Анализ влияния метеорологических факторов на энергетические характеристики солнечных элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Физические базы фотоэлектрического способа преобразования концентрированного солнечного излучения
• 1.1 Полупроводниковые материалы для солнечных элементов
• 1.2 Характеристики солнечного излучения
• 2. Солнечные элементы для преобразования концентрированного солнечного излучения
• 2.1 Солнечные элементы на основе кремния
• 2.2 Фотоэлектрические генераторы
• 3. Определение коэффициента полезного действия и метрологических характеристик солнечных элементов, и батарей
• 3.1 Солнечное излучение и выбор стандартного спектра
• 3.2 Измерения на имитаторах солнечного излучения и в натурных условиях
• 4. Экологические аспекты использования солнечной энергии
• 5. Охрана труда
• 5.1 Виды негативных факторов и их воздействия на человека
• 5.2 Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны
• 5.3 Охрана атмосферного воздуха от загрязнения выбросами промышленных предприятий
• Заключение
• Список использованной литературы
• Введение
• Солнечная энергетика - направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании излучения Солнца с целью получения электрической энергии.
• Гелиотермальная энергетика использует неисчерпаемый генератор энергии и является экологически стерильной, то есть не оставляющей после себя вредных веществ. Получение электрической энергии при помощи энергии Солнца позволяет доставить электричество в самые удаленные и труднодоступные участки планеты.
• Солнечная постоянная была выведена экспериментальна и равна 1367 Вт/м². Солнечная постоянная есть отношение потока солнечного излучения, проходящего через площадку в 1 мІ, расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца.
• Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) - 1020 Вт/мІ. Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше.
• Вследствие эффекта глобального потепления и выделения в атмосферу микрочастиц, препятствующих проникновению солнечного излучения сквозь атмосферу, возможна ситуация с уменьшением количества солнечного тепла на планете.
• Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения:

- Химические реакции внутри фотоэлементов;

- Получение нагретой горячей воды для нужд производства;

- Поршневые или турбинные паровые машины, работающие при помощи водяного пара, углекислого газа, пропан-бутана, фреонов;

- Стирлинговский двигатель.

Гелио термальная энергетика- использование тепла солнца для подогрева различных темноокрашенных поверхностей. В последующем распределение и использование тепла в отоплении или в паровых электрогенераторах. Принцип действия солнечных аэростатных электростанций заключается в генерации водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием. Основное преимущество данных систем - работа электростанции в темное время суток и в ненастную погоду за счет накопления запасов пара в баллоне.

Одним из основных недостатков применения солнечной энергии является зависимость от погоды и времени суток.

Актуальность проблемы: заключается в том, что электроэнергия, вырабатываемая солнечными элементами, значительно превосходит стоимость электроэнергии, вырабатываемой традиционными методами.

Поэтому, исходя из вышеизложенного, необходимо проанализировать оценку влияния снижения стоимости солнечной электроэнергетики на ее повсеместное распространение.

Цель исследования: провести анализ и сравнение работы солнечных фотоэлементов в ясную солнечную погоду и ненастную пасмурную, а также влияние работы солнечных элементов на окружающую среду.

Задачи исследования: проанализировать работу следующих солнечных элементов:

- на основе монокристаллического кремния, КПД установки;

- на основе ленточного поликристаллического кремния, КПД установки;

- на основе тонкопленочного аморфного кремния, КПД установки;

Объект исследования: снижение стоимости солнечной электроэнергии за счет внедрения фотоэлектрического преобразования солнечной энергии.

Предмет исследования: фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии.

Методы исследования: анализ различных конструкций, исследование преимуществ и недостатков различных систем для преобразования солнечного излучения в электроэнергию.

Структура дипломной работы отражает логику исследования и его результаты и состоит из введения, разделов, заключения, списка использованных источников, приложений.

1. Физические базы фотоэлектрического способа преобразования концентрированного солнечного излучения

В обыкновенном индукционном электрогенераторе электродвижущая сила появляется за счет взаимодействия магнитного поля с перемещаемым машинально в пространстве проводником, содержащим вольные носители тока (электроны). Получая совместно с проводником сверхизбыточную кинетическую энергию, электроны перераспределяются под действием силы Лоренца и формируют в проводнике разность потенциалов.

В полупроводниковом солнечном элементе электродвижущая сила появляется за счет взаимодействия электрического поля p-n-перехода с образованными светом вольными носителями тока (электронами и дырками), имеющими сверхизбыточную вероятную энергию. Благодаря преображению возможной энергии носителей тока в полупроводниковых солнечных элементах нет механических перемещений деталей конструкции и, следственно, нет «трущихся частей», а само преобразование происходит «неслышно».

Использование встроенного в полупроводник электрического поля p--n-перехода объясняет внешнюю простоту устройства солнечные элементов.

1.1 Полупроводниковые материалы для солнечных элементов

В таблице 1.1 представлен система периодической таблицы элементов Менделеева, благодаря которому можно понять получение сверхценных полупроводниковых материалов.

Из элементов IV группы образуются моноатомные полупроводники. Германий и кремний имеют кристаллическую структуру типа структуры алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя эквидистантно расположенными соседними атомами, находящимися в верхушках воображаемого тетраэдра.

Таблица 1.1 Фрагмент периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

Номер группы элементов
II	III	IV	V	VI
Be	B	С	N	O
Mg	Al	Si	P	S
Zn	Co	Gе	As	Se
Cd	In	Sn	Sb	Те

Связь между двумя ближайшими атомами обусловлена парой валентных электронов с противоположными спинами. Таким образом, любой атом выделяет для создания связи по четыре имеющихся у него валентных электрона и присоединяет 4 электрона от соседних атомов, сформировывая устойчивую восьмиэлектронную кожицу. Алмазоподобные решетки могут сформировывать пары элементов, расположенные в таблице эквидистантно слева и справа от IV группы. Получающиеся при этом кристаллические материалы еще и обладают свойствами полупроводников.

