, как технология производства кремниевых ФЭП и в результате этого стоимость ГФП сейчас существенно выше (на порядки) стоимости ФЭП из кремния.

В космических аппаратах, где основным источником тока являются солнечные батареи и где очень важны понятные соотношения массы, размера и КПД, главным материалом для солн. батарей, конечно, является арсенид галлия. Очень важна для космических СЭС способность этого соединения в ФЭП не терять КПД при нагревании концентрированным в 3−5 раз солнечным излучением, что соответственно, снижает потребности в дефицитном галлии. Дополнительный резерв экономии галлия связан с использованием в качестве подложки ГФП не GaAs, а синтетического сапфира (Al2O3).Стоимость ГФП при их массовом производстве на базе усовершенствованной технологии будет, вероятно, также значительно снижена, и в целом стоимость системы преобразования системы преобразования энергии СЭС на основе ГФП из GaAs может оказаться вполне соизмеримой со стоимостью системы на основе кремния.

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 (рис.) тепло преобразуется в электроэнергию посредством селективных эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов — эрбия и иттербия. 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. В качестве материала для фотоэлектрической ячейки более всего подходит InxGa1-xAs, поскольку он позволяет добиться необходимой ширины запрещенной зоны.

Рис. 4 Схема термофотоэлектрического солнечного элемента

Таким образом, признанные во всем мире отечественные полупроводники — это та база, на основе которой можно успешно развивать солнечную энергетику.