Фотоэлементы – энергоальтернатива
Дата: 04.08.2008
Раздел: Солнце
Обзорная статья о солнечных элементах.
Много времени и сил было потрачено лучшими учеными на поиски весомой альтернативы невозобновляемых источников энергии… Использование нефти, газа, угля и прочих углеводородных ресурсов в наши дни по-прежнему служит основным путем получения электричества. На протяжении нескольких десятилетий в сфере космических технологий широко и с успехом применяются солнечные батареи и, несмотря на то, что получаемая таким образом энергия примерно в пять раз дороже, в условиях ограниченного объема природных ресурсов, проблем экологии и, в частности, глобального потепления, использование человечеством энергии солнца на земной поверхности в ближайшие годы может составить значительную конкуренцию углеводородам.
Подтверждением тому служит наличие у некоторых стран удачного опыта «приручения» солнечных лучей: в частности, у Германии: в конце 2003 г. общая мощность немецких гелиоэнергетических солнечных установок составляла около 400 МВт, а к концу 2004 года она выросла до 700 МВт
Общая площадь немецких электростанций, использующих солнечные батареи, составляет уже 5-6 миллионов квадратных метров!
Последние проекты по созданию и использованию альтернативных энергоресурсов многих развитых стран Запада в значительной степени опираются на энергетические возможности близкой нам звезды.
На чем основана работа солнечных батарей
Наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку позволяют осуществить прямой, одноступенчатый переход энергии. При характерной для ФЭП температуре порядка 300—350 градусов Кельвина (27-77оС) и температуре солнца в примерно 6000 К (5723оC) их предельный теоретический КПД >90 %. Пока же в лабораторных условиях уже достигнут КПД 40% и ученым вполне реальным представляется его повышение до 50 %.
Преобразование энергии в ФЭП основано на фотогальваническом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Неоднородность структуры чаще всего достигается путем добавления к одному и тому же полупроводнику различных примесей
Эффективность преобразования солнечного излучения зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств фотоэлектрических преобразователей, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость - она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.
Типы солнечных элементов
Все фотоэлектрические элементы представлены четырьмя поколениями:
1) Первое составляют монокристаллические кремниевые элементы, способные генерировать электрическую энергию от источника излучения, длина волны которого совпадает с таковой солнечного света. Элементы подобного типа – основная технология, применяемая в производстве коммерческих солнечных батарей: ей принадлежит 86% рынка земных фотоэлектрических элементов.
2) Второе поколение основано на использовании тонких эпитаксиальных полупроводниковых батарей. Существует два класса эпитаксиальных фотогальванических элементов: космические и земные. Космические эффективны на 28-30%, но стоимость одного ватта производимой ими энергии выше, чем у тонкопленочных конкурентов (земных фотоэлементов), однако беда последних – КПД, не превышающий 5-7%. Их использование в космических проектах пока кажется весьма сомнительным.
Ряд технологий и полупроводниковых материалов в настоящее время рассматриваются в плане эффективности их применения в создании солнечных элементов: аморфный кремний, микрокристаллический кремний, теллурид кадмия, а также создание тонких Ga-As-пленок для космической индустрии (с потенциальным КПД до 37%) - все это сейчас на стадии разработки. Фотоэлектрические элементы второго поколения занимают лишь малую часть рынка применяемых на Земле батарей, но примерно 90% космического принадлежит именно им.
3) Третье поколение фотогальванических элементов значительно отличается от предыдущих двух. Оно представлено квантовыми точками (фрагментами проводника или полупроводника, ограниченными по всем трём пространственным измерениям, содержащими электроны; они настолько малы, что осуществимы квантовые эффекты) и устройствами со встроенными углеродными нанотрубками. Их КПД, по мнению ученых, к моменту начала широкомасштабного производства достигнет 45%.
Данное поколение фотоэлектрических элементов помимо упомянутых включает еще и фотоэлектрохимические, нанокристаллические и полимерные солнечные батареи, применение которых будет осуществимо только на земной поверхности.
Все представители третьего поколения пока находятся на этапе разработки или испытаний.
4) Не существующее на данный момент четвертое поколение солнечных батарей предположительно будет представлено композитными фотогальваническими элементами, в которых будут сочетаться полимеры и наночастицы, образующие один монослой. В дальнейшем эти тонкие слои могут быть совмещены с образованием полноценных, более эффективных и экономичных солнечных батарей, что будет достигнуто за счет следующего эффекта, кстати, частично уже используемого NASA в проекте по исследованию Марса: первым слоем фотоэлемента будет тот, что превращает в электроток разные типы света, вторым – преобразующий в электроэнергию свет прошедший и не уловившийся в первом, а последний предназначен для инфракрасных лучей. Таким образом будет достигнуто использование почти полного спектра улавливаемого излучения.
Исследования в данной области проводятся по гранту DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency — агентство передовых оборонных исследовательских проектов США) несколькими крупными компаниями Xsunx, Konarka Technologies, Nanosolar, Dyesol, Nanosys, а также USA's National Renewable Energy Laboratory – имеет смысл пристально следить за ходом исследований, так как уже в ближайшее время нам обещаны интересные результаты.
История
Термин фотогальванический (англ. - photovoltaic) имеет частично греческое происхождение: phos – свет. Второй корень слова образован фамилией известного итальянского физика Volta, в честь которого названа единица измерения электрического напряжения.
