Солнечные батареи

Солнечные батареи
Солнечные батареи в современном мире – одно из
немногих, и одно из самых перспективных средств
для получения энергии из возобновляемых
источников. Актуальность использования СБ в
качестве источника энергии со временем будет
только возрастать.
В настоящее время ведутся многочисленные
научные исследования, в целях которых - повышение
эффективности работы СБ, и повышение их
доступности.
Солнечная батарея - полупроводниковый
фотоэлектрический генератор, непосредственно
преобразующий энергию солнечной радиации в
электрическую энергию
С конструктивной точки зрения солнечная батарея –
плоская панель, состоящая из размещенных
вплотную фотоэлементов и электрических
соединений, защищенная с лицевой стороны
прозрачным твердым покрытием. Число
фотоэлементов в батарее может быть различным, от
нескольких десятков до нескольких тысяч.
Электрический ток в солнечной батарее возникает в
результате процессов, происходящих в фотоэлементах
при попадании на них солнечного излучения.
Действие СБ основано на
использовании вентильного
(барьерного) фотоэффекта
- возникновении электродвижущей
силы в p-n переходе под
действием света.
Энергетические характеристики солнечных батарей
определяются полупроводниковым материалом,
конструктивными особенностями, количеством элементов в
батарее.
Распространенные материалы:
Si - КПД до 20%
GaAs – наиболее перспективный материал, КПД до 40%.
CdTe (теллурид кадмия) – так же перспективный материал,
пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении.
Распространенные конструктивные решения:
СЭ на барьерах Шоттки
СЭ на гетеропереходах
Каскадные СЭ – СЭ с несколькими p-n переходами
Принцип работы солнечных батарей
Солнечный элемент на p-n структурах.
Элемент солнечной батареи
представляет собой пластинку
кремния n-типа, окруженную
слоем кремния р-типа толщиной
около одного микрона, с
контактами для присоединения к
внешней цепи.
Когда СЭ освещается,
поглощенные фотоны генерируют
неравновесные электрон дырочные пары. Электроны,
генерируемые в p-слое вблизи
p-n-перехода, подходят к p-nпереходу и существующим в нем
электрическим полем выносятся в
n-область.
Аналогичным образом и избыточные дырки, созданные в
n-слое, частично переносятся в p-слой (рис. а). В
результате n-слой приобретает дополнительный
отрицательный заряд, а p-слой – положительный.
Снижается первоначальная контактная разность
потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во
внешней цепи появляется напряжение (рис. б).
Отрицательному полюсу источника тока
соответствует n-слой, а p-слой – положительному.
ВАХ солнечного элемента:
Величина установившейся
фотоЭДС при освещении
перехода излучением постоянной
интенсивности описывается
уравнением вольт - амперной
характеристики (ВАХ):
U = (kT/q)ln(1+(Iф-I)/Is)
где Is– ток насыщения,
Iф – фототок.
Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента
светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь
значение фототока Iф. Максимальная мощность отбирается в
том случае, когда фотоэлемент находится в режиме,
отмеченном точкой а.
Pmax  I кз [U хх 
kT
kT
ln( 1  U max )  ]
q
q
Солнечные элементы на барьерах Шоттки.
- Представляют собой соединение из металла
и полупроводника. При этом слой металла
должен быть достаточно тонким, чтобы
основная доля света достигла полупроводника.
Можно выделить три компоненты фототока.
Одна из них обусловлена поглощением
фотонов в металле, что вызывает возбуждение
дырок через барьер в полупроводник
(эта компонента обозначена цифрой 1).
Попадающий в полупроводник
коротковолновый свет поглощается главным
образом в обеднённом слое (соответствующий
фототок обозначен цифрой 2).
Длинноволновый свет поглощается в
нейтральном объёме полупроводника, создаёт
электронно-дырочные пары; затем электроны,
так же как и в случае обычного р-n перехода,
диффундируют к краю обеднённого слоя, где
происходит их коллектирование (этот фототок
обозначен цифрой 3).
В условиях, типичных для работы солнечных
элементов, возбуждение светом носителей из
металла в полупроводник составляет менее 1%
полного фототока, и поэтому этим процессом
можно пренебречь.
Две основные компоненты фототока связаны с
генерацией носителей в обедненном слое и в
базовой области. Сильное поле в обеднённом слое
выносит из него генерируемые светом носители еще
до того, как они успевают прорекомбинировать,
вследствие чего фототок оказывается равным
(1)
где a – коэффициент поглощения, F(λ) – плотность
потока падающих фотонов в единичном
спектральном интервале, Т(λ ) - коэффициент
пропускания металлом монохроматического света с
длиной волны λ . Фототок, создаваемый генерацией
носителей в базовой области, описывается
выражением
(2)
Полный фототок равен сумме выражений (1) и (2).
Для увеличения фототока следует повышать
коэффициент пропускания Т и диффузионную длину
Ln.
Преимущества солнечных элементов с барьерами Шоттки:
Изготовление таких элементов можно осуществлять при низких
температурах, поскольку отпадает необходимость в проведении
высоковольтной операции - диффузии;
Применение данной технологии при создании
поликристаллических и тонкоплёночных солнечных элементов;
Высокая радиационная стойкость элементов, поскольку вблизи
их поверхности существует сильное электрическое поле;
Большой выходной ток и хороший спектральный отклик, что
обусловлено непосредственным примыканием обеднённого
слоя к поверхности полупроводника, вследствие чего
ослабляется негативное влияние малых времен жизни и
высокой скорости поверхностной рекомбинации.
Солнечные элементы на гетеропереходах.
Гетероструктурные СЭ на основе GaAs имеют более
высокий КПД , чем кремниевые СЭ
(монокристаллические и особенно - аморфного
кремния).
КПД арсенид-галлиевых солнечных батарей доходит до
35-40%. Их максимальная рабочая температура - до
+150 оС, в отличии
от + 70 оС - у кремниевых
батарей.
Их теоретический КПД выше, так как ширина
запрещённой зоны у них практически совпадает с
оптимальной шириной запрещённой зоны для
полупроводниковых преобразователей солнечной
энергии =1,4 эВ. У кремниевых этот показатель =1,1
эВ.
Энергетическая диаграмма n-pгетероперехода
Гетеропереходы - это переходы, образующиеся при контакте двух
различных полупроводников.
Фотоны с энергией, меньшей Eg1, но
большей Eg2, будут проходить через
слой первого полупроводника, который
играет роль оптического окна, и
поглощается во втором
полупроводнике. Носители,
генерируемые излучением внутри
обедненного слоя и в
электронейтральном объеме
полупроводника в пределах
диффузионной длины от перехода,
будут коллектироваться переходом
подобно тому, как это имеет место в
солнечных элементах с n - pгомопереходами. Фотоны с энергией,
большей Eg1, поглощаются в первом
полупроводнике, и переход будет
коллектировать носители,
генерируемые этим излучением на
расстоянии от перехода, не
превышающем диффузионную длину,
либо непосредственно в области
пространственного заряда
Преимущества солнечных элементов с
гетеропереходами перед обычными солнечными
элементами с p - n-переходами:



Увеличение спектрального отклика в коротковолновом
диапазоне при условии, что энергия Eg1 достаточно велика
и фотоны с высокой энергией поглощаются в обедненном
слое второго полупроводника;
Понижение последовательного сопротивления при условии,
что первый полупроводник можно сильно легировать, не
ухудшая при этом условия прохождения света через него;
Более высокая радиационная стойкость, если первый слой
полупроводника достаточно толстый и полупроводник имеет
широкую запрещенную зону.
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 позволяют
многослойные структуры из двух и более СЭ с различной
шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются
многопереходными, каскадными или тандемными.
Каскадные СЭ работают со значительно большей частью
солнечного спектра, и эффективность фотоэлектрического
преобразования у них выше.
В многопереходном солнечном элементе
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.
Применение солнечных батарей:
В настоящее время СБ главным образом
используются в космонавтике, для снабжения
электроэнергией аппаратуры спутников и
систем жизнеобеспечения космических
кораблей и станций, а также заряжают
электрохимические аккумуляторы,
используемые на теневых участках орбиты.
На земле СБ в основном
используются для питания
устройств автоматики, переносных
радиостанций и радиоприёмников,
для катодной антикоррозионной
защиты нефте- и газопроводов. Всё
более часто СБ применяются в
различных бытовых устройствах,
которые доступны широкому кругу
потребителей.