04 (Электронные лекции в формате DOC)

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ

ГИДРОГЕНИЗИРОВАННОГО АМОРФНОГО КРЕМНИЯ

(a – Si : H)

Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую является весьма привлекательным по нескольким причинам:

• во-первых, источник энергии практически неистощим (в отличие от нефти, угля и т. п.);

• во-вторых, по крайней мере, принципиально, он достаточен для производства электорэнергии в количествах, необходимых для удовлетворения потребностей всего населения Земли;

• и в третьих, производство электроэнергии является относительно экологически чистым.

Первый преобразователь солнечной энергии на основе монокристаллического кремния был создан в 1954 году и имел к. п. д. порядка 6 %. Затем всплеск работ по фотоэлектрическим преобразователям произошел в 60-х годах в связи с развитием космической техники. В результате был достигнут значительный прогресс в развитии фотопреобразователей на монокристаллическом кремнии. Сейчас их к. п. д. перевалил за 20 %. (Максимально достижимый к. п. д. идеального преобразователя – 29 %). Однако стоимость производства этих элементов, а следовательно, и стоимость электроэнергии оказываются очень высокими. Стоимостные показатели оцениваются, как правило, двумя взаимосвязанными параметрами:

• стоимостью 1 Ватта установленной мощности

• стоимостью 1 кВтчаса электроэнергии

В 1974 году стоимость установленной мощности для элементов на монокристаллическом кремнии составляла 50 $/Вт. В настоящее время она снизилась до примерно 5 $/Вт. Однако, для конкуренции с другими видами производства электроэнергии необходимо её снижение до 1 – 2 $/Вт, что, при использовании монокристаллического кремния, пока недостижимо. Одним из путей решения этой проблемы является создание фотоэлектрических преобразователей на основе некристаллических полупроводников и, в частности, гидрогенизированного аморфного кремния. Значительно меньшая стоимость производства и возможность создания элементов большой площади открывает возможность снижения стоимости установленной мощности, а следовательно, стоимости электроэнергии примерно на порядок величины.

В результате, в настоящее время сложилось следующее соотношение стоимостей электроэнергии при различных видах производства:

• тепловые электрические станции – (10 – 12) центов/кВтчас;

• ветровая энергетика – 28 центов/кВтчас;

• фотоэлектрическая энергетика – (14 – 16) центов/кВтчас.

Принцип работы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП)

энергии

Работа ФЭП основана на внутреннем фотоэффекте. Рассмотрим полупроводниковую структуру с р-n переходом. При облучении её светом в области фундаментального поглощения

в полупроводнике генерируются

э лектронно-дырочные пары. В области hν p n

г енерации их концентрация возрастает,

б лагодаря чему они диффундируют к

р -n переходу. Электрическое поле V

р -n перехода разделяет электроны

(е → в n-область) и дырки R_н A

( р → в р-область). В результате (если

в нешняя цепь разомкнута) на контактах E_c

в озникает ЭДС холостого хода (U_xx), E_F φ

в еличина которой определяется контактной E_v

р азностью потенциалов φ (высотой барьера

р-n перехода).

Е сли внешняя цепь замкнута накоротко I

( R_н = 0), через неё будет протекать ток R_н

к ороткого замыкания (I_кз), определяемый I_кз

в нутренним сопротивлением ФЭП. I_m

При конечных значениях R_н ток и

напряжение будут иметь некоторые

п ромежуточные величины. Вольтамперная

характеристика будет иметь следующий вид. U_m U_кз U

Рабочая точка определяется линией нагрузки.

Коэффициент полезного действия ФЭП определяется выражением:

η = I_m· U_m / P_i = (I_кз · U_xx · F) / P_i ,

где: I_m и U_m – ток и напряжение ФЭП в режиме максимальной выходной мощности,

P_i – полный световой поток, падающий на ФЭП при стандартных условиях освещения. Как правило используют стандартные условия освещения АМ1. Они соответствуют освещенности и спектральному составу солнечного света в полдень в ясный день на поверхности Земли. Эта освещенность моделируется излучением абсолютно черного тела при температуре Т = 5800 К и потоком P_i = 100 мВт/ см².

