Солнечных элементах

Настоящая книга вводит читателя в мир энергетики. В ней отражено влияние энергетики на развитие цивилизации и технический прогресс. Рассматриваются во взаимосвязи актуальные проблемы освоения энергетических ресурсов, повышения эффективности процессов преобразования энергии, разработки новых перспективных способов получения электроэнергии, проблемы использования ядерных электростанций и т. д. В книге акцентируется внимание на значении открытых физических и химических эффектов в разработке новых промышленных способов получения, преобразования и передачи электроэнергии. Анализируются возможности использования достижений в освоении космического пространства для создания солнечных электростанций.

Принципиальные схемы солнечных электростанций даны на 1-10. Солнечные электростанции нашли применение в ряде стран, имеющих значительное число солнечных дней в году.

По некоторым данным к. п. д. солнечных электростанций может быть доведен до 20%.

1 км2 можно получить в среднем 250—750 кВт мощности и выработать 2,19—6,57 млн. кВт-ч электроэнергии в год. При этом со всей территории СССР теоретически можно получить около 18000 млрд. кВт-ч электроэнергии в год. Солнечные электростанции. Принципиальные схемы солнечных электростанций (гелиоэлектростанций) даны на 1.10. Солнечные электростанции нашли применение в ряде стран, имеющих значительное число солнечных дней в году.

По опубликованным данным КПД солнечных электростанций может быть доведен до 20 %.

В одних проектах крупных солнечных электростанций тепло концентрируется с помощью зеркал и подается к котлам ПТУ. В СССР разработан проект такой ТЭС мощностью 1,2 МВт. Парогенератор, вырабатывающий пар, давление которого 16 бар и температура 350° С, монтируется на башне высотой 40 м и автоматически вращается вокруг своей оси вслед за Солнцем. Плоские зеркальные отражатели тоже автоматически поворачиваются, чтобы отражаемые от них лучи всегда иопадали на экран парогенератора. Подобные опытные установки меньшей мощности уже эксплуатируются в Италии, США, Израиле.

Следует рассмотреть еще два «узких» места крупных солнечных электростанций — аккумулирование энергии и ее передача. Для обеспечения круглосуточного энергоснабжения от солнечной электростанции требуется обеспечить аккумулирование энергии ( 2.16). Одним из вариантов решения этой проблемы является создание аккумулятора теплоты в химически связанном виде. Если бы был найден подходящий и легко доступный материал с высокой теплотой плавления и низкой точкой плавления, то избыточная теплота, вырабатываемая в дневное время, могла бы аккумулироваться, а в ночное время — использоваться для покрытия нагрузки.

а) Предположим, что 2 % площади штата Аризона выделено для размещения солнечных установок. Принимая среднюю освещенность равной 250 Вт/м2 и КПД преобразования 13%, определите, какую часть из приведенных выше данных о количестве всех производимых в США энергоресурсов и отдельно электроэнергии можно получить с этой площади с помощью солнечных электростанций.

В целях получения более высоких температур необходимо применять гелиостаты с двух-осевым вращением для слежения за Солнцем и с более сложной схемой фокусировки. Эти дополнительные особенности конструкции приводят к значительному удорожанию гелиосистемы в целом. За последние несколько лет развернулись оживленные дебаты по поводу того, целесообразно ли отдавать предпочтение «новейшим» и дорогим способам использования солнечной энергии, а не способам, основанным на получении низкопотенциальной теплоты при более низких затратах. В 1977 г. управление по энергетическим исследованиям и разработкам (ERDA) затратило 60 млн. долл. на НИОКР в области создания крупных центральных солнечных электростанций и только б млн. долл. на создание гелиоустановок, работающих при низкой и среднем температурах теплоносителя. Поскольку приверженцы «новейшей» технологии не пришли еще к единому мнению относительно того, какая система была бы наиболее подходящей для передачи теплоты от гелиостатов к центральному преобразователю, рекомендованы два способа: передача энергии в форме теплоты (т.е. по трубам) и в форме световых лучей (при помощи зеркал). Сторонники второго способа фактически одержали верх в дискуссии, так как именно на эту систему и была ассигнована львиная доля средств, полученных из госбюджета на работы в области солнечной энергетики. Ход рассуждений был примерно следующим: чем больше общая площадь коллекторов, тем больше протяженность трубопроводов для передачи нагретого теплоносителя со свойственным им ростом тепловых потерь из-за конвекции и радиации. С другой стороны, по мере увеличения площади коллекторов стоимость фокусирующих гелиостатов должна уменьшаться благодаря экономии, достигаемой за счет массовости их производства.

