Maksimale effektivitetsværdier for fotoceller og moduler opnået under laboratorieforhold. Princippet for drift af et solcellebatteri: hvordan et solpanel er opbygget og virker Elektrovakuum og halvleder fotovoltaiske solenergi omformere

Zagatin Sergey

Emnet for mit arbejde, "Fotovoltaiske konverteringer af solenergi," er mest relevant på nuværende tidspunkt.

I det abstrakte beskrev jeg metoder til omdannelse af solenergi, der kunne imødekomme hurtigt voksende energibehov i mange tusinde år. Elektricitet er den mest bekvemme type energi at bruge og overføre, da solstråling er en praktisk talt uudtømmelig energikilde.

Efter min mening vil storstilet udvikling af solcelleenergi give et enormt løft til udviklingen af områder på Jorden med høj gennemsnitlig årlig solstråling.

Hent:

Eksempel:

Færdiggjort af: Zagatin S.V.

elev af klasse 10A

Leder: Luchina T.V.

Fysiklærer

2008

	INTRODUKTION………………………………………………………
	SOLENERGIKONVERTERING ER EN LOVENDE VEJ TIL UDVIKLING AF ENERGIENERGIE...
	FOTOVOLTAISK KONVERTERING AF SOLENERGIE………………………………………………………………………………………..
	KONKLUSION………………………………………………………………
	LITTERATUR………………………………………………………

INTRODUKTION

Den hurtige vækst i energiforbruget er et af de mest karakteristiske træk ved menneskelig teknisk aktivitet i anden halvdel af det 20. århundrede. Indtil for nylig var energiudviklingen ikke stødt på nogle grundlæggende vanskeligheder. Stigningen i energiproduktionen opstod hovedsageligt på grund af en stigning i produktionen af olie og gas, som er mest bekvemme til forbrug. Energi viste sig imidlertid at være den første store sektor i verdensøkonomien, der stod over for en situation med udtømning af sin traditionelle råvarebase. I begyndelsen af 70'erne udbrød en energikrise i mange lande. En af årsagerne til denne krise var den begrænsede tilgængelighed af fossile energiressourcer. Derudover er olie, gas og kul også de mest værdifulde råstoffer for den hastigt udviklende kemiske industri. Derfor er det nu stadig sværere at opretholde et højt tempo i energiudviklingen ved udelukkende at bruge traditionelle fossile energikilder.

Atomenergi har også for nylig stået over for betydelige vanskeligheder, primært relateret til behovet for at øge omkostningerne kraftigt for at sikre kernekraftværkernes sikkerhed.

Miljøforurening fra forbrændingsprodukter fra fossile kilder, primært kul og nukleart brændsel, er årsagen til forværringen af miljøsituationen på Jorden. Den "termiske forurening" af planeten, der opstår ved afbrænding af enhver form for brændstof, er også betydelig. Den tilladte øvre grænse for energiproduktion på Jorden er ifølge nogle videnskabsmænd kun to størrelsesordener højere end det nuværende globale gennemsnit. Denne stigning i energiforbruget kan føre til en stigning i temperaturen på jordens overflade med omkring en grad. En forstyrrelse af klodens energibalance i en sådan skala kan føre til irreversible, farlige klimaændringer. Disse omstændigheder bestemmer den voksende rolle for vedvarende energikilder, hvis udbredte brug ikke vil føre til forstyrrelse af Jordens økologiske balance.

SOLENERGIMANDRING - EN LOVENDE VEJ

De fleste vedvarende energityper - vandkraft, mekanisk og termisk energi fra verdenshavene, vind- og geotermisk energi - er kendetegnet ved enten begrænset potentiale eller betydelige vanskeligheder ved udbredt anvendelse. Det samlede potentiale for de fleste vedvarende energikilder vil kun øge energiforbruget fra det nuværende niveau med en størrelsesorden. Men der er en anden energikilde - Solen. Solen, en stjerne af spektralklasse 2, en gul dværg, er en meget gennemsnitlig stjerne i alle dens hovedparametre: masse, radius, temperatur og absolut størrelse. Men denne stjerne har en unik egenskab - den er "vores stjerne", og menneskeheden skylder hele sin eksistens til denne gennemsnitlige stjerne. Vores stjerne forsyner Jorden med en styrke på omkring 10 17 W - sådan er kraften i det "solrige sted" med en diameter på 12,7 tusinde km, som konstant oplyser siden af vores planet, der vender mod solen. Intensiteten af sollys ved havoverfladen på sydlige breddegrader, når solen er i zenit, er 1 kW/m 2 . Ved at udvikle højeffektive metoder til omdannelse af solenergi kan Solen levere hurtigt voksende energibehov i mange hundrede år.

Argumenterne fra modstandere af storstilet brug af solenergi bunder hovedsageligt ned til følgende argumenter:

Den specifikke effekt af solstråling er lille, og storskala konvertering af solenergi vil kræve meget store arealer.
Konvertering af solenergi er meget dyrt og kræver næsten urealistiske materiale- og arbejdsomkostninger.

Faktisk, hvor stort vil det areal af Jorden, der er dækket af konvertersystemer, være for at producere en betydelig del af elektriciteten i det globale energibudget? Dette område afhænger naturligvis af effektiviteten af de anvendte konvertersystemer. For at vurdere effektiviteten af fotovoltaiske omformere, der direkte omdanner solenergi til elektrisk energi ved hjælp af halvlederfotoceller, introducerer vi begrebet ydelseskoefficient (effektivitet) for en fotocelle, defineret som forholdet mellem effekten af elektricitet genereret af et givet element og kraften af en solstråle, der falder ind på fotocellens overflade. Således, med en effektivitet af solkonvertere svarende til 10% (typiske effektivitetsværdier for siliciumsolceller, meget brugt i masseindustriel produktion til behovene for jordbaseret energi), til produktion af 10 12 W elektricitet skal dække et område på 4 10 med fotokonvertere 10 m 2 , lig med et kvadrat med en side på 200 km. I dette tilfælde tages intensiteten af solstråling lig med 250 W/m 2 , hvilket svarer til det typiske årsgennemsnit for sydlige breddegrader. Det vil sige, at den "lave tæthed" af solstråling ikke er en hindring for udviklingen af solenergi i stor skala. Mulige måder at skabe omkostningseffektive solenergiomformere på vil blive diskuteret i de følgende afsnit af denne artikel.

Ovenstående betragtninger er et ret overbevisende argument: problemet med at konvertere solenergi skal løses i dag for at kunne bruge denne energi i morgen. Man kan i det mindste spøgende betragte dette problem inden for rammerne af at løse energiproblemer med kontrolleret termonuklear fusion, når en effektiv reaktor (Solen) er skabt af naturen selv og giver en ressource til pålidelig og sikker drift i mange millioner år, og vores opgave er kun at udvikle en jordbaseret omformerstation. For nylig er der blevet udført omfattende forskning i verden inden for solenergi, som har vist, at denne metode til at generere energi i den nærmeste fremtid kan blive økonomisk berettiget og finde bred anvendelse.

Rusland er rig på naturressourcer. Vi har betydelige reserver af fossile brændstoffer - kul, olie, gas. Brugen af solenergi har dog også stor betydning for vores land. På trods af at en betydelig del af Ruslands territorium ligger på høje breddegrader, har nogle meget store sydlige regioner i vores land et meget gunstigt klima for udbredt brug af solenergi.

Anvendelsen af solenergi har endnu større udsigter i landene i Jordens ækvatorialbælte og områder tæt på dette bælte, karakteriseret ved et højt niveau af solenergi. I en række regioner i Centralasien når varigheden af direkte solbestråling således 3000 timer om året, og den årlige ankomst af solenergi på en vandret overflade er 1500 - 1850 kWh/m 2 .

De vigtigste arbejdsretninger inden for konvertering af solenergi er i øjeblikket:

direkte termisk opvarmning (produktion af termisk energi) og termodynamisk omdannelse (produktion af elektrisk energi med mellemliggende omdannelse af solenergi til termisk energi);
fotovoltaisk omdannelse af solenergi.

Direkte termisk opvarmning er den enkleste metode til konvertering af solenergi og er meget udbredt i de sydlige regioner af Rusland og i ækvatoriallandene i solvarmeinstallationer, varmtvandsforsyning, bygningskøling, vandafsaltning osv. Grundlaget for solvarmebrugende installationer er flade solfangere - absorbere af solstråling. Vand eller anden væske, der er i kontakt med absorberen, opvarmes og fjernes fra den ved hjælp af en pumpe eller naturlig cirkulation. Den opvarmede væske kommer derefter på lager, hvorfra den indtages efter behov. Denne enhed minder om varmtvandsforsyningssystemer til husholdningsbrug.