Например, устойчивые восьмиэлектронные оболочки получаются при объединении атомов галлия и мышьяка(GaAs), индия и сурьмы (InSb), алюминия и мышьяка (AlAs) и т.д. Соединения, образованные элементами III и V групп, называются соединениями типа А³В⁵. Здесь каждый атом элемента III (V) группы окружен четырьмя соседними атомами из V (III) группы. Наконец, отдельный класс полупроводниковых соединений составляют соединения типа А²В⁶ -- сульфиды, селениды и теллуриды цинка и кадмия.

Полупроводниковый кристалл представляет собой систему, состоящую из атомных ядер и электронов, в той или иной величине связанных с ядрами. Структура данной системы, в частности положение электронов, описывается положениями квантовой механики, главным из которых является уравнение Шредингера:

(1.1)

В этом уравнении ш -- волновая функция, квадрат модуля которой ]имеет смысл вероятности нахождения электрона в заданной точке пространства в состоянии, характеризуемом энергией Е; V² -- сумма вторых частных производных по координатам пространства; U - потенциал взаимодействия электрона с остальными частицами системы и внешним полем.

Согласно простейшей квантово-механической модели кристаллического твердого тела, электроны в кристалле движутся свободно, но не могут покинуть кристалл, так как на его границах существует потенциальный барьер. Потенциал U считается постоянным во времени. Волновая функция, зависящая от координат х, у, z, ищется в виде произведения:

(1.2)

При этом (1.1) распадается на три независимых уравнения, и задача сводится к решению уравнения:

(1.3)

где величина

(1.4)

являетсяx-компонентой волнового вектора электрона. Общее решение уравнения (1.3):



(1.5)

На границах кристалла ш (x)=0 (при х=0 и при х=L). Налагая эти граничные условия на решение (1.5), получим:

(1.6)

Здесь n_x -- любое целое положительное число; L -- характерный размер кристалла. Энергия электрона связана с величиной к_x (выражение (1. 4)), поэтому она может принимать только вполне определенные значения, называемые собственными:

(1.7)

Таким образом, энергия электрона, запертого в потенциальном ящике (в кристалле), обладает дискретным рядом разрешенных значений.

Для уточнения полученных закономерностей следует учесть, что благодаря периодическому расположению атомов в кристаллической, решетке поле сил, действующих на электрон, следовательно, и его потенциал являются периодическими функциями координат пространства. Наложение условия периодичности даст дополнительный сомножитель 2 в выражении (1. 6) для к_x.

При учете эффективной массы электрона необходимо учитывать все множество сил, действующих на электрон со стороны других электронов и кристаллической решетки. Показатель эффективной массы электронов могут изменяться в зависимости от движения в кристалле вдоль различных неэквивалентных направлений. В литературе многих авторов используют лишь только усреднённое значение m_nдля описания фотоэлектрических свойств солнечных элементов.

С учетом этих замечаний, а также рассматривая движение электрона как трехмерное, получим следующее выражение для собственной энергии n-состояния электрона в кристалле:

(1.8)

Здесь выступает как квадрат вектора с целочисленными компонентами n_x, n_y, n_z.

Принцип Паули гласит о том, любой из необходимых уровней энергии в механико-квантовой системе может быть занят только 2 электронами со спинами, противоположными друг другу. В нашу задачу входит найти выражение аналитики для измерения числа состояний энергий в интервале от Е до Е+dЕ, где обычно находятся электроны. Таким образом получается, что координаты волнового вектора к_x, к_y, к_z принимают только дискретный ряд значений, то все пространство kбудет изображено со стороной 2р/L и объемом (2р/L)³. Полученное число кубиков приблизительно равно числу возможных комбинаций к_x, к_y, к_z.

Поэтому число состояний со значением волнового вектора от kдо к+dk равно удвоенному отношению объема шарового слоя в k-пространстве к объему одного кубика:

(1.9)

Здесь коэффициент 2 введен для учета спина электронов; L³ -- объем кристалла. Согласно (1. 8):

(1.10)

Поэтому число состояний N(Е) в кристалле единичного объема в расчете па единичный интервал энергии равно:

(1.11)

Таким образом, энергетический спектр электрона в кристалле должен состоять из набора разрешенных уровней. Уровни разрешенных энергий для электронов в атомах образуют зоны разрешенных энергий в кристалле. Ширина разрешенных зон имеет величину порядка нескольких электрон-вольт. Если кристалл содержит 10²³ атомов, что соответствует объему ~1 см³, то расстояние между соседними уровнями в разрешенной зоне будет порядка 10^-23 эВ.

Тепловая энергия электронов при комнатной температуре составляет 4* 10^-2 эВ, поэтому дискретная структура разрешенных зон себя не проявляет, а электрон может менять свою энергию в пределах зоны практически непрерывно.

Электроны, находящиеся в атомах ближе к ядру, экранированы от взаимодействий более высоко расположенными электронными оболочками, так что соответствующие уровни расщепляются слабо. Наиболее сильно взаимодействуют валентные электроны, расположенные на внешних оболочках. Из уровня, на котором в изолированных атомах находятся валентные электроны, образуется валентная зона. При абсолютном нуле температуры валентные электроны заполняют попарно уровни валентной зоны, начиная с самых нижних. Если после размещения всех валентных электронов в этой зоне остаются незанятые уровни, то такой кристалл сможет проводить электрический ток подобно металлам. Действительно, электроны могут при этом еще увеличивать свою энергию, перемещаясь под действием, например, внешнего электрического поля. Если же вся валентная зона оказывается занятой электронами, то мы имеем дело в этом случае с кристаллами полупроводника или изолятора. Здесь проводимость может возникнуть только при переходе электрона из полностью занятой валентной зоны в более высоко расположенную разрешенную зону, образованную из уровней возбужденных состояний изолированных атомов (зону проводимости). Для такого перехода электрону необходимо сообщить энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны -- зазора между валентной зоной и зоной проводимости. Ширина запрещенной зоны является важнейшей характеристикой материала. По величине Е_g проводят условную границу между полупроводниками () и изоляторами ().

