Размещено на http://www.allbest.ru/

Фотоэлектрический метод

Введение

Уровень развития материальной культуры человеческого общества в первую очередь определяется созданием и использованием источников энергии. Применение пара, а в последние 100 лет электричества, совершило техническую революцию в промышленности и оказало решающее влияние на развитие социальных отношений.

В настоящее время в наиболее развитых странах на одного человека приходится 20 кВт всех видов энергии. Это примерно в 200 раз больше, чем мускульная мощность человека, которая еще 200 лет назад была основной в промышленности и сельском хозяйстве. С полным основанием можно считать, что сегодня технический и культурный уровень развития государства определяется количеством электроэнергии, вырабатываемой на душу населения.

Почти вся электрическая энергия (на долю химических источников приходится незначительная часть) вырабатывается электрическими машинами. Первые городские электростанции появились в самом конце XIX века. В настоящее время мощность электростанция на Земле равна, примерно, 4000 млн. кВт. Выработка электроэнергии достигла 25000 млрд. кВт·ч в год.

В нашей стране за последние 80 лет выработка электроэнергии увеличилась более чем в 1000 раз. Особенно быстро она росла в 1950-80 годах. После Великой Отечественной войны энергетика развивалась особенно быстрыми темпами. Были построены каскады гидростанций на Волге и Днепре, мощные тепловые электростанции и атомные станции.

В настоящее время перед электромеханиками стоят трудные и в то же время интересные проблемы, которые требуют глубокого знания теории, проектирования и технологии изготовления электрических машин.

К основной проблеме в области электромеханики следует отнести создание электрических машин, использующих новые нетрадиционные источники энергии. Сейчас около 80% электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях за счет сжигания органического топлива. Запасы нефти, газа и угля ограничены, и необходимо значительно уменьшить долю органического топлива в топливном балансе страны. К тому же, выработка электроэнергии традиционными способами путем сжигания топлива на тепловых и атомных электростанциях сопровождается химическими и радиационными загрязнением окружающей среды. При этом возникает также проблема "теплового загрязнения" Земли, поскольку сегодня бесспорным является заключение о том, что для предотвращения необратимых изменений климата планеты суммарная выработка энергии не должна превышать примерно 1% от всей энергии, приходящей на Землю от Солнца.

Возможности наращивания энергетического потенциала за счет строительства гидроэлектростанций ограничены гидроресурсами, а также необходимостью отчуждения под водохранилища значительных площадей. Решением проблемы управляемого термоядерного синтеза откроет человечеству доступ к неограниченному источнику энергии, однако по прежнему остается актуальной проблема загрязнения биосферы Земли. Эта причина и вынуждает активно разрабатывать нетрадиционные способы получения электроэнергии, и в первую очередь - преобразование энергии Солнца, которая является возобновимой, в отличии от энергии сжигаемого топлива.

Спектр излучения Солнца близок к спектру абсолютно черного тела, нагретого до температуры около 5800 К, что намного превышает температуру окружающей среды, при которой это излучение используется (около 300 К). Это означает, что предельный термодинамический КПД преобразователя солнечного излучения может быть близок к 100%.

Метод преобразования солнечной энергии в электрическую используется для питания магистральных систем электроснабжения и различного оборудования на космических летательных аппаратах (КЛА). Они предназначены также для подзарядки бортовых химических аккумуляторных батарей (АБ). Кроме того, ФЭП находят применение на наземных стационарных и передвижных объектах. С помощью ФЭП, размещенных на верхней поверхности крыльев, осуществлено питание приводного электродвигателя винта одноместного экспериментального самолета, совершившего перелет через пролив Ла-Манш. В настоящее время предпочтительная область применения ФЭП - искусственные спутники Земли, орбитальные космические станции, межпланетные зонды и другие КЛА. энергетический гидроэлектростанция магистральный

Впервые на перспективы использования фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии в крупномасштабной энергетике обратили внимание еще в 30х годах.

