Использование альтернативных источников энергии
|
Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением
постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной
характеристики (ВАХ) (рис. 4):
U = (kT/q)ln((Iph-I)Is/+1)
где Is– ток насыщения, а Iph – фототок.
ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис. 5), включающая источник
тока Iph=SqN0Q, где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q –
безразмерный множитель (<1), показывающий, какая доля всех созданных светом
электронно-дырочных пар (SN0) собирается p-n-переходом. Параллельно
источнику тока включен p-n-переход, ток через который равен Is[eqU/kT–1]. p-
n-Переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него
быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток I.
| |
|Рис.4. Вольт-амперная характеристика солнечного |
|элемента |
Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного
спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iph. Максимальная
мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме,
отмеченном точкой а (см. рис. 4).
|[pic] |
|Рис.5. Эквивалентная схема солнечного |
|элемента |
Максимальная мощность, снимаемая с 1 см2, равна
P = Iph*U = x*Iкз*Uхх ,
где x – коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт-амперной
характеристики, Iкз – ток короткого замыкания, Uхх – напряжение холостого
хода.
Проблемы нахождения и использования конструкций и материалов для солнечных
элементов
Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда
условий:
. оптический коэффициент поглощения (a) активного слоя полупроводника
должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение
существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;
. генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно
собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;
. солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в
полупроводниковом переходе;
. полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом
(исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы
уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;
. структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной
области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние
шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.
Производство структур на основе монокристаллического кремния,
удовлетворяющих данным требованиям, – процесс технологически сложный и
дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как
сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и
поликристаллические полупроводники.
Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой 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 толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих
кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям
получения тонких пленок аморфного кремния большой 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 максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si: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 %.
Наиболее простые конструкции СЭ из а-Si:Н были созданы на основе структуры
металл – полупроводник (диод Шотки) (рис. 6). Несмотря на видимую простоту,
их реализация достаточно проблематична – металлический электрод должен быть
прозрачным и равномерным по толщине, а все состояния на границе металл/а-
Si:Н – стабильными во времени. чаще всего солнечные элементы на основе а-
Si:Н формируют на ленте из нержавеющей стали или на стеклянных подложках,
покрытых проводящим слоем.
|[pic] |
|Рис.6. Конструкция фотоэлемента с барьером |
|Шотки |
При использовании стеклянных подложек на них наносят прозрачную для света
проводящую оксидную пленку (ТСО) из SnO2, In2O3 или SnO2+In2O3 (ITO), что
позволяет освещать элемент через стекло. Поскольку у нелегированного слоя
электронная проводимость выражена слабо, барьер Шотки создается за счет
осаждения металлических пленок с высокой работой выхода (Pt, Rh, Pd),
которая обуславливает образование области положительного объемного заряда
(обедненного слоя) в а-Si:Н.
При нанесении аморфного кремния на металлическую подложку образуется
нежелательный потенциальный барьер а-Si:Н/металлическая подложка, высоту
которого необходимо уменьшать. Для этого используют подложки из металлов с
малой работой выхода (Mo, Ni, Nb). Перед нанесением аморфного кремния
желательно осадить на металлической подложке тонкий слой (10–30 нм) а-Si:Н,
легированный фосфором. Не рекомендуется использовать в качестве материалов
электродов легко диффундирующие в аморфный кремний металлы (например, Au и
Al), а также Cu и Ag, поскольку а-Si:Н обладает плохой адгезией к ним.
Отметим, что Uxx солнечных элементов с барьером Шотки на основе а-Si:Н
обычно не превышает 0,6 В.
Более высокой эффективностью обладают СЭ на основе аморфного кремния с p-i-
n-структурой (рис.7). В этом “заслуга” широкой нелегированной i-области a-
Si:H, поглощающей существенную долю света. Но возникает проблема –
диффузионная длина дырок в a-Si:H очень мала (~100 нм), поэтому в солнечных
элементах на основе a-Si:H носители заряда достигают электродов в основном
только благодаря внутреннему электрическому полю, т.е. за счет дрейфа
носителей заряда. В СЭ на основе кристаллических полупроводников носители
заряда, имея большую диффузионную длину (100 – 200 мкм), достигают
электродов и в отсутствие электрического поля. Поскольку в простом p-n-
переходе в a-Si:H область сильного электрического поля очень узка и
диффузионная длина носителей заряда мала, в большей части СЭ не происходит
эффективного разделения носителей заряда, генерируемых при поглощении
света. Следовательно, для получения эффективных СЭ на основе p-i-n-сруктуры
аморфного гидрогенизированного кремния необходимо добиться во всей i-
области однородного мощного внутреннего электрического поля, достаточного
для достижения длины дрейфа носителей, соизмеримого с размерами области
поглощения (см. рис. 7).
|[pic] |
|Рис.7. Энергетическая зонная диаграмма p-i-n-структуры (а) и расчетное |
|распределение электрического поля (б) |
| |
|Рис.8. р-i-n-Структура на стеклянной (а) и стальной (б)|
|подложке |
Данная задача решается, если при изготовлении p-i-n-структуры первым
формировать p-слой (рис.8). Для его создания необходимо небольшое
количество бора (<1018 см3), а значит, существенного загрязнения
нелегированного слоя не происходит.
В то же время, если первым осаждать n-слой, то наличие остаточного фосфора
изменяет свойства i-слоя. Формирование p-слоя на поверхности прозрачного
проводящего электрода обеспечивает с ним хороший электрический контакт.
Однако толщина p-слоя должна быть мала (10 нм), чтобы основная часть света
поглощалась в i-области.
Используется и другая p-i-n-структура СЭ на основе a-Si:H с подложкой из
металлической фольги, в частности из нержавеющей стали. Свет попадает со
стороны прозрачного электрода, контактирующего с n-областью. В результате
возрастает плотность тока короткого замыкания благодаря отражающей
способности металлической подложки и меньшему оптическому поглощению света
легированными фосфором пленками a-Si:H (n-область) по сравнению с
легированными бором р-слоями.
[pic]
|Рис.9. Солнечная батарея с поперечным |
|переходом |
Проблема с применением рассмотренных p-i-n-элементов в том, что их можно
оптимизировать только в одном измерении. Значительно больше возможностей в
этом плане предоставляет СЭ с поперечным переходом [4]: на изолирующей
подложке перпендикулярно к поверхности формируется p-i-n-структура a-Si:H
(рис. 9). Такой СЭ не требует прозрачного проводящего оксида в качестве
контакта и широкозонного p-слоя для создания прозрачного оконного слоя, его
можно изготовить посредством стандартных технологий микроэлектроники.
Один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных
солнечных батарей — арсенид галлия. Это объясняется таким его
особенностями, как:
. почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина
запрещенной зоны 1,43 эВ;
. повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется
слой толщиной всего в несколько микрон;
. высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью
делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в
космических аппаратах;
. относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;
. характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием
дополняют характеристи
| |  скачать работу |
Использование альтернативных источников энергии |