Для создания солнечных элементов наиболее подходящими являются полупроводниковые материалы со значениями в интервале 1-2 эВ. Это кремний, арсенид галлия, твердые растворы, фосфид индия, сульфид кадмия. В настоящее время солнечные элементы, преобразующие концентрированное солнечное излучение, изготавливаются только на основе первых трех материалов, что связано с высоким уровнем развития технологии их получения и долговременной стабильностью свойств.

Работа большинства полупроводниковых приборов, в том числе и солнечных элементов, определяется процессами, происходящими с электронами при энергиях вблизи верхних уровней валентной зоны и нижних уровней зоны проводимости. Если полупроводник однороден во всем объеме, т. е. его химический состав не меняется от точки к точке, то и энергии электронов у потолка валентной зоны и дна зоны проводимости не будут зависеть от координаты. Эта ситуация отражается зонной диаграммой, изображенной на рисунке 1.2 а для арсенида галлия и на рис. 1.2 б для кремния. Однако энергия электронов зависит также от состояния их движения, т. е. от волнового вектора.

Действительно, в соответствии с формулой (1.8), энергия квадратично зависит от k, что может быть изображено графически отрезками парабол для потолка валентной зоны и дна зоны проводимости. Детальный анализ квантово-механических систем полупроводниковых кристаллов показывает, что здесь возможны различные ситуации. Вершина параболы для валентной зоны может находиться при том же значении k, что и минимум параболы зоны проводимости (рис. 1.2, в).

Рисунок 1.2 Энергетическое положение потолка валентной зоны (E_v) и дна зоны проводимости (Ее) в однородных полупроводниках -- арсениде галлия (в) и кремнии (б) и значения Е_v и Е_c в зависимости от волнового вектора электрона k для арсенида галлия (в) и кремния (г).

При этом электрон, получив энергию извне (например, от кванта излучения) и преодолев запрещенную зону, оказывается в зоне проводимости в том же состоянии движения, в котором он был, находясь в валентной зоне (так как импульс фотона очень мал). Поскольку величина волнового вектора электрона при переходе из зоны в зону не меняется, то такие переходы называют вертикальными или прямыми. Зонная структура такого полупроводника будет «прямой». Прямозонными полупроводниками являются, например, GaAs и InP. В общем случае в зоне проводимости могут быть состояния движения, описываемые другими отрезками парабол, минимумы которых смещены в k-пространстве в каком-либо направлении. Например, в GaAs ширина запрещенной зоны определяется «прямым» минимумом зоны проводимости, лежащим при 1.42 э*Вобозначаемым какГ-минимум (рис. 1.2,в), а при энергии 1.90 эВ расположен «непрямой» минимум (Х-минимум зоны проводимости), смещенный в кристаллографическом направлении. Всего в трехмерном кристалле аналогичных направлений (положительных и отрицательных) шесть, поэтому Х-минимумов тоже шесть. Если рассчитывать количество состояний в X-минимумах зоны проводимости в кристалле, то в формулу (1. 9) необходимо ввести коэффициент 6.

Рисунок 1.3 Спектральная зависимость показателя поглощения для кремния и арсенида галлия.

В некоторых полупроводниках, например в кремнии, Х-минимумы являются абсолютными минимумами зоны проводимости, формирующими запрещенную зону (рис. 1.2, б и г). В этом случае полупроводник обладает «непрямой» зонной структурой. Здесь переход электрона из валентной зоны в зону проводимости под действием кванта света затруднен. Действительно, электрон при этом должен сильно изменить свое состояние движения, что может быть достигнуто только при благоприятном стечении обстоятельств. В частности, фотон на своем пути в полупроводнике должен встретить такой валентный электрон, который в момент поглощения порции энергии, еще и оптимальным образом взаимодействует с тепловыми колебаниями атомов решетки, сообщающими электрону необходимый импульс, а также передающими или отбирающими от него некоторую порцию энергии (см. рисунок 1.2, г).

Очевидно, вероятность поглощения фотонов в непрямозонном полупроводнике будет значительно ниже вероятности поглощения в прямозонном, где фотон может взаимодействовать с валентным электроном в любой момент времени. Таким образом, показатель поглощения излучения в непрямозонном полупроводнике значительно нижечем в прямозонном. Это обстоятельство продемонстрировано на рисунке 1.3 на примере Si и GaAs. Из рисунка 1.3 видно, что, например, для энергии квантов излучения 1.5 эВ арсениду галлия соответствует значение 10¹ см^-1. Ширина запрещенной зоны полупроводников уменьшается с увеличением температуры, а край поглощения сдвигается в область меньших энергий. Для кремния и арсенида галлия зависимость монотонна и аппроксимируется выражениями:

эВ

(1.12)

В полупроводниковых твердых растворах по мере изменения соотношения компонентов может изменяться тип зонной структуры. Интересно проследить изменение типа зонной структуры твердых растворов Al_xGa_1-xAs. Арсенид алюминия является непрямозонным материалом, в котором X- минимумы формируют запрещенную зону 2.16 эВ. Г-минимум расположен при энергии 3.02 эВ. Таким образом, в соединении Al_xGa_1-xAs при замещении атомов Ga на атомы AlГ- и Х-минимумы перемещаются вверх, но с разными скоростями. Зависимости энергетического положения Г и Х-минимумов от состава твердых растворов приведены на рисунке 1.4. В области составов происходит смена типа зонной структуры с «прямой» на «непрямую». Если твердый раствор непрямозонного состава имеет малую толщину, то поглощение в нем будет почти полностью определяться переходами электронов в Г-минимум. Иными словами, заметное поглощение в таком слое будет наблюдаться при энергиях фотонов 2.5 эВ значительно превосходящих Е_g.

Рисунок 1.4 Зависимость энергетических положений Г-и Х-минимумов от состава в полупроводниковом твердом растворе. Т =300 К.

