Материалы для изготовления полупроводников и строение фотоэлемента

Лекция 3

Солнечная энергия. Использование солнца как источника электрической энергии. Солнечные термоэлектрические и фотоэлектрические преобразователи. Термодинамическое преобразование солнечной энергии в электрическую. Солнечные электростанции.

В 1996 году на Всемирной встрече по проблемам солнечной энергии (г.Хараре, Зимбабве) приняты «Всемирная солнечная программа» и «Харарская Декларация по солнечной энергетике и устойчивому развитию», определившие, что солнечная энергия должна играть заметную роль в обеспечении энергией, сохранении использования природных ресурсов и уменьшении деградации окружающей среды.

Источник лучистой энергии - Солнце - ближайшая к Земле звезда, раскалённый плазменный шар радиусом 696 тыс.км. Солнце вращается вокруг своей оси в том же направлении, что и Земля. Светимость Солнца 3,86х10²³ кВт, эффективная температура поверхности около 6000 К, химический состав: водород - около 90% , гелий – 10%, другие элементы – менее 0,1%.

Источник энергии Солнца – ядерные превращения водорода в гелий в центральной области Солнца, где температура около 15 млн К. Энергия из недр Солнца к его поверхности переносится излучением, а затем во внешнем слое, толщиной около 0,2 радиуса шара – конвекцией. Конвективное движение плазмы определяет наличие фотосферной грануляции - солнечных пятен. Интенсивность плазменных процессов на Солнце периодически – через 11 лет меняется. На Землю, находящуюся от Солнца на расстоянии 149 млн км поступает поток солнечной лучистой энергии мощностью около 2 10¹⁷Вт.

Солнечный спектр можно разделить на три основные группы:

- ультрафиолетовые излучение (длины волны до 0,4 мкм) – 9% интенсивности;

- видимое излучение (длины волны от 0,4 мкм до 0,7 мкм) – 45% интенсивности;

- инфракрасные (тепловое) излучение (длины волны более 0,7 мкм) – 46 % интенсивности;

Для количественной оценки излучения применяется величина, называемая интенсивностью.

Интенсивность Е_с[Вт/м²] – эта мощность лучистой энергии, приходящей за пределами земной атмосферы в секунду на квадратный метр площади, перпендикулярной солнечным лучам.

При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном за счет поглощения излучения парами воды – облаками (инфракрасное излучение), озоном (ультрафиолетовое излучение), частицами пыли, золы, дыма и аэрозолей, за счет рассеяния светового потока молекулами газов. Все эти поглощения света образуют понятие – оптическая плотность атмосферы или атмосферная масса (АМ).

При нулевой атмосферной массе АМ0 на верхней границе атмосферы и в космическом пространстве интенсивность излучения равна Ес = 1360 Вт\м².

Величина атмосферной массы АМ1 соответствует оптической плотности чистого безоблачного неба над уровнем моря при расположении Солнца в зените.

Стандартной величиной атмосферной массы является АМ1,5 при θ = 41° 49′ , при которой плотность солнечного излучения Ес = 835 Вт\ м².

В диапазоне оптических частот существенно проявляется квантовый характер электромагнитного излучения и двойственность природы света – волновая и корпускулярная.

Квант электромагнитного излучения – ФОТОН - элементарная частица, обладающая нулевой массой покоя и скоростью, равной скорости света. Она не имеет ни электрического заряда, ни магнитного момента. Энергия фотонов hν=[ эВ], в излучении с длиной волны λ определяется соотношением

hν = hc\ λ = 1,24\ λ (1)

где h=6,63∙10^-34 Дж∙ с – постоянная Планка;

с= 2,99∙10⁸ м/с - скорость света;

λ – длина волны, мкм.

Электрон-вольт – работа, которую необходимо совершить, чтобы переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1В.

1 эВ =1,6∙10^-19 Дж.

Граничная длина волны, начиная с которой фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с шириной запрещенной зоны Е_g: λ_гр= 1,24/ Е_g.

Более длинноволновое излучение не поглщается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования.

Запрещенная зона - зона, характеризующаяся отсутствием энергетических уровней, различна по ширине для разных материалов.

