Физические принципы преобразования солнечной энергии в электричество.

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 17Следующая ⇒

Энергию солнечного излучения можно преобразовывать в электроэнергию непосредственно, минуя преобразования в тепловую и кинетическую энергию. Такое преобразование происходит в фотоэлектрических преобразователях, полупроводниковых приборах, способных под действием света генерировать электродвижущую силу постоянного тока.

Рассмотрим кратко особенности устройства и работы фотоэлектрических преобразователей.

Фотоэлектрические преобразователи представляет собой полупроводниковое устройство, в котором под действием света появляется электрический потенциал. Электрические свойства полупроводников описываются зонной теорией, согласно которой валентная зона и зона проводимости разделены энергетическим зазором, называемым запрещенной зоной (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4. Зонная структура полупроводника

с собственной проводимостью

При попадании фотона в валентный электрон, электрон возбуждается, и при достаточной энергии фотона может перейти в зону проводимости.

В настоящее время в фотоэлектрических преобразователях применяется кремний. Чистый кремний не содержит примесных атомов. Технически чистый кремний содержит незначительное число примесных атомов, которые могут отдавать или присоединять электроны. Если в полупроводник с собственной проводимостью внести примесь ионов, то возникает примесная проводимость. Так, например, если четырехвалентный атом кремния в кристаллической решетке заместить атомом с меньшей валентностью, то в решетке возникает акцепторныйузел, способный захватывать свободные электроны. Энергетические уровни акцепторных атомов располагаются в запрещенной зоне вблизи валентной зоны. Отсутствие свободных электронов приводит к появлению положительных состояний, называемых дырками. Дырки имеют тяготение к заполнению электронами, но тогда на месте присоединенного электрона появляется своя дырка. Такое явление можно интерпретировать, как перемещение дырок в веществе полупроводника.

Если внести примесь с большей валентностью, чем кремний, то возникнут донорныеузлы, способные отдавать электроны. В этом случае по веществу полупроводника будут перемещаться электроны.

Первого типа полупроводники называются полупроводниками р-типа, а вторые – n-типа.

Материалы с примесной проводимостью обладают более высокой электропроводностью, чем технически чистые полупроводники. Электропроводность полупроводников n-типа выше, чем чистых полупроводников, так как энергия ионизации доноров меньше ширины запрещенной зоны, и, при возбуждении фотонами, электроны легче переходят в зону проводимости, т. е., для возбуждения требуется меньшая энергия фотона. Аналогичная ситуация и для полупроводников р-типа, только здесь требуется меньше энергии для перехода дырок в валентную зону.

Если соединить р-полупроводник и n-полупроводник, то заряды (электроны и дырки) будут притягиваться к соответствующим веществам, образуя в месте соединения обедненную зону (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5. Схема формирования р-n перехода

в фотоэлементе

Так как по обе стороны перехода имеется избыток носителей заряда (дырок в материале p-типа и электронов в материале n-типа) в переходе существуют градиенты концентрации дырок dp/dx и электронов dn/dx, которые стремятся вызвать диффузию носителей заряда (диффузионный ток). Здесь х – расстояние от границы перехода.

Концентрация дырок и электронов уменьшается с увеличением расстояния х вследствие рекомбинации. Наряду с основными носителями в р и n материалах существуют и неосновные (противоположной полярности) носители.

Период времени с момента перехода носителя в ту область, где он является неосновным, до момента его рекомбинации с основным носителем является временем жизни неосновного носителя. Диффузионная длина (расстояние, пройденное неосновным носителем до рекомбинации) определяется следующими уравнениями /7/:

(4.5)

(4.6)

где L_p, L_n – диффузионная длина соответствующего носителя;

D_p, D_n – коэффициент диффузии соответствующего материала;

τ_p, τ_n – время жизни соответствующего неосновного носителя.

Вследствие диффузии и рекомбинации электронов и дырок на сторонах р-n перехода будет формироваться разность потенциалов, называемых потенциальным барьером. Этот потенциал вызывает дрейф дырок из материала n-типа в материал р-типа и дрейф электронов в противоположном направлении, то есть дрейфовый ток.

Принцип преобразования солнечной энергии в электричество

Солнце и фотоэлектрические модули (СФЭМ - солнечные батареи).

В основе этого способа получения электричества лежит солнечный свет, названный в учебниках как солнечное излучение, солнечная радиация, световой поток или поток элементарных частиц – Фотонов. Для нас он интересен тем, что, так же как и движущийся воздушный поток, световой поток обладает энергией! На расстоянии в одну астрономическую единицу (149 597 870,66 км) от Солнца, на котором и располагается наша Земля, плотность потока солнечного излучения составляет 1360 Вт/м². А пройдя через земную атмосферу, поток теряет свою интенсивность из-за отражения и поглощения, и у поверхности Земли уже равен ~ 1000 Вт/м². Здесь и начинается наша работа: использовать энергию светового потока и преобразовать её в необходимую нам в быту энергию – электрическую.

