Казахстанский Форум энергетиков Power Kazakhstan 2011

Казахстанский Форум энергетиков
Power Kazakhstan 2011
Наноструктурные
гетеросистемы для солнечной
фотоэнергетики
О.П.Пчеляков1), И.Г. Неизвестный1), С.Ж. Токмолдин2)
1) Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, г. Новосибирск, Россия
2) Физико-технический институт г. Алматы, Республика Казахстан
Ноябрь 2011
Главная проблема человечества:
дефицит электроэнергии
• У более чем 2 миллиардов человек нет никакого доступа к электричеству
• К 2050 году людям будет нужно БОЛЕЕ 20 ТВт электроэнергии
ВСЕМУ НА СВЕТЕ ПРИХОДИТ КОНЕЦ!
На наших глазах истощаются энергетические ресурсы,
накопленные в Земле за сотни миллионов лет: нефть, газ
и уголь. Не являются неисчерпаемыми и урановые
запасы.
Нефтяные вышки и разведочные нефтегазовые
платформы шагают с суши в зону континентального
шельфа и дальше.
Каждый шаг в этом направлении требует всё большей
энергии на добычу каждого литра нефти, каждого
кубометра газа и тонны угля.
Всё чаще учёные и энергетики обращают внимание на
восполняемые ЧИСТЫЕ источники энергии:
ветер, приливные течения, биомасса и
СОЛНЦЕ.
Global Power Generation Forecast
Welt im Wandel: Energiewende zur Nachhaltigkeit, Springer ISBN 3-540-40160-1
Энергетическая диаграмма взаимодействия
солнечного излучения с полупроводником
Ещё в 50х годах прошлого столетия академик А.Ф.Иоффе предложил для
более полного использования спектра излучения Солнца использовать
расположенные друг над другом полупроводники с различной шириной
запрещённой зоны. Верхний П/П в с наибольшей ЗЗ, нижний с наименьшей.
Такие системы получили название - «Каскадные фотоэлементы»
Солнечный спектр и выделенные части спектра, которые можно
использовать для преобразования в электрическую энергию с помощью
полупроводниковых элементов:
а – кремний, b -Ga0,35In065P/Ga0,83In0,0,17As/Ge
AM1,5 -100-mW/cm2 Air Mass 1.5 spectrum, - на поверхности земли
Пример трёхпереходного солнечного элемента
«Эпитаксиальное выращивание таких структур – это
ОДНОСТАДИЙНЫЙ, полностью автоматизированный процесс.
Расход исходных материалов мало зависит от количества каскадов.
Поскольку все фотоактивные области выполняются из «прямозонных»
полупроводников, общая толщина структуры всего несколько микрон».
Изготовленные
предприятием «Квант»
по технологии ФТИ РАН
Si батареи проработали
на станции «Мир» 15 лет
почти без деградации.
• В 1839 году Александр Эдмон Беккерель (отец Антуана Беккереля ) открыл
фотогальванический эффект.
• В 1883 году Чарльзу Фриттсу (Charles Fritts) удалось сконструировать первый модуль с
СЭ на основе селена, покрытого тончайшим слоем золота с эффективностью около 1%.
Именно 1883 год принято считать годом рождения эры солнечной энергетики.
• В 1921 году Альберт Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за объяснение
законов внешнего фотоэффекта.
• 1953 Джеральд Персон (Gerald Pearson) – первая СБ на кремнии с p-n переходом
• Впервые в СССР солнечные элементы (СЭ) на основе пары AlGaAs/GaAs были
получены методом ЖФЭ в 1969 году в ФТИ им. А.Ф.Иоффе под руководством Ж.И.
Алфёрова в лаборатории В.М. Андреева. Квантовая эффективность этих батарей при
концентрации солнечного излучения до 20-100 солнц достигала 29, 7 % для спектра
АМ0 и 33% для спектра АМ1,5 (после 15 лет работы на КС «МИР» они деградировали
менее чем на 30%).