Солнечное излучение на поверхность Земли зависит от многих факторов:

– широты и долготы местности;

– географических и климатических особенностей; – состояния атмосферы;

– высоты Солнца над горизонтом;

– размещение приемника солнечного излучения на Земле;

– размещение приемника солнечного излучения по отношению к Солнцу и т. д.

Суммарное солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, обычно состоит из трех составляющих:

1. Прямое солнечное излучение, поступающее от Солнца на приемную площадку в виде параллельных лучей.

2. Диффузионное или рассеянное молекулами атмосферных газов и аэрозолей солнечное излучение.

3. Отраженнаяземной поверхностью доля солнечного излучения.

Классификация солнечных энергетических установок.Солнечная энергия на Земле используется с помощью солнечных энергетических установок, которые можно классифицировать по следующим признакам:

– по виду преобразования солнечной энергии в другие виды энергии – тепло или электричество;

– по концентрированию энергии – с концентраторами и без кон-центраторов;

– по технической сложности – простые (нагрев воды, сушилки, на-гревательные печи, опреснители и т. д.) и сложные.

Сложные солнечные энергетические установки можно разделить на два подвида.

Первый базируется в основном на системе преобразования сол-нечного излучения в тепло, которое далее чаще всего используется в обычных схемах тепловых электростанций. К таким установкам относятся башенные солнечные электрические станции, солнечные пруды, солнечные энергетические установки с параболоцилиндрическими концентраторами. Сюда же относятся и солнечные коллекторы, в которых происходит нагрев воды с помощью солнечного излучения.

Второй подвид солнечных энергетических установок базируется на прямом преобразовании солнечного излучения в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок.

В настоящее время в мире и в России наиболее перспективными являются два вида солнечных энергетических установок:

– солнечные коллекторы;

– солнечные фотоэлектрические преобразователи.

Термоэлектрическиепреобразователи

В основе прямого преобразования тепловой энергии солнечного излучения в электричество лежит эффект Зеебека, открытый в 1821 году. Если спаять концами два проводника разного химического состава и поместить спаи в среды с разными температурами (рисунок 1), то между ними воз-никает термо-ЭДС:

Е =α(Т₁ - Т2), (2)

где Т1– абсолютная температура горячего спая; Т2– абсолютная температура холодного спая; α– коэффициент пропорциональности.

В цепи проводников возникает ток I , причем горячий спай за секунду поглощает теплоту из нагретого источника в количестве Q = αT₁I , а холодный спай отдает теплоту низкотемпературному телу в количестве

а)

б)

Рисунок 1 – Конструкция термоэлектрического преобразователи

Q₂= αT2I . Разность подведенной и отведенной теплоты составляет секундную работу тока L, Вт:

L = α(T₁ –T₂)I . (3)

Отношение работы к подведенной теплоте есть термический КПД процесса преобразования:

(4)

Таким образом, КПД идеального термоэлектрического преобразователя совпадает с термическим КПД цикла Карно и полностью определяется абсолютными температурами холодного и горячего спаев. В реальных преобразователях имеют место потери из-за электрического со-противления проводников, их теплопроводности и термического сопротивления теплообмену спаев с окружающими средами. Поэтому дейст-вительный КПД установки равен:

(5)

ç

где 1 – относительный электрический КПД преобразователя.

При использовании металлических термоэлектродов КПД термо-электрических преобразователей очень мал – не превышает сотых долей процента.

Значительный эффект дает применение полупроводников – КПД возрастает до величины порядка 10 %..

В современных термоэлектрических генераторах полупроводниковые термоэлементы, в которых горячие спаи нагреваются солнечными лучами, соединены последовательно. Такого рода генераторы применяются в качестве автономных источников электроэнергии для потребителей малой мощности – маяков, морских сигнальных буев, космических аппаратов и т. п.

Термогенераторы бывают низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные.
Максимальная рабочая температура самых распространённых термоэлектрических генераторов – 200-250°C (они относятся к классу низкотемпературных). Их типовые размеры – 3 х 3 и 4 х 4 сантиметра. Напряжение, ток, мощность – порядка 2В, 1А, 2Вт (при температурах холодного / горячего спая 50 - 150 °С). Конечно, такие термоэлементы не бросишь в костёр или печь. Температура пламени костра и горячих углей достигает от 300 до 600-1200 градусов по шкале Цельсия.

Фотоэлектрическиепреобразователи

Фотоны взаимодействуют электромагнитным образом со всеми элементарными частицами, создают процессы – излучение, поглощение, упругое рассеяние энергии. Под действием потока фотонов в некоторых полупроводниках возникает внутренний фотоэффект, при котором происходит переход носителей зарядов из связанного состояния в свободное и скопление их на p – n переходах, создающее разность потенциалов на поверхностях элемента.

Вентильный фотоэффект или фотоэлектрический эффект – это возникновение ЭДС в системе, содержащей контакт двух разных полупроводников или полупроводника и металла при поглощении квантов излучения оптического диапазона.

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует эн ергию фотонов в электрическую энергию. Подразделяются на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Действие прибора основано на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 10-18 %, у лучших образцов до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнуты КПД около 44,7 %.

Материалы для изготовления полупроводников и строение фотоэлемента

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах(т.е. в фотоэлементе, состоящего из двух полупроводников разной проводимости) при воздействии на них солнечного излучения.

Для получения этого эффекта используются специальные вещества – полупроводники. Они бывают двух типов: с p- и n-проводимостью. N-проводимость означает избыток электронов в веществе, p-, соответственно, - их недостаток

Неоднородность структуры ФЭП может быть получена:

- легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов), например, кремний с добавкой фосфора для получения слоя с n-проводимостью (электронная проводимость), кремний с добавкой бора для получения слоя с р-проводимостью (дырочная проводимость;

- путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов);

- за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур).

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры (фотоэлемента) а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость.
Среди фотоэлектрических установок условно выделяют несколько типов по применяемому в производстве материалу (в порядке уменьшения КПД):

· арсенид галлия (жесткие, тяжёлые модули с КПД 10-25%, сохраняют работоспособность до температур +150°С, спектр 0.5-0.9 – "видимый", дорогие);

· монокристаллический кремний и поликристаллический кремний (жесткие, КПД 12-20% – уменьшается при нагреве - 0.45%/°С считая от +25°С, спектр 0.5-1.0 – "видимый + инфракрасный");

· аморфный кремний (гибкие батареи, КПД 5-10%, спектр 0.2-0.7 – "ультрофиолет+видемый");

· сульфидно-кадмиевые (тонкоплёночные – гибкие, КПД 5-10% – стабилен до температур +100°С, спектр 0.2-0.7– "ультрафиолет");

· CIGS – медь, индий, галлий и селен.

Арсенид галлия – один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей. Это объясняется следующими его особенностями:

– почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ши-рина запрещенной зоны 1,43 эВ;

– повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;

– высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эф-фективностью 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 или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет воз-можности при проектировании солнечных элементов.

Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать солнечные элементы на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.

Кремний до сих пор остается основных материалом для производства фотоэлементов. Вообще кремний (Silicium, Silicon) — второй по распространенности элемент на Земле, запасы его огромны. Однако в промышленном его использовании есть одна большая проблема — его очистка. Процесс этот очень трудоемкий и затратный, поэтому чистый кремний стоит дорого. Сейчас ведется поиск аналогов, которые бы не уступали кремнию по КПД. Перспективными считаются соединения меди, индия, селена, галлия и кадмия, а также органические фотоэлементы.

На основе кремния производятся фотопанели трех видов:

1 Из монокристаллов. Для их изготовления выращиваются монокристаллы с однородной структурой. В результате такие фотоячейки отличаются равномерной поверхностью и, как следствие, лучше поглощают солнечные лучи. Иными словами, их КПД выше, чем у других видов, но при этом они стоят несколько дороже. Эти ячейки имеют вид квадратов со скошенными углами или многоугольников, что объясняется формой монокристаллической кремниевой заготовки.
2 Из поликристаллов. Такие ячейки имеют неоднородную, поликристаллическую, структуру. Их светопоглощение несколько ниже, чем у моноячеек, поскольку неравномерная поверхность отражает часть лучей.
3 На тонких пленках. Принцип работы таких солнечных батарей аналогичен кристаллическим. Но выпускаются они в виде гибких ячеек, которые можно устанавливать на криволинейных поверхностях. Эти батареи дешевы в производстве, и довольно эффективны, но для бытовых целей применяются редко, поскольку по сравнению с кристаллическими занимают большую площадь (примерно в 2,5раза) на единицу мощности.