Таинство этого преобразования происходит на небольшом псевдоквадрате со скошенными углами, который вырезан из кремниевого цилиндра (рис. 2), диаметром 125 мм, и имя ему - фотоэлектрический преобразователь (ФЭП). Каким же образом?

Ответ на этот вопрос получили физики, открывшие такое явление как Фотоэффект.Фотоэффект - это явление вырывания электронов из атомов вещества под воздействием света.

В 1900г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой: Е = h∙ν(аш ню), где h — постоянная Планка, равная 6,626 × 10^-34 Дж∙с, ν - частота фотона. Гипотеза Планка объяснила явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспериментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым, который, путем обобщения полученных результатов, установил следующие три закона фотоэффекта:

1. При неизменном спектральном составе света сила тока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.

2. Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.

3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой, характерной для каждого вещества, величины, называемой красной границей.

Теорию фотоэффекта, проясняющую таинство, царящее в ФЭПе, развил немецкий ученый Альберт Эйнштейн в 1905г., объяснив законы фотоэффекта с помощью квантовой теории света. Исходя из закона сохранения и превращения энергии, Эйнштейн записал уравнение для энергетического баланса при фотоэффекте:

где: h∙ν – энергия фотона, А – работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из атома вещества. Таким образом, получается, что частица света – фотон - поглощается электроном, который приобретает дополнительную кинетическую энергию ½m∙v² и совершает работу выхода из атома, что дает ему возможность свободно двигаться. А направленное движение электрических зарядов и есть электрический ток, или, правильнее говоря, в веществе возникает Электро Движущая Сила – Э.Д.С.

За уравнение для фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

Возвращаясь из прошлого в наши дни, мы видим, что «сердцем» Солнечной батареи является ФЭП (полупроводниковый фотоэлемент), в котором осуществляется удивительное чудо природы – Вентильный фотоэффект (ВФЭ). Он заключается в возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света. ВФЭ, или фотоэффект в запирающем слое, — явление, при котором электроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник).

Полупроводники — это материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт [эВ]. Ширина запрещенной зоны — это разность энергий электронов в кристалле полупроводника между нижним уровнем зоны проводимости и верхним уровнем валентной зоны полупроводника.

К числу полупроводников относятся многие химические элементы: германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие, огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.) Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Кремнию суждено было стать материалом для солнечной энергетики благодаря его широкому распространению в природе, легкость, подходящая ширина «запрещенной зоны» 1,12 эВ для поглощения энергии солнечного света. Сегодня на рынке коммерческих систем наземного применения наиболее заметны кристаллические кремниевые (около 90% мирового рынка) и тонкопленочные солнечные элементы (около 10% рынка).

Ключевым элементом конструкции кристаллических кремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) является p-n переход. В упрощенном виде ФЭП можно представить в виде "бутерброда": он состоит из слоев кремния, легированных для получения p-n перехода.

Одним из главных свойств p-n перехода является его способность быть энергетическим барьером для носителей тока, то есть пропускать их только в одном направлении. Именно на этом эффекте и базируется генерация электрического тока в солнечных элементах. Излучение, попадающее на поверхность элемента, генерирует в объеме полупроводника носители заряда с разным знаком - электроны (n) и дырки (p). Благодаря своим свойствам p-n переход «разделяет» их, пропуская каждый тип только на "свою" половину, и хаотически двигающиеся в объеме элемента носители заряда оказываются по разные стороны барьера, после чего могут быть переданы во внешнюю цепь для создания напряжения на нагрузке и электрического тока в замкнутой цепи, подключенной к солнечному элементу.

Термоэлектрические преобразователи

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, то между ними возникает термо-ЭДС:

Е =α (Т1 −Т2 ) ,

где 1 Т – абсолютная температура горячего спая;

2 Т – 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 ₁=αT₁ I , а холодный спай отдает теплоту низкотемпературному телу в количестве Q₂ =αT₂ I . Разность подведенной и отведенной теплоты составляет секундную работу тока L , Вт: L =α (T₁ –T₂ )I .

Отношение работы к подведенной теплоте есть термический КПД процесса преобразования:

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 сопротивления проводников, их теплопроводности и термического сопротивления теплообмену спаев с окружающими средами. Поэтому дейстительный КПД установки равен:

где η _оэ< 1 – относительный электрический КПД преобразователя.

При использовании металлических термоэлектродов КПД термоэлектрических 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 и т. п.

8. Конструкции и материалы солнечных элементов.

Производство структур на основе монокристаллического кремния процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a- Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на

основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а- Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%).

Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка – 16 %.

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

- почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина 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 эффективностью 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 возможности при проектировании солнечных элементов.

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе – широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный солнечный элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

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

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению

солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ) [2,5]. Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства. Один из основных способов получения CuInSe2 – электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH>>1,2–2,0.

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. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.

Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe – высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают высокой подвижностью носителей заряда, а солнечные элементы на их основе – высокими значениями КПД,от 10 до 16%.

Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, использующие органические материалы. Коэффициент полезного действия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок – ~11 %. Основа солнечны элементов данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органического красителя. Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.

9. Типы концентраторов и принципы работы систем слежения за Солнцем.

Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 2198; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!