Elektricitet er den mest bekvemme type energi at bruge og overføre. Derfor er forskernes interesse for udvikling og oprettelse af solenergianlæg, der bruger den mellemliggende omdannelse af solenergi til varme med dens efterfølgende omdannelse til elektricitet, forståelig.

I verden nu er de mest almindelige solvarmekraftværker af to typer: 1) tårntype (fig. 1) med koncentrationen af solenergi på en solcellemodtager, udført ved hjælp af et stort antal flade spejle; 2) spredte systemer af paraboloider og parabolske cylindre, i hvilke termiske modtagere og laveffektomformere er placeret.

FOTOVOLTAISK KONVERTERING AF SOLENERGIE

Et vigtigt bidrag til at forstå virkningsmekanismen for den fotoelektriske effekt i halvledere blev lavet af grundlæggeren af det fysisk-tekniske institut (PTI) af det russiske videnskabsakademi, akademiker A.F. Ioffe. Han drømte om at bruge halvlederfotoceller i solenergi allerede i trediverne, da B.T. Kolomiets og Yu.P. Maslakovets skabte svovl-thallium solceller på Fysioteknisk Institut med en rekordeffektivitet for den tid = 1%.

Bred praktisk brug af solpaneler til energiformål begyndte med opsendelsen i 1958 af kunstige jordsatellitter - den sovjetiske Sputnik-3 og den amerikanske Avangard-1. Siden dengang har halvledersolcellebatterier i mere end 35 år været den vigtigste og næsten eneste energikilde til rumfartøjer og store orbitale stationer som Salyut og Mir. Det omfattende grundarbejde, som videnskabsmænd har akkumuleret inden for solbatterier til rumapplikationer, har også gjort det muligt at udvikle arbejde med jordbaseret solcelleenergi.

Grundlaget for fotoceller er en halvlederstruktur med en pn-forbindelse (fig. 2), som optræder ved grænsefladen mellem to halvledere med forskellige ledningsmekanismer. Bemærk, at denne terminologi stammer fra de engelske ord positiv (positiv) og negativ (negativ). Forskellige typer ledningsevne opnås ved at ændre typen af urenheder, der indføres i halvlederen. For eksempel kan atomer i gruppe III i det periodiske system D.I. Mendeleev, indført i siliciumkrystalgitteret, giver sidstnævnte hul (positiv) ledningsevne og gruppe V urenheder - elektronisk (negativ). Kontakten af p- eller n-halvledere fører til dannelsen af et elektrisk kontaktfelt mellem dem, som spiller en ekstremt vigtig rolle i driften af en solfotocelle. Lad os forklare årsagen til forekomsten af kontaktpotentialeforskel. Når p- og n-type halvledere kombineres i én enkelt krystal, opstår der en diffusionsstrøm af elektroner fra n-type halvlederen til p-type halvlederen og omvendt en strøm af huller fra p- til n-halvlederen. Som et resultat af denne proces vil den del af p-type-halvlederen, der støder op til p-n-forbindelsen, blive ladet negativt, og den del af n-type-halvlederen, der støder op til p-n-forbindelsen, vil tværtimod få en positiv ladning. Der dannes således et dobbeltladet lag nær p-n krydset, som modvirker diffusionsprocessen af elektroner og huller. Faktisk har diffusion en tendens til at skabe en strøm af elektroner fra n-regionen til p-regionen, og feltet af det ladede lag, tværtimod, returnerer elektroner til n-regionen. På lignende måde modvirker feltet af et p-n-kryds diffusionen af huller fra p- til n-området. Som et resultat af to processer, der virker i modsatte retninger (diffusion og bevægelse af strømbærere i et elektrisk felt), etableres en stationær ligevægtstilstand: et ladet lag opstår ved grænsen, hvilket forhindrer indtrængning af elektroner fra n-halvlederen og huller fra p-halvlederen. Med andre ord opstår der i området af p-n overgangen en energibarriere (potentiel) for at overvinde hvilke elektroner fra n-halvlederen og huller fra p-halvlederen der skal bruge en vis energi. Uden at stoppe med at beskrive de elektriske egenskaber af pn-forbindelsen, som er meget udbredt i ensrettere, transistorer og andre halvlederenheder, lad os overveje driften af pn-forbindelsen i fotoceller.

Når lys absorberes i en halvleder, exciteres elektron-hul-par. I en homogen halvleder øger fotoexcitation kun energien af elektroner og huller uden at adskille dem i rummet, det vil sige, at elektroner og huller er adskilt i "energirum", men forbliver i nærheden i det geometriske rum. Til adskillelse af strømbærere og fremkomsten af fotoelektromotorisk kraft (photoEMF) skal der eksistere en yderligere kraft. Den mest effektive adskillelse af ikke-ligevægtsbærere sker netop i området af pn-forbindelsen (fig. 2). "Minoritets"-bærere genereret nær p-n-forbindelsen (huller i n-halvlederen og elektroner i p-halvlederen) diffunderer til p-n-forbindelsen, opfanges af p-n-forbindelsens felt og kastes ind i halvlederen, hvori de bliver majoritetsbærere: elektroner vil være lokaliseret i n-type-halvlederen, og huller er i en p-type-halvleder. Som et resultat modtager p-type-halvlederen en overskydende positiv ladning, og n-type-halvlederen modtager en overskydende negativ ladning. Mellem fotocellens n- og p-regioner opstår der en potentiel forskel - fotoEMF. Polariteten af fotoEMF svarer til p-n-forbindelsens "fremadgående" bias, hvilket sænker barrierehøjden og fremmer injektionen af huller fra p-regionen til n-regionen og elektroner fra n-regionen til p-regionen . Som et resultat af virkningen af disse to modsatte mekanismer - akkumulering af strømbærere under påvirkning af lys og deres udstrømning på grund af et fald i højden af den potentielle barriere - etableres forskellige fotospændingsværdier ved forskellige lysintensiteter. I dette tilfælde stiger værdien af fotospænding i et bredt belysningsområde i forhold til logaritmen af lysintensiteten. Ved meget høj lysintensitet, når den potentielle barriere viser sig at være praktisk talt nul, når fotoEMF-værdien "mætning" og bliver lig med højden af barrieren ved det ubelyste p-n-kryds. Ved belysning af direkte, samt solstråling koncentreret op til 100 - 1000 gange, er fotoEMF-værdien 50 - 85% af værdien af kontaktpotentialforskellen i p-n-overgangen.

Vi undersøgte processen med forekomst af fotoEMF, der forekommer ved kontakterne af p- og n-regionerne af p-n-krydset. Når et oplyst pn-kryds kortsluttes, vil der flyde en strøm i det elektriske kredsløb, der er proportional med belysningsintensiteten og antallet af elektron-hul-par, der genereres af lyset. Når en nyttelast, såsom en lommeregner drevet af et solbatteri, er forbundet til det elektriske kredsløb, vil strømmen i kredsløbet falde en smule. Typisk vælges den elektriske modstand af nyttelasten i solcellekredsløbet således, at der opnås den maksimale elektriske effekt, der leveres til denne last.

En solfotocelle er lavet af en wafer lavet af et halvledermateriale, såsom silicium. Regioner med p- og n-typer af ledningsevne skabes i pladen (fig. 2). Metoder til at skabe disse områder omfatter for eksempel metoden til urenhedsdiffusion eller metoden til at dyrke en halvleder på en anden. Derefter laves de nedre og øvre elektriske kontakter (elektroderne er skraverede i figuren), og den nederste kontakt er solid, og den øverste er lavet i form af en kamstruktur (tynde strimler forbundet med en relativt bred strømopsamlingsbus ).

Hovedmaterialet til fremstilling af solceller er silicium. Teknologien til fremstilling af halvledersilicium og fotoceller baseret på den er baseret på metoder udviklet i mikroelektronik - den mest udviklede industrielle teknologi. Silicium er tilsyneladende generelt et af de mest undersøgte materialer i naturen, og også det næstmest udbredte efter ilt. I betragtning af, at de første solceller blev lavet af silicium for omkring fyrre år siden, er det naturligt, at dette materiale spiller første violin i solcelle-energiprogrammer. Fotoceller fremstillet af monokrystallinsk silicium kombinerer fordelene ved at bruge et relativt billigt halvledermateriale med de høje parametre for enheder opnået fra det.

