Применение солнечных батарей
Таблица 2.1. Показатели КПД в % для переходов каскадных СЭ
Теоретическое значение КПД
Ожидаемое значение КПД
Реализованное значение КПД
1 p-n-переход
30
27
25,1
2 p-n-перехода
36
33
30,3
3 p-n-перехода
42
38
31,0
4 p-n-перехода
47
42
—
5 p-n-переходов
49
44
—
Весьма перспективны каскадные батареи на основе аморфного гидрогенизированного кремния (aSi:H) и сплавов на его основе, (кремний-германий, SiGe), состоящие из трех элементов с различной шириной запрещенной зоны. Аморфный кремний содержит водород, который блокирует оборванные связи кремния, поэтому он является гидрогенизированной формой кремния. Гидрогенизированный аморфный кремний является прямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 1,8 эВ и высоким коэффициентом оптического поглощения. Это означает, что пленка толщиной всего несколько микрон поглотит большую часть солнечного излучения. При легировании пленки аморфного кремния германием ширина запрещенной зоны уменьшается, а при добавлении углерода – увеличивается. Это позволяет создавать солнечные элементы с двумя или тремя гетеропереходами, перекрывающими практически весь солнечный спектр. 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 солнечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть спектра, для этого используется i-слой a-SiGe:H с концентрацией германия 40–50%. Непоглощенный свет отражается от заднего контакта на основе Ag/ZnO/ Все три элемента каскадной СБ связаны между собой сильнолегированными слоями, образующими туннельные переходы между соседними элементами. Слои, формирующие туннельные переходы, должны быть предельно тонкими (в нанометровом диапазоне) для минимизации поглощения света, в то время как фотоактивньге слои должны быть примерно на 2 порядка толще. Решающим же обстоятельством для экономически оправданного использования многопереходных фотоэлементов является тот факт, что они могут весьма эффективно работать при высококонценгрированном солнечном облучении (вплоть до 2000-кратного). Это открывает широкие перспективы уменьшения стоимости и поверхности солнечных элементов и, как следствие, снижения стоимости солнечной электроэнергии.
Ученые ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН предложили солнечные энергоустановки (СФЭУ) на основе высокоэффективных концентраторных фотоэлектрических модулей с линзами Френеля и КСЭ с КПД 36-40 % на основе наногетероструктур. Важным достоинством разработанных многопереходных СЭ III-V является то, что они эффективно преобразуют в электричество концентрированное солнечное излучение со степенью концентрации К = 500- 1 000х, что не могут делать солнечные элементы на основе кремния.
Известны два способа выполнения преобразования солнечной энергии посредством каскадных солнечных элементов. Первый из этих способов предусматривает использование оптических фильтров, имеющих зеркальную поверхность, второй – создание элементов с переходами, расположенными последовательно вдоль хода солнечных лучей. В случае использования солнечных фильтров солнечное излучение будет разлагаться на несколько пучков, каждый из которых должен быть направлен на конкретный элемент с согласованными характеристиками распределения излучения. В случае использования фотопреобразователей с последовательно расположенными элементами солнечное излучение должно в первую очередь попадать на широкозонный материал. Фотоны с высокой энергией будут поглощаться в первом элементе, остальные фотоны попадут на второй элемент, который также будет поглощать фотоны с наиболее высокой энергией. Оставшиеся фотоны поступят на третий элемент. Этот процесс селективного поглощения будет продолжаться до тех пор, пока солнечное излучение не попадет на элемент с минимальной шириной запрещенной зоны. Подобная конструкция обеспечивает использование существенно большей части солнечного излучения и дает возможность получить высокий КПД.
Схема каскадного солнечного элемента, содержащего оптический фильтр, концентратор солнечного излучения и два каскадных элемента, показана на рис. 2.9.
Рис.2.9. Схема каскадного солнечного элемента с концентратором излучения
Концентратором солнечного излучения в этом солнечном элементе является линза Френеля. Оптический фильтр располагается под углом 45 градусов к оси сконцентрированного солнечного пучка, в результате чего отраженная часть солнечного пучка, направляемая на первый элемент, обладает такой же геометрической формой, что и часть светового пучка, проходящая через фильтр и направляемая ко второму элементу. Как отраженный, так и прошедший через каскадный преобразователь солнечный свет может быть сфокусирован таким образом, чтобы была обеспечена оптимальная концентрация солнечного излучения для каждого элемента. Если в каскадный элемент необходимо ввести дополнительные солнечные элементы, то при этом потребуется установка дополнительных оптических фильтров, каждый из которых будет отражать солнечное излучение к определенному элементу.