ПРОГРЕСС В ЭФФЕКТИВНОСТИ СБ
Nanotechnology
for Si-Ge Solar Cell
24%
Record solar cell efficiencies for multijunction concentrator cells and
other photovoltaic technologies since 1975, as compiled by the National Renewable
Energy Laboratory (NREL). (Courtesy of R. McConnell, NREL) 2008
ПРОМЕЖУТОЧНАЯ ЗОНА
Для этой цели было
предложено
использовать
квантовые точки, т.к.
регулируя их размер
можно получать
различно
расположенные
энергетические
уровни для
возбуждения
носителей заряда
светом
Для перекрытия значительной части солнечного спектра
энергия внутренней зоны и матрицы должны иметь например
параметры
EL = 0,71 эВ EH = 1,24 эВ EG = 1,95 эВ
The simplified energy-band structure of solar batteries with intermediate band
[A.Luque and A.Martý, Phys. Rev. Lett., v. 78, No. 26, 1997]
Photovoltaics for the 21st century
63% !!!
Kin Man Yu and Wladek
Walukiewicz Berkeley Lab 2004
SELF-ORDERED Ge/Si QUANTUM DOT INTERMEDIATE
BAND PHOTOVOLTAIC SOLAR CELLS
A. M. Kechiantz, K.W. Sun, H.M. Kechiyants, L. M. Kocharyan.
Int. Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology
ISJAEE 12(32) (2005)
STM images of Si(111)-7×7 surface
on initial growth stages of Ge nanoclusters
а) 0.02 БС 7х7 нм
б) 0.17 БС 14х14 нм
в) 0.4 БС 23х23 нм
O.P. Pchelyakov, A.I. Nikiforov, B.Z. Olshanetsky, S.A. Teys, A.I.
Yakimov and S.I. Chikichev, MBE growth of ultra small coherent Ge quantum dots in silicon for
applications in nanoelectronics, Journal of Physics and Chemistry of Solids (2007)
Perspective nanostructures on silicon for photoelectro-generators with Ge quantum dots in Si
MgF2/ZnS
Al contact
Karl Brunner
Quantum efficiency of Si-Ge cells
Yakimov A I, Dvurechenskii A V, Kirienko V V and Nikiforov A I 2005 Phys. Solid State 47 34
Работа проводится совместно с В.В. Калининым, Д.О. Кузнецовым, А.В. Марковым Н.А.
Пахановым, О.П. Пчеляковым, А.Б. Талочкиным, Е.Г. Тишковским, И.Б. Чистохиным, и др.
Thermophotovoltaic conversion, with
concentrator optics and narrow pass filter
Design of thermo-photovoltaic system
СОЛНЕЧНАЯ ЯЧЕЙКА С ТОЧЕЧНЫМИ КОНТАКТАМИ
НА ОБРАТНОЙ СТОРОНЕ ПОДЛОЖКИ
Технология разрабатывается сотрудниками ИФП СО РАН при участии
НПО «Восток» В.В. Калининым, Д.О. Кузнецовым, Н.А. Пахановым,
О.П. Пчеляковым, Е.Г. Тишковским, И.Б. Чистохиным и др.
Back-point-contact Si solar cell
Front surface of Si solar cells
(3” float-zone Si wafer)
The cutting and stuck together solar battery
The plan of arrangement of MBE installation
at the international space station
Oleg Pchelyakov at al.
ISP SB RAS
Vladimir Skorodelov at al.
NPO “Molniya”
Alex Ignatiev at al.
University of Hewston USA
www. cam. uh.edu
Semiconductor Wafer Production Flow Chart
MAKS
International
Space Station
Texas Center for
Superconductivity
and Advanced Materials
University of Houston
NASA Research Partnership
Center
Raw Materials
Base Wafers
Finished Wafers
Processing
Fabrication of Solar Cells on the Surface of
the Moon from Lunar Regolith
• Mechanized Solar Cell Growth Facility – Cell Paver
- ~ 150 - 200 kg
- Evaporation energy from solar thermal collectors
- PV panels for motive/control power
- Continuous lay-out of cells on lunar
surface
- Remotely controlled
Alex Ignatiev at al.
University of Houston
USA www. cam. uh.edu
Installation
“Katun”
Спасибо за внимание