Indtil for nylig blev solceller til jordbaseret brug, såvel som til rumanvendelser, lavet på basis af relativt dyrt monokrystallinsk silicium. Reduktion af omkostningerne til indledende silicium, udvikling af højtydende metoder til fremstilling af wafers fra barrer og avancerede teknologier til fremstilling af solceller har gjort det muligt at reducere omkostningerne til jordbaserede solceller baseret på dem flere gange. De vigtigste arbejdsområder for yderligere at reducere omkostningerne til solenergi er: at opnå elementer baseret på billigt, herunder bånd, polykrystallinsk silicium; udvikling af billige tyndfilmselementer baseret på amorft silicium og andre halvledermaterialer; Konvertering af koncentreret solstråling ved hjælp af højeffektive siliciumbaserede elementer og et relativt nyt aluminium-gallium-arsen-halvledermateriale.

Figur 3 viser to skematiske diagrammer over solcelleanlæg med solstrålingskoncentratorer i form af spejle (øverst) og Fresnel-linser (nederst). En Fresnel-linse er en plade lavet af plexiglas med en tykkelse på 1 - 3 mm, hvor den ene side er flad, og på den anden er der en profil i form af koncentriske ringe, der gentager profilen af en konveks linse. Fresnel-linser er betydeligt billigere end konventionelle konvekse linser og giver en koncentrationsgrad på 2 - 3 tusinde "sole".

I de senere år er der sket betydelige fremskridt i verden i udviklingen af siliciumsolceller, der opererer under koncentreret solbestråling. Siliciumelementer med effektivitet > 25% er blevet skabt under bestrålingsforhold på Jordens overflade ved et koncentrationsniveau på 20 - 50 "sole". Betydeligt højere koncentrationsgrader tillades af fotoceller baseret på halvledermaterialet aluminium-gallium-arsen, først skabt på det fysisk-tekniske institut opkaldt efter. A.F. Ioffe i 1969. I sådanne solceller opnås effektivitetsværdier > 25 % ved koncentrationsniveauer på op til 1000 gange. På trods af de høje omkostninger ved sådanne elementer viser deres bidrag til omkostningerne ved genereret elektricitet sig ikke at være afgørende ved høje grader af koncentration af solstråling på grund af en betydelig (op til 1000 gange) reduktion i deres område. Den situation, hvor udgiften til fotoceller ikke bidrager væsentligt til de samlede omkostninger ved et solcelleanlæg, gør det berettiget at komplicere og øge omkostningerne til en fotocelle, hvis dette sikrer en effektivisering. Dette forklarer den nuværende opmærksomhed på udviklingen af kaskadeformede solceller, som gør det muligt at opnå en væsentlig forøgelse af effektiviteten. I en kaskadesolcelle opdeles solspektret i to (eller flere) dele, for eksempel synlige og infrarøde, som hver omdannes ved hjælp af fotoceller lavet af forskellige materialer. I dette tilfælde reduceres energitabet af solstrålingskvanter. For eksempel i to-element kaskader overstiger den teoretiske effektivitetsværdi 40%.

KONKLUSION

Af ovenstående følger det, at solcelleenergi er lovende. Solstråling er en praktisk talt uudtømmelig energikilde, den når alle verdenshjørner, er "ved hånden" for enhver forbruger og er en miljøvenlig, overkommelig energikilde.

Ulempen ved solstråling som energikilde er ujævnheden af dens ankomst til jordens overflade, bestemt af daglig og sæsonbestemt cyklicitet samt vejrforhold. Derfor er problemet med at akkumulere elektricitet produceret ved hjælp af solenergianlæg meget vigtigt. I øjeblikket løses dette problem hovedsageligt ved at bruge konventionelle kemiske lagringsenheder - batterier. En af de lovende lagringsmetoder er brugen af elektricitet til at elektrolysere vand til brint og ilt, efterfulgt af lagring og brug af brint som et miljøvenligt brændstof, da forbrændingen af brint kun producerer vanddamp.

Storstilet udvikling af solcelleanlæg vil give et enormt skub til udviklingen af områder på Jorden med høj gennemsnitlig årlig solstråling. Det gælder først og fremmest ørken og tørre områder, som med "ankomsten" af solenergi bliver områder egnet til aktivt landbrug - Jordens brødkurve. Betyder dette, at specialisters indsats kun bør fokuseres på udvikling af fotoelektriske omformere og løsning af direkte relaterede problemer? Selvfølgelig ikke. Du kan ikke udvikle én retning på bekostning af at undertrykke andre retninger. Det samme gælder elindustrien: Den kan ikke bygges baseret på kun én type ressource. Det skal være baseret på mange kilder: sol, vind, atomkraft og selvfølgelig traditionelle fossile kilder. Dette vil gøre det muligt at finde optimale måder at interagere på, og gradvist bevæge sig mod en perfekt, miljøvenlig og pålidelig fremtidens energisektor.

LITTERATUR

Vasiliev A.M., Landsman A.P. Halvleder fotokonvertere. M.: Sov. radio, 1971.
Alferov Zh.I. Fotovoltaisk solenergi / I: The Future of Science. M.: Viden, 1978. S. 92-101.
Koltun M.M. Optik og metrologi af solceller. M.: Nauka, 1985.
Andreev V.M., Grilikhes V.A., Rumyantsev V.D. Fotoelektrisk omdannelse af koncentreret solstråling. L.: Nauka, 1989.
Koltun M.M. Solceller. M.: Nauka, 1987.
Grilikhes V.A., Orlov P.P., Popov L.B. Solenergi og rumflyvninger. M.: Nauka, 1984.

Den hurtige vækst i energiforbruget fører til begrænsede fossile energiressourcer. Det bliver stadig sværere at opretholde et højt tempo i energiudviklingen gennem brug af traditionelle energikilder. Emnet for mit arbejde, "Fotovoltaiske konverteringer af solenergi," er mest relevant på nuværende tidspunkt.

Efter min mening vil storstilet udvikling af solcelleenergi give et enormt løft til udviklingen af områder på Jorden med høj gennemsnitlig årlig solstråling.

Anmeldelse

I det abstrakte "Fotovoltaiske konverteringer af solenergi" afslørede Sergey fuldt ud det valgte emne. Dette papir undersøger aktuelle spørgsmål om solenergikonvertering: direkte termisk opvarmning og fotoelektrisk konvertering.

Udvidelse af emnet, S. Zagatin stoler på værker af A.F. Ioffe. I sit arbejde undersøger han brugen af halvleder fotovoltaiske celler i solenergi, historien om brugen af solbatterier, samt processen med fremkomsten af photoEMF.

Sergeis arbejde har logisk integritet, mængden af dele af abstraktet er konsistent. Præsentationen af materialet er videnskabelig og interessant, illustreret med tegninger. Der er en personlig vurdering af det undersøgte problem.

Ved udarbejdelsen af abstraktet blev der brugt tilstrækkelig mængde litteratur.

Jeg anser det for muligt at evaluere arbejdet udført af S. Zagatin

til "5".

Tilsynsførende

Fig.9. Solcelle som eksempel på fotovoltaisk konvertering

Fotokonduktive omformere

Disse omformere konverterer en ændring i den målte mængde til en ændring i modstanden af det anvendte materiale (fig. 8). Selvom de anvendte materialer er halvledere, er fotoledende omformere ikke altid halvledere, fordi de ikke har overgange mellem forskellige typer af halvledere. Sådanne omformere kaldes passive, dvs. har brug for ekstern strøm. Ofte karakteriserer deres navn den anvendte konverteringstype, for eksempel lysfølsomme modstande.

Modstanden af et materiale er en funktion af densiteten af flertallets ladningsbærere, og da tætheden stiger med stigende strålingsintensitet, stiger ledningsevnen. Da ledningsevne er omvendt proportional med modstand, kan det konkluderes, at modstand er en omvendt funktion af bestrålingsintensitet. Modstandsværdien under fuld bestråling er generelt 100-200 Ohm, og i fuldstændig mørke er denne modstand lig med megaohm. De mest almindeligt anvendte materialer i design af lysafhængige modstande er cadmiumsulfid eller cadmiumselenid.

Solceller

Solceller er fotovoltaiske omformere, der omdanner udsendt elektromagnetisk energi til elektrisk energi, dvs. ændringen i den målte strålingsværdi konverteres til en ændring i udgangsspændingen (fig. 9).

Konverterens design inkluderer et lag af fotofølsomt højresistivt materiale placeret mellem to ledende elektroder. En af elektroderne er lavet af et gennemsigtigt materiale, hvorigennem stråling passerer og rammer det lysfølsomme materiale. Når det er fuldt belyst, producerer et element en udgangsspænding mellem elektroderne på omkring 0,5 V.