Федеральные ассигнования на нужды солнечной энергетики были, в сущности, ничтожными, пока энергетический кризис 1973— 1974 гг. отчетливо не продемонстрировал уязвимость энергетического хозяйства США. С тех пор размеры ассигнований на развитие солнечной энергетики значительно возросли ( 6.22), и уже имеются признаки того, что администрация президента Рейгана будет уделять гораздо меньше внимания этому вопросу. За последние 5—6 лет большая часть средств (60—70%) была направлена на создание целого ряда систем, известных под названием солнечных электростанций башенного типа. Экспериментальная установка мощностью 5 МВт (тепл.) была построена близ г. Альбукерке (штат Нью-Мексико) в конце 70-х годов. Возле г. Барстоу (штат Калифорния) сооружается пилотная солнечная установка мощностью 10 МВт.

Для размещения крупных солнечных электростанций лучше всего подходят пустыни, так как они характеризуются высоким среднегодовым уровнем солнечного излучения. На 6.23 показаны среднегодовые значения

ратора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, используемых на космических кораблях. В настоящее время ведутся разработки наземных солнечных батарей. Из полупроводниковых материалов, обеспечивающих наиболее высокий к. п. д., в солнечных элементах используют кремний, фосфид индия, арсенид галлия, сульфид кадмия, теллурид кадмия и др. К. п. д. кремниевых солнечных элементов составляет около 20%, а пленочные солнечные элементы могут иметь значительно больший к. п. д. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м2 соответственно.

Солнце — источник жизни на нашей планете и основной источник всех видов получаемой на ней энергии. В настоящее время большое внимание уделяется прямому использованию солнечной энергии. Заманчиво создание солнечных элементов для превращения энергии солнечной радиации в электрическую. В солнечных элементах используется явление фотоэффекта, т. с. вырывание электронов из тела под действием света.

В солнечных элементах используется явление фотоэффекта, т. е. вырывание электронов из тела под действием света. Фотоэффект открыт Герцем в 1887 г. и детально исследован А. Г. Столетовым в 1888 г. Несмотря на то что фотоэлектрический эффект известен давно, природа его пока полностью не изучена. Практическое использование фотоэффекта для получения электроэнергии стало возможным в последнее время в связи с прогрессом физики полупроводников.

Описанию новых сплавов на основе кремния, получаемых в тлеющем разряде, посвящена гл. 4. В ней обсуждаются электрические и оптические свойства пленок гидрогениэированных аморфных кремний-германиевых сплавов (a-Sii_xGex : Н) в связи с их применением в технологии солнечных элементов, светодатчиков. и тонкопленочных транзисторов. Введение германия в пленки a-Si : Н позволяет управлять шириной запрещенной зоны этого материала. Описаны эксперименты по управлению типом проводимости a-Si i-xCx: Н. Показано, что в пленках a-SixC1_x:H, полученных из метана, также как и в пленках a-Si : Н, можно создать, необходимую концентрацию носителей заряда определенного типа и ис-' пользовать этот материал в качестве прозрачного р-слоя в p-i-n-струк-турных солнечных элементах на основе a-Si. Здесь же дан обзор достижений в области получения и приборного применения микрокристаллического гидрогенизированного кремния (мк-Si: Н). Описаны различные методы получения мк-Si : Н и подход к выбору оптимальных условий. Основное внимание уделено методу разложения в тлеющем разряде разбавленной силановой газовой смеси. Показано, что общей тенденцией изменения структуры пленок Si: Н, полученных разложением разбавленных газовых смесей на основе SiH4 в мощном высокочастотном тлеющем разряде, является их кристаллизация. Эта тенденция усиливается при осаждении легированных пленок. На основе данных о высокой эффективности преобразования энергии в солнечных элементах, содержащих п+-слой из мк-Si : Н, показаны возможности мк-Si : Н как нового перспективного материала электронного приборостроения. В заключительной статье гл. 4 описаны свойства пленок аморфных трех-компонентных сплавов SixN1:_x:H, полученных методом тлеющего разряда из газовой смеси SiH4 + NH3 + H2. Показана возможность управления в a-SixNi^x : Н типом и концентрацией носителей заряда.

Примерно такой же стремительный рост отмечается и в отношении солнечш батарей на аморфном кремнии. Он достигнут благодаря успехам в повышении качества тонких пленок, совершенствованию структуры р-«-переходов и разработке новых материалов. Промышленность Японии ежегодно увеличивает выпуск солнечных батарей более чем вдвое. Так в 1981 г. ежемесячный выпуск настольно-карманных калькуляторов на солнечных элементах составлял 1 млн. штук, а, например, в октябре 1982 г. их выпуск достигал уже 2,5 млн.

Из известных авторам литературных источников следует, что перенос дырок в пленках TP-a-Si:H является всегда дисперсионным. Это обусловлено высокой концентрацией глубоких дырочных ловушек вблизи потолка валентной зоны [142-143]. Энергия активации дрейфовой подвижности дырок изменяется согласно различным источникам от 0,32-0,35 [123., 138] до 0,55 эВ [123]. Подвижность изменяется также в широких пределах: от 1,5 • 10~5 до 6-Ю"4 см2/(В-с) [123, 138]. Исследование эффекта насыщения введенного заряда в зависимости от силы приложенного поля в солнечных элементах со структурой р+~п- п+/ оксиды индия-олова [144] показало, что при комнатных температурах произведение дт = 5 • 10~9-НО~8 см2/В. Экспериментально показано [144], что в слабых полях время переключения при ин-жекции дырок не зависит от напряженности поля. Авторы настоящей статьи наблюдали такое же поведение дырок [145]. Слабая зависимость времени пролета от напряженности поля обусловлена тем, что нестационарный ток лимитируется здесь рекомбинацией. Это в свою очередь позволяет вычислить время жизни дырок, оказавшееся равным 10— 30 мкс.