Очевидным недостатком солнечного излучения как источника энергии является неравномерность его поступления на Землю, определяемая суточной и сезонной цикличностью, а так же погодными условиями. Радикальным способом избавления от неравномерности выработки электроэнергии на солнечных энергоустановках является размещение солнечных фотоэлектрических установок в околоземном космическом пространстве, где они практически все время будет освещены Солнцем и смогут вырабатывать много больше электроэнергии, чем на Земле, даже в самых благоприятных условиях.

К достоинствам ФЭП можно отнести большой срок службы, достаточная аппаратурная надежность, отсутствие расхода активного вещества или топлива.

К недостаткам ФЭП относятся необходимость устройств для ориентации на Солнце; сложность механизмов, разворачивающих панели ФЭП после вывода КЛА на орбиту; неработоспособность в отсутствие освещения; относительно большие площади облучаемых поверхностей.

Для ФЭП характерны удельная масса 20-60 кг/кВт (без учета механизмов разворота и автоматов слежения) и удельная мощность P=0.1ч 0.3 кВт/м 2. КПД преобразователей солнечной энергии в электроэнергию для обычных кремниевых ФЭ равен з ? 0.1 ч 0.2. В каскадных ФЭП с прозрачными монокристаллами элементов з ? 0.3 при двухслойном и з ? 0.35 ч 0.4 при трехслойном исполнении. Для перспективных АЭУ, сочетающих солнечные концентраторы (параболические зеркала) и ФЭП на основе гетероструктуры двух различных полупроводников - арсенидов галлия и алюминия, также можно ожидать з ? 0.3 ч 0.4. В настоящее время достигнуто значение КПД з=0.5.

Необходимые электрические параметры источника питания на базе ФЭП (мощность, напряжение, ток) достигаются последовательно-параллельным включением ФЭ согласно матричному принципу. Например, для мощности 5 кВт требуется порядка 105 ФЭ общей площадью около 20 м 2.

Устройство и принцип действия полупроводникового фотоэлемента. Физический эффект работы.

Работы ФЭ основана на внутреннем фотоэлектрическом эффекте в полупроводниках. Схема устройства кремниевого ФЭ показана на рис. 1. Технологическими методами электроосаждения или напыления металлический (никелевый) слой (электрод 1) нанесен на тыльную сторону кристаллической кремниевой основы. Она легирована путем диффузии либо способом ионной бомбардировки в своей нижней части примесными (акцепторными) атомами бора (или алюминия), а в верхней, более тонкой части - донорными атомами фосфора (или мышьяка). В результате легирования образованы слой 2 - полупроводник p-типа с основными носителями зарядов положительного знака (дырками) и слой 3 - полупроводник n-типа с основными носителями зарядов отрицательного знака (свободными электронами). На лицевую сторону кристалла нанесен узкий электрод 4. Припаянные к 1 и 4 отводящие проводники 5 служат для подключения сопротивления нагрузки 6 или других ФЭ.

Внешние радиационные (световые, тепловые) воздействия обусловливают в слоях 2 и 3 появление неосновных носителей зарядов, знаки которых противоположны знакам основных носителей в p- и n-областях. Под влиянием электростатического притяжение разноименные свободные основные носители диффундируют через границу соприкосновения областей и образуют вблизи нее p-n гетеропереход с напряженностью электрического поля Ек (рис. 1), контактной разностью потенциалов Uк=sEк и потенциальным энергетическим барьером Wк=eUк для основных носителей, имеющих заряд е. Напряженность поля Ек препятствует их диффузии за пределы пограничного слоя шириной s.

Напряжение

Uк=(kT/e)ln(pp/pn)=(kT/e)ln(nn/np)

зависит от температуры Т, концентрации дырок (pp, pn) или электронов (nn, np) в p- и n-областях (индексы р, n), заряда электрона е и постоянной Больцмана k. Для неосновных носителей Ек - движущее поле. Оно обусловливает перемещение дрейфующих электронов из области р в область n, а дырок - из области n в область р. Область n приобретает отрицательный заряд, а область р - положительный, что эквивалентно приложению к p-n переходу внешнего электрического поля с напряженностью Евш, встречного с Ек. Поле с напряженностью Евш -запирающее для неосновных и движущее для основных носителей. Динамическое равновесие потока носителей через p-n переход приводит к установлению на электродах 1 и 4 разности потенциалов U0 - ЭДС холостого хода ФЭ.