Som et fotoelektrisk lag anvendes som regel halvlederventilfotoceller (fotoceller med blokeringslag) (fig. 9). Se: Design af ventilfotoceller

En af de vigtigste parametre for en fotocelle, som bruges som en kilde til elektrisk energi, er effektivitetsfaktoren (effektiviteten). Effektiviteten af en solcelle er forholdet mellem den maksimale effekt af elektrisk strøm, der kan opnås fra en fotocelle, og effekten af lysstråling, der falder ind på fotocellen. Jo større effektivitet, jo større del af lysspektret, der deltager i genereringen af strømbærere. En af måderne til at øge effektiviteten af solceller er at skabe fotoceller med de bredest mulige spektrale egenskaber. Fotoceller fremstillet af silicium har en effektivitet på op til 12%. Fotoceller baseret på galliumarsenidforbindelser har en effektivitet på op til 20%.

De fleste vedvarende energityper - vandkraft, mekanisk og termisk energi fra verdenshavene, vind- og geotermisk energi - er kendetegnet ved enten begrænset potentiale eller betydelige vanskeligheder ved udbredt anvendelse. Det samlede potentiale for de fleste vedvarende energikilder vil kun øge energiforbruget fra det nuværende niveau med en størrelsesorden. Men der er en anden energikilde - Solen. Solen, en stjerne af spektralklasse 2, en gul dværg, er en meget gennemsnitlig stjerne i alle dens hovedparametre: masse, radius, temperatur og absolut størrelse. Men denne stjerne har en unik egenskab - den er "vores stjerne", og menneskeheden skylder hele sin eksistens til denne gennemsnitlige stjerne. Vores stjerne forsyner Jorden med en effekt på omkring 10 17 W - sådan er kraften fra "solkaninen" med en diameter på 12,7 tusinde km, som konstant oplyser den side af vores planet, der vender mod Solen. Intensiteten af sollys ved havoverfladen på sydlige breddegrader, når Solen er i zenit, er 1 kW/m2. Ved at udvikle højeffektive metoder til omdannelse af solenergi kan Solen levere hurtigt voksende energibehov i mange hundrede år.

Argumenterne fra modstandere af storstilet brug af solenergi bunder hovedsageligt ned til følgende argumenter:

1. Den specifikke effekt af solstråling er lille, og storskala konvertering af solenergi vil kræve meget store arealer.

2. Konvertering af solenergi er meget dyrt og kræver næsten urealistiske materiale- og arbejdsomkostninger.

Faktisk, hvor stort vil det areal af Jorden, der er dækket af konvertersystemer, være for at producere en betydelig del af elektriciteten i det globale energibudget? Dette område afhænger naturligvis af effektiviteten af de anvendte konvertersystemer. For at vurdere effektiviteten af fotovoltaiske omformere, der direkte omdanner solenergi til elektrisk energi ved hjælp af halvlederfotoceller, introducerer vi begrebet ydelseskoefficient (effektivitet) for en fotocelle, defineret som forholdet mellem effekten af elektricitet genereret af et givet element og kraften af en solstråle, der falder ind på fotocellens overflade. Med en virkningsgrad af solomformere lig med 10 % (typiske virkningsgradsværdier for siliciumfotoceller, der er meget udbredt i seriel industriel produktion til behov for jordbaseret energi), vil det således være nødvendigt at producere 10 12 W elektricitet dække et areal på 4 * 10 10 m 2 med fotokonvertere svarende til kvadratet med en side på 200 km. I dette tilfælde antages solstrålingens intensitet at være 250 W/m 2, hvilket svarer til den typiske gennemsnitsværdi gennem året for sydlige breddegrader. Det vil sige, at den "lave tæthed" af solstråling ikke er en hindring for udviklingen af solenergi i stor skala.

De vigtigste arbejdsretninger inden for konvertering af solenergi er i øjeblikket:

— direkte termisk opvarmning (modtagelse af termisk energi) og termodynamisk omdannelse (modtagelse af elektrisk energi med mellemliggende omdannelse af solenergi til varme);

— fotoelektrisk omdannelse af solenergi.

I verden nu er de mest almindelige solvarmekraftværker af to typer: 1) tårntype med koncentrationen af solenergi på én solcellemodtager, udført ved hjælp af et stort antal flade spejle; 2) spredte systemer af paraboloider og parabolske cylindre, i hvilke termiske modtagere og laveffektomformere er placeret.

2. UDVIKLING AF SOLENERGIE

I slutningen af 70'erne og begyndelsen af 80'erne blev der bygget syv pilotsolenergianlæg (SPP'er) af den såkaldte tårntype med et effektniveau på 0,5 til 10 MW i forskellige lande i verden. Det største solenergianlæg med en kapacitet på 10 MW (Solar One) blev bygget i Californien. Alle disse solenergianlæg er bygget efter samme princip: et felt af heliostatspejle placeret i jordhøjde, der sporer solen, reflekterer solens stråler på en modtager monteret på toppen af et ret højt tårn. Modtageren er i bund og grund en solkedel, hvori der genereres vanddamp med gennemsnitlige parametre, som derefter sendes til en standard dampturbine.

På nuværende tidspunkt er ingen af disse SPP'er ikke længere i drift, da de planlagte forskningsprogrammer for dem er afsluttet, og deres drift som kommercielle kraftværker har vist sig at være urentabel. I 1992 grundlagde Edison Company i det sydlige Californien et konsortium af energi- og industrivirksomheder, der sammen med det amerikanske energiministerium finansierede Solar Two-tårnets solkraftværksprojekt ved at rekonstruere Solar One. Effekten af Solar Two ifølge projektet skal være 10 MW, det vil sige forblive den samme som før. Hovedideen med den planlagte genopbygning er at erstatte den eksisterende modtager med direkte produktion af vanddamp med en modtager med et mellemkølende middel (nitratsalte). Solenergianlæggets design vil omfatte en nitratlagertank i stedet for grusbatteriet, der bruges i Solar One med højtemperaturolie som kølemiddel. Lanceringen af det rekonstruerede solenergianlæg var planlagt til 1996. Udviklerne betragter det som en prototype, der vil tillade oprettelsen af et solenergianlæg med en kapacitet på 100 MW i næste fase. Det antages, at et solcelleanlæg af denne type i denne skala vil være konkurrencedygtigt med termiske kraftværker, der anvender fossile brændstoffer.

Det andet projekt, PHOEBUS-tårnets solenergianlæg, er ved at blive implementeret af et tysk konsortium. Projektet indebærer oprettelse af et demonstrationshybrid (sol-brændstof) solcelleanlæg med en kapacitet på 30 MW med en volumetrisk modtager, hvori atmosfærisk luft vil blive opvarmet, som derefter sendes til en dampkedel, hvor der genereres vanddamp. som opererer i Rankine-cyklussen. På luftvejen fra modtageren til kedlen er det meningen, at en brænder skal brænde naturgas, hvis mængde reguleres for at opretholde den specificerede effekt i hele dagslyset. Beregninger viser, at f.eks. for en årlig solstråling på 6,5 GJ/m2 (svarende til den typiske for de sydlige regioner af Ukraine), vil dette solenergianlæg, som har en samlet heliostatoverflade på 160 tusinde m2, modtage 290,2 GW *h/år solenergi, og mængden af tilført energi med brændsel vil være 176,0 GWh/år. Samtidig vil solcelleanlægget generere 87,9 GWh el om året med en gennemsnitlig årlig virkningsgrad på 18,8 %. Med sådanne indikatorer kan omkostningerne ved elektricitet produceret på et solenergianlæg forventes at være på niveau med termiske kraftværker, der bruger fossile brændstoffer.

Siden midten af 80'erne, i det sydlige Californien, har LUZ-virksomheden skabt og sat i kommerciel drift ni solenergianlæg med parabolske cylindriske koncentratorer (PCC) med enhedskapaciteter, der steg fra det første solenergianlæg til det næste fra 13,8 til 80 MW . Den samlede kapacitet af disse solenergianlæg nåede op på 350 MW. I disse SES'er blev der brugt PCC'er med en blænde, som steg under overgangen fra de første SES til de næste. Ved at spore solen på en enkelt akse fokuserer koncentratorerne solstråling på rørformede modtagere indesluttet i evakuerede rør. En højtemperatur kølevæske strømmer inde i modtageren, som varmer op til 380°C og derefter overfører varmen fra vanddampen til dampgeneratoren. Designet af disse solenergianlæg sørger også for forbrænding af en vis mængde naturgas i en dampgenerator for at producere yderligere peak-elektricitet, samt for at kompensere for den reducerede bestråling.

Disse solenergianlæg blev skabt og drevet på et tidspunkt, hvor der var love i USA, der tillod solenergianlæg at fungere break-even. Udløbet af disse love i slutningen af 80'erne førte til, at LUZ-virksomheden gik konkurs, og opførelsen af nye solenergianlæg af denne type blev stoppet.