К настоящему времени по технологии перекристаллизации тонкопленочных аморфных или мелкокристаллических пленок разработаны высокоэффективные солнечные элементы, предназначенные для использования в солнечных батареях с сферическими и цилиндрическими концентраторами солнечного излучения, рис. 2.10. и рис 2.11.
Рис.2.10. Схема концентрирования солнечного излучения с сферическим отражателем: 1.сферический отражатель, 2. дополнительный отражатель, 3.каскадный солнечный элемент
Рис.2.11. Солнечная батарея на основе каскадных солнечных элементов с цилиндрическими отражателями
Особенностью сферических концентраторов солнечного света является то, что отражатель в них используется в качестве радиатора. Сферические концентраторы могут иметь степень концентрирования порядка нескольких сотен, а цилиндрические – нескольких десятков (степень концентрации солнечного излучения равна отношению плотности потока излучения на поверхность поглотителя к плотности потока излучения, поступающего на площадь апертуры (действующего отверстия) концентратора). При этом тепловая нагрузка цилиндрических концентраторов значительно ниже, чем тепловая нагрузка сферических концентраторов, однако количество солнечных элементов в этом случае должно быть намного больше.
Что касается технологии получения каскадных солнечных элементов, то здесь используют перекристаллизацию тонкопленочных аморфных или мелкокристаллических пленок соединений AlGaInPAs, состав которых подбирают таким, чтобы в максимальной степени снизить рассогласование параметров решетки и эпитаксиального слоя и одновременно сформировать требуемый профиль ширины запрещенной зоны
Гетероструктуры на основе InP (фосфид индия), являющиеся важными прямозонными полупроводниками с шириной запрещенной зоны 1.34эВ, привлекают внимание исследователей в плане осуществления высокоэффективного преобразования солнечной энергии в электрическую.
Определяющей характеристикой солнечных фотоэлектрических установок и каскадных солнечных элементов является максимальное значение КПД, которое меняется с течением времени в сторону повышения в результате совершенствования технологии изготовления, улучшения свойств исходных материалов и наращивания многослойности элементов. Широко применяемые однослойные поликристаллические солнечные элементы на подложке из кремния характеризуются КПД до 20%, двухслойные элементы на той же подложке – до 30%, трехслойные – до 40%. Аморфные солнечные элементы обеспечивают КПД до 10%, однослойные солнечные элементы на основе AsGa – до 40%. Считается, что солнечные элементы на основе арсенида галлия наиболее перспективны.
На КПД солнечных элементов в значительной степени влияют такие факторы, как каскадность (количество слоев) солнечного элемента и наличие концентраторов солнечного излучения. В настоящее время для экспериментального однослойного солнечного элемента удалось достигнуть КПД 37%; для двухслойного и трехслойного солнечных элементов этот показатель превысил 50%, а для четырехслойного – 72% при коэффициенте концентрации на уровне 1000.
Некоторые ученые полагают, что в четырех-, пяти-, а может быть, и в еще более многокаскадных структурах можно существенно повысить КПД фотоэлемента. Для реализации этой цели нужны новые материалы высокого качества, такие элементы нового поколения, как например, на базе материалов А3B5. К полупроводниковым материалам А3В5 относятся соединения бора, алюминия, галлия и индия с азотом (нитриды), фосфором (фосфиды), мышьяком (арсениды) и сурьмой (антимониды).
Отметим, что для широкозонных нитридов уже существует значительный технолотический задел. Однако для КСЭ требуются скорее узкозонные материалы, в большей степени согласованные по типу и периоду решетки с материалами, уже работающими в трехкаскадных структурах. Такими материалами могут быть, например, твердые растворы GalnNAs, интенсивно изучаемые в настоящее время.
Предполагаемой альтернативой перспективы развития солнечных фотоэлементов может быть использование материалов на основе наногетероэпитаксиальных структур. При этом дизайн солнечного элемента значительно упрощается, так как солнечный элемент на основе многослойных наногетероэпитаксиальных структур однокаскадный. Чтобы изготовить такой солнечный элемент необходимы два полупроводниковых материала: матричный (широкозонный) и узкозонный
В узкозонном полупроводнике вблизи границы раздела может образовываться инверсионный слой, играющий роль потенциально ямы для электронов, в которой существуют уровни размерного квантования. Важнейшим достоинством гетероперехода является высокое качество гетерограницы, которое можно добиться выбором в качестве компонент гетеропары веществ с хорошим согласием постоянных решетки. Примером такой гетеропары являются узкозонный GaAsи и широкозонный твердый раствор AlxGa1-xAs.
