Солнечные батареи

Полупроводниковые солнечные  батареи имеют очень важное достоинство - долговечность. При том, что уход за ними не требует от персонала особенно больших знаний. Вследствие этого солнечные батареи становятся все более популярными в промышленности и быту.

Несколько квадратных метров солнечных батарей вполне могут  решить все энергетические проблемы небольшой деревушки. В странах  с большим количеством солнечных  дней - южной части США, Испании, Индии, Саудовской Аравии и прочих - давно  уже действуют солнечные электростанции. Некоторые из них достигают довольно внушительной мощности.

Сегодня уже разрабатываются  проекты строительства солнечных  электростанций за пределами атмосферы - там, где солнечные лучи не теряют своей энергии. Уловленное на земной орбите излучение предлагается переводить в другой тип энергии - микроволны - и затем уже отправлять на Землю. Все это заучит фантастично, однако современная технология позволяет  осуществить такой проект в самом  близком будущем.

Солнечные батареи на верблюде.

Большое количество научных  экспериментов и тонких технологий требуют подчас создания огромной температуры. Идеальный вариант - солнечная энергия, способная создавать гигантские температуры на небольшой площади. Самая известная "солнечная печь" действует во французском местечке Одило. Ее подвижные зеркала концентрируют энергию солнца с большой площади на площадке менее одного квадратного метра. Эта площадка находится на небольшой башне перед системой зеркал. В ясные дни в фокусе зеркал удается достигнуть температуры в 3300°С. С ее помощью в Одило создают материалы с особенными свойствами, которые невозможно получить в традиционной металлургии.

Интенсивность солнечного излучения  в свободном пространстве на удалении, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной  постоянной. Ее величина – 1353 Вт/м2. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется “воздушной массой” (АМ). АМ определяется как секанс угла между Солнцем и зенитом. 
На рис.1.1 показано спектральное распределение интенсивности солнечного излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, соответственно. При этом полная мощность излучения – соответственно порядка 925 и 691 Вт/м². Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце – под углом 45° к горизонту).

 

Рис.1.1 Распределение интенсивности по спектру солнечного излучения.

Таким образом, при использовании  высокоэффективных методов преобразования энергии Солнце может обеспечивать бурно растущие потребности в ней практически вечно.

Проблема:

Солнечная энергетика открыта  уже довольно давно. Но ее долго не рассматривали в качестве крупного источника энергии из-за дороговизны  производства. Время шло, и технологии развивались. Солнечные панели подешевели и стали серьезным источником энергии. В прошлом году во всем мире суммарная мощность солнечных электростанций превысила 20 гигаватт! И этот показатель с начала нынешнего века удваивается  каждые три года. В стороне только Россия.

 

1.2. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения.

1. Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.
2. Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин:
3. паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;
4. двигатель Стирлинга и т. д.
5. гелиотермальная энергетика — Нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).
6. Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
7. Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

 

1.3. Фотоэлемент. Физический принцип работы фотоэлемента.

Фотоэлемент — электронный  прибор, который преобразует энергию  фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем  фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века. На рис. Показан фотоэлемент на основе поликристаллического кремния.

Преобразование энергии в ФЭП  основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при  воздействии на них солнечного излучения.

Фотоэлектрический эффект - явление испускания электронов веществом  под действием света. Было открыто  в 1887 Г.Герцем, обнаружившим, что искровой разряд в воздушном промежутке легче возникает при наличии поблизости другого искрового разряда. Герц экспериментально показал, что это связано с ультрафиолетовым излучением второго разряда. В 1889 Дж.Томсон и Ф.Ленард установили, что при освещении поверхности металла в откачанном сосуде она испускает электроны. Продолжая эти исследования, Ленард продемонстрировал в 1902, что число электронов, вылетающих в 1 с с поверхности металла, пропорционально интенсивности света, тогда как их энергия зависит лишь от световой длины волны, т.е. цвета. Оба эти факта противоречили выводам теории Максвелла о механизме испускания и поглощения света. Согласно этой теории, интенсивность света служит мерой его энергии и, конечно, должна влиять на энергию испускаемых электронов.

При определенных условиях фотоэффект возможен в газах и  атомных ядрах, из которых фотоны с достаточно высокой энергией могут  выбивать протоны и рождать мезоны. Фотоэлектрические свойства поверхности  металла широко используются для управления электрическим током посредством светового пучка, при воспроизведении звука со звуковой дорожки кинопленки, а также в многочисленных приборах контроля, счета и сортировки. Фотоэлементы находят применение также в светотехнике.