KJC (Kramer Junction Company), som drev fem af de ni byggede solenergianlæg (fra 3 til 7), satte sig til opgave at øge effektiviteten af disse solenergianlæg, reducere omkostningerne ved deres drift og gøre dem økonomisk attraktive i de nye forhold. Dette program er i øjeblikket ved at blive implementeret.

Schweiz er blevet en af de førende inden for brugen af solenergi. Her blev ifølge data fra 1997 bygget cirka 2.600 solcelleanlæg baseret på fotoelektriske omformere med en kapacitet på 1 til 1.000 kW. Programmet, kaldet "Solar-91" og udført under sloganet "For et energiuafhængigt Schweiz", yder et væsentligt bidrag til at løse miljøproblemer og energiuafhængighed for et land, der i dag importerer mere end 70% af sin energi. Et solcelleanlæg med en kapacitet på 2-3 kW er oftest installeret på tage og facader af bygninger. Denne installation producerer i gennemsnit 2.000 kWh elektricitet om året, hvilket er nok til de private behov i et gennemsnitligt schweizisk hjem. Store virksomheder installerer solcelleanlæg med en kapacitet på op til 300 kW på tagene af produktionsbygninger. En sådan station dækker virksomhedens elbehov med 50-60 %.

I det alpine højland, hvor det ikke er rentabelt at lægge elledninger, bygges der også solcelleanlæg med høj effekt. Driftserfaring viser, at Solen allerede er i stand til at opfylde behovene i alle boligbyggerier i landet. Solcelleanlæg, placeret på hustage og vægge, på støjskærme på motorveje, på transport- og industristrukturer, kræver ikke dyrt landbrugsområde for deres placering. En autonom solcelleinstallation nær landsbyen Grimsel leverer elektricitet til belysning af vejtunnelen døgnet rundt. I nærheden af byen Shur leverer solpaneler installeret på en 700 meter lang støjskærm 100 kW elektricitet årligt.

Det moderne koncept med at bruge solenergi kom bedst til udtryk under opførelsen af bygningerne til vinduesglasværket i Arisdorf, hvor solpaneler med en samlet effekt på 50 kW blev tildelt en ekstra rolle under designet som gulv- og facadeelementer. Effektiviteten af solcellekonvertere falder mærkbart ved kraftig opvarmning, så der lægges ventilationsrørledninger under panelerne for at pumpe udeluften. Mørkeblå fotokonvertere funklende i solen på de sydlige og vestlige facader af administrationsbygningen, der leverer elektricitet til netværket, fungerer som dekorativ beklædning.

I udviklingslande bruges relativt små installationer til at levere elektricitet til individuelle huse, i fjerntliggende landsbyer til at udstyre kulturcentre, hvor man takket være PMT'er kan bruge fjernsyn osv. I dette tilfælde er det ikke omkostningerne til elektricitet, der kommer i forgrunden, men den sociale effekt. Programmer for indførelse af solcelleanlæg i disse lande støttes aktivt af internationale organisationer; Verdensbanken deltager i deres finansiering på grundlag af "Solar Initiative" fremsat af den. For eksempel er 20.000 landhuse i Kenya i løbet af de sidste 5 år blevet elektrificeret ved hjælp af solcelleanlæg. Et stort program for indførelse af fotomultiplikatorer er ved at blive implementeret i Indien, hvor i 1986 - 1992. Rs 690 millioner blev brugt på at installere PMT'er i landdistrikterne.

I industrialiserede lande forklares den aktive implementering af fotomultiplikatorer af flere faktorer. For det første betragtes PMT'er som miljøvenlige kilder, der kan reducere skadelige påvirkninger af miljøet. For det andet øger brugen af PMT'er i private hjem energiautonomi og beskytter ejeren i tilfælde af mulige afbrydelser i den centraliserede strømforsyning.

3. FOTOVOLTAISK OMVANDLING AF SOLENERGIE

Grundlaget for fotoceller er en halvlederstruktur med en p-n-junction, der vises ved grænsefladen mellem to halvledere med forskellige ledningsmekanismer. Bemærk, at denne terminologi stammer fra de engelske ord positiv (positiv) og negativ (negativ). Forskellige typer ledningsevne opnås ved at ændre typen af urenheder, der indføres i halvlederen. For eksempel kan atomer i gruppe III i det periodiske system D.I. Mendeleev, indført i krystalgitteret af silicium, giver sidstnævnte hul (positiv) ledningsevne og gruppe V urenheder - elektronisk (negativ). Kontakten af p eller n halvledere fører til dannelsen af et elektrisk kontaktfelt mellem dem, som spiller en ekstremt vigtig rolle i driften af en solfotocelle. Lad os forklare årsagen til forekomsten af kontaktpotentialeforskel. Når p- og n-type halvledere kombineres i én enkelt krystal, opstår der en diffusionsstrøm af elektroner fra n-type halvlederen til p-type halvlederen og omvendt en strøm af huller fra p- til n-halvlederen. Som et resultat af denne proces vil den del af p-type-halvlederen, der støder op til p-n-forbindelsen, blive ladet negativt, og den del af n-type-halvlederen, der støder op til p-n-forbindelsen, vil tværtimod få en positiv ladning. Der dannes således et dobbeltladet lag nær p-n krydset, som modvirker diffusionsprocessen af elektroner og huller. Faktisk har diffusion en tendens til at skabe en strøm af elektroner fra n-regionen til p-regionen, og feltet af det ladede lag, tværtimod, returnerer elektroner til n-regionen. På samme måde modvirker feltet i pn-krydset diffusionen af huller fra p- til n-området. Som et resultat af to processer, der virker i modsatte retninger (diffusion og bevægelse af strømbærere i et elektrisk felt), etableres en stationær ligevægtstilstand: et ladet lag opstår ved grænsen, hvilket forhindrer indtrængning af elektroner fra n-halvlederen og huller fra p-halvlederen. Med andre ord opstår der i området af p-n overgangen en energibarriere (potentiel) for at overvinde hvilke elektroner fra n-halvlederen og huller fra p-halvlederen der skal bruge en vis energi. Uden at stoppe med at beskrive de elektriske egenskaber af pn-forbindelsen, som er meget udbredt i ensrettere, transistorer og andre halvlederenheder, lad os overveje driften af pn-forbindelsen i fotoceller.

Når lys absorberes i en halvleder, exciteres elektron-hul-par. I en homogen halvleder øger fotoexcitation kun energien af elektroner og huller uden at adskille dem i rummet, det vil sige, at elektroner og huller er adskilt i "energirum", men forbliver tæt sammen i det geometriske rum. Til adskillelse af strømbærere og fremkomsten af fotoelektromotorisk kraft (photoEMF) skal der eksistere en yderligere kraft. Den mest effektive adskillelse af ikke-ligevægtsbærere sker netop i området af pn-forbindelsen. "Minoritets"-bærere genereret nær p-n-forbindelsen (huller i n-halvlederen og elektroner i p-halvlederen) diffunderer til p-n-forbindelsen, opfanges af p-n-forbindelsens felt og kastes ind i halvlederen, hvori de bliver majoritetsbærere: elektroner vil være lokaliseret i en n-type halvleder og huller i en p-type halvleder. Som et resultat modtager p-type-halvlederen en overskydende positiv ladning, og n-type-halvlederen modtager en negativ ladning. En potentiel forskel - fotoEMF - opstår mellem fotocellens n- og p-områder. Polariteten af fotoEMF svarer til p-n-forbindelsens "fremadgående" bias, hvilket sænker barrierehøjden og fremmer injektionen af huller fra p-regionen til n-regionen og elektroner fra n-regionen til p-regionen . Som et resultat af virkningen af disse to modsatte mekanismer - akkumulering af strømbærere under påvirkning af lys og deres udstrømning på grund af et fald i højden af den potentielle barriere - ved forskellige lysintensiteter etableres forskellige fotospændingsværdier. I dette tilfælde stiger værdien af fotospænding i et bredt belysningsområde i forhold til logaritmen af lysintensiteten. Ved meget høj lysintensitet, når den potentielle barriere viser sig at være praktisk talt nul, når fotoEMF-værdien "mætning" og bliver lig med højden af barrieren ved det ubelyste p-n-kryds. Når den udsættes for direkte, samt solstråling koncentreret op til 100-1000 gange, er fotoEMF-værdien 50-85% af kontaktpotentialforskellen i p-n-overgangen.