«Прямые» и «непрямые» полупроводники отличаются не только вероятностью поглощения излучения. Если фотовозбужденный электрон уже оказался в зоне проводимости, то там он сможет пробыть ограниченное время, называемое временем жизни. По истечении этого времени электрон вновь переходит в валентную зону. В прямозонном полупроводнике переход из Г-минимума в валентную зону происходит без затруднений, связанных с изменением состояния движения, а избыток энергии может быть выделен в виде кванта света.

В полупроводнике непрямозонном переход электрона из минимума Х

В непрямозонном полупроводнике переход электрона из Х-минимума сопровождается рассеянием избыточной части волнового вектора, например, на колебаниях кристаллической решетки.

Поскольку этот процесс требует дополнительных условий, то он и менее вероятен, а время жизни электронов в «непрямом» полупроводнике, как правило, много больше, чем в «прямом». Необходимость взаимодействия электронов с решеткой значительно уменьшает вероятность рассеяния избытка энергии электроном в виде фотона. Эта энергия выделяется безызлучательно и расходуется на нагревание решетки.

Вероятность излучательных переходов электронов из зоны проводимости в валентную зону для прямозонных материалов может быть весьма велика, что используется при создании полупроводниковых светоизлучающих приборов (светодиодов и лазеров). Это обстоятельство используется также при создании некоторых типов солнечных элементов и при разработке методик их исследований. Излучательная рекомбинация является фундаментальным механизмом, ограничивающим максимальный теоретический коэффициент полезного действия полупроводникового солнечных элементов.

1.2 Характеристики солнечного излучения

Плотность потока солнечного излучения, падающего на площадку, перпендикулярную этому потоку и расположенную над атмосферой на расстоянии 150 млн. км от Солнца, равна солнечной постоянной G0=1,353 кВт/м². Это - так называемое солнечное космическое излучение.

Солнечное излучение обусловлено ядерными реакциями в ядре Солнца, где температура достигает 10 млн. кельвин. Внешние неактивные слои, нагретые до 5800К, изменяют спектр, и к верхней границе атмосферы поступает излучение в диапазоне 0,3…2,5 микрон.

Солнечный спектр состоит из трёх участков: (1) ультрафиолетовое излучение (с длиной волны до 0,4 микрон) - составляет 9% интенсивности, (2) видимое излучение (0,4…0,7 микрон) - 45% интенсивности и (3) инфракрасное излучение (более 0,7 микрон) - 46% интенсивности.

Часть энергии солнечного излучения доходит до Земли в виде прямых солнечных лучей. Другая часть, достигая атмосферы, рассеивается облаками и пылью и доходит до поверхности Земли в виде рассеянного излучения. Первую часть потока в отличии от второй можно сфокусировать и в таком виде использовать в технических устройствах. Отношение интенсивности направленного потока к полной интенсивности излучения меняется от 0,9 в ясный день до нуля в пасмурный день.

Максимальная плотность направленного солнечного излучения на 1 м² поверхности Земли - около 1 кВт/м² в диапазоне волн 0,3…2,5 микрон. Это - коротковолновое излучение и оно включает видимый спектр. В зависимости от времени суток, места, погоды плотность излучения меняется в десятки раз. Эта тепловая энергия может быть использована с помощью технических устройств. Плотность потока энергии излучения, связывающая атмосферу с поверхностью земли также около 1 кВт/м² , но уже в диапазоне длинных волн 5…25 микрон.

Полная энергия солнечного излучения, которая приходится на единицу поверхности за день, представляет собой суточную облучённость. Величина суточной облучённости (Н) зависит от широты местности и времени года. В высоких широтах сезонные изменения особенно велики из-за меняющейся продолжительности дня, меняющейся ориентации приёмной площадки (горизонтальной плоскости), изменяющегося поглощения в атмосфере.

Сезонные изменения суточной облучённости горизонтальной приёмной площадки в ясный день на разных широтах - представлены на графике, рис.2.1.1. Летом она составляет 25…26 МДж/м² в день или 7 кВт·ч/м² в день во всех широтах, зимой - в высоких широтах она намного меньше из-за более короткого дня, косого падения лучей и большего ослабления атмосферой. Расстояние, пройденное прямыми солнечными лучами через атмосферу, зависит от угла падения (зенитного угла) и высоты над уровнем моря. При этом важно не только само расстояние, а взаимодействие излучения с атмосферными газами и парами. Увеличение длины пути при наклонном падении луча по сравнению с путём при нормальном падении называют оптической массой. Облученность горизонтальной площадки в течение суток летом и зимой характеризуется на рисунке.

Рисунок 1.5 Суточная облученность в зависимости от широты местности и времени года.

Прохождение солнечного коротковолнового излучения через атмосферу сопровождается: поглощением, т.е. переходом энергии излучения в тепло, с последующим излучением света большей длины волны, (2) рассеянием, т.е. изменением направления распространения света в зависимости от длины волны, (3) отражением, которое не зависит от длины волны.

Прохождение в атмосфере различно для разных участков спектра солнечного и атмосферного излучения. Оно приводит к повышению температуры.

Коротковолновая ультрафиолетовая область (до 0,3 микрон) почти полностью отсутствует на уровне моря, так как поглощается кислородом О2 , О3 , О и азотом N2.

Коротковолновая ультрафиолетовая область (0,3…0,4 микрон) - частично проходит.

Видимый диапазон (0,4…0,5 микрон) почти полностью проходит через чистую (не загрязнённую) атмосферу. Это почти половина потока солнечного излучения.

Ближняя инфракрасная область (0,7…2,5 микрон) - почти половина солнечного космического излучения - в значительной степени (на 20%) поглощается в атмосфере в основном парами воды и углекислого газа СО2.

Инфракрасный диапазон (более 12 микрон) - для него атмосфера почти непрозрачна.

