Классификация солнечных энергетических установок, процессы преобразования

Солнечная энергия на Земле используется с помощью солнечных энергетических установок, которые можно классифицировать по следующим признакам:

• — по виду преобразования солнечнои? энергии в другие виды энергии — тепло или электричество;
• — по концентрированию энергии — с концентраторами и без концентраторов;
• — по техническои? сложности — простые (нагрев воды, сушилки, нагревательные печи, опреснители и т. д.) и сложные.

Сложные солнечные энергетические установки можно разделить на два подвида.

Первыи? базируется в основном на системе преобразования солнечного излучения в тепло, которое далее чаще всего используется в обычных схемах тепловых электростанции?.

К таким установкам относятся башенные солнечные электрические станции, солнечные пруды, солнечные энергетические установки с параболоцилиндрическими концентраторами. Сюда же относятся и солнечные коллекторы, в которых происходит нагрев воды с помощью солнечного излучения.

Второи? подвид солнечных энергетических установок базируется на прямом преобразовании солнечного излучения в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок.

В настоящее время в мире и в России наиболее перспективными являются два вида солнечных энергетических установок [8, с. 116]:

солнечные коллекторы;?

солнечные фотоэлектрические преобразователи.

Далее рассмотрим основные физические принципы и основы преобразования солнечнои? энергии, а также способы, схемы и конкретные установки, преобразующие энергию Солнца.

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этои? энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2−3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечныи? свет ослабляется, в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения — озоном и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и спектральныи? состав солнечного излучения, доходящего до земнои? поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса (АМ). При нулевои? воздушнои? массе АМ 0 интенсивность излучения равна EC=1360 Вт/м2.

Величина АМ 1 соответствует прохождению солнечного излучения через безоблачную атмосферу до уровня моря при зенитальном расположении Солнца. Воздушная масса для любого уровня земнои? поверхности в любои? момент дня определяется по формуле.

AM (x)= ,.

где x — атмосферное давление, Па;?

x0- нормальное атмосферное давление (1,013· 105Па);

и — угол высоты Солнца над горизонтом [16, с. 56].

Наиболее характернои? в земных условиях является величина АМ 1,5 (и? 42°). Она принята за стандартную при интегральнои? поверхностнои? плотности солнечного излучения EC= 835 Вт/м2, что необходимо при обеспечении сравнимости результатов исследовании? различных солнечных элементов.

На рис. 2 приведено спектральное распределение потока фотонов внеатмосферного (АМ 0) и наземного стандартизованного (АМ 1,5) солнечного излучения при перпендикулярном падении лучеи? на приемную площадку.

Рисунок 2 Спектральное распределение потока фотонов солнечного излучения [9]:

1- внеатмосферное излучение (АМ 0); 2 — наземное стандартизованное излучение (АМ 1,5); 3 — спектр излучения абсолютно черного тела при? TC=5800К. На вставке заштрихована доля полезно используемых фотонов.

Энергия фотонов, эВ, в излучении с длинои? волны л определяется из соотношения:

hv= h= ,.

где h — постоянная Планка, 6,62 6196(50)· 10−34 Дж· с;

c — скорость света, 2,997 9250(10)· 108 м/с;

?л — длина волны, мкм.

Электронвольт — работа, которую необходимо совершить, чтобы переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1 В. 1 эВ =1,6· 10−19 Дж.

Граничная длина волны, начиная с которои? фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с ширинои? запрещеннои? зоны Eg.

лг = 1,24/ Eg.

Более длинноволновое излучение не поглощается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования.

Запрещенная зона — характеризуется отсутствием энергетических уровнеи?, различна по ширине для разных материалов [17, с. 76].

Простеи?шая конструкция солнечного элемента на основе монокристаллического кремния показана на рис. 3. На малои? глубине от поверхности кремниевои? пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошнои? металлическии? контакт.

Рисунок 3 Конструкция простеи? шего солнечного элемента [17].

Пусть p-n-переход расположен вблизи от освещаемои? поверхности полупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки Rн.