Эти явления могут происходить радже при отсутствии освещения p-n перехода. Пусть ФЭ облучается потоком световых квантов (фотонов), которые сталкиваются со связанными (валентными) электронами кристалла с энергетическими уровнями W. Если энергия фотона Wф=hн (н - частота волны света, h - постоянная Планка) больше W, электрон покидает уровень и порождает здесь дырку; p-n переход разделяет пары электрон - дырка, и ЭДС U0 увеличивается. Если подключить сопротивления нагрузки Rн, по цепи пойдет ток I, направление которого встречно движению электронов. Перемещение дырок ограничено пределами полупроводников, во внешней цепи их нет. Ток I возрастает с повышением интенсивности светового потока Ф, но не превосходит предельного тока Iп ФЭ, который получается при переводе всех валентных электронов в свободное состояние: дальнейший рост числа неосновных носителей невозможен. В режиме КЗ (Rн=0, Uн=IRн=0) напряженность поля Евш=0, p-n переход (напряженность поля Ек) наиболее интенсивно разделяет пары неосновных носителей и получается наибольший ток фотоэлемента Iф для заданного Ф. Но в режиме КЗ, как и при холостом ходе (I=0), полезная мощность P=UнI=0, а для 0<Uн<U0 и 0<I<Iф будет P>0.

Типовая внешняя характеристика кремниевого ФЭ для T=300 K, Ф=1 кВт/м 2 и Rвq=4 Ом·см 2 (Rв - внутреннее сопротивление, обусловленное материалом ФЭ, электродами и контактами отводов; q - площадь ФЭ) представлена на рис. 2. Известно, что в заатмосферных условиях Ф=1.39 кВт/м 2, а на уровне Земли (моря) при расположении Солнца в зените и поглощении энергии света водяными парами с относительной влажность 50% либо при отклонении от зенита на 60є в отсутствие паров воды Ф=0.88ч0.89 кВт/м 2.

Рабочие характеристики и параметры.

Эксплуатационные характеристики ФЭ и их батарей - ФЭП - в неявном виде описывают функцией F(Uн, I, Ф, T)=0. Конкретизируем отдельные зависимости в явной форме. Если решить

I=Iи-I0[exp(бU/A-1]

относительно U, можно получить выражение внешней характеристики ФЭ по рис. 2. С учетом влияния Rв находим:

Uн=U-IRв=A/б*ln[(Iф-I)/I0+1]-IRв.

При холостом ходе I=0, кроме того, Iф/I0"1, поэтому ЭДС U0=U?(A/б)ln(Iф/I0) возрастает логарифмически с ростом тока Iф, который линейно зависит от Ф. Характеристика холостого хода U0=U0(Ф) при I=0, T=const представлена на рис. 3.плотность тока, доля Iф на единицу площади лицевой поверхности ФЭ). Нагрузочная характеристика Uн=Uн(Ф) при I=const также показана на рис. 3.

Характеристика "вход-выход" ФЭ I=I(Ф) при Rн=const имеет аналог (рис. 3)

Iуд=Iуд(Ф) при Rн=const(Iуд=I/q).

Зависимость Ф=Ф(I) при Uн=const, снимаемую для диапазона Iдоп<Iф (рис. 4), назовем регулировочной характеристикой. Варьирование Ф при солнечном освещении достигается изменением угла и между направлением Ф и плоскостью q.