фотоэлектрический солнечный излучение имитатор

2. Солнечные элементы для преобразования концентрированного солнечного излучения

В монографиях [1--7] и обзорных работах [8--18], посвященных фотоэлектрическому методу преобразования солнечной энергии, опубликованных за последние 10--20 лет, основное внимание обращалось на систематизацию результатов исследований фотоэлементов, работающих при прямом, неконцентрированном солнечном облучении. Однако в последние годы выполнен большой объем теоретических и экспериментальных работ по солнечным элементам, предназначенным для преобразования концентрированного солнечного излучения.

Основными материалами для создания солнечных элементов повышенной мощности являются Si и GaAs. Оптимальный диапазон степени концентрирования (К_с) для солнечных элементов на основе гетероструктур Al_хGa_1-хAs--GaAs приблизительно на порядок выше, чем для кремниевых солнечных элементов, что объясняется меньшей величиной внутренних омических потерь в гетерофотопреобразователях и лучшей температурной стабильностью КПД. Это позволяет в концентраторных модулях на основе гетерофотоэлементов использовать достаточно простые и дешевые системы охлаждения при электрической мощности, снимаемой с одного солнечного элемента, более 10 Вт. Максимальное значение КПД, полученное в таких солнечных элементах, превышает 25 % при К_с=100--1000 при незначительном изменении КПД в интервале рабочих температур 20--100°С.

Дополнительным преимуществом солнечных элементов на основе арсенида галлия является их лучшая радиационная стойкость, что открывает перспективы использования этих элементов в космических солнечных батареях с концентраторами.

2.1 Солнечные элементы на основе кремния

Солнечные элементы на основе монокристаллического кремния, работающие при неконцентрированном солнечном облучении, получили наибольшее распространение в наземной и космической солнечной энергетике. В последние годы выполнены также широкие исследования кремниевых фотоэлектрических преобразователей концентрированного солнечного излучения и достигнуты значения КПД более 20 % [19--22] при К_с100 (AM 1.5). Кроме монокристаллического Si, для создания солнечных элементов начинает широко использоваться поли- кристаллический и аморфный кремний, главным достоинством которого является меньшая стоимость. Однако эффективность таких солнечных элементов существенно ниже, и поэтому нет оснований предполагать их широкое применение для преобразования концентрированного солнечного излучения, так как основным требованием к таким солнечным элементам является обеспечение высокого КПД. По этим причинам мы не будем рассматривать солнечные элементы на основе аморфного и поликристаллического Si, а также солнечные элементы на основе тонкопленочных полупроводниковых соединений и тройных соединений, например типа .

По конструктивному исполнению мощные кремниевые солнечные элементы можно разделить на два основных типа: фотоэлементы с p--n-переходом, расположенным параллельно облучаемой поверхности; многопереходные солнечные элементы с несколькими p--n -переходами, расположенными перпендикулярно или параллельно облучаемой поверхности.

Первый тип -- это «обычная» конструкция солнечных элементов, оптимизированная для преобразования концентрированного солнечного излучения [9, 10, 15-29].

Второй тип -- «фотовольт» или «вертикальный» солнечный элемент -- многопереходные солнечные элементы, разработанные специально для преобразования сильно концентрированного солнечного излучения, так как: в этих солнечных элементах обеспечивается существенное снижение омических потерь [30--33].

Спектральные характеристики кремниевых солнечных элементов

Рисунок 2.1 Расчетные спектральные зависимости коэффициента собирания (1) кремниевых солнечных элементов и вклада в фотоответ фронтального слоя (2), области объемного заряда (3) и базы (4) [2].

На рис. 2.1 представлена расчетная [2] спектральная зависимость коэффициента собирания кремниевого солнечного элемента (1) и показан вклад в фотоответ различных частей структуры: фронтального слоя (2) области объемного заряда (3) и базовой области (4). Параметры структуры, использованные при расчете: удельное сопротивление базовой области p-типа , скорость поверхностной рекомбинации , толщина фронтального слоя , встроенные поля отсутствуют. Основной вклад фронтального слоя наблюдается в спектральном интервале , незначительный вклад области объемного заряда -- при и наибольший вклад базы -- в интервале . При этом вклад базы превосходит по абсолютному значению вклад остальных частей структуры.

Представленный на рис. 2.1 суммарный спектр фотоответа (кривая 1) характеризуется высоким значением Q в коротковолновой области вследствие низкого значения скорости поверхностной рекомбинации и малой толщины фронтального слоя, принятых в расчете.

Аналогичный расчет выполнен [18] для кремниевых солнечных элементов с различными значениями скорости поверхностной рекомбинации и различными временами жизни электронов в базовой области (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 Расчетные спектральные зависимости коэффициента собирания кремниевых солнечных элементов с различными глубиной () залегания p--n-перехода, временем жизни электронов () и скоростью поверхностной рекомбинации (s) [18].

Из анализа спектральных зависимостей Q для этих значений параметров хит могут быть сделаны следующие выводы:

1) при скорости поверхностной рекомбинации уменьшение толщины фронтального слоя от (кривая 3) до 0.1 мкм (кривая 2) дает более чем двукратное увеличение Q в спектральном диапазоне 0.3--0.4 мкм;

2) уменьшение скорости поверхностной рекомбинации от 10⁵ (кривая 2) до 10² см-с^-1 (кривая 1), несмотря на увеличение толщины фронтального слоя от (кривая 2) до 0.2 мкм (кривая 1), приводит к почти двукратному увеличению Q при ;

3) увеличение времени жизни неосновных носителей тока в базовой области с (кривые 1--3) до 12 мкс (кривая 4) обеспечивает существенное приращение фототока в длинноволновой области фоточувствительности в спектральном интервале 0.8--1.1 мкм.