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к погло-щению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина за-прещенной зоны – 1,0 эВ).

Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, ис-пользующие органические материалы. Коэффициент полезного дейстия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок – ~11 %.

Теллурид кадмия (CdTe) – еще один перспективный материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Плен-ки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологиче-ски несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.

Самый первый в мире фотоэлемент появился в 1883 году в лаборатории Чарьза Фриттса. Он был изготовлен из селена, покрытого золотом. Увы, но такой набор материалов показал невысокие результаты — около1%КПД.
Революция в использовании фотоэлементов произошла тогда, когда в недрах лаборатории компании «Bell Telephone» был создан первый элемент на кремнии.

Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из алюминиевой подложки, двух слоев полупроводников с разной проводимостью, защитного антибликового стекла и отрицательных электродов (рисунок 2 ). К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода — p-слой (дырочная проводимость).
Принцип действия фотоэлемента

Контакт p-или n-полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля, играющего важную роль в работе солнечного фотоэлемента.

Рассмотрим причину возникновения контактной разности потенциалов. При соединении в одном монокристалле полупроводников p- и n-типа возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- в n-полупроводник. В результате такого процесса прилегающая к p-n переходу часть полупроводника p-типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к p-n переходу часть полупроводника n-типа, наоборот, приобретет положительный заряд.

Рисунок 2 - Строение фотоэлемента

Таким образом, вблизи p-n перехода образуется двойной заряженный слой, который противодействует процессу диффузии электронов и дырок. Действительно, диффузия стремится создать поток электронов из n-области в p-область, а поле заряженного слоя, наоборот, – вернуть электроны в n-область.

Аналогичным образом поле в p-n переходе противодействует диффузии дырок из p- в n-область. В результате устанавливается равновесное состояние: в области p-n перехода возникает потенциальный барьер, для преодоления которого электроны из n-полупроводника и дырки из p-полупроводника должны затратить определенную энергию.

Рассмотрим работу p-n перехода в фотоэлементах. При поглощении света в полупроводнике возбуждаются электронно-дырочные пары. В однородном полупроводнике фотовозбуждение увеличивает только энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве, то есть электроны и дырки разделяются «пространстве энергий», но остаются рядом в геометрическом пространстве.

Для разделения носителей тока и появления фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС) должна существовать дополнительная сила. Наиболее эффективное разделение неравновесных носителей имеет место именно в области p-n перехода. Генерированные вблизи p-n перехода «неосновные» носители (дырки в n-полупроводнике и электроны в p-полупроводнике) диффундируют к p-n переходу, подхватываются полем p-n перехода и выбрасываются в полупроводник, в котором они становятся основными носителями: электроны будут локализоваться в полупроводнике n-типа, а дырки – в полупроводнике p-типа.

В результате полупроводник p-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник n-типа – отрицательный. Между n- и p-областями фотоэлемента возникает разность потенциалов – фотоЭДС, или напряжение в режиме холостого хода. Полярность фотоЭДС соответствует «прямому» смещению p-n перехода, которое понижает высоту потенциального барьера и способствует инжекции дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область. В результате действия этих двух противоположных механизмов – накопления носителей тока под действием света и их оттока из-за понижения высоты потенциального барьера – при разной интенсивности света устанавливается разная величина фотоЭДС. При этом величина фотоЭДС в широком диапазоне освещенностей растет пропорционально логарифму интенсивности свет, достигая насыщения при больших освещённостях.

При коротком замыкании освещенного p-n перехода в электрической цепи потечет ток, пропорциональный по величине интенсивности освещения и количеству генерированных светом электронно-дырочных пар. При включении в электрическую цепь полезной нагрузки, величина тока в цепи несколько уменьшится. Обычно электрическое сопротивление полезной нагрузки в цепи солнечного элемента выбирают таким, чтобы получить максимальную отдаваемую этой нагрузке электрическую мощность.