1598005503-634bb8193a0a063d19abf81fb6d27ecd (811219), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Основны- мн недостатками существующих солнечных батарей являются их вы- ннков к емния, сокая стоимость, обусловленная применением кристаллов ( ре. я, арсенида галлия) высокой степени чистоты, и техно- логические трудности при изготовлении батарей большой площади. П яеночиые фотоэлементы на базе органических фотопроводнииов Солнечные батареи большой площади представляют собой пле. лиме н ю по ж ночные фотоэлементы с р — л-переходом, панесенн б ые на ги кую пово р ую подложку. Возможности применеипя оогавичсских пол дг иков изучены значительно меньше, чем иеоргаиическах.
Казалось бы, органические фотопроводникн имеют ряд принципиальных недостатков и главные из них — низкий квантовый выход фотоэффекта и низкая подюгжность носителей тока, приводящая в конечном итоге к высоким внутренним сопротивлениям фатоэлемегжов и болыпнм омнческим потерям Низкий квантовый выход связан с т ение света в щ а в органических веществах (А) приводит к образованию не носителей тока, а электронейтральиых возбужденных состояний 1 НзО+ йч+2А- 2А'+ 2 Оэ+ 2!4+; 2А'+2Нг-ь2А+Нэ, распад которых на носители тока требует дополнительных затрат б и энергии, поскольку ширина запрещенной зоны б ужденни молекул. Имеется, однако, возможность увеличения квантового выхода фотоэффекта путем введению донорных иых п имесей, кот р сей, оторые способны иопизироваться при поглощении ими энергии возбуждения окружающих молекул. Согласно (97) в слоях фталоциапииов квантовый выход достигает 0,3 — 0,5 пр прн концентрации 158 легирующей примеси порядка 1О" см-'.
Акцепторнымн примесями являются кислород, сера, селен, донорными — атомы металлов 11ро. цесс ионизация примеси напоминает начальную стадию фотосинтеза, на которой энергия от возбужденных светом молекул хлорофилла передается на первичный центр в цепи транспорта электронов. Фталоцианины (пигменты, аналогичные по строению хаорофиллу) обладают высокой термической (температура разложения выше 723 К в инертной атмосфере и 573 К на воздухе) и химической устойчивостью, интенсивным поглощением в требуемой области спектра (1,7 — 1,8 эВ) н прн вакуумной сублимации образуют прочные слои толщиной 10-' †-з см, В настоящее время разработаны методы получения фталоцнанннов с шириной запрещенной зоны 2,0 — 2,1 эВ, собственной проводимостью порядка 1О " Ом 'см-', подвижностью носителей тока от 0,3 — 0,5 смз В Со†' во фталоцианнне без металла до 10 — 15 см' В-'с-' во фталоцнаннне меди.
Легирование кислородом создает акцепторные уровни глубиной от 0,8 до 0,5 эВ, а алюмнннем— донорные с энергией ионизации около 0,4 зВ. При концентрациях примесей 1О" — 10ы см ' получаются материалы и- в р.типов с удельной проводимостью около 1О з Ом ' см-', максимально достижимая эффективность преобразования достигает при этом 18%с Реально получаемые значения составляют менее 1% и определяются высокой скоростью рекомбиаации носителей тока в р — л-переходе н высоким внутренним сопротивлением базы фотоэлементов. Замена обычных методов легнроваиня химической модификацией молекул фталоцнацинов (введением заместителей, димеризацией, использованием ионов переменной валентности в качестве комплексообразующе. го) позволяет считать достижимыми значения эффективности нреоб. разовання в 5ч7%, Фотоэлементы на основе окисаитепьио-аосстановительиьж систем (фотогапьааиическая ячейка) Принцип действия фотогальванической ячейки состоит в следую.
щем: раствор электролита содержит поглощающий свет краситель, способный восстанавливаться, н ион, способный окисляться. Прн поглощении света молекулы красптезя переходят в возбужденное !как правило, долгоживущее триплетное) состояние, в котором они реагируют со вторым компонентом. В темоте равновесие реакции Тс+Вез+чьтн++аз~ (Т+ — тионнн, ТН+ — его семихинон) сдвинуто влево, а под действием света в результате возбуждения красит"ля создаются концентрации семихинона и трехвалентного железа, превышающие равновесные, Сопутствующее этому изменение энергии Гиббса можно преобразовать в разность потенциалов, поместив один электрод в освещенный, а другой — в неосвещенный раствор, находящийся в контакте с первым Часть поглощенной световой энергии будет при этом теряться в результате обратимой реакции в объеме раствора аналогично электронно-дырочной рекомбинации, упоминавшейся выше.
Другим пстошиком потерь является биполярная диффузия, поскольку при одинаковых потоках обоих реагентов па оба электрода фотопотевциал стремится к нулю, как и прн быстрой объемной рекомбинации. В отличие от рассмотренного выше фотоэффекта в р — л-пере- коде, где диффузия носителей нронсходит в разделяющем их электрн !еском поле, в данном случае поле в об.ьеме раствора отсутствует.