F – коэффициент заполнения. Из предыдущей формулы следует, что:

F = (I_m · U_m) / (I_кз · U_xx).

Другими словами, коэффициент заполнения представляет собой отношение максимальной выходной мощности ФЭП к мощности, которую имел бы ФЭП с прямоугольной вольтамперной характеристикой.

Рассмотрим условия, необходимые для эффективного преобразования солнечной энергии в электрическую:

1. Эффективное поглощение полупроводником большей части солнечного излучения.

2. Эффективность «собирания» на контактах фотогенерированных электронов и дырок. Эффективность зависит от соотношения между диффузионной длиной носителей заряда и расстоянием между областью генерации и р-n переходом.

3. Достаточно большая величина барьера р-n перехода, определяющая значение напряжения холостого хода (U_xx).

4. Небольшое полное сопротивление ФЭП, включающее в себя сопротивление толщи полупроводника, контактов и так далее. Данный параметр определяет величину тока короткого замыкания (I_кз).

Поглощение полупроводником солнечного излучения определяется значениями его коэффициента оптического поглощения (α) в диапазоне энергий фотонов от 1,5 до 3,0 эВ и толщиной полупроводника.

С другой стороны, толщина полупроводника влияет на эффективность собирания фотогенерированных электронов и дырок и не должна превышать диффузионной длины носителей заряда. В противном случае носители заряда будут рекомбинировать до их разделения электрическим полем р-n перехода.

В монокристаллических полупроводниках, благодаря большой диффузионной длине эти два требования не вступают в противоречие: толщина выбирается исходя из первого требования, а второе требование заведомо выполняется.

Иная ситуация в некристаллических полупроводниках. Из-за потери дальнего порядка в этих материалах высока плотность локализованных состояний, а следовательно, мала диффузионная длина носителей заряда. Поэтому перечисленные выше требования вступают в противоречие, и для их выполнения приходится искать специальные решения.

Конструкции и характеристики ФЭП на основе

гидрогенизированного аморфного кремния

И так, для разделения и последующего собирания фотогенерированных носителей заряда в ФЭП должно быть создано внутреннее электрическое поле. В ФЭП на монокристаллических полупроводниках это поле обычно создается областью объемного заряда р-n перехода. n p

1. О бразование объемного n + - p

заряда. + -

1. Зависимость ширины от + - n

концентрации заряженных центров. p + -

нескомпенсированные: доноры акцепторы

В некристаллических полупроводниках из-за высокой плотности локализованных состояний ширина области объёмного заряда получается очень малой. Следовательно, разделение носителей заряда происходит лишь в малой части объёма полупроводника. А это, с учетом малой диффузионной длины носителей заряда, снижает эффективность «собирания» носителей заряда. В связи с этим в ФЭП на основе a-Si:H, как правило, используют следующие типы структур:

1. p⁺ - i – n⁺ структура

2. n⁺ - i – Me - барьер Шоттки.

Рассмотрим подробнее ФЭП с p⁺ - i – n⁺ структурой.

В рассматриваемой структуре фактически присутствуют два перехода: p⁺ - i и n⁺ - i переходы.

Благодаря отсутствию легирования i-области, концентрация заряженных центров в ней относительно мала. Поэтому при толщинах пленки 0,4 – 0,8 мкм область объёмного заряда распространяется практически на всю толщину i-области (рис.).

Следовательно, электрическое поле существует во всей i-области, а энергетическая диаграмма выглядит следующим образом:

Т огда генерируемые светом носители заряда в любой части i-области сразу будут разделяться электрическим полем, что обеспечит их эффективное «собирание».

Теперь надо решить вопрос:

с какой стороны (n⁺ или p⁺) делать прозрачный электрод и освещать ФЭП.

Возможны два варианта:

1. освещение со стороны p⁺ области – это так называемая нормальная (или прямая) структура:

2. освещение со стороны n⁺ области – обращенная структура:

Поглощение более вероятно ближе к освещаемой поверхности. Поэтому в случае прямой (p⁺ - i – n⁺) структуры больший путь

p⁺-i i – n⁺

p⁺ i n⁺

ρ (кул/см³)

+

+

+ + +

- - - - -

- - - - x

- -

-

-

области сильного поля