Различают два типа квантовых точек: эпитаксиальные квантовые точки и коллоидные квантовые точки. По сути, они названы так по методам их получения. При помощи коллоидного синтеза можно получать нанокристаллы, покрытые слоем адсорбированных поверхностно-активных молекул. Таким образом, они растворимы в органических растворителях, после модификации — также в полярных растворителях. Обычно квантовой точкой является кристалл полупроводника, в котором реализуются квантовые эффекты. Электрон в таком кристалле чувствует себя как в трехмерной потенциальной яме и имеет много стационарных уровней энергии. Соответственно при переходе с одного уровня на другой квантовой точкой может излучать фотон. При всем при этом переходами легко управлять меняя размеры кристалла. Возможно также перекинуть электрон на высокий энергетический уровень и получать излучение от перехода между более низколежащими уровнями.
Многопереходные каскадные солнечные элементы очень сложны по структуре. Однако решающим обстоятельством экономически оправданного их использования является то, что каскадные солнечные элементы способны эффективно работать в условиях концентрированного солнечного излучения.
Гетероструктурная технология (HJT) является гибридом (совмещением) кристаллической и тонкопленочной технологий исполнения солнечных элементов. Результатом служит объединение ключевых преимуществ как кристаллических панелей (довольно высокий КПД, малая степень световой деградации), так и тонкопленочных (незначительное падение производительности при нагреве ячеек, более высокая эффективность в улавливании рассеянного и отраженного света). Эффективность гетеропереходных модулей HEVEL превосходит показатели классических поликристаллических модулей.
При реализации метода преобразования концентрированного солнечного излучения возникают следующие проблемы:
-при повышении мощности солнечного излучения пропорционально увеличивается плотность генерированного в КСЭ фототока. Это требует уменьшения последовательного сопротивления элемента для уменьшения омических потерь;
-увеличивается тепловая нагрузка на СЭ, что требует создания эффективной системы теплоотвода;
-возникает необходимость применения высокоэффективных и дешевых концентрирующих систем излучения;
-возникает необходимость разработки систем точного наведения и слежения за положением Солнца, что усложняет конструкцию и эксплуатацию фотоэлектрических установок.
2.4. Методы производства солнечных элементов
Более 85% солнечных батарей производятся на основе моно и поликристаллического кремния. Технология их производства достаточно трудная, длительная и энергоемкая. Можно выделить несколько основных направлений разработки методов.
1. Пиролиз летучих соединений кремния. Высокочистый кремний получают моно-, ди-, три-, тетрахлорсилановым, методом алкоксисилановой технологии, дигалогенидным способом.
2.«Сименс»-процесс – один из основных промышленных способов получения материала для ФЭП, предложенный фирмой «Siemens A.G.» и включающий в себя очистку Si путем перевода его в трихлорсилан с последующим водородным восстановлением с получением поликристаллического кремния.
3. Высокочистый кремний можно получать путем его восстановления из тетрахлорида активным металлом (данный способ относится к одним из первых для получения кремния высокой чистоты). Способ основан на восстановлении чистого кремния с помощью активного металла при использовании в качестве исходного материала SiCl4 (в качестве восстановителя используют Zn).
4.Метод получения материала для создания дешевых солнечных батарей – гидрогенизированные аморфные пленки кремния (Si:H), которые представляют собой сплав кремния с водородом, содержание последнего составляет 10-35 %.
5. Карботермический способ получения кремня для ФЭП.
6.Экстрагирование кремния из сплава. Этот способ представляет собой разделительное экстрагирование кремния из алюмокремниевого расплава. Он основан на том, что при охлаждении расплава первой выделяемой кристаллической фазой является высокочистый кремний. Более усовершенствованный метод предполагает использование в качестве анода сплава Cu-Si, а в качестве электролита – водный раствор H2SO4. После электролитического извлечения меди из оставшегося шлама выделялся чистый кремний (чистотой порядка 99,999-99,9999 %).
7. Выращивание чистых кристаллов кремния из расплава. Для очистки полупроводниковых материалов в технологии солнечных преобразователей используется метод перекристаллизации. Применение метода нормальной направленной кристаллизации из расплава позволяет совмещать в одном технологическом цикле сразу три операции: очистку материала, легирование и выращивание из него мульти-, монокристалла.
Исследования проводятся с целью заменить (или снизить стоимость единицы выпускаемой продукции) сложную и недешевую промышленную трихлорсилановую технологию более простой и недорогой, но достаточно эффективной технологией очистки для получения кремния «солнечного» качества. Для этого предлагаются процессы очистки не в газовой, а конденсированной фазе.
