Использование альтернативных источников энергии
ки GaAs, что расширяет возможности при
проектировании СЭ
Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе —широкий
диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может
состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику
с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых
СЭ ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный СЭ на основе GaAs
состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.
Основной 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.
Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной
энергетики.
|[pic] |
|Рис.10. Структура солнечного элемента на основе|
|CdTe |
чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у
диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне
этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ) [2,5]. Наиболее
распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на
основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в
сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает
ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и,
следовательно, повышению эффективности устройства. Один из основных
способов получения CuInSe2 — электрохимическое осаждение из растворов
CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов
Cu:In:Se как 1:5:3 и pH »1,2–2,0.
Еще один перспективный материал для фотовольтаики — теллурид кадмия (CdTe).
У него почти идеальная ширина запрещенной 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
свойствами.
Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с
CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как позрачный
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 (рис.
10).
Наиболее ответственный этап формирования СЭ на основе CdS/CdTe – осаждение
поглощающего слоя CdTe толщиной 1,5–6 мкм. Для этого используют различные
способы: сублимацию/конденсацию, электрохимическое осаждение, трафаретную
печать, химическое осаждение из газовой фазы и распыление. Пленки CdTe,
полученные данными методами, обладают высокой подвижностью носителей
заряда, а СЭ на их основе – высокими значениями КПД, от 10 до 16%.
CuGaSe2 также весьма интересен как тонкопленочный элемент солнечных
батарей. Благодаря запрещенной зоне шириной 1,68 эВ он используется как
верхний элемент тандемной солнечной батареи с нижним элементом из CuInSe2.
Слои CuGaSe2 формируют путем последовательного осаждения термическим
испарением тонких слоев Ga, Se и Cu на поверхность стеклянной подложки,
покрытой слоем молибдена толщиной 1 мкм (рис.11). Далее из полученной
структуры в установке быстрого термического отжига в течение пяти минут при
температуре 550°С получают соединение CuGaSe2.
|[pic] |
|Рис.11. Получение пленок |
|CuGaSe2 |
Одним из перспективных материалов для дешевых солнечных батарей благодаря
приемлемой ширине запрещенной зоны (1,4–1,5 эВ) и большому коэффициенту
поглощения 104 см-1 является Cu2ZnSnS4. Его главное достоинство в том, что
входящие в него компоненты широко распространены в природе и нетоксичны.
Однако пока достигнута эффективность преобразования всего в 2,3% при
использовании гетероперехода Cu2ZnSnS4 и CdS/ZnO.
Среди СЭ особое место занимают батареи, использующие органические
материалы. В частности, КПД СЭ на основе диоксида титана, покрытого
органическим красителем, весьма высок – ~11 %. Немаловажно, что подложками
в таких элементах могут выступать полимерные пленки.
Основа СЭ данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый
монослоем органического красителя, как правило – цис-(NCS)2бис(4,4’-
дикарбокси-2,2’бипиридин)-рутением (II) (рис.12). Фотоэлектрод такого
устройства представляет собой нанопористую пленку TiO2 толщиной 1 мкм,
осажденную на ТСО на стекле. Отражающим электродом служит тонкий слой Pt,
осажденный на TCO на стекле. Пространство между двумя электродами заполняют
электролитом, обычно содержащим иодид/трииодид
(I-/I3-).
Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой
инжекции электрона в зону проводимости TiO2. При этом молекула красителя
окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде
происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через
электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.
Для солнечной батареи на эффекте Шотки используют фталоцианин –
органический полупроводник p-типа. В нем наиболее привлекают высокая
фотопроводимость в видимой области спектра и термическая стабильность.
Основной недостаток – низкое время жизни носителей вследствие большого
числа ловушек. Для повышения времени жизни фталоцианин легируют фуллеренами
или 2-, 4-, 7-тринитрофлуореноном, создающими акцепторные уровни.
|[pic] |
|Рис.12. Солнечная батарея на основе органических |
|материалов |
Фуллерены (С60) также весьма перспективны для органических солнечных
батарей на основе гетероструктур С60/p-Si в связи с их способностью к
сильному поглощению в коротковолновой области солнечного спектра.
Поликристаллический фуллерен С60 толщиной ~1 мкм осаждают на кремниевую
подложку в глубоком вакууме. Далее на слой С60 наносят алюминиевые
контакты. В качестве заднего контакта используется сплав GaxIny на
позолоченной подложке.
|[pic] |
|Рис.13. Схема термофотоэлектрического солнечного |
|элемента |
Термофотовольтаическое производство электроэнергии, т.е. преобразование
длинноволнового (теплового) излучения посредством фотовольтаических ячеек
было открыто в 1960 году и вызывает все больший интерес, особенно в связи с
современными достижениями в области создания узкозонных полупроводников. В
термофотовольтаической ячейке (рис.13) тепло преобразуется в электроэнергию
посредством селективных эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов –
эрбия и иттербия. Эти вещества поглощают инфракрасное излучение и вновь
излучают его в узком энергетическом диапазоне. Излучение может быть
эффективно преобразовано с помощью фотовольтаической ячейки с
соответствующей шириной запрещенной зоны. В качестве материала для
фотоэлектрической ячейки более всего подходит InxGa1-xAs, поскольку он
позволяет добиться необходимой ширины запрещенной зоны.
Каскадные солнечные элементы
Большинство современных СЭ обладают одним p-n-переходом. В таком элементе
свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых
больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами,
фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью
солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны
меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позвляют
многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной
зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными
. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра,
эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше.
В типичном многопереходном солнечном элементе (рис.14) одиночные
фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет
сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом
поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны
проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д.
|[pic] |
|Рис.14. Принцип построения многопереходного солнечного |
|элемента |
Основное направление исследований в области каскадных элементов связано с
использованием арсенида галлия в качестве одного или нескольких
компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35 %. Кроме
того в каскадных элементах широко применяются аморфный кремний, сплавы на
его основе
(a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), а также CuInSe2.
|[pic] |
|Рис.15. Каскадный элемент |
На рис.15 изображена каскадная батарея, в которой верхним элементом служит
структура на основе GaInP c n-AlInP в качестве окна, далее следует
туннельный диод на GaAs для прохождения носителей между элементами и нижний
элемент из GaAs.
|[pic] |
|Рис.16. Трехкаскадный солнечный элемент на основе сплавов |
|a-SiGe:H |
Весьма перспективны каскадные батареи, состоящие из трех элементов с
различной шириной запрещенной зоны (рис.16) . Верхний слой, поглощающий
коротковолновую область солнечного спектра, сформирован из сплава на основе
a-Si:H с шириной оптической щели 1,8 эВ. Для серединного элемента в
качестве слоя i-типа использован сплав a-SiGe:H с содержанием германия
~10–15%. Ширина оптической щели данного слоя (1,6 эВ) идеальна для
поглощения зеленой области со
| |  скачать работу |
Использование альтернативных источников энергии |
