Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии
Шрифт:
Рассмотрим вентильный фотоэлектрический генератор. Вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя), являющийся разновидностью внутреннего фотоэффекта, это возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего магнитного поля).
Фотоэффект запирающего слоя положен в основу устройства полупроводниковых, или, как их еще иначе называют, вентильных фотоэлементов приборов, непосредственно превращающих лучистую энергию в электрическую. Впервые фотоэлектрический эффект был обнаружен французским физиком А. Беккерелем в 1839 году. Однако его не применяли до 1883 года, когда Карл Фритс создал первые солнечные элементы. Он покрыл полупроводниковый селен очень тонким слоем золота, образовав соединения. Но установка была эффективна
Применение полупроводников с различными типами проводимости дало значительно лучшие результаты. Принцип действия такого фотоэлемента состоит в следующем. Пусть n-полупроводник приводится в контакт с p-полупроводником. Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении. В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается не скомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионов. В р-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионов. Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой (запирающий слой), поле которого, направленное от n-области к p-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении п>р и дырок в направлении р>п. Под действием света, проникающего сквозь тонкий слой n-полупроводника, в нем происходит внутренний фотоэффект – образуются пары зарядов электрон-дырка. Если имеется внешняя цепь, то вновь образованные электроны, не имея возможности пройти сквозь запирающий слой устремляются в нее. Дырки же легко проходят сквозь запирающий слой к р-полупроводнику, где происходит рекомбинация – в цепи начинает протекать ток. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, сернисто-серебряные и др. Интегральная чувствительность некоторых полупроводниковых материалов представлена в таблице 1
Таблица 1. Интегральная чувствительность некоторых полупроводниковых материалов
Конструктивно любой вентильный фотоэлемент довольно прост. Изготавливается так называемый нижний электрод, представляющий собой металлическую пластинку, толщиной от одного до двух миллиметров. Форма пластинки не имеет никакого принципиального значения и определяется лишь назначением фотоэлемента. Нижний металлический электрод должен быть механически прочным. На него наносится тонкий слой того или иного полупроводника. Затем он подвергается соответствующей обработке, цель которой заключается в создании в толще полупроводника р-n-перехода. Когда эта цель достигнута, на наружную поверхность в большинстве случаев наносится верхний металлический электрод, представляющий собой тонкий полупрозрачный слой металла. Иногда обработка полупроводникового слоя для создания в нем р-n-перехода проводится при нанесенном уже верхнем металлическом электроде. Бывает и так, что полупроводник обрабатывается в отсутствии обоих электродов. Последние создаются уже после образования в полупроводниковом слое р-n-перехода. При изготовлении некоторых фотоэлементов р-n-переход образуется в процессе нанесения электрода.
Неоднородность структуры достигается несколькими путями. Первый способ–легирование полупроводника различными примесями, вследствие чего образуются несколько p-n переходов. Второй способ–соединение разных полупроводников, которые имеют разную ширину запрещенной зоны, т.е. энергию отрыва из атома электрона. При этом создаются гетеропереходы.
Третий способ – изменения химического состава полупроводника, что приводит к созданию
Более того возможны комбинации перечисленных выше способов, что позволяет добиться большей эффективности преобразователя, которая зависит от электрофизических характеристик полупроводниковой структуры и оптических свойств преобразователя. Важным фактором, определяющим оптические свойства, является фотопроводимость, которая обуславливается явлением внутреннего фотоэффекта, возникающего при облучении полупроводника солнечным светом. Руководствуясь этими физическими свойствами на заводах изготавливают солнечные батареи, которые используются во многих отраслях промышленности.
Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом. Среди фотоэлектрических установок условно выделяют несколько типов по применяемому в производстве материалу (в порядке уменьшения КПД): арсенид галлия, монокристаллический кремний, поликристаллический кремний, аморфный кремний, CIGS – медь, индий, галлий и селен [2].
Сегодня можно говорить о трех поколениях фотоэлектрических элементов. К первому поколению, кристаллическому, относят монокристаллические кремниевые ФЭП, поликристаллические кремниевые и технологии выращивания тонкостенных заготовок. Второе поколение, тонкоплёночное, позволяет получать электроэнергию используя кремниевые фотоэлементы – аморфные, микрокристаллические, нано кристаллические, CSG (crystalline silicon on glass), фотоэлементы на основе теллурида кадмия (CdTe) и на основе селенида меди-индия-(галлия) (CI(G)S). ФЭП третьего поколения – элементы, фотосенсибилизованные краситилем (dye-sensitized solar cell, DSC), органические (полимерные) ФЭП (OPV), неорганические ФЭП (CTZSS) и ФЭП на основе каскадных структур.
В настоящее время основным материалом для производства солнечных элементов является достаточно распространенный химический элемент – кремний (Si), составляющий почти четвертую часть массы земной коры. Однако встречается он в природе в связанном виде (SiO2). Технология извлечения чистого кремния сложна и дорога. Основные трудности в производстве чистого кремния связаны, прежде всего, с несовершенством технологий извлечения и очистки, до сих пор остающимися на уровне 50-х годов 20-го века. Так называемый, «грязный» кремний (содержащий более 1 процента примесей) добывается электродуговым методом. Так, из тонны кварцевого песка, содержащего около 500 кг кремния, при применении действующих сегодня технологий электродугового извлечения и хлорсилановой очистки, получается от 50 до 90 кг «солнечного» кремния. Уже давно существуют более прогрессивные технологии, например, карботермический цикл, применяемый для получения чистого кремния немецкой фирмой Siemens. В результате применения этой технологии энергозатраты снижаются на порядок и в 10–15 раз увеличивается производительность, что приводит к уменьшению стоимости конечного продукта до 5–15 долларов за 1 килограмм.
В стоимости кремниевых солнечных модулей не менее 20 % составляют расходы на исходный материал – поликристаллического Si. Однако вследствие напряженности с поставками сырья производители ФЭП разрабатывают альтернативное кремниевое сырье. Для удешевления солнечных элементов необходимо либо снизить цену исходного материала, либо уменьшить расход Si при изготовлении солнечных элементов. Последний вариант реализуется в области разработки тонкопленочных солнечных элементов на основе аморфного Si.
Производство чистого кремния трудоемко и связано со сложными технологическими процессами с участием больших количеств хлора и хлор водорода, ректификации трихлорсилана и восстановления кремния водородом.
В настоящее время проводятся интенсивные разработки новых технологий производства Si, пригодного для изготовления солнечных элементов с высоким КПД. Можно выделить несколько основных направлений разработки методов.
1. Пиролиз летучих соединений кремния. Высокочистый кремний получают моно-, ди-, три-, тетрахлорсилановым, методом алкоксисилановой технологии, дигалогенидным способом.