Графики Uн=Uн(I) при различных значениях Т и Ф=const (рис 5) и Uн=Uн(Iуд) при различных значениях Ф и Т=const (рис. 6) демонстрируют влияние параметров Т и Ф на внешние характеристики кремниевого ФЭ. Фототок Iф мало зависит от Т, частичное снижение U обусловлено ростом неупорядоченности движения зарядов при увеличении Т. Ток насыщения I0 возрастает с повышением Т (тепловая радиация), поэтому U0 и U уменьшаются. Температурный коэффициент напряжения ku=dU/dT?-1.5·10-3 В/К отрицателен. Принципиально в ФЭП могут иметь место термоэлектрические эффекты, но количественно они пренебрежимо малы.

Полезная электрическая мощность ФЭ составляет

P=UнI=UI-I2Rв.

КПД преобразования световой мощности Pc в Р равен з=P/Pc=(UI-I2Rв)/qФ=UнI/qФ. Если Ф=const, максимум з=зm получается при наибольшей величине P=Pm=UmIm, измеряемой площадью 0UmmIm (см. рис. 7). Сопротивление Rнm=Um/Im определяет угол вm=arctg(RнmmI/mU) наклона ВАХ Uн=IRнm, причем mI, mU - масштабы I и U на осях рис. 7. Согласование характеристик ФЭ и нагрузки с целью получения наибольших энергетических показателей Pm и зm можно производить на основе опыта или расчетным путем.

Например, для ФЭ с током КЗ Iф=30мА, током насыщения I0=1.5мкА мощность составит Pm=UmIm=10.7мВт. Для Ф=103 Вт/м 2 и q=1 см 2=10-4 м 2 наибольший КПД зm=Pm/(qФ)=0.107, а наибольшая удельная мощность Pm=Pm/q=107 Вт/м 2. На КПД ФЭ и ФЭП существенно влияет спектральный состав света. Спектр света Солнца зависит и от температуры Т ФЭП. Всегда з<зТ (зТ=1-(T2/T1) - термический КПД цикла Карно). Примем температура наружной поверхности Солнца Тс?5800 К. Эквивалентная температура абсолютно черного излучателя, с рабочей частью солнечного излучения, составляет Тф?1000 К (предполагается, что вся остальная часть спектра абсолютно черного тела отражается обратно к излучателю). Следовательно, при Т 1=Тф и нормальной температуре ФЭП Т 2=Т=300 К зТ=1-(Т/ТФ)=0.7. Практически для ФЭП з<0.4. Известно также, что длительное радиационное облучение на КЛА приводит к старению материала ФЭ, возрастанию крутизны спада внешних характеристик и ухудшению КПД ФЭП.

Материалы.

Ниже представлен фрагмент периодической системы элементов Д.И. Менделеева, на основании которого можно понять образование наиболее важных полупроводниковых материалов, используемых для создания фотоэлементов. 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 вершинах воображаемого тетраэдра.

Связь между двумя ближайшими атомами обусловлена парой валентных электронов с противоположными спинами. Таким образом, каждый атом выделяет для образования связи по четыре валентных электрона и присоединяет четыре электрона от соседних атомов, образуя устойчивую восьмиэлектронную оболочку. Алмазоподобные решетки могут образовывать пары элементов, расположенные в таблице равноудалено слева и справа от IV группы. Получающиеся при этом кристаллические материалы также 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, называют соединениями типа A3B5. Отдельный класс полупроводниковых соединений составляют соединения типа A2B6 - сульфиды, селениды и теллуриды цинка и кадмия.

Основными материалами для создания ФЭ повышенной мощности являются Si и GaAs. Оптимальный диапазон степени концентрирования (KG) для солнечных элементов на основе гетероструктуры AlxGa1-xAs-GaAs приблизительно на порядок выше, чем для кремниевых ФЭ, 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 ФЭ, более 10 Вт.

Максимальное значение КПД, полученное в таких ФЭ, превышает 25% при KG=100-1000 при незначительном изменении КПД в интервале рабочих температур 20-100 єС.

