Перспективы развития фотоэлектрических преобразователей

Наземные солнечные фотоэлектрические установки с концентраторами излучения Эффективное использование солнечной энергии в интересах широкого развития экологически чистой электроэнергетики возможно лишь в случае применения достаточно мощных солнечных фотоэлектрических установок, имеющих высокий КПД и относительно низкую стоимость. Эти противоречивые требования могут быть успешно удовлетворены при создании установок с концентраторами солнечного излучения и высокоэффективными гетероструктурными фотопреобразователями на основе арсенида галлия. В качестве концентраторов при этом целесообразно использовать дешевые плоские линзы Френеля, объединенные в многоэлементные блоки, КПД которых может достигать 85−90%.

Оптимальная степень концентрации солнечного излучения в таких установках для наземных условий применения составляет 400−800. Это позволяет примерно в такое же количество раз уменьшить площадь полупроводниковых солнечных элементов (СЭ), необходимую для выработки заданной электрической мощности, по сравнению с плоскими солнечными батареями, преобразующими неконцентрированное солнечное излучение, и дает возможность использовать дорогие высокоэффективные СЭ на основе арсенида галлия без увеличения стоимости установки.

Концентрирование солнечного излучения позволяет, кроме того, повысить КПД гетероструктурных СЭ до 25% и более в однопереходных элементах и до 35% - в каскадных. При таких значениях КПД и непрерывном слежении за Солнцем, необходимом при использовании концентраторов, удельный энергосъем с единицы площади лучевоспринимающей поверхности установки будет в 2−3 раза выше по сравнению с неподвижными плоскими кремниевыми солнечными батареями (СБ). Соответственно меньше будут общая площадь и масса установок с концентраторами, расход материалов и объем работ, связанных с их созданием и монтажом.

Все это в сочетании с малой требуемой площадью полупроводниковых фотопреобразователей и невысокой ценой линзовых концентраторов позволяет снизить стоимость единицы установленной электрической мощности фотоэлектрических установок с концентраторами до 1−2 $/Вт и менее, в то время как для современных плоских кремниевых СБ она достигает 4−5 $/Вт.

Указанные обстоятельства определяют целесообразность и перспективность развития работ по созданию солнечных фотоэлектрических установок с концентраторами излучения, которые успешно проводятся в настоящее время во многих странах (США, Германия и др.). Суммарная мощность таких установок изготовленных по индивидуальным проектам, составляет уже сотни киловатт при единичной мощности от 1 до 10 кВт и более.

В ФТИ им. А. Ф. Иоффе накоплен значительный опыт исследований и разработок в области фотоэлектрических установок с концентраторами излучения на основе гетероструктурных солнечных элементов из арсенида галлия. Созданы СЭ с гетероструктурой AlGaAs/GaAs и разработан оригинальный метод жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) для их производства. Это позволяет говорить о возможности достаточно быстрого и успешного развития работ в этом направлении на основе имеющегося многолетнего опыта.

За последние годы в ФТИ были изготовлены однопереходные AlGaAs/GaAs СЭ с КПД около 25% (АМ 1,5) и механически состыкованные каскадные СЭ на основе AlGaAs/GaAs — InP/InGaAs — (или GaSb) с КПД до 30% (АМ 1,5) при стократной концентрации солнечного излучения. В результате проведенных исследований и разработок были созданы фотоэлектрические модули с 16, 24 и 48 элементными линзовыми блоками и гетероструктурными AlGaAs/GaAs солнечными элементами, которые успешно прошли все виды лабораторных и натурных испытаний в наземных условиях, подтвердившие работоспособность модулей и их проектные характеристики.

В настоящее время имеются все условия для того, чтобы приступить к промышленному освоению солнечных фотоэлектрических установок модульного типа мощностью 1−5 кВт с концентраторами на основе линз Френеля и гетеропереходными AlGaAs/GaAs солнечными элементами.

Образцы фотоэлектрических модулей с концентраторами излучения.

Экспериментальная солнечная фотоэлектрическая установка с концентраторными модулями различной конструкции, установленными на раме следящей системы.

Космические фотоэлектрические преобразователи и солнечные батареи.

Повышение требований к бортовым системам космических аппаратов (КА) приводит к необходимости создания солнечных батарей (СБ), обладающих более высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками с увеличенным ресурсом работы. Наиболее перспективным путем решения этих задач является создание СБ на основе гетероструктрных фотоэлектрических преобразователей из арсенида галлия и родственных ему соединений, А 3B5.

Солнечные фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на основе GaInP/AlGaAs/GaAs гетероструктур обеспечивают существенное увеличение КПД, удельного энергосъема и радиационной стойкости космических СБ по сравнению с батареями на основе кремния.