Для устранения диффузии красителя к одному из электродов в ячейку должна быть помещена мембрана, пропускающая неорганические ноны, но непрозрачная для молекул красителя, имеющих большие размеры. Последнее требование трудно выполнимо при обычно близких размерах частиц обоих компонентов. Если считать, что упомянутые выше потери могут быть снижены, эффектввность преобразования энергии в фотогальнаническай ячейке, помимо коэффипиента использования солнечного света, будет определяться энергетическим квантовым выходом фотохимической реакции, стабильностью раствора я электродов при длительном осветцении и, конечно, обратимостью электродных реакций.
Фотоэлементы, использующие фотоэффект на границе полупроводник †электрол Воэнпкнонение этого фотоэффекта связано с разделением электронно-дырочных пар, генерируемых светом в полупроводнике, в поле поверхностного барьера. Когда полупроводник находится в контакте с раствором редакс-системы, величина поверхиостнога барьера У определяется разностью потенциала плоских зон полупроводника грть и редокс-потенциала ф,: У грть фт Если это падение потенциала сосредоточено в полупроводнике, что имеет место при плотности носителей тока в нем ниже 10" см-' и концентрации электролита выше 1Π— г моль л — ', фата.ЭДС, развиваемая фотоэлементом, равна У.
Огевидно, что значение У не может превышать ширину запрещенной зоны, а практически должно быть меньше ее по крайней мере на 0,5 эВ, чтобы предотвратить ипгкскцию дырск вз раствора в полупроводник н образование вблизи границы инверсноиного слоя. По этой причине фото-ЭДС, развиваемая таким элементом, оказывается принципиально киже, чем в обычных солнечных батареях. Другим недостатком этих элементов является сраннительно низкий коэффициент собирания света (98), связаняый с поглощением значительной его чагжг вне области пространственного заряда. Некоторые преимущества опнсынаемых фотоэлементов связаны с относителыюй простотой получения поверхностного барьера по сравнению с р — п.переходом и вазможностью использования палнкристаллических материалов Однако эти преимущества едва ли смогут оправдать усложнение конструкции, вызванное использованием слоев электролита, и умеиыпенне эффективности преобразования, определяемое как указанными выше причинами, так н нестойкостью полупроводников с требуемой шириной запрещенной зоны (31, ОаАз, ООА) в растворах электролитон.
Фотохимические элементы Разность потенциалов, создаваемая в фотоэлементе при освещении, может не только совершать рабату во ннешней цепи, на и соз-' давать н самом растворе (н режиме короткого замыкания) разность потегщналов, необходимую для протеканпя хими геских реакций. Полупроводник л-типа находится в контакте с кислородным влек~родом, и его потенциал при освещении становится равным потенциалу кислороднага электрода; аналогична потенпиал освещанного палупроводянка р.тнпа, находящегося в контакте с водородным электродом, стаиовнгсн равным потенциалу последнего. Если электролы замкнуты накоротко к осуществлен контакт мегкду растворамв, в системе бу.
дет происходить электролиз воды точно так гке, иак и при подключении к электродам в отсутствие оапещеиия внешнего источника нв- ИО пряження, равного разности потенциалов кислородного и водородного электродов. Таким образом, процесс имеет признаки электролиза, н связи с чем и известен в литературе как фатоэлектролиз. '1'от же результат можно получнтгь заменив один из полулроводниковых электродов на металлический, если фото-ЭДС, развиваемая одним полупроводником, достаточна для создания требуемой разности потевциалов.
Типичным случаем описываемого процесса является фотарасщепление воды в присутствии полупроводникового элемента, анод которого выполнен из кристалла двуокиси титана ТЮт, а в качестве катодз используется электрод из платины. В результате ноздействия излучения с энергией, превышаюпгей ширину запрещенной зоны (окало 3,0 эВ), в кристалле Т!От образуются электронно-дыро гные пары. На поверхности кристалла дырки взаимодействуют с гидроксильными группами, приводя к выделению кислорода: 2р++ 20Н 20Н; 1 20Н- Н,О+ 2 О,.
На катоде ячейки электроны реагируют - ионами Н+, образуя молекулярный водород. Схематическое описание процесса дается системой уравнений ТЮ,+йтг-ь2е-+2р+; 1 2)г++ Н,О 2 0 +2Н+ (анод); 2е-+2Нэ-ьНг (катод). Эффективность такого преобразования, однако. весьма невысока даже в расчете на монахроматическпй свет. Заметное повышение эф. фективности достигается дополнением развиваемой фото-ЭДС концентрационной (платиновый катод — в ! и. растворе НтВО;, а анод из ТЮт — в 1 и. растворе щелочи), равной 0,77 В. При интенсивности света 2 10н см-з с-' (0,1 Вт см-з) выход водорода достигает 1,5 смэ ч-' см-'.
Важиым преимушеством двуокиси титана по сравнению с полупроводниками, указанными в двух предыдущих параграфах, является ее высокая стабильность в широкой области как в кислых, так и в щелмпых растворах. Однако из-за большой ширины запрещенной зоны (3 эВ) эффективность преобразования солнечного света в фотохныгггеском элементе на основе ТгОт не превышает бэ)н. Фотохимические преобразователи в отличие ат фотоэлементов не требуют создания полуправадниканых слоев большой площади и могут представлять собой сонакупяость отдельных элементов, помещенных в виде сусаеизни в рабочий раствор электролита.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