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

ФЭ 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% при KG?100. Кроме монокристаллического Si, для создания ФЭ начинает широко использоваться поликристаллический и аморфный кремний, главных достоинством которого является меньшая стоимость. Однако эффективность таких ФЭ ниже, и поэтому они не получают широкого применения для преобразования излучения Солнца, т.к. основным требованием к таким ФЭ является обеспечение высокого КПД. По конструктивному исполнению мощные кремниевые ФЭ можно разделить на два основных типа: фотоэлементы с p-n переходом, расположенным параллельно облучаемой поверхности; многопереходные ФЭ с несколькими p-n переходами, расположенными перпендикулярно или параллельно облучаемой поверхности.

Первый тип - это "обычная" конструкция ФЭ, оптимизированная для преобразования концентрированного солнечного излучения.

Второй тип - "фотовольт" или "вертикальный" ФЭ - многопереходные солнечные элементы, разработанные специально для преобразования сильно концентрированного солнечного излучения, т.к. в этом типе ФЭ обеспечивается существенное снижение омических потерь.

Основными способами снижения омических потерь в кремниевых ФЭ являются использование густых контактных сеток и снижение последовательного сопротивления базовой области. Площадь таких ФЭ составляет обычно 1-4 см 2. Контактная сетка представляет собой систему радиальных полос с концентрическими кольцами и кольцевым токосборным контактом. Ширина полос 10-30 мкм, высота 2-10 мкм при расстоянии между полосами 200-300 мкм и степени затенения контактными полосами 5-10%.

AlAs является коррозийно-неусточивым материалом, однако при добавлении стабилизирующих компонентов, образующих с AlAs твердые растворы, значительно улучшается стабильность этих материалов во влажной среде. Таким стабилизирующим компонентом является галлий. Просветляющие покрытия в ФЭ на основе AlGaAs-структур выполняются либо анодным окислением поверхности слоя AlxGa1-xAs, либо напылением тонких пленок Si3N4, ZnS, Ta2O5 и др. При использовании просветляющих покрытий из Si3N4 потери на отражение составляют около 12%. Двухслойное просветляющее покрытие, состоящее из Ta2O5 и SiO2, позволяет снизить потери отражения до 4%.

Также с помощью применения каскадных ФЭ можно существенно увеличить КПД. Но увеличение удельного (на единицу веса и площади ФЭ) энергообъема может быть получено не только в каскадных ФЭ, но и в гетерофотопреобразователях с двухсторонней фоточувствительностью, работающих с V-образными концентраторами. В разработанных для этих целей структурах ФЭ p-n-p-типа фоточувствительные p-n-переходы создавались по обеим сторонам толстой (400 мкм) подложки. Суммарный энергосъем в таком трехэлектродном ФЭ при двухсторонней засветке составляет 48.5 мВт/см 2, т.е. почти в 2 раза выше, чем в аналогичном ФЭ с односторонней фоточувствительностью. Факторами, ограничивающими эффективность таких ФЭ, являются увеличение омических потерь на сопротивлении растекания в базе и возникновении оптических потерь на отражение от дополнительного контакта к базе. Эти потери могут быть устранены в ФЭ на основе структуры с тонким узкозонным слоем, заключенным между двумя широкозонными слоями и удаленной GaAs-подложкой. При толщине узкозонного слоя меньше длины диффузионного смещения двухсторонняя фоточувствительность реализуется в этом случае при наличии только одного p-n-перехода. Изотипные AlGaAs-GaAs-AlGaAs-гетероструктуры подобной геометрии получались ранее для высокоэффективного преобразования широкополосного излучения в люминесцентное. В ФЭ на основе аналогичных многопереходных p-n-гетероструктур возможно снижение рекомбинационных потерь за счет ограничения обалсти генерации носителей заряда потенциальными барьерами и возможности уменьшения толщины узкозонного слоя, поскольку полное поглощение света с hн>Eg обеспечивает в тонком слое за счет многократного прохождения лучей внутри кристалла. Дополнительную возможность увеличения КПД в такой структуре обеспечивает использование в области объемного заряда материала с шириной запрещенной зоны большей, чем в "поглощающей" узкозонной области, что позволяет увеличить значения Ux.x и F.