Экспериментальные результаты, полученные в разработанных кремниевых солнечных элементах, обладающих высокой чувствительностью как в коротковолновой области («фиолетовые» солнечные элементы), так и в длинноволновой области солнечного спектра, находятся в соответствии с расчетами. В качестве примера на рис. 2.3 приведены экспериментальные спектральные зависимости Q для трех кремниевых солнечных элементов [3, 23]. «Обычный» элемент (кривая 1) имел глубину залегания p--n-перехода и поверхностную концентрацию доноров . Уменьшением толщины фронтального слоя до с одновременным снижением концентрации доноров до было достигнуто существенное увеличение фоточувствительности в коротковолновой () области спектра (кривая 2). Такой результат объясняется снижением скорости поверхностной рекомбинации и повышением времени жизни неосновных носителей вблизи лицевой поверхности, что облегчает процесс собирания «коротковолновых» носителей заряда при относительно близком расположении p--n-перехода к поверхности.

Рисунок 2.3 Экспериментальные зависимости коэффициента собирания кремниевых солнечных элементов [3, 23].

Однако в такой структуре из-за возрастания удельного сопротивления и уменьшения толщины фронтального слоя увеличивается сопротивление растекания, что затрудняет реализацию этого подхода для создания солнечных элементов, предназначенных для преобразования концентрированного солнечного излучения.

Другой путь увеличения фоточувствительности солнечных элементов в коротковолновой области спектра состоит в увеличении встроенного электрического поля во фронтальном слое путем создания в лицевом слое градиента концентрации примеси или ступенчатого распределения примеси.

Спектр 3 на рис. 3.3 соответствует ступенчатому распределению примеси, полученному диффузией фосфора через пористый слой окисла [3].

При относительно большой глубине залегания p--n- перехода () ступенчатое распределение примеси обеспечивает получение высокого коэффициента собирания в коротковолновой области спектра при одновременном снижении сопротивления растекания фронтального слоя, что необходимо для эффективного преобразования концентрированного солнечного излучения.

1 -- обычный солнечный элемент с толщиной фронтального n-слоя и концентрацией доноров на поверхности ;

2 -- «фиолетовый» солнечный элемент с и;

3 -- солнечный элемент на основе структуры со ступенчатым распределением примеси во фронтальном слое.

Рассмотрим теперь особенности собирания носителей тока, генерированных в базовой области кремниевых солнечных элементов. В солнечных элементах на основе кремния снижение этих потерь достигается при использовании в базовой области кремния с повышенными значениями диффузионной длины и времени жизни неосновных носителей заряда (ННЗ) путем создания в базовой области тянущего электрического поля или создания изотипного барьера p--p+ на тыльной поверхности базы p-типа или барьера n--n+ в случае базы n-типа.

При неравномерном легировании базовой области (с плавным увеличением концентрации акцепторов от p--n-перехода к тыльной поверхности в базе p-типа) в ней возникает электрическое поле, приводящее к увеличению эффективной длины диффузионного смещения электронов и снижающее потери на объемную рекомбинацию генерированных светом носителей. Однако это приводит и к ряду негативных явлений: уменьшается напряжение холостого хода вследствие снижения потенциального барьера при уменьшении концентрации примеси вблизи p--n -перехода; уменьшаются значения времени жизни и диффузионной длины электронов в материале с большей концентрацией акцепторов. Поэтому более широкое распространение получили кремниевые солнечные элементы с резким изотипным p--p+ (n--n+) барьером вблизи тыльного металлического контакта. Наличие тыльного потенциального барьера обеспечивает отражение неосновных носителей от поверхности, снижая роль поверхностной рекомбинации и увеличивая эффективность собирания ННЗ, генерированных в базе фотонами с малой энергией. Дополнительно к этому в солнечный элемент с тыльным барьером увеличивается напряжение холостого хода, что обусловлено возрастанием фототока и уменьшением обратного тока насыщения вследствие снижения рекомбинационного тока на тыльной поверхности.

Создается изотопный тыльный барьер обычно дополнительной диффузией примеси, обеспечивающей подлегирование тыльной поверхности. Преимущества солнечного элемента с изотипным тыльным барьером проявляются в том случае, когда диффузионная длина неосновных носителей в базовом слое сравнима с толщиной базовой области. Поэтому в таких солнечных элементах в качестве исходного материала необходимо использовать кремний с высокими значениями L_pи неосновных носителей. В высокоэффективных кремниевых солнечных элементах, предназначенных для работы с концентрированным солнечным излучением, для снижения омических потерь в качестве материала базовой области обычно используют относительно низкоомный материал (), получаемый методом бестигельной зонной плавки, с высоким значением времени жизни () неосновных носителей заряда. При этом для повышения коэффициента собирания носителей из базовой области толщину кремниевой пластины уменьшают до 200--300 мкм, а для уменьшения оптических потерь и увеличения эффективного коэффициента поглощения излучения осуществляют текстурирование фронтальной поверхности.

С использованием рассмотренных выше способов снижения рекомбинационных потерь были изготовлены солнечные элементы [19--22], в которых достигнуты значения фототока 35--41 мА/см², близкие к предельным теоретическим значениям фототока для неконцентрированного солнечного излучения (, AM 1--1.5).

При повышении плотности лучистого потока возможно увеличение эффективного времени жизни и диффузионной длины ННЗ и как следствие этого суперлинейное увеличение фототока. В работе [20] экспериментально было показано, что за счет этого эффекта наблюдается суперлинейный рост фототока в интервале . Приэтом получено максимальное значение отношения при К_с=1000, где I_к и I_х -- фототок при концентрированном и неконцентрированном солнечном облучении соответственно.

Таким образом, данный эффект обеспечивает дополнительные возможности снижения рекомбинационных потерь и увеличения КПД при увеличении плотности светового потока.

2.2 Фотоэлектрические генераторы

Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии осуществляется в фотоэлементах или солнечных элементах - полупроводниковых приборах, в которых происходит пространственное разделение положительных и отрицательных носителей заряда при поглощении полупроводником солнечного электромагнитного излучения.

Основная область применения фотоэлементов в настоящее время - искусственные спутники Земли, удалённые станции связи, морские маяки и др. Предполагается в будущем использование их в сельской местности в развивающихся странах с жарким климатом.

