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 Ес[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 Еg: λгр= 1,24/ Еg. 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)
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.
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. · 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. 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. 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). 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.
Популярное: Почему двоичная система счисления так распространена?: Каждая цифра должна быть как-то представлена на физическом носителе... Как построить свою речь (словесное оформление):
При подготовке публичного выступления перед оратором возникает вопрос, как лучше словесно оформить свою... Личность ребенка как объект и субъект в образовательной технологии: В настоящее время в России идет становление новой системы образования, ориентированного на вхождение... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (866)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |