Тема: Типы солнечных элементов и их эффективность
Исполнитель: Имамгулиева Эмелия Сахибовна 3111-ос
Руководитель: Карпова Татьяна Викторовна
Введение:
В условиях глобального энергетического кризиса и растущего загрязнения окружающей среды, вызванного сжиганием ископаемого топлива, человечество вынуждено искать альтернативные источники энергии. Среди возобновляемых источников особое место занимает солнечная энергетика (фотовольтаика), обладающая практически неисчерпаемым ресурсным потенциалом. Солнечная энергия является одной из самых доступных и экологически чистых, однако ключевым препятствием для её широкого внедрения остается эффективность её преобразования в электричество. В данной работе рассматриваются основные типы солнечных элементов, классифицируемые по поколениям и используемым материалам, а также анализируется их эффективность -- главный показатель, определяющий экономическую целесообразность и области применения современных фотоэлектрических установок.
1 ПРОБЛЕМА ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Эффективность солнечных элементов ограничена вследствие различного рода потерь; некоторые из них можно избежать, другие заключены в физической природе самих элементов. Одни ограничения очевидны и могут контролироваться независимо, другие являются сложными и не могут контролироваться без воздействия на материалы. Например, увеличение концентрации примеси может давать как положительный, так и отрицательный эффект. В таблице 3.1. приведены типичные потери в солнечных элементах с кремниевым p-n-переходом при облученности в условиях АМ1.
Потери, характерные для кремниевых солнечных элементов
К сожалению, общепринятых названий для обозначения различных видов потерь до сих пор нет. В таблицу не внесены данные о стоимости производства солнечных элементов, но на мировом рынке имеется уже с десяток фирм, выпускающих эту продукцию. Однако, как уже отмечалось во введении к этой главе, на 1998 год стоимость батареи находится в пределах 3 $ за 1 Вт её мощности.
Ниже приведены потери в процентном отношении к полной облученности, которая в условиях АМ1 полагается равной 100%. Потери кратко сформулированы и даются в направлении от лицевой поверхности к основанию фотоэлемента. Коэффициенты полезного действия в табл. 3.1 отнесены к полезной доле приходящего потока излучения, поглощаемой при фотоэлектрической генерации энергии солнца.
1. Ограниченная площадь контактов на лицевой поверхности солнечного элемента (потери примерно 3%). Для снижения потерь, связанных с добавочным сопротивлением поверхности, электрический заряд собирается с поверхности фотоэлемента сеткой металлических контактов. Эти контакты имеют ограниченную площадь и закрывают только часть активной поверхности. Этот вид потерь не всегда учитывается в расчетах КПД.
2. Отражение от лицевой поверхности (потери около 1%). Если не принимать специальных мер, коэффициент отражения приходящего солнечного излучения от поверхности полупроводника будет высоким - около 40 %.
Эту величину можно снизить до 3 %, если поверхность полупроводника покрыть тонкой пленкой, которая имеет соответствующую толщину и показатель преломления (рис. 3.1), или каким-либо образом придать поверхности текстурированную или структурированную форму (рис. 3.2).
Рис. 3.1 Ход лучей в противоотражательной тонкой пленке
Рис. 3.2. Виды поверхностей с повышенной поглощательной способностью: текстурированная (а) и структурированная (б)
3. Фотоны с энергией, меньше ширины запрещенной зоны (потери около 23 %). Фотоны с энергией h<Eg не могут привести к генерации электрического тока. Для кремния с величиной запрещенной зоны Eg = 1,1 эВ неактивные длины волн составляют 23 % в условиях облученности АМ1.
Поглощение этих фотонов приводит к нагреву солнечного элемента, вследствие чего он еще больше нагревается, и мощность, отдаваемая им, падает.
4.Фотоны с избыточной энергией (потери около 33 %) Избыток энергии активных фотонов (h - Eg) также переходит в тепло. Однако частично эту энергию возможно использовать, применяя различные полупроводниковые материалы.
5. Квантовая эффективность (потери 0,4 %). При разработке солнечных элементов необходимо предусмотреть, чтобы материал имел достаточную толщину для поглощения, по крайней мере 95% падающего излучения. Нанесение отражающего слоя с тыльной стороны элемента позволяет вернуть излучение для повторного прохода через поглощающий материал.
6. Эффективность генерации тока. Эта составляющая полного КПД определяется следующим образом. Это часть появившихся под воздействием потока излучения электронно-дырочных пар, которые участвуют в возникновении тока во внешней цепи фотоэлемента. При полном КПД солнечного элемента - 10 % эффективность генерации тока составляет обычно около 0,7. Увеличение этого параметра до 0,9 приведет к повышению полного КПД до 20 % и выше, поэтому основная цель - усовершенствование солнечных элементов.
Существуют различные способы изменения этого параметра. Одним из самых возможных является формирование добавочного потенциального барьера вблизи металлического контакта с тыльной стороны. За p-n-переходом формируется слой с повышенной концентрацией примеси (например, слой р+ толщиной 1 мкм за слоем р-типа для создания добавочного барьера около 200 кВ*м-1 (рис. 3.3). Неосновные носители - электроны, возникающие в р-слое вблизи этой р+ области, как бы отражаются градиентом потенциала по направлению к основному p-n-переходу быстрее, чем диффундируемый поток электронов с тыльной стороны элемента.
Рис. 3.3. Схема движения носителей в элементе с добавочным потенциальным барьером, уменьшающим диффузию электронов к металлическому контакту с тыльной стороны: 1 - лицевой контакт; 2 - металлический контакт
Вследствие этого скорость рекомбинации на тыльном контакте снижается. Такие диодоподобные слои могут быть добавлены и на лицевой поверхности (например, n+ и n) при достижении аналогичного эффекта для дырок. В результате этого коэффициент поглощения приемной поверхности возрастает.
7. Потери потенциала (примерно 20 %). Каждый поглощенный фотон создает электронно-дырочную пару с разностью потенциалов Еg/е (для кремния это 1,1 В). Однако только часть (Vв) этого потенциала участвует в создании ЭДС во внешней цепи. Это видно из рис. 3.4, на котором показаны расположение зон вдоль перехода и направление диффузии носителей, которые приводят к созданию разности потенциалов (Vв). Потери потенциала характеризует величина F = e Vв/ Еg. В кремниевых фотоэлементах F меняется от 0,6 до 0,5, соответственно Vв изменяется в пределах от 0,66 до 0,55 В.
Имеют место и потери ЭДС (Fhin + Fhip ), так как в разомкнутой цепи уровень Ферми вдоль перехода выравнивается с донорным и акцепторным уровнями, которые отстоят от границ зоны проводимости и валентной зоны соответственно на Fhin и Fhip.
Увеличение концентрации примесей приводит к повышению FNu (кремниевые элементы с удельным сопротивлением 0,01 Ом*м имеют большие значения Vв и Vос, чем с удельным сопротивлением 0,1 Ом*м). В других фотоэлементах, например, из GaAs FNu = 0,8.
8. Фактор кривизны вольтамперной характеристики Fс (потери около 4%). Вольтамперная характеристика солнечного элемента сильно зависит от характеристики p-n-перехода (рис. 3.8). Если напряжение на выходе элемента возрастает до Vос, то увеличивается прямое смещение, приложенное к переходу, в результате чего растет внутренний рекомбинационный ток через переход Ir. Этот эффект является основной причиной потерь в системе. Максимальная мощность Рmax меньше произведения Isc*Voc вследствие экспоненциальной формы характеристики.
Фактор кривизны Fc, иногда называемый параметром насыщения, равняется Рmax/(Isc*Voc). Максимальное значение для кремния этого фактора равно 0,88.
9. Добавочный фактор кривизны (потери около 5%), Вольтамперные характеристики реальных солнечных элементов описываются зависимостью
I = I0 exp [ eV/(AkT) - 1] - IL .
Появление коэффициента A (A > 2 для многих промышленных фотоэлементов) связано с усилением рекомбинации в зоне перехода. Это приводит также к изменению Voc и Io, поэтому максимум выходной мощности реализуется только при А = 1.
10. Добавочное сопротивление (потери около 0,3 %). В солнечных элементах носители заряда из всего объема материала диффундируют к контактам выходных проводников. С тыльной стороны контакт может закрывать всю поверхность элемента, и вклад поверхности в сопротивление будет небольшим. Но лицевая поверхность элемента должна быть максимально освещена солнцем, поэтому площадь, занятая контактами, должна быть сведена к минимуму. Это приводит к увеличению длин пробега носителей и появлению добавочного сопротивления. В настоящее время достигнуты значительные успехи в изготовлении и оптимальном размещении на поверхности этих контактов. Добавочное сопротивление лицевой поверхности снижено до 0,1 Ом в элементах, сопротивление которых составляет 20 Ом при максимальной мощности.
11. Шунтирующее сопротивление (потери небольшие, око¬ло 0,1 %)
Появление шунтирующего сопротивления является следствием дефектов струткруы в объеме и на поверхности солнечного элемента. Современная технология позволяет избежать появления этих дефектов и сделать их воздействие незначительным, так что для монокристаллического кремниевого элемента шунтирующим сопротивлением можно пренебречь.
12. Из табл. 3.1. следует, что в кремниевых солнечных батареях полезная мощность составляет примерно 10% (с учетом всех потерь). Кроме того, в той же таблице (справа) приводятся данные о предполагаемых усовершенствованиях, которые позволят увеличить эффективность монокристаллических кремниевых фотоэлементов до 20-22 %
Однако большинство исследователей считает, что максимальный КПД кремниевых солнечных элементов может достигнуть 23…25 %, а элементы на гетеропереходах или ступенчатых переходах - 30 %. При условии, если установка использует системы с концентрацией излучения или другими приспособлениями - до 40 %. К тому же следует заметить, что спектр приходящего солнечного излучения устанавливает абсолютные ограничения эффективности. Для кремниевых солнечных элементов максимальный КПД может составлять около 47 %.
2 ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И БАТАРЕЙ
Существует много различных вариантов и промышленных изделий солнечных элементов и батарей, а также методов их производства. Кратко опишем конструкцию одного из них - стандартного монокристаллического кремниевого солнечного элемента. Общий вид такого элемента показан на рис. 3.4
Главные технические требования к материалам сводятся к следующему.
Исходный материал должен быть химически очень чистым и с устойчивыми свойствами. Необходимо обеспечить общий контроль над процессом их изготовления и высокий уровень точности.
Солнечные элементы должны производиться в большом количестве при минимальной стоимости.
Солнечные элементы должны иметь срок службы не менее 20 лет в условиях воздействия окружающей среды. Следует иметь в виду, что даже без концентрации солнечного излучения рабочая температура элемента может измениться в пределах от -30 0С до +200 0С.
Электрические контакты должны быть стабильными и влагозащищенными от всех видов коррозии.
В целом конструкция солнечной батареи должна быть таковой, чтобы разрушение одного из элементов не приводило к выходу из строя всей батареи и системы в целом. Для этого используются параллельные и последовательные соединения элементов, которые, в случае выхода из строя какого-либо элемента (или группы элементов), исключают возможность выхода из строя других элементов.
Сборные модули и батареи должны быть пригодны для транспортировки, даже в труднодоступные и отдаленные регионы любым видом транспорта.
Для получения монокристаллов кремния применяют высокочистые электронные полупроводниковые материалы в виде поликристаллических заготовок, концентрация примесей в которых должна быть меньше, чем один атом на 109 атомов основного вещества, т.е. меньше, чем 1018 атомов в 1 м3.
Наиболее широко для производства монокристаллов кремния используют следующие методы.
Первый. Метод Чохральского. Это хорошо отработанная методика выращивания монокристаллов состоит в погружении небольшого затравочного кристаллика в расплавленный материал (рис. 3.20, а). Примеси добавляются в расплав. И затем кристаллик-зародыш начинают вытягивать с малой скоростью (обычно 1…10 мм/час). При этом кристалл-затравку обычно еще и вращают вокруг оси со скоростью 1…2 об/мин для более равномерного распределения примесей.
Диаметр такого кристалла может быть до 15…20 см. Выращенный таким образом монокристалл затем разрезается на части толщиной примерно 300 мкм. На эти распилы расходуется около 40…50 % монокристаллического материала, что ведет к значительной дороговизне этого процесса.
Вторым часто используемым методом является зонная плавка или рекристаллизация. В этом случае поликристаллическому материалу придают форму стержня. Зона расплава проходит вдоль стержня вследствие нагрева током высокой частоты или лазером (рис. 3.20, б) Справедливости ради следует заметить, что этот метод чаще используется для очистки материалов, но его можно применять и для выращивания монокристаллов. И все же процесс резки кристаллов на такие пластины и в этом методе необходим.
Третий метод, используемый часто для получения монокристаллов, называется ленточным методом (в отечественной литературе - методом Степанова). Этот метод исключает резку кристалла и появление неизбежных отходов, поскольку сразу выращивается тонкая лента монокристалла до 10…15 см шириной и толщиной 300 мкм (рис. 3.20) Лента может наматываться на барабан большого диаметра. По мере необходимости от нее отрезаются полосы для изготовления солнечного элемента.
Четвертым методом является вакуумное напыление, но для получения слоев кремния толщиной 300 мкм он является очень сложным и часто ведет к браку из-за сложности поддержания стабильных параметров напыления. Но этот метод формирования поверхностного слоя металла используется в производстве диодов Шоттки.
Рис. 3.4. Схема некоторых методов выращивания монокристаллов: метод Чохральского (а); зона плавка (б); ленточный метод (метод Степанова)
Для получения заготовок пластин кремния можно использовать также литье. Однако в этом случае материал получается поликристаллическим и эффективность его не столь высока. Но зато процесс очень дешевый.
В процессе изготовления монокрислаллических пластин кремния толщиной 300…400 мкм их подвергают обычно химическому травлению. Тонкий слой материала n-типа формируется в процессе диффузии доноров (например, фосфора) в поверхностный слой.
Чаще всего пленки нагревают в атмосфере с добавкой POCl3.
Для формирования сетки электрических контактов применяется метод фотолитографии. Сначала для создания низкоомного контакта с кремнием испаряют титан, а затем очень тонкий слой палладия, во избежание химического взаимодействия титана с серебром, тонкий слой которого осаждают последним для получения токопроводящей сетки (рис. 3.1). Среди других методов используют иногда гальваностегию и печатный монтаж.
Последними в технологическом процессе вакуумного испарения наносятся противоотражательные слои. Чаще других для этой цели используется алюминий. В процессе диффузии алюминия у тыльной поверхности образуется добавочный потенциальный барьер из р+ в материалах р-типа. На него наносится электрический металлический контакт в виде относительно толстого внешнего слоя. Для текстурированных поверхностей противоотражательные свойства создаются чаще всего химическим травлением, а структурированные слои -методом фотолитографии.
Отдельно взятые фотоэлементы (примерно 10х10 см2) собирают в модули по 30-33 штуки. Каждый модуль обычно состоит из трех-пяти столбов последовательно соединенных элементов (рис. 3.16). Такое устройство создает ЭДС порядка 15 В, что вполне достаточно для аккумуляторной батареи до 12 В.
При плотном расположении круглых фотоэлементов теряется до 15% площади модуля. Элементы обычно располагают в инертном наполнителе между прозрачной передней крышкой, изготовленной чаще всего из пластика, не пропускающего ультрафиолетовые излучения, и пластиной с тыльной стороны, которая должна быть достаточно прочной и иметь низкое термическое сопротивление. Крышка должна быть герметично запаяна и водонепроницаема при любых внешних воздействиях, включая большие термические перегрузки.