Фотоэлементы всё ещё остаются дорогими преобразователями. Стоимость фотоэлемента - порядка 4 долларов за 1 Вт максимальной установленной мощности, стоимость вспомогательного оборудования- 2 доллара за 1 Вт. Долговечность - 20 лет. При этих условиях стоимость выработанной энергии составляет 0,16 доллара за 1 кВт*час (при облучённости местности 5,5 кВт*ч/мІ в день или приблизительно 0,5 кВт/мІ).

Устройство и принцип действия фотоэлемента рассмотрим на примере самого распространённого в настоящее время фотоэлемента на основе кремния. Кремниевые фотоэлементы изготавливают путём диффузии фосфора из газовой среды в монокристалл кремния p-типа, получая тонкий слой с n-проводимостью.

Кристалл кремния толщиной 300-400 мкм с примесью бора, обладающий р - проводимостью с одной стороны подвергают химическому травлению, при котором формируется тонкий слой материала с проводимостью n-типа путем диффузии доноров (фосфора) в поверхностный слой. Кристалл для этого нагревается в вакуумной камере до 1000єС в атмосфере азота с добавкой хлористо-кислого фосфора.

Электрические контакты изготавливаются методом фотолитографии. Вначале для создания низкоомного контакта с кремнием испаряют и наносят титан 3, затем тонкий слой палладия 4, чтобы предупредить химическое взаимодействие титана с серебром, затем осаждают слой серебра 5 для получения токопроводящей сетки.

Последними в процессе вакуумного испарения наносят противоотражательные слои - алюминиевое напыление. На него наносится электрический металлический контакт 6.

Рисунок 2.4 Фотоэлемент. Принцип действия полупроводникового фотоэлемента.

Итак, в кристалле полупроводника созданы 2 области - с n-проводимостью (электронная проводимость) и p-проводимостью (дырочная проводимость), рис.2.4.1. В p-области концентрация основных носителей тока, дырок, значительно превышает концентрацию неосновных носителей, электронов, а в n-области - наоборот. По обе стороны от границы раздела областей возникают неравные концентрации электронов и дырок. Это вызывает их диффузионное движение в сторону меньшей концентрации. Электроны, переходя в p-область, оставляют за собой положительно заряженные ионы, которые не могут принять участие в проводимости, так как жёстко связаны с кристаллической решёткой. Дырки, переходя в n- область, оставляют отрицательно заряженные ионы, которые также связаны с решёткой.

Электрическая нейтральность полупроводника нарушается. Между областями р-n возникает контактная разность потенциалов (запирающий слой) и электрическое поле, препятствующее диффузии электронов и дырок. Запирающий слой обеднён носителями и имеет пониженную электропроводность. Электрическое поле контакта препятствует диффузионному движению основных носителей, ускоряет движение неосновных носителей: дырок в n-области и электронов в p-области. Неосновные носители легко перемещаются через границу контакта, создавая дрейфовый ток, который по направлению противоположен диффузионному току основных носителей. По мере установления равновесия при контакте диффузионный ток уменьшается, а дрейфовый ток растёт, пока оба не уравновесятся.

При облучении фотоэлемента световым потоком или при его нагревании в материале появляются дополнительные свободные носители. Под действием электрического поля p-n перехода они перемещаются через переход. Если замкнуть цепь, то по ней потечёт ток, пропорциональный световому потоку. Таким образом фотоэлемент сам является источником Э.Д.С.

Внутреннее поле кремниевого фотоэлемента создаёт разность потенциалов 0,5 В и допускает плотность тока до 200 А/мІ при солнечном излучении 1кВт/мІ.

Таблица 1 Вольтамперная характеристика фотоэлемента

G, кВт/мІ	U, В	I, А/мІ
1,0	0,5	200
0,8	0,5	160
0,6	0,5	120
0,4	0,5	80
0,2	0,5	40

К.П.Д. фотоэлемента равен 1020%. Фотоэлементы соединяют последовательно, образуя модули, модули соединяются параллельно, образуя батареи. Обычно модуль состоит из 30-35 фотоэлементов. Такое соединение имеет недостатки. При выходе из строя одного из элементов или неравномерном освещении его, он переходит в режим диода с прямым или обратным смещением и может перегреться. Для предотвращения лавинного пробоя параллельно фотоэлементам устанавливают шунтирующие диоды. Фотоэлементы располагают в инертном наполнителе под прозрачной, герметичной, водонепроницаемой крышкой. Основные технические требования к фотоэлементам:

- Исходный материал должен быть химически чистым с устойчивыми свойствами.

- Фотоэлементы должны серийно выпускаться и иметь минимальную стоимость.

- Срок службы должен быть не менее 20 лет в условиях воздействия окружающей среды при температурах от -30 до +200єС. Электрические контакты должны быть стабильными и защищёнными от коррозии, влаги.

- Разрушение одного элемента не должно приводить к выходу из строя всей системы (параллельное, последовательное соединение, шунтирующие диоды).

- Сборные модули должны быть транспортабельны.

Фотоэлементы могут быть получены при контакте металла с полупроводником. Для этого металл осаждается в виде тонкой плёнки на основной материал и образуется р-n переход. Недостаток такой конструкции хорошее отражение от металлической поверхности и большие рекомбинационные потери в зоне перехода. При изготовлении такого фотоэлемента образуется тонкий слой окисла между металлом и полупроводником, который является изолятором. Так могут быть получены фотоэлементы с хорошими свойствами (металл-оксид-полупроводник или металл-диэлектрик-полупроводник). В качестве лицевой поверхности фотоэлемента может быть использован жидкий электролит. Это обеспечивает хороший электрический контакт, но отличается сложностью изготовления, низким К.П.Д. и быстрым загрязнением.

Некоторые органические материалы на основе углерода могут обладать полупроводниковыми свойствами. Сравнительная дешевизна материалов делает создание таких фотоэлементов перспективным, но на сегодняшний день их К.П.Д. очень низок (около 1 %).