Рассмотрим вначале два краи? них случая: Rн = 0 (режим короткого замыкания) и Rн =? (режим холостого хода). Зонные диаграммы для этих режимов изображены на рис. 4. а, б.

Рисунок 4 Зонные энергетические диаграммы p-n-перехода при освещении [10]:

а — в режиме короткого замыкания; б — холостого хода; в — включения на сопротивление нагрузки.

В первом случае зонная диаграмма освещенного p-n-перехода не отличается от зоннои? диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между nи p областями.

Однако через p-n-переход и внешнии? проводник течет ток, обусловленныи? фотогенерациеи? электронно-дырочных пар в p-области. Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственнои? близости от области объемного заряда, увлекаются электрическим полем p-n-перехода и попадают в n область [10, с. 47].

Остальные электроны диффундируют к p-n-переходу, стараясь восполнить их убыль, и в конечном итоге также попадают в n-область. В n-области возникает направленное движение электронов к тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт к p-области. На границе контакта к p-области происходит рекомбинация подошедших сюда электронов с фотогенерированными дырками.

При разомкнутои? внешнеи? цепи p-n-перехода (рис. 4, б) фотоэлектроны, попадая в n-область, накапливаются в неи? и заряжают n-область отрицательно. Остающиеся в p-области избыточные дырки заряжают p-область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода U х.х. Полярность U х. х соответствует прямому смещению p-n-перехода. Поток генерированных светом носителеи? образует фототок Iф. Величина Iф равна числу фотогенерированных носителеи?, прошедших через p-n переход в единицу времени.

Iф=q,.

где q — величина заряда электрона;

Pи — мощность поглощенного монохроматического излучения.

Здесь предполагается, что в полупроводнике каждыи? поглощенныи? фотон с энергиеи? hv? Eg создает одну электронно-дырочную пару.

Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si и GaAs. При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элементе ражим короткого замыкания (рис. 5, а) эквивалентен нулевому напряжению смещения p-n-перехода, поэтому ток короткого замыкания Iк. з равен фототоку.

Iк.з =Iф.

В режиме холостого хода (рис. 4, б) фототок уравновешивается «темновым» током Iт — прямым током через p-n-переход, возникающим при напряжении смещения Uхх.

Производство структур на основе монокристаллического кремния — процесс технологически сложныи? и дорогостоящии?. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (aSi:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфныи? кремнии? выступил в качестве более дешевои? альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщинои? 0,5−1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек [1, с. 156].

Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большои? площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальныи? КПД экспериментальных элементов на основе аSi: Н — 12% - несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка — 16%.

Арсенид галлия — один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батареи?. Это объясняется следующими его особенностями:

почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина за прещеннои? зоны 1,43 эВ;

повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слои? толщинои? всего в несколько микрон;

высокая радиационная стои? кость, что совместно с высокои? эффективностью делает этот материал чрезвычаи? но привлекательным для использования в космических аппаратах;

относительная нечувствительность к нагреву батареи? на основе GaAs;

характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании солнечных элементов.

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе — широкии? диапазон возможностеи? для дизаи? на СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большои? точностью управлять генерациеи? носителеи? заряда, что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичныи? солнечныи? элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

Основнои? 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 [18, с. 258].

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечнои? энергетики.

Чрезвычаи?но высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) — 99% света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещеннои? зоны — 1,0 эВ).

Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечнои? батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещеннои? зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устрои? ства. Один из основных способов получения CuInSe2 — электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованнои? воде при соотношении компонентов Cu: In:Se как 1:5:3 и pH>>1,2−2,0.

Теллурид кадмия (CdTe) — еще один перспективныи? материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещеннои? 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 свои? ствами.

Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачныи? контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe — высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают высокои? подвижностью носителеи? заряда, а солнечные элементы на их основе — высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

Отметим, что среди солнечных элементов особое место занимают батареи, использующие органические материалы. Коэффициент полезного деи? ствия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок — ~11%.

Основа солнечны элементов данного типа — широкозонныи? полупроводник, обычно TiO2, покрытыи? монослоем органического красителя. Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрои? инжекции электрона в зону проводимости TiO2.

При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрическии? ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленныи? краситель.