Основные этапы изготовления солнечных монокристаллических элементов:
1.Получение «солнечного» кремния. В качестве сырья используется кварцевый песок с высоким массовым содержанием диоксида кремния (SiO2). Он проходит многоступенчатую очистку, чтобы избавиться от кислорода. Происходит путем высокотемпературного плавления и синтеза с добавлением химических веществ.
2. Выращивание кристаллов. Очищенный кремний представляет собой просто разрозненные куски. Для упорядочивания структуры и выращиваются кристаллы по методу Чохральского. Происходит это так: куски кремния помещаются в тигель, где раскаляются и плавятся. В расплав опускается затравка – так сказать, образец будущего кристалла. Атомы, располагаются в четкую структуру, нарастают на затравку слой за слоем. Процесс наращивания длительный, но в результате образуется большой, красивый, а главное однородный кристалл.
3.Обработка. Этот этап начинается с измерения, калибровки и обработки монокристалла для придания нужной формы. Дело в том, что при выходе из тигля в поперечном сечении он имеет круглую форму, что не очень удобно для дальнейшей работы. Поэтому ему придается псевдоквадратная форма. Далее обработанный монокристалл стальными нитями, кремниевой суспензии или алмазно - импрегнированной проволокой режется на пластинки толщиной 250-300 мкм. Они очищаются, проверяются на брак и количество вырабатываемой энергии.
4.Создание фотоэлектрического элемента. Чтобы кремний мог вырабатывать энергию, в него добавляют бор (B) и фосфор (P). Благодаря этому слой фосфора получает свободные электроны (сторона n-типа), сторона бора – отсутствие электронов, т.е. дырки (сторона p-типа). По причине этого между фосфором и бором появляется p-n переход. Когда свет будет падать на ячейку, из атомной решетки будут выбиваться дырки и электроны, появившись на территории электрического поля, они разбегаются в сторону своего заряда. Если присоединить внешний проводник, они будут стараться компенсировать дырки на другой части пластинки, появится напряжение и ток. Именно для его выработки с обеих сторон пластины припаиваются проводники.
5. Сборка модулей. Пластинки соединяются сначала в цепочки, потом в блоки. Обычно одна пластина имеет 2Вт мощности и 0,6В напряжения. Чем больше будет ячеек, тем мощнее получится батарея. Их последовательное подключение дает определенный уровень напряжения, параллельное - увеличивает силу образующегося тока. Далее ячейки покрывают защитной пленкой, переносят на стекло и помещают в прямоугольную рамку, крепят распределительную коробку. Готовый модуль проходит последнюю проверку – измерение вольт - амперных характеристик. Соединение самих солнечных батарей тоже может быть последовательным, параллельным или последовательно-параллельным для получения требуемых силы тока и напряжения.
Производство поликристаллических батарей отличается только выращиванием кристалла. Есть несколько способов производства, но самый популярный сейчас и занимающий 75% всего производства это Сименс - процесс. Суть метода заключается в восстановлении силана и осаждении свободного кремния в результате взаимодействия парогазовой смеси из водорода и силана с поверхностью кремниевых слитков, разогретой до 650-1300°C. Освободившиеся атомы кремния, образовывают кристалл с древовидной (дендритной) структурой.
В настоящее время проводятся интенсивные разработки новых технологий производства Si, пригодного для изготовления солнечных элементов с высоким КПД.
Тонкопленочные батареи производятся в основном по технике испарительной фазы. Сырьем для аморфных фотопреобразователей является кремневодород (силан, SinH2n+2). Он напыляется на материал подложки (стекло, керамика, металлические или полимерные ленты и пр.) слоем менее 1 мкм. Водород в составе аморфного кремния (5-20%) меняет его электрофизические свойства и придает ему полупроводниковые качества.
Производство аморфных преобразователей значительно проще кристаллических: без труда создаются пластины площадью более 1м² при температурах осаждения всего 250-400°C. К тому же их полупроводниковыми свойствами можно управлять, подбирая соединения компонентов пленки для получения требуемых параметров.
Технология производства солнечных CIGS батарей тоже заключается в напылении полупроводников. Делается это с помощью вакуумных камер и электронных пушек. Медь (Cu), индий (In) или галлий (Ga) напыляются путем последовательного осаждения на подложку из стекла, покрытой молибденом слоем в 1 мкм. Полученная структура обрабатывается парами селена (Se).
Есть еще один способ изготовления CIGS батарей – метод трафаретной печати или струйного напыления. Основан он на использовании суспензии из частиц металлических оксидов. Ее вязкость позволяет получать как бы чернила для печати. «Бумагой» же могут быть разные материалы: стекло, фольга, пластик.
