lecture03 (Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций. В.А. Агеев, 2004), страница 2

Нагрузочная ВАХ p–n-перехода в GaAs и характеристики Rн призначениях 0,1 (1), 1,026 (2) и 10 Ом (3) (а) и эквивалентная схема освещенного p–n-перехода с сопротивлением нагрузки (б).При известных параметрах нагрузочной ВАХ (3.3.2) и заданном значе©Кафедра теплоэнергетических систем, 20047Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)нии Rн величины I н и U н находятся методом последовательных приближений при совместном решении (3.3.2) и (3.3.3) либо графически, как это сделано на рис. 3.3.1, а. Если Rн мало, пересечение графиков происходит на горизонтальном участке нагрузочной ВАХ, т.е.

на участке, где «темновым» током через p–n-переход можно пренебречь по сравнению с фототоком. По мере увеличения Rн ток через нагрузку уменьшается, т.к. с увеличением прямого смещения p–n-переход как бы шунтирует нагрузку.Т. о., освещенный p–n-переход в соответствии с выражением (3.3.2)может быть представлен в виде эквивалентной схемы (рис. 3.3.1, б). Здесьисточник тока имитирует генерацию постоянного фототока, не зависящего отнапряжения p–n-перехода, а диод представляет собой неосвещенный p–nпереход.

При варьировании R н фототок перераспределяется между нагрузкой и p–n- переходом.Электрическая мощность, выделяемая в нагрузке, определяется поформуле (пренебрегаем единицей в формуле (3.3.2))⎛ qU н ⎞P = I нU н = I фU н − I 0U н exp⎜⎟⎝ AkT ⎠(3.3.4)В режимах короткого замыкания и холостого хода P = 0 , посколькулибо U н , либо I н равны нулю.3.4. Конструкции и материалы солнечных элементовПроизводство структур на основе монокристаллического кремния –процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание былообращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (aSi:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернати-вы монокристаллическому.

Первые СЭ на его основе были созданы в 1975©Кафедра теплоэнергетических систем, 20048Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади нетребуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ наоснове монокристаллического кремния.

По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят приболее низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе аSi:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%).Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основеа-Si:Н достигнет теоретического потолка – 16 %.Арсенид галлия – один из наиболее перспективных материалов длясоздания высокоэффективных солнечных батарей.

Это объясняется следующими его особенностями:- почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина за-прещенной зоны 1,43 эВ;- повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуетсяслой толщиной всего в несколько микрон;- высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективно-стью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;- относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;- характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором илииндием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности припроектировании солнечных элементов.Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе –©Кафедра теплоэнергетических систем, 20049Агеев В.А.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основеGaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяетразработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда,что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный солнечный элемент на основе GaAs состоит из оченьтонкого слоя AlGaAs в качестве окна.Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость.

Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевыхподложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложкахмногократного использования.Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективныдля солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощениюсолнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны –1,0 эВ) [2,5]. Наиболее распространенным материалом для изготовления окнасолнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшенияпрозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк.

Немного галлия в слоеCuInSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства. Один из основных способов получения CuInSe2 – электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной водепри соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH>>1,2–2,0.Теллурид кадмия (CdTe) – еще один перспективный материал для фо-товольтаики.

У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) иочень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают ге©Кафедра теплоэнергетических систем, 200410Агеев В.А.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)теропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется какпрозрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe – высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит кбольшим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают высокой подвижностью носителей заряда, а солнечные элементы на их основе – высокими значениями КПД,от 10 до 16%.Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, использующие органические материалы. Коэффициент полезного действия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок – ~11 %. Основа солнечны элементов данного типа –широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органического красителя.

Принцип работы элемента основан на фотовозбуждениикрасителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2. Приэтом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток ина платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида.Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.Литература1.

Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. – Л.: Наука, 1989. –310 с.2. Бринкворт Б. Солнечная энергия для человека. Пер. с англ. В.Н. Оглоблева. Под ред. и предисл. Б.В. Тарнижевского. – М.: Мир, 1976. – 291 с.3. Мейтин М. Фотовольтаика: материалы, технологии, перспективы.©Кафедра теплоэнергетических систем, 200411Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Содержание3. Физические основы процессов преобразования солнечной энергии ............

13.1. Интенсивность солнечного излучения........................................................... 13.2. Фотоэлектрические свойства p–n перехода .................................................. 33.3. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента ............................... 63.4. Конструкции и материалы солнечных элементов ........................................ 8Литература ............................................................................................................. 11©Кафедра теплоэнергетических систем, 200412.