Необходимо отметить, что получение высокоэффективных фототпреобразователей солнечного излучения на основе AlGaAs-гетероструктур, позволило уже к настоящему времени разработать экономичные солнечные энергоустановки, предназначенные для обеспечения электроэнергией автономных потребителей, таких как космические летательные аппараты и беспилотные летательные аппараты. В этих электрогенераторах площадь фотоэлементов, а следовательно, и их суммарная стоимость снижены пропорционально степени концентрирования солнечного излучения, что открывает перспективы существенного снижения стоимости вырабатываемой электроэнергии. Промежуточное концентрирование солнечного излучения, а так же возможность использования гетероструктур толщиной менее 10 мкм сокращают на несколько порядков потребность в дефицитных материалах, что позволяет прогнозировать внедрение гетероструктуных ФЭ в крупномасштабную солнечную энергетику.

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.

ФЭП на инородных подложках

Весьма важными являются работы по получению соединений А 3B5 на инородных подложках, в первую очередь, по изготовлению GaAs ФЭП на германиевых подложках. Основными преимуществами замены GaAs-подложки на германиевую в ФЭП являются:

- снижение стоимости ФЭП за счет меньшей стоимости Ga при толщине слоев GaAs порядка 5 мкм;

- улучшение механической прочности ФЭП и, как следствие этого, возможность уменьшения толщины структур и увеличения удельного (на единицу веса) энергосъема в солнечных батареях;

- увеличение площади единичных ФЭП и увеличение производительности технологии за счет возможности использования Ge-подложек размером до 200см 2;

- возможность повышения КПД путем создания каскадных ФЭП с широкозонным эле-ментом в GaAs и узкозонным в Ge.

Тонкопленочные ФЭП

Большой коэффициент поглощения солнечного излучения в арсениде галлия позволяет сохранить высокий КПД при уменьшении толщины структуры ФЭП до величины менее 10 мкм, что обеспечивает снижение более чем на порядок расхода арсенида галлия и, как следствие этого, снижение в 2-3 раза веса солнечных батарей. В таких тонкопленочных ФЭП с толщиной активной области порядка 5 мкм возможно достижение высокой двусторонней чувствительности и повышение на 20-25% энергосъема в космосе за счет использования альбедо Земли.

Радиационная стойкость

Гетероструктурные ФЭП наряду с повышением эффективности обеспечивают также улучшение радиационной стойкости, что приблизительно в 2 раза увеличивает ресурс работы космических СБ.

Как показали многолетние исследования по деградации космических СБ под действием радиационного облучения, степень деградации существенно зависит от параметров орбиты космического аппарата (КА). Для низкоорбитальных КА (770 км) деградация СБ на основе кремния и гетероструктур GaAs-GaAlAs составляет соответственно 15% и 5% в течение 5 лет пребывания КА на орбите. Для КА на геостационарных орбитах деградация составляет 31% (Si) и 16% (GaAs) в течение 15 лет пребывания на орбите. Для радиационно-опасных орбит (7400 км при угле наклона 50°), деградация оставляет 49% (Si) и 22% (GaAs) в течение 5 лет пребывания на орбите. Поэтому применение для энергоснабжения КА батарей на основе GaAs гетероструктур дает значительный экономический эффект по сравнению с СБ на основе кремния, несмотря на более высокую стоимость таких СБ.

Чрезвычайно важным преимуществом GaAs гетероструктурных ФЭП является их способность эффективно преобразовывать 100-1000-кратно концентрированное солнечное излучение. Это позволяет снизить расход GaAs полупроводниковых материалов пропорционально степени концентрирования и, следовательно, существенно снизить стоимость "солнечной" электроэнергии. Дополнительными преимуществами при переходе к концентраторным СБ в космосе являются:

· возможность организации защиты фотопреобразователя элементами конструкции концентрирующей системы от ионизирующих излучений;

· возможность выбора теплового режима ФЭП, обеспечивающего термический отжиг радиационных дефектов;

· улучшение радиационной стойкости ФЭП, работающих при повышенной плотности фототока, за счет фотонного и инжекционного "отжига" радиационных дефектов.