Метод трафаретной печати для изготовления тонкопленочных батарей используется только известными «солнечными» производителями. Имеет такие преимущества, как высокий коэффициент использования материалов (от 90%), сравнительная дешевизна оборудования, приличный КПД готового продукта – 14%.
Производство кристаллов арсенид галлия, может осуществляться, как и монокристаллов кремния, методом Чохральского - горизонтальной или вертикальной направленной кристаллизации. Кристаллы получаются путем вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла, рис.2.12.
Тонкопленочные технологии для солнечных панелей дали возможность постепенно вытеснять кристаллические солнечные панели, приближаясь к ним по своим техническим характеристикам.
Рис.2.12. Схемы выращивания кристаллов
Основные преимущества таких изделий заключаются в их невысокой себестоимости, которая становится определяющим фактором в конкурентной борьбе. Модули нового типа отличаются гибкостью, легкостью и эластичностью, что дает возможность устанавливать их практически на любые поверхности. Основными компонентами пленочных систем являются алюминий, аморфный кремний, теллурид кадмия и другие виды полупроводников, из которых состоит вся конструкция. Все элементы закрепляются на полимерной пленке и составляют единое целое. Количество вырабатываемой электроэнергии напрямую зависит от площади изделия. В самом начале в тонкопленочных элементах применялся аморфный кремний, наносимый на подложку. Они стали вполне конкурентоспособными по отношению к кремниевым панелям. Таких показателей удалось достичь за счет селенида меди-индия и теллурида кадмия, нашедших свое применение еще в первых портативных зарядных устройствах. Теллурид кадмия считается более перспективным для дальнейшего использования в солнечных батареях с тонкой пленкой.
Селенид меди-индия считается еще более эффективным. В настоящее время индий в большинстве случаев заменяется галлием, поскольку он практически весь используется в других производствах. Однако, даже в этом случае пленочные солнечные батареи нового поколения выдают КПД, равный 20%. Характерной особенностью тонкопленочных конструкций является их высокая производительность даже при воздействии рассеянного света. В течение года суммарная мощность этих устройств на 15% превышает кремниевые аналоги.
Благодаря физическим свойствам эти изделия часто применяются в декоративной отделке фасадов зданий и в других дизайнерских решениях. Специалисты прогнозируют, что это солнечные батареи будущего. Еще одним видом солнечных панелей являются изделия на основе полупроводника CIGS. Батареи этой разновидности также изготовляется согласно пленочной технологии, но они более эффективны, чем кремневые панели.
Важным конструктивным решением является нанесение тонкой пленки на цилиндрические поверхности. В качестве такого цилиндра используется стеклянная трубка, которая после нанесения фотоэлемента помещается внутрь другой трубки. Вторая трубка имеет больший диаметр и к ней подведены электрические контакты. Благодаря цилиндрическому исполнению, пленочные солнечные батареи поглощают большее количество света, а 40 деталей свободно размещаются на площади 2м². Они устойчивы к сильным порывам ветра и могут свободно устанавливаться на крышах. В настоящее время плёночные конструкции оснащаются различными типами каскадных элементов, обладающих многослойной структурой. Вместо одного, в них имеется несколько р-п переходов, что в значительной степени увеличивает эффективность таких модулей. В результате, электрическая энергия, генерируемая панелями, снижает свою себестоимость в два раза относительно кремниевых элементов. На всей площади плёнки с тремя переходами КПД составляет 31%, а при пяти переходах это значение может достичь 43%. Благодаря постоянному развитию технологий, тонкопленочные солнечные батареи в ближайшее время станут доступными для большинства населения. Они будут не только дешевыми, но и эффективными.
2.5. Эффективность сбора солнечной энергии
Основным показателем эффективности фотоэлементов является коэффициент полезного действия (КПД) -отношение количества энергии, поступившей на фотоэлемент, к количеству энергии, получаемой потребителем. Наибольшей эффективности работы фотоэлектрических панелей можно добиться только при их установке перпендикулярно падающим солнечным лучам. Угол наклона солнца относительно горизонта меняется как в течение суток, так и в течение года. Для увеличения КПД солнечных электростанций применяют системы автоматического слежения за солнцем (трэкеры). Трекер отслеживает мгновенную мощность, постоянно измеряя напряжение и ток (и, следовательно, передачу мощности), и использует эту информацию для динамической настройки нагрузки, поэтому максимальная мощность всегда передается, независимо от изменения освещения. Такие установки дороги и сложны в установке, поэтому их применение оправдано только при большом количестве панелей.