3 ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ ТИПЫ
Самыми распространенными из выпускаемых промышленных солнечных элементов являются плоские пластинчатые кремниевые элементы. Кроме этого существуют разнообразные и многочисленные типы и конструкции, которые разрабатываются для повышения эффективности и уменьшения стоимости солнечных элементов.
Гомопереходы Они возникают, если в одном и том же кристалле полупроводника формируется контакт двух областей с разными типами проводимости или различными концентрациями примеси. Упоминавшиеся ранее кремниевые фотоэлементы содержат гомопереходы. В таких солнечных элементах ширина запрещенной зоны постоянна (рис. 3.5, а).
Рис. 3.5. Типы переходов, используемых в солнечных элементах: гомопереход(а) - основной материал и ширина запрещенной зоны постоянны;гетеропереход(б) - основной материал и ширина запрещенной зоны меняются; структура Шоттки металл-полупроводник (МП), например,Au/Si(в), показана сn/n+ добавочным потенциальным барьером; имеющий важное значение противоотражательный слой не показан; структура Шоттки металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) (г)
Гетеропереходы. В этом случае переход возникает при контакте двух различных по химическому составу полупроводников, поэтому на границе раздела меняется ширина запрещенной зоны (рис. 3.20, б). В гетеропереходах происходит генерация носителей при поглощении фотонов сразу на двух частотах. При этом увеличивается доля фотонов, участвующих в генерации фототока, и уменьшаются потери, связанные с избытком энергии фотонов (hNu-Eg). Обычно полупроводники с более широкой запрещенной зоной располагаются на лицевой поверхности фотоэлемента, а с более узкой - под ними.
Но для образования гетероперехода необходимо согласование постоянных кристаллических решеток материалов, ориентации осей и типа решетки. Примерами фотоэлементов с гетеропереходами является Ga1-xAlxAs на GaAs (КПД около 12%) и SnО2 на кремнии n-типа, где КПД около 10 % (табл. 3.2).
Большинство авторов научных работ предлагают создавать элементы с монотонно уменьшающейся шириной запрещенной зоны - так называемые фотоэлементы со ступенчатой запрещенной зоной. Производство таких фотоэлементов достаточно сложно и трудоемко, но в принципе возможно.
Необходимо дать еще одно пояснение к табл. 3.2, где указаны типы переходов электронов через запрещенную зону. Рассмотрим зависимость энергии носителей Е от их квазиимпульса k (рис. 3.22) Если в процессе собственного поглощения света квазиимпульс электрона меняется несущественно при переходе из валентной зоны в зону проводимости, то такие переходы называются прямыми (переходы возможны при условии hNu = Eg).
В случае, когда дно зоны проводимости и потолок валентной зоны соответствует различным квазиимпульсам (рис. 3.22), переход также оказывается возможным, если электрон, поглощая фотон, одновременно поглощает или испускает фонон.
Рис. 3.6. Зоны Бриллюэна, диаграммы: энергия носителей - квазиимпульс; прямые переходы через запрещенную зону, например, в GaAs (a); непрямые переходы, например, вSi(б)]; Ее- энергия электронов; Eh- энергия дырок; homega- энергия фононов (omega- частота фонона)
Необходимость испускания или поглощения фонона делает непрямые переходы значительно менее вероятными, чем прямые, поэтому коэффициент поглощения света, обусловленный непрямыми переходами, намного меньше. Так, например, для кремния (переходы через запрещенную зону - непрямые) показатель поглощения ниже, чем для арсенида галлия (прямые межзонные переходы), в связи с этим кремниевые элементы приходится изготавливать большей толщины.
При контакте металла и полупроводника (МП) образуется p-n-переход (рис. 3.21, в). Преимуществом такой схемы является простота конструкции, так как металл может быть осажден в виде тонкой пленки на основной материал. Недостатки этой схемы заключаются в том, что от металлической поверхности выше отражение и, следовательно, больше потери на входе; кроме того, высоки рекомбинационные потери в зоне перехода.