В каскадных ФЭП может быть достигнуто существенное увеличение КПД до 25-27% (АМО, 1 солнце) и до значений порядка 30-35% при концентрированном облучении. При этом наиболее перспективными являются следующие комбинации:

· арсенид галлия в качестве материала узкозонного элемента и твердые растворы AlgGaAs или GаInР в качестве материала широкознного элемента (двухкаскадные элементы);

· германий в качестве узкозонного элемента, GaAs и Ga InAs в качестве материалов второго и третьего каскадов (трехкаскадные элементы).

Указанные комбинации материалов необходимой толщины в монолитной гетероструктуре могут быть выращены в настоящее время только методом газофазной эпитаксии из металло-органических и гидридных соединений (метод фотопреобразователей на основе материалов с малой шириной запрещенной зоны Е =0.6-0.75 эВ) и созданию эффективных излучателей с рабочей температурой 1000-1500°С. Наиболее перспективными для этой цели являются гетероструктуры на основе антимонида галлия (Е =0.7эВ), твердых растворов галлий-индий-сурьма-мышьяк (Е =0.5-0.6 эВ) и галлий-индий-мышьяк (Е =0.75 эВ). ФЭП на основе данных материалов обеспечивают эффективность термофотоэлектрического преобразования, превышающую 20% при температурах излучателя 1300-1500°С.

За последние годы в ФТИ им. А.Ф. Иоффе созданы AlGaAs/GaAs солнечные элементы, в которых благодаря улучшенной фоточувствительности в "фиолетовой" области спектра достигнуты значения КПД 23-25% (АМО, Кд=20-100 "солнц"), близкие к теоретическому пределу для ФЭП с одним р-п переходом. Добавление к этим ФЭП узкозонных материалов на основе InP/InGaAs и AlGaSb/GaSb гетероструктур позволило создать механически стыкованные каскадные ФЭП с КПД до 28% при 20-100 "солнцах".

Были разработаны ФЭП в системе GaAs/AlGaAs со встроенным Брэгговским зеркалом, которое используется как оптический отражатель излучения длинноволновой области спектра и как встроенный потенциальный барьер. На основе структур с Брэгговским зекралом и тонким базовым слоем n-GaAs были изготовлены солнечные элементы для преобразования концентрированного солнечного излучения с эффективностью 23.4% (АМО) и 27.2% (AM 1.5). Наличие Брэгговского отражателя в структуре обеспечило значительное увеличение радиационной стойкости ФЭП. Часть длинноволнового излучения, оптически отражаясь от Брэгговского зеркала, поглощается вблизи области объемного заряда р-п перехода. Поэтому большинство носителей заряда генерируется при поглощении длинноволновых фотонов вблизи области объемного заряда и разделяется полем р-п перехода. Снижение диффузионной длины в слое n-GaAs при облучении высокоэнергетическими частицами компенсируется за счет поглощения переотраженной части длинноволнового света вблизи области р-п перехода. В структурах ФЭП с Брэгговским зеркалом деградация тока короткого замыкания при облучении быстрыми электронами приблизительно в 1.5 раза меньше, чем в обычных структурах ФЭП. Методом МОС-гидридной эпитаксии в ФТИ были созданы ФЭП с Брегговским зеркалом, имеющие не только высокую эффективность, но и повышенную радиационную стойкость, что позволит создавать на их основе космические СБ с повышенным ресурсом работы.

Список использованных источников

1. "Электрические машины", Копылов И.П., 2002г.

2. "Специальные электрические машины. Источники и преобразователи энергии", под ред. Алиевского Б.Л., 1993г.

3. "Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения", Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д., 1999г.

4. "Адаптивные фотоэлектрические преобразователи с микропроцессорами", Пустынский И.Н., Титов В.С., Ширабакина Т.А., 1990г.

5. "Справочник по физике для инженеров и студентов вузов", Яворский Б.М., Детлаф А.А., 1979г.

Размещено на Allbest.ru