Således betragtes processen med forekomst af fotospænding, der forekommer ved kontakterne af p- og n-regionerne af p-n-forbindelsen. Når et oplyst pn-kryds kortsluttes, vil der flyde en strøm i det elektriske kredsløb, der er proportional med belysningsintensiteten og antallet af elektron-hul-par, der genereres af lyset. Når en nyttelast, såsom en lommeregner drevet af et solbatteri, er forbundet til det elektriske kredsløb, vil strømmen i kredsløbet falde en smule. Typisk vælges den elektriske modstand af nyttelasten i solcellekredsløbet således, at der opnås den maksimale elektriske effekt, der leveres til denne last.

En solfotocelle er lavet af en wafer lavet af et halvledermateriale, såsom silicium. Regioner med p- og n-typer af ledningsevne skabes i pladen. Metoder til at skabe disse områder omfatter for eksempel metoden til urenhedsdiffusion eller metoden til at dyrke en halvleder på en anden. Derefter laves de nedre og øvre elektriske kontakter, hvor den nederste kontakt er solid, og den øvre kontakt er lavet i form af en kamstruktur (tynde strimler forbundet med en relativt bred strømopsamlingsbus).

En Fresnel-linse er en plade lavet af plexiglas 1-3 mm tyk, hvor den ene side er flad, og på den anden er der en profil i form af koncentriske ringe, der gentager profilen af en konveks linse. Fresnel-linser er betydeligt billigere end konventionelle konvekse linser og giver en koncentrationsgrad på 2 - 3 tusinde "sole".

I de senere år er der sket betydelige fremskridt i verden i udviklingen af siliciumsolceller, der opererer under koncentreret solbestråling. Siliciumelementer med en effektivitet på >25% er blevet til under bestrålingsforhold på Jordens overflade ved en koncentrationsgrad på 20 - 50 "sole". Væsentligt større koncentrationsgrader tillades af fotoceller baseret på halvledermaterialet aluminium-gallium-arsen, først skabt på Fysisk-Teknisk Institut. A.F. Ioffe i 1969. I sådanne solceller opnås effektivitetsværdier > 25 % ved koncentrationsniveauer på op til 1000 gange. På trods af de høje omkostninger ved sådanne elementer viser deres bidrag til omkostningerne ved genereret elektricitet sig ikke at være afgørende ved høje grader af koncentration af solstråling på grund af en betydelig (op til 1000 gange) reduktion i deres område. Den situation, hvor udgiften til fotoceller ikke bidrager væsentligt til de samlede omkostninger ved et solcelleanlæg, gør det berettiget at komplicere og øge omkostningerne til en fotocelle, hvis dette sikrer en effektivisering. Dette forklarer den nuværende opmærksomhed på udviklingen af kaskadeformede solceller, som gør det muligt at opnå en væsentlig forøgelse af effektiviteten. I en kaskadesolcelle opdeles solspektret i to (eller flere) dele, for eksempel synlige og infrarøde, som hver omdannes ved hjælp af fotoceller lavet af forskellige materialer. I dette tilfælde reduceres energitabet af solstrålingskvanter. For eksempel i to-element kaskader overstiger den teoretiske effektivitetsværdi 40%.

De mest energieffektive enheder til at konvertere solenergi til elektrisk energi (da dette er en direkte, enkelt-trins energiovergang) er halvleder fotovoltaiske omformere (PVC'er). Ved en ligevægtstemperatur, der er karakteristisk for solceller i størrelsesordenen 300-350 Kelvin og soltemperaturen på ~ 6000 K, er deres maksimale teoretiske effektivitet >90%. Dette betyder, at som et resultat af optimering af konverterens struktur og parametre, med det formål at reducere irreversible energitab, vil det være ganske muligt at øge den praktiske effektivitet til 50% eller mere (i laboratorier har en effektivitet på 40% allerede været blevet opnået).

Teoretisk forskning og praktisk udvikling inden for fotovoltaisk konvertering af solenergi har bekræftet muligheden for at opnå så høje effektivitetsværdier med solceller og identificeret de vigtigste måder at nå dette mål på.

Energiomsætning i PV-celler er baseret på den fotovoltaiske effekt, som opstår i inhomogene halvlederstrukturer, når de udsættes for solstråling. Heterogeniteten af PV-cellestrukturen kan opnås ved at dope den samme halvleder med forskellige urenheder (skabe p - n junctions) eller ved at forbinde forskellige halvledere med ulige båndgabbredde - energien af elektronabstraktion fra et atom (skabelse af heterojunctions), eller på grund af ændringer i den kemiske sammensætning af halvlederen, hvilket fører til fremkomsten af en gradient af båndgabbredden (skabelse af strukturer med graderede mellemrum). Forskellige kombinationer af ovennævnte metoder er også mulige. Konverteringseffektiviteten afhænger af de elektriske egenskaber af den inhomogene halvlederstruktur, såvel som solcellens optiske egenskaber, blandt hvilke den vigtigste rolle spilles af fotoledningsevne, forårsaget af den interne fotoelektriske effekt i halvledere, når de bestråles med sollys. Funktionsprincippet for PV-celler kan forklares ved at bruge eksemplet med omformere med p-n-forbindelser, som er meget udbredt i moderne sol- og rumenergi. En elektron-hul-forbindelse skabes ved at dope en wafer af enkeltkrystal-halvledermateriale med en bestemt type ledningsevne (dvs. enten p- eller n-type) med en urenhed, hvilket sikrer dannelsen af et overfladelag med ledningsevne af det modsatte. type. Doteringsmiddelkoncentrationen i dette lag skal være væsentligt højere end doteringsmiddelkoncentrationen i basismaterialet (oprindeligt enkeltkrystal) for at neutralisere de vigtigste frie ladningsbærere, der er til stede der, og skabe ledningsevne med det modsatte fortegn. Ved grænsen af n- og p-lagene dannes der som følge af ladningsflow udtømte zoner med en ukompenseret volumetrisk positiv ladning i n-laget og en volumetrisk negativ ladning i p-laget. Disse zoner danner tilsammen et p-n kryds. Den potentialebarriere (kontaktpotentialforskel), der opstår ved overgangen, forhindrer passage af hovedladningsbærerne, dvs. elektroner fra p-lagets side, men tillader frit minoritetsbærere at passere i modsatte retninger. Denne egenskab ved p-n junctions bestemmer muligheden for at opnå foto-emk ved bestråling af en solcelle med sollys. De ikke-ligevægtsladningsbærere (elektron-hul-par) skabt af lys i begge lag af den fotovoltaiske celle adskilles ved p-n-krydset: minoritetsbærere (dvs. elektroner) passerer frit gennem krydset, og majoritetsbærere (huller) tilbageholdes. Under påvirkning af solstråling vil en strøm af ikke-ligevægts-ladningsbærere - fotoelektroner og fotohuller - således strømme gennem p-n-krydset i begge retninger, hvilket er præcis, hvad der er nødvendigt for solcellens drift. Hvis vi nu lukker det eksterne kredsløb, så vil elektronerne fra n-laget, efter at have udført arbejde på belastningen, vende tilbage til p-laget og der rekombinere (forenes) med huller, der bevæger sig inde i solcellen i den modsatte retning. For at opsamle og fjerne elektroner i et eksternt kredsløb er der et kontaktsystem på overfladen af solcellens halvlederstruktur. På den forreste, oplyste overflade af konverteren er kontakterne lavet i form af et gitter eller en kam, og på bagsiden kan de være solide. De vigtigste irreversible energitab i solceller er forbundet med:

Ш refleksion af solstråling fra konverterens overflade,
Ш ved at lede en del af strålingen gennem solcellecellen uden absorption i den,
Ш spredning af overskydende fotonenergi på termiske vibrationer af gitteret,
Ш rekombination af de dannede fotopar på overfladerne og i volumenet af den fotovoltaiske celle,
Ш indre modstand af konverteren,
Ш og nogle andre fysiske processer.