Одна из основных проблем использования аморфного кремния и сплавов на его основе в солнечных элементах - нестабильность его оптоэлек-тронных свойств при воздействии солнечного света. Явление деградации фотопроводимости и темновой проводимостей при облучении солнечным светом впервые описано Стаеблером и Вронски и получило название "эффекта Стаеблера-Вронски". Механизм деградации изучался в различных работах и с различных точек зрения, однако никаких конкретных данных в литературе до сих пор пет. Заметим, что аналогичный эффект может приводить и к деградации фотоэлементов.

Дан обзор оптических, электрических и оптоэлектронных свойств пленок а-Si[_хСх:Н на основе данных о химической связи, полученных методами ИК-снек-троскопии и ядерных реакций. С точки зрения физики приборов проанализировано явление прозрачности легированных пленок a-Sij-xCx: Н, используемых в p-i-n солнечных элементах на основе a-Si. Представлены результаты работ но оптимизации параметров солнечных элементов на гетеропереходе a-Si i_xCx: H/a-Si : Н.

Пленки. a-Si j_xC;c : Н мог>т быть получены также разложением силапа (Sill4) и водородуглеродной газовой смеси (28, 34] или алкосилана 32] . Однако структура и оптоэлектронные свойства таких пленок оказываются сильно зависимыми от вида источника углерода и конкретных условий осаждения. Авторы 35] исследовали соотношение между структурой, оптическими и электрическими свойствами пленок a-Si[_xCx : Н, полученных из газовых смесей на основе метана и этилена. Ими показано, что в a-SiC:H, полученном из метана, почти все атомы углерода образуют тетраэдрические связи или связи с атомами Н. Такой материал, в отличие от a-Sii_xCx : Н, полученного на основе этилена, может служить прозрачным покрытием в р-1-л-солнечных элементах на основе a-Si.

Эффект прозрачности в солнечных элементах на основе a-Si,-xCx:H

Эффектом, обусловленным увеличением в р-слое ширины запрещенной зоны, является также рост потенциального барьера для электронов на границе р- и /-слоев. Соотношение ширины запрещенной зоны в гетерострук-туре a-SiC : Н (на основе метана)/a-Si: Н выбиралось таким образом, чтобы на границе р -/-слоев на краях энергетических зон появлялись ступеньки. Такой выбор позволяет практически исключить обратную диффузию электронов из /-слоя в р-слой. Наличие такого потенциального барьера играет особенно важную роль, если длины волн падающих фотонов малы. Как показано на 4.2.10, а в элементах на гетеропереходах a-SiC:H (на основе этилена) /a-Si: Н ступенька в области границы р- и /-слоев образуется на краю валентной зоны. Так как дырки не могут свободно двигаться в р-слой, фототек в элементах на гетеропереходах a-SiC : Н (на основе этилена) /a-Si: Н может быть ограничен. Экспериментальным подтверждением сказанного может служить спектральная зависимость эффек- _ тивности сбора носителей заряда ( 4.2.11). На этом рисунке представлены экспериментальные данные по эффективности сбора носителей заряда в обычных солнечных элементах нар-/-«-гетеропереходах и в гетеропереходах a-Si: Н (на основе этилена и метана)/a-Si: Н. Эффективность сбора носителей заряда в солнечных элементах на гетеропереходе a-SiC: Н (на основе CH4)/a-Si:H в области малых длин волн более чем вдвое выше эффективности обычных элементов на гомопереходе. В области длин волн ~ 550 нм прирост эффективности снижается до 20 %. Отсюда можно сделать вывод, что повышение эффективности сбора носителей заряда в области малых длин волн обусловлено в основном наличием потенциального барьера на границе р- и /-слоев гетероперехода a-SiC : Н (на основе CH4)/a-Si: Н. Кривая спектральной зависимости эффективности сбора носителей заряда в солнечных элементах на гетеропереходах a-SiC:H (на основе C2H4)/a-Si:H лежит несколько ниже кривой для элемента, изготовленного из a-SiC : Н (на основе СН4) - Положение максимумов спектральных зависимостей эффективности сбора в гетеропереходах a-SiC : Н (на основе CH4)/a-Si: Н и a-SiC : Н (на основе C2H4)/a-Si :H совпадают. Этот результат свидетельствует о том, что положение потенциального барьера на границе р- и г'-слоев в гетеропереходе a-SiC :H (на основе C2H4)/a-Si: Н соответствует показанному на 4.2.10, а.