 

 

1.4. Конструкция солнечного элемента

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения –  на основе монокристаллического кремния показана на рис. 1.2.

 

 

 

 

 

 

Рис 1.2.  Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ).

 

 На малой глубине  от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Когда СЭ освещается, поглощенные  фотоны генерируют неравновесные электроно-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис. 1.3а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. 1.3б). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному.

Рис.1.3 Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) - в начальный момент освещения; б) - изменение зонной модели под действием постоянного освещения и возникновение фотоЭДС.

 

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис.1.4):

рис 1.4 Вольт-амперная характеристика (ВАХ) солнечного элемента.

 

U=(kT/q)ln((I_ph-I)I_s/+1) 
где I_s– ток насыщения, а I_ph – фототок. 
    ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис. 1.5), включающая источник тока I_ph=SqN₀Q, где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q – безразмерный множитель (<1), показывающий, какая доля всех созданных светом электронно-дырочных пар (SN0) собирается p-n-переходом. Параллельно источнику тока включен p-n-переход, ток через который равен I_s[e^qU/kT–1]. p-n-Переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток I.

Уравнение ВАХ справедливо  и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального  состава, изменяется лишь значение фототока Iph. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а (см. рис. 1.4).

Рис 1.5.

Максимальная мощность, снимаемая  с 1 см2, равна 
P = I_ph*U = x*I_кз*U_хх , 
где x – коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики, I_кз – ток короткого замыкания, U_хх – напряжение холостого хода.

 

2.4. Виды солнечных  элементов

Для эффективной работы солнечных  элементов необходимо соблюдение ряда условий:

• оптический коэффициент поглощения (a) активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;
• генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;
• солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;
• полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;
• структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.

 

2.4.1. Фотоэлементы первого поколения – на основе пластин кристаллического кремния. 

 

      Рабочим элементом этих ячеек являются пластины монокристаллического или мультикристаллического кремния. Фотоэлементы этого типа составляют более 80% всех фотоэлементов. Монокристаллические пластины получают, разрезая слитки монокристаллов кремния, выращенных методом плавающей зоны, или методом Чохральского. Мультикристаллические пластины получают, разрезая поликристаллические слитки кремния, полученные при направленной кристаллизации в тигле.

       Эти пластины состоят из ориентированных монокристаллов кремния размером от нескольких миллиметров до сантиметра и более. Пластины нарезают механическим способом или лазером. Толщина пластин составляет 200-300 мкм. Кремниевые солнечные элементы с рекордной эффективностью фотопреобразования в 24,7% выполнены на основе монокристаллического кремния, выращенного методом плавающей зоны. Используя монокристаллический кремний, выращенный методом Чохральского, который существенно дешевле, чем монокристаллический кремний, полученный методом плавающей зоны, компания Sanyo (Япония) освоила промышленное производство солнечных панелей со средней эффективностью ~20%, а на элементах размером ~100 см² была достигнута эффективность в 21,5%. Особенностью этих элементов является наличие дополнительных слоев широкозонного полупроводника (в случае элементов Sanyo - это аморфный кремний, осажденный методом PECVD) с обеих сторон кремниевой пластины, что повышает их эффективность.

       За последние 30-40 лет были разработаны более 20 технологий, направленных на снижение потерь кремния при производстве пластин кремния из слитков. В частности, разработан метод роста восьмигранных слитков кремния (вместо круглых), основанный на вытягивании слитков из расплава при помощи восьмигранной графитовой фильеры. Тонкие восьмигранные листы кремния, нарезанные из таких слитков, позволяют их плотную укладку при производстве модулей без потерь кремния на придание им такой рациональной формы. Также разработаны малоотходные технологии резки слитков, в частности, резка проволочной пилой, позволяющая уменьшить ширину реза и получать листы кремния толщиной до 100 мкм. В настоящее время широко используется лазерная резка, позволяющая повысить производительность процесса. Другой способ, позволяющий более эффективно использовать монокристаллический кремний, состоит в том, что слиток разрезают на прямоугольные пластины толщиной 1-2 мм, которые, используя технику микромашинной резки, нарезают на пластинки толщиной ~50 мкм, шириной соответственно 1-2 мм и длиной до 10 см.