For at reducere alle typer energitab i solenergianlæg udvikles og anvendes forskellige foranstaltninger med succes. Disse omfatter:

b brug af halvledere med et båndgab, der er optimalt til solstråling;

b målrettet forbedring af egenskaberne af halvlederstrukturen gennem dens optimale doping og skabelse af indbyggede elektriske felter;

b overgang fra homogene til heterogene og graded-gap halvlederstrukturer;

b optimering af PV-designparametre (pn-krydsdybde, basislagtykkelse, kontaktnetfrekvens osv.);

b brugen af multifunktionelle optiske belægninger, der giver antirefleksion, termisk regulering og beskyttelse af solceller mod kosmisk stråling;

b udvikling af solceller, der er transparente i langbølgeområdet af solspektret ud over kanten af hovedabsorptionsbåndet;

b skabelse af kaskadesolceller fra halvledere, der er specielt udvalgt til deres båndgab-bredde, hvilket gør det muligt i hver kaskade at konvertere den stråling, der har passeret gennem den foregående kaskade osv.;

Der blev også opnået en betydelig stigning i effektiviteten af solceller gennem skabelsen af omformere med dobbeltsidet følsomhed (op til +80% af den eksisterende effektivitet på den ene side), brugen af selvlysende re-emitterende strukturer og den foreløbige nedbrydning af solspektret til to eller flere spektralområder ved hjælp af flerlags filmstråledelere (dikroiske spejle). ) med efterfølgende transformation af hver del af spektret med en separat fotovoltaisk celle osv.5

I energikonverteringssystemer i solenergianlæg (solkraftværker) kan i princippet alle typer solceller af forskellige strukturer baseret på forskellige halvledermaterialer, der er blevet skabt og udvikles i øjeblikket, anvendes, men ikke alle af dem opfylder sæt krav til disse systemer:

· høj pålidelighed med lang (tivis af år!) levetid;
· tilgængelighed af udgangsmaterialer i tilstrækkelige mængder til fremstilling af elementer i konverteringssystemet og muligheden for at organisere deres masseproduktion;
· energiomkostninger til at skabe et konverteringssystem, der er acceptabelt ud fra tilbagebetalingsperioder;
· minimale energi- og masseomkostninger forbundet med styring af energiomdannelses- og transmissionssystemet (rum), herunder orientering og stabilisering af stationen som helhed;
· nem vedligeholdelse.

For eksempel er nogle lovende materialer vanskelige at opnå i de mængder, der kræves til oprettelse af solenergianlæg på grund af de begrænsede naturlige reserver af råmaterialer og kompleksiteten af deres forarbejdning. Visse metoder til at forbedre solcellernes energi- og driftsegenskaber, for eksempel ved at skabe komplekse strukturer, er dårligt kompatible med mulighederne for at organisere deres masseproduktion til lave omkostninger osv. Høj produktivitet kan kun opnås ved at organisere fuldautomatisk PV-produktion, for eksempel baseret på båndteknologi, og skabe et udviklet netværk af specialiserede virksomheder med den passende profil, dvs. faktisk en hel industri, der i omfang kan sammenlignes med den moderne radio-elektroniske industri. Produktion af solceller og samling af solbatterier på automatiserede linjer vil reducere omkostningerne til batterimodulet med 2-2,5 gange Silicium og galliumarsenid (GaAs) betragtes i øjeblikket som de mest sandsynlige materialer til fotovoltaiske solenergikonverteringssystemer af solenergianlæg (GaAs), og i sidstnævnte I dette tilfælde taler vi om heterofotokonvertere (HPC'er) med en AlGaAs-GaAs struktur.

FEC'er (fotovoltaiske omformere) baseret på en forbindelse af arsen med gallium (GaAs) har som bekendt en højere teoretisk effektivitet end silicium-FEC'er, da deres båndgab-bredde praktisk talt er sammenfaldende med den optimale båndgab-bredde for halvledersolenergikonvertere =1,4 eV. For silicium er denne indikator = 1,1 eV.

På grund af det højere niveau af absorption af solstråling, bestemt af direkte optiske overgange i GaAs, kan højeffektive PV-celler baseret på dem opnås med en væsentlig mindre PV-celletykkelse sammenlignet med silicium. I princippet er det nok at have en GFP-tykkelse på 5-6 mikron for at opnå en effektivitet i størrelsesordenen mindst 20%, mens tykkelsen af siliciumelementer ikke kan være mindre end 50-100 mikron uden et mærkbart fald i deres effektivitet . Denne omstændighed giver os mulighed for at regne med skabelsen af letvægtsfilm HFP'er, hvis produktion vil kræve relativt lidt udgangsmateriale, især hvis det er muligt at bruge ikke GaAs som et substrat, men et andet materiale, for eksempel syntetisk safir (Al 2 O 3).

GFC'er har også mere gunstige driftsegenskaber med hensyn til krav til SES-konvertere sammenlignet med silicium-PV-celler. Således gør især muligheden for at opnå små begyndelsesværdier af omvendte mætningsstrømme i p-n-kryds på grund af det store båndgab det muligt at minimere størrelsen af negative temperaturgradienter af effektivitet og optimal effekt af HFP'en og desuden , betydeligt udvide området af den lineære afhængighed af sidstnævnte af lysfluxtætheden. Eksperimentelle afhængigheder af effektiviteten af HFP'er på temperatur indikerer, at en forøgelse af ligevægtstemperaturen for sidstnævnte til 150-180 ° C ikke fører til et signifikant fald i deres effektivitet og optimale specifikke effekt. Samtidig er en stigning i temperaturen over 60-70 ° C for siliciumsolceller næsten kritisk - effektiviteten falder til det halve.

På grund af deres modstandsdygtighed over for høje temperaturer kan galliumarsenidsolceller bruges som solstrålingskoncentratorer. Driftstemperaturen for GaAs-baseret HFP når 180 °C, hvilket allerede er ret driftstemperaturer for varmemotorer og dampturbiner. Til den 30 % iboende effektivitet af galliumarsenid HFP'er (ved 150 °C) kan vi tilføje effektiviteten af en varmemotor ved at bruge spildvarmen fra væsken, der afkøler fotocellerne. Derfor kan den samlede effektivitet af installationen, som også bruger den tredje cyklus af lavtemperatur varmeudvinding fra kølevæsken efter turbinen til rumopvarmning, være endnu højere end 50-60%.

GaAs-baserede HFC'er er også meget mindre modtagelige for ødelæggelse af højenergi proton- og elektronstrømme end silicium-FEC'er på grund af det høje niveau af lysabsorption i GaAs, såvel som den lille krævede levetid og diffusionslængde for minoritetsbærere. Desuden har eksperimenter vist, at en betydelig del af strålingsfejl i GaAs-baserede HFP'er forsvinder efter deres varmebehandling (udglødning) ved en temperatur på lige omkring 150-180 °C. Hvis GaAs HFC'er konstant arbejder ved en temperatur i størrelsesordenen 150 °C, så vil graden af strålingsforringelse af deres effektivitet være relativt lille i hele perioden med aktiv drift af stationerne (dette gælder især for rumsolkraftværker, hvor den lave vægt og størrelse af FEC og høj effektivitet er vigtig).

Generelt kan vi konkludere, at energi-, masse- og driftsegenskaberne for GaAs-baserede HFC'er er mere i overensstemmelse med kravene i SES og SCES (rum) end karakteristikaene for silicium-FEC'er. Silicium er dog et meget mere tilgængeligt og udbredt materiale end galliumarsenid. Silicium er udbredt i naturen, og udbuddet af råvarer til at skabe solceller baseret på det er næsten ubegrænset. Teknologien til fremstilling af siliciumsolceller er veletableret og bliver konstant forbedret. Der er en reel udsigt til at reducere omkostningerne til siliciumsolceller med en til to størrelsesordener med introduktionen af nye automatiserede produktionsmetoder, som gør det muligt især at producere siliciumbånd, solceller med stor areal mv.

Priserne for fotovoltaiske siliciumbatterier er faldet over 25 år med 20-30 gange fra 70-100 dollars/watt i halvfjerdserne ned til 3,5 dollars/watt i 2000 og fortsætter med at falde yderligere. I Vesten forventes en revolution i energisektoren, når priserne krydser 3-dollar-grænsen. Ifølge nogle beregninger kan dette ske allerede i 2002, og for Rusland vil dette øjeblik med de nuværende energitariffer komme til en pris på 1 watt solenergi på 0,3-0,5 dollar, det vil sige i en størrelsesorden lavere pris. Her spiller alle faktorer tilsammen en rolle: Takster, klima, geografiske breddegrader og statens mulighed for at sætte realpriser og foretage langsigtede investeringer. I faktiske strukturer med heterojunctions når effektiviteten i dag mere end 30%, og i homogene halvledere som monokrystallinsk silicium - op til 18%. Den gennemsnitlige effektivitet i solceller baseret på monokrystallinsk silicium er i dag omkring 12 %, selvom den når 18 %. Det er hovedsageligt silicium SB'er, der i dag kan ses på tagene af huse rundt om i verden.

I modsætning til silicium er gallium et meget knapt materiale, hvilket begrænser muligheden for at producere GaAs-baserede HFP'er i de mængder, der kræves til udbredt implementering.