Кроме кремния для производства фотоэлементов применяются арсенид галлия (GaAs) и сульфид кадмия (СdS). Фотоэлементы на основе арсенида галлия создают максимальную Э.Д.С. р-n перехода около 0,9 В при К.П.Д. до 12 %.

Фотоэлементы на основе сульфида кадмия могут быть изготовлены вакуумным напылением тонких плёнок соединений меди. P-n переход легко разрушается из-за диффузии ионов меди. Для этих фотоэлементов Э.Д.С. равна 0,5 В, а К.П.Д. до 10 %.

Существуют конструкции вертикальных многопереходных элементов с последовательным или параллельным соединением переходов. В столбик последовательно или параллельно соединяют до 100 сходных переходов. Свет проникает через боковые поверхности переходов. Э.Д.С. на выходе представляет собой сумму Э.Д.С. отдельных элементов.

Широко используемые кремниевые элементы дороги из-за сложной технологии выращивания кристаллов, последующей их резки и обработки. Поэтому представляет интерес технология получения тонких плёнок кремния путём напыления парообразного кремния при температуре 2620єС.

Лицевая поверхность фотоэлемента выполняется, так чтобы отражённое от поверхности излучение возвращалось к ней обратно (текстурированные поверхности).

Для более эффективного использования дорогого активного материала фотоэлементов применяет концентраторы, рис. 2.4. Увеличение радиационного потока улучшает характеристики фотоэлемента, если температура поддерживается близкой к температуре окружающего воздуха (система охлаждения). Концентрация солнечного потока осуществляется с помощью линейных параболических отражателей, а также линз, зеркал, призм.

Рисунок 2.4 Текстурированная поверхность фотоэлемента (увеличено).

Рисунок 2.5 Электрическая схема зарядного устройства с использованием фотоэлектрического преобразователя (к примеру 1).

Для получения коэффициента концентрации менее 5 используют не следящие за Солнцем системы, которые используют энергию как прямого, так и рассеянного излучения.

Из других преобразователей солнечной энергии в электрическую энергию можно назвать:

- Термоэлектрические устройства типа термопары, в которых Э.Д.С. возникает в цепи, состоящей из разнородных проводников, контакты между которыми имеют разную температуру,

- Термоэлектрические генераторы при нагревании полупроводниковых переходов и др.

Энергетическая эффективность таких систем - невелика.

Крупнейшие солнечные электростанции.

Кремер-Джанкшен-США-60.000кВт-2007г. - коллекторный приёмник. Деггет-США-45.000кВт-2005г. - коллекторный приёмник. Борреро-Спрингс-США-15.000кВт-2005г. - фотогальванические преобразователи. Солар-1-США-12.500кВт-2002г. - башенный преобразователь. Корриза-Плейн-США-6.500кВт-2004г. - фотогальванические преобразователи. Бет-Ха-аравах-Израиль-5.000кВт-1984г. - прудный приёмник. Крымская-Украина-5.000кВт-1986г. - башенный приёмник.

3. Определение коэффициента полезного действия и метрологических характеристик солнечных элементов, и батарей

Хорошо известно, что для определения коэффициента полезного действия солнечных элементов и батарей необходимо (так же как в случае любых других преобразователей излучения) знать количество энергии излучения, поступившей на солнечный элемент, и количество электроэнергии, выработанной им. Проблема, однако, осложняется несколькими обстоятельствами:

- Энергия поступает к элементу в форме солнечного излучения, спектральный состав и мощность которого продолжают уточняться даже для внеатмосферных условий, а характеристики наземного солнечного излучения чрезвычайно сильно зависят от состояния атмосферы и часто изменяются в течение весьма непродолжительных периодов времени;

- Создание имитаторов Солнца, копирующих по всем основным параметрам внеатмосферное или выбранное в качестве стандарта наземное солнечное излучение, представляет собой сложную научно- техническую задачу;

- При разработке стабильных эталонных солнечных элементов для настройки имитаторов Солнца, следует учитывать особенности оптических и электрических свойств каждого типа элементов, в частности их спектральной-чувствительности; при измерении выходных электрических параметров элементов и батарей необходимо иметь в виду сильное влияние последовательного сопротивления элементов и сопротивления измерительных приборов на получаемые значения.

Таким образом, определение КПД солнечных элементов и батарей представляет собой сложную комплексную проблему, и это выделило метрологию полупроводниковых преобразователей энергии излучения в самостоятельный раздел исследований по фотоэлектричеству.

Метрологические задачи и вопросы точного определения КПД солнечных элементов, с одной стороны, и изучение их оптических характеристик -- с другой, тесно связаны между собой. Общность используемых спектральных и интегральных оптических приборов и методов, решающее влияние свойств поверхности солнечных элементов на их КПД, необходимость точно имитировать спектр солнечного излучения при измерении как КПД, так и оптических параметров элементов, высокие требования, предъявляемые в обоих случаях к оптическим покрытиям на рабочих поверхностях преобразователей солнечной энергии и элементов имитаторов солнечного излучения,-- все это объединяет две большие и важные области современной гелиоэнергетики.

Разработке и стандартизации точных методов измерения характеристик солнечных элементов, и батарей уделяется большое внимание во всех странах, занимающихся использованием и преобразованием солнечного излучения в другие формы энергии. Повышение интереса к работам в этой области вызвано значительными достижениями на пути усовершенствования кремниевых элементов [2, 5, 13, 17--22], а также элементов с гетеропереходами на основе арсенида галлия [1, 19, 15--17, 16--18], что позволяет уже сейчас широко использовать солнечные батареи не только в космических, но и в наземных условиях, и закладывает основу для создания фотоэлектрических станции значительной мощности [1--3]. Проблемы, связанные с обеспечением стабильности параметров современных солнечных элементов и батарей при длительной эксплуатации, можно считать в основном решенными [13, 12, 18, 13, 11, 17].

...