В процессе изготовления очень трудно избежать появления тонкого изолирующего слоя окисла между металлом и полупроводником. Этот изолирующий слой способствует подавлению поверхностной рекомбинации, поэтому, контролируя его толщину, можно получить фотоэлементы с лучшими характеристиками (металл-оксид-полу¬про¬водник - МОП) или металл-диэлектрик-полупроводник - МДП) (рис. 3.21, г)
Для изготовления фотоэлементов не обязательно использование монокристаллов. Если использовать поликристаллические материалы, можно значительно снизить стоимость производства элементов. Для изготовления фотоэлементов можно использовать также и аморфные материалы. Структура этих материалов имеет ближний порядок. Аморфным может быть и кремний. Он может иметь требуемую электропроводность. Однако аморфные свойства материала приводят к появлению большого числа ненасыщенных «свободных» химических связей, которые действуют как неконтролируемые ловушки для электронов и дырок. Для уменьшения числа ненасыщенных химических связей в материал вводят большое количество водорода. Это позволило повысить эффективность фотоэлементов до 10% при незначительной цене (по сравнению с монокристаллическими) [24].
В последние годы стали проводиться интенсивные исследования органических материалов, обладающих полупроводниковыми свойствами. Сравнительная дешевизна органических материалов делает развитие этого направления весьма перспективным. К настоящему времени у таких фотоэлементов достигнут КПД в 1…2 %, однако имеются все основания ожидать в самое ближайшее время повышения его до 10 %.
Существуют и другие идеи для повышения КПД фотоэлементов, но они находятся пока на стадии научных исследований.
Заключение
В ходе работы были рассмотрены основные типы солнечных элементов и их классификация по поколениям и материалам, а также проведен детальный анализ факторов, ограничивающих их эффективность.
Установлено, что ключевой проблемой фотоэлектрических преобразователей являются потери, связанные с физическими свойствами материалов (например, несоответствие ширины запрещенной зоны спектру солнечного излучения), а также с конструктивными особенностями, такими как отражение от лицевой поверхности, рекомбинационные потери и сопротивление контактов.
На примере кремниевых солнечных элементов показано, что их реальный КПД составляет около 10-14%, однако за счет применения текстурированных поверхностей, создания добавочных потенциальных барьеров и оптимизации контактных сеток возможно повышение эффективности до 20-25%. Более высокие значения (до 30-40%) достигаются при использовании гетеропереходов, каскадных структур и систем с концентрацией излучения.
Особое внимание уделено требованиям к материалам и технологиям производства. Показано, что снижение стоимости солнечных элементов возможно при переходе от монокристаллического к поликристаллическому и аморфному кремнию, а также при использовании ленточных методов выращивания, исключающих потери на резку. Перспективными направлениями являются также разработка элементов на основе арсенида галлия, органических полупроводников и структур с монотонно изменяющейся шириной запрещенной зоны.
Таким образом, повышение эффективности и снижение стоимости солнечных элементов остаются приоритетными задачами современной фотоэлектрики, решение которых требует междисциплинарного подхода, включающего достижения физики полупроводников, материаловедения и технологий микроэлектроники.
Список литературы:
1. Андреев, В. М., Грилихес, В. А., Румянцев, В. Д. Фотоэлектрические преобразователи концентрированного солнечного излучения. - Л.: Наука, 1989. - 310 с.
2. Грин, М. А. Солнечные элементы: теория и эксперимент. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 280 с.
3. Колтун, М. М. Оптика и метрология солнечных элементов. - М.: Наука, 1985. -192 с.
4. Ландсберг, Г. С. Элементарный учебник физики. Т. З. - М.: Наука, 1986. - 656 с.
5. Стребков, Д. С., Тверьянович, Э. В. Солнечная энергетика: состояние и перспективы. - М.: ВИЭСХ, 2012. - 184 с.
6. Фаренбрух, А., Бьюб, Р. Солнечные элементы: теория и эксперимент. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 280 с.
7. Шур, М. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Мир, 1992. - 632 с.