Gallium udvindes hovedsageligt fra bauxit, men muligheden for at få det fra kulaske og havvand overvejes også. De største reserver af gallium findes i havvand, men koncentrationen der er meget lav, indvindingsudbyttet anslås til kun 1%, og derfor vil produktionsomkostningerne sandsynligvis være uoverkommelige. Teknologien til fremstilling af GaAs-baserede HFP'er ved hjælp af væske- og gasepitaksimetoder (orienteret vækst af én enkelt krystal på overfladen af en anden (på et substrat)) er endnu ikke udviklet i samme omfang som teknologien til fremstilling af silicium PVS, og som et resultat heraf er prisen på HFP'er nu betydeligt højere (efter ordre) af prisen på siliciumsolceller.

I rumfartøjer, hvor hovedkilden til strøm er solpaneler, og hvor klare forhold mellem masse, størrelse og effektivitet er meget vigtige, er solens hovedmateriale. Batteriet er selvfølgelig galliumarsenid. Denne forbindelses evne i solceller til ikke at miste effektiviteten, når den opvarmes med 3-5 gange koncentreret solstråling, er meget vigtig for rumsolkraftværker, hvilket følgelig reducerer behovet for sparsomt gallium. Et yderligere potentiale for at spare gallium er forbundet med brugen af syntetisk safir (Al 2 O 3) som HFP-substrat frem for GaAs.. Omkostningerne til HFP'er under deres masseproduktion baseret på forbedret teknologi vil sandsynligvis også blive væsentligt reduceret, og generelt omkostningerne ved konverteringssystemet til konverteringssystemets energi af SES baseret på GaAs HFP kan stå ret mål med omkostningerne ved et siliciumbaseret system. På nuværende tidspunkt er det således vanskeligt helt at give en klar præference til et af de to overvejede halvledermaterialer - silicium eller galliumarsenid, og kun videreudvikling af deres produktionsteknologi vil vise, hvilken mulighed der vil være mere rationel for jordbaseret og rumbaseret- baseret solenergi. For så vidt som SB'erne producerer jævnstrøm, opstår opgaven med at omdanne den til industriel vekselstrøm 50 Hz, 220 V. En særlig klasse af enheder - invertere - klarer denne opgave perfekt.

Mange af os er stødt på solceller på den ene eller anden måde. Nogen har brugt eller bruger solpaneler til at generere elektricitet til husholdningsformål, nogen bruger et lille solpanel til at oplade deres yndlingsgadget i marken, og nogen har helt sikkert set en lille solcelle på en mikroberegner. Nogle var endda så heldige at besøge.

Men har du nogensinde tænkt over, hvordan processen med at omdanne solenergi til elektrisk energi foregår? Hvilket fysisk fænomen ligger til grund for driften af alle disse solceller? Lad os vende os til fysik og forstå generationsprocessen i detaljer.

Helt fra begyndelsen er det indlysende, at energikilden her er sollys, eller, i videnskabelige termer, opnås det takket være fotoner af solstråling. Disse fotoner kan forestilles som en strøm af elementarpartikler, der kontinuerligt bevæger sig fra Solen, som hver især har energi, og derfor bærer hele lysstrømmen en eller anden form for energi.

Fra hver kvadratmeter af Solens overflade udsendes der kontinuerligt 63 MW energi i form af stråling! Den maksimale intensitet af denne stråling falder i området af det synlige spektrum - .

Så forskere har fastslået, at energitætheden af strømmen af sollys i en afstand fra Solen til Jorden på 149.600.000 kilometer, efter at have passeret gennem atmosfæren og når vores planets overflade, i gennemsnit er cirka 900 W pr. kvadratmeter.

Her kan du acceptere denne energi og forsøge at få elektricitet fra den, det vil sige, omdanne energien fra Solens lysstrøm til energien fra bevægelige ladede partikler, med andre ord til.

For at omdanne lys til elektricitet har vi brug for fotoelektrisk konverter. Sådanne konvertere er meget almindelige, de er tilgængelige for frit salg, det er de såkaldte solceller - fotoelektriske konvertere i form af wafere skåret ud af silicium.

De bedste er monokrystallinske, de har en virkningsgrad på omkring 18%, det vil sige, hvis fotonfluxen fra solen har en energitæthed på 900 W/kvm, så kan du regne med at modtage 160 W elektricitet pr. et batteri samlet fra sådanne celler.

Et fænomen kaldet "fotoeffekten" er på arbejde her. Fotoelektrisk effekt eller fotoelektrisk effekt- dette er fænomenet med emission af elektroner fra et stof (fænomenet med elektroner, der udstødes fra et stofs atomer) under påvirkning af lys eller anden elektromagnetisk stråling.

Tilbage i 1900 foreslog Max Planck, kvantefysikkens fader, at lys udsendes og absorberes i individuelle portioner eller kvanter, som senere, nemlig i 1926, kemikeren Gilbert Lewis kaldte "fotoner".

Hver foton har energi, som kan bestemmes ved formlen E = hv - Plancks konstant ganget med strålingsfrekvensen.

I overensstemmelse med Max Plancks idé blev fænomenet, der blev opdaget i 1887 af Hertz og derefter grundigt studeret fra 1888 til 1890 af Stoletov, forklaret. Alexander Stoletov undersøgte eksperimentelt den fotoelektriske effekt og etablerede tre love for den fotoelektriske effekt (Stoletovs love):

Med en konstant spektral sammensætning af elektromagnetisk stråling, der falder ind på fotokatoden, er mætningsfotostrømmen proportional med katodens energibelysning (med andre ord: antallet af fotoelektroner slået ud af katoden på 1 s er direkte proportional med strålingsintensiteten) .

Den maksimale begyndelseshastighed af fotoelektroner afhænger ikke af intensiteten af det indfaldende lys, men bestemmes kun af dets frekvens.

For hvert stof er der en rød grænse for den fotoelektriske effekt, det vil sige en minimumsfrekvens af lys (afhængigt af stoffets kemiske natur og overfladens tilstand), under hvilken den fotoelektriske effekt er umulig.

Senere, i 1905, præciserede Einstein teorien om den fotoelektriske effekt. Han vil vise, hvordan kvanteteorien om lys og loven om bevarelse og transformation af energi perfekt forklarer, hvad der sker, og hvad der observeres. Einstein skrev den fotoelektriske effektligning ned, som han modtog Nobelprisen for i 1921:

Arbejdsfunktion A her er det minimumsarbejde, som en elektron skal udføre for at forlade et atom af et stof. Det andet led er elektronens kinetiske energi efter udgang.

Det vil sige, at en foton absorberes af en elektron fra et atom, på grund af hvilken den kinetiske energi af elektronen i atomet stiger med mængden af energien i den absorberede foton.

En del af denne energi bruges på at elektronen forlader atomet, elektronen forlader atomet og er i stand til at bevæge sig frit. Og retningsbestemte elektroner er intet andet end en elektrisk strøm eller fotostrøm. Som et resultat kan vi tale om forekomsten af EMF i et stof som følge af den fotoelektriske effekt.

Det er, Solbatteriet fungerer takket være den fotoelektriske effekt, der virker i det. Men hvor bliver de "slåede" elektroner af i en solcelleomformer? En fotoelektrisk konverter eller en solcelle eller en fotocelle er derfor, den fotoelektriske effekt i den opstår på en usædvanlig måde, det er en intern fotoeffekt, og den har endda et særligt navn "ventilfotoeffekt".

Under påvirkning af sollys opstår en fotoelektrisk effekt i en halvleders p-n-kryds, og en emk opstår, men elektroner forlader ikke fotocellen, alt sker i det blokerende lag, når elektroner forlader en del af kroppen og bevæger sig til en anden del af det.

Silicium i jordskorpen udgør 30 % af dens masse, hvorfor det bruges overalt. Det ejendommelige ved halvledere generelt er, at de hverken er ledere eller dielektriske stoffer; deres ledningsevne afhænger af koncentrationen af urenheder, temperatur og eksponering for stråling.

Båndgabet i en halvleder er flere elektronvolt, og det er netop energiforskellen mellem det øvre niveau af valensbåndet af atomer, hvorfra elektroner undslipper, og det nederste niveau af ledningsbåndet. I silicium har båndgabet en bredde på 1,12 eV – lige hvad der skal til for at absorbere solstråling.

Altså p-n krydset. De doterede lag af silicium i en fotocelle danner en p-n-forbindelse. Her skabes en energibarriere for elektroner; de forlader valensbåndet og bevæger sig kun i én retning; huller bevæger sig i den modsatte retning. Sådan genereres der strøm i solcellen, det vil sige, at der genereres elektricitet fra sollys.

Et Pn-kryds udsat for fotoner tillader ikke ladningsbærere - elektroner og huller - at bevæge sig andet end i én retning, de adskilles og ender på hver sin side af barrieren. Og er forbundet til belastningskredsløbet gennem de øvre og nedre elektroder, vil den fotoelektriske konverter, når den udsættes for sollys, skabe i det eksterne kredsløb.