Сам термин «фотогальванический» впервые вошел в использование в 1849 году в английском языке.
Фотогальванический эффект (преобразование энергии света в электроэнергию) был открыт в 1839 году во Франции физиком Alexandre-Edmond Becquerel.
Но до создания первой солнечной батареи прошло более сорока лет: в 1883 г. Charles Fritts покрыл кремниевый полупроводник очень тонким слоем золота и получил солнечную батарею, КПД которой составил не более 1%. Аналогичные современным фотогальванические компоненты были запатентованы как «светочувствительные элементы» в 1946 г. Russell Ohl.
В дальнейшем Sven Ason Berglund запатентовал метод повышения емкости фоточувствительных ячеек и в 1954г. наступила эпоха поныне используемых солнечных батарей, когда Bell Laboratories, экспериментируя с полупроводниками, случайно выяснили, что кремний, при условии добавления определенного количества примесей, оказался весьма чувствителен к свету. Это позволило создать солнечные батареи с эффективностью превращения солнечной энергии в электрическую примерно в 6%. Первый искусственный спутник с применением фотогальванических элементов был запущен СССР в 1957 г., а в 1958 г. США осуществили запуск спутника Explorer 1 с солнечными панелями, созданными Peter Iles из Hoffman Electronics.
Данные два события показали, что фотогальванические элементы могут служить единственным и достаточным источником энергоснабжения геостационарных спутников, что подтвердило компетентность солнечных батарей. Это был важный момент в развитии данной технологии, так как в результате успешных запусков несколько правительств инвестировали колоссальный объем средств в ее разработки.
В 1970 г. первая высокоэффективная гетероструктурная (с применением галлия - Ga - и мышьяка - As) солнечная батарея создана Жоресом Алферовым и его командой в СССР.
В 1980 г. были разработаны первые устройства MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition - химическое осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений), убравшие для многих компаний ограничения в создании Ga-As-солнечных элементов. В результате Applied Solar Energy Corporation (ASEC) уже в 1988 г. создали батарею с невиданной на то время эффективностью - 17%.
1993 г. ознаменовался выпуском Ga-As солнечного элемента с КПД 19%, и в том же году ASEC разработали фотоэлектрическую панель с эффективностью 20%.
В 1995 г. в экспериментальных и космических лабораториях нескольких стран появились первые образцы фотогальванических элементов, для которых в качестве основы использовался тончайший пластик (thin-film photovoltaic cell – тонкопленочные фотогальванические элементы).
Начиная с 2000 г. в арифметической прогрессии росла эффективность производимых кремниевых моно- и поликристаллических фотоэлектрических элементов, достигнув к 2007 г. 30%. Другие же технологии из-за меньшей эффективности оказались обделены вниманием разработчиков до недавнего времени.
Исследование солнечной энергии в 2007 г. ознаменовалась созданием первых коммерческих тонкопленочных солнечных элементов второго поколения компанией Flisom - дочерней организацией ETH Zurich, основанной в 2005 г. Главным производимым ей продуктом стали именно гибкие сверхлегкие солнечные панели, целью разработки которых многими компаниями стало получение дешевой энергии.
Создаваемые Flisom фотогальванические элементы основаны на веществе CIGS (Copper Indium Gallium Selenide – селенид меди, индия и галлия), которое эффективно поглощает солнечные лучи. Для изготовления этих устройств необходимы совсем не большие количества вещества и энергии, но КПД получаемых элементов составляет не более 5-7%. При этом структура устройств основана на полимерной пластмассе – оно тоньше листа бумаги (1-2 мкм) и очень легкое. Энергия производимая такими фотогальваническими элементами значительно дешевле, чем та, что производится привычными кремниевыми солнечными батареями. Для сравнения: один ватт установленной мощности, производимый монокристаллическим кремниевым фотоэлементом, стоит около $4,3; для поликристаллических кремниевых солнечных батарей эта цифра составляет $4,31. Что касается тонкопленочных элементов, то энергия производимая ими стоит почти на 30% меньше: порядка $3 за ватт установленной мощности. Превосходство тонкопленочных батарей заключается и в чрезвычайно малой массе, что позволит их применять даже на легких и гибких поверхностях, в том числе и тканях.
Примеры практического применения в настоящий момент
С использованием опытных образцов было разработано несколько демонстрационных устройств. Они включали: автономное устройство пожарной сигнализации, настенные электронные часы, подзарядное устройство.
Первое автономное устройство работает на аккумуляторе с его подзарядкой от фотоэлектрического преобразователя, оснащено с датчиками температуры и задымления, работает в импульсном режиме и предназначено для периодического контроля и передачи информации в блок контрольно-информационного устройства, которое может быть связано с центральным диспетчерским пунктом. (solar)
Основной элемент часов с фотоэлектрической подзарядкой - люминесцентный концентратор со светящимися в полутьме цифрами. Применение люминесцентного концентратора позволяет сконцентрировать рассеянный свет на батарее фотоэлектрического преобразователя, обеспечивающего подзарядку аккумулятора или конденсатора, что значительно снижает требования к месту установки часов.
Наиболее полезное из перечисленных - устройство для подзарядки аккумуляторов, в котором оригинальным является применение импульсного преобразователя и стабилизатора напряжения, что позволяет снизить число элементов в батарее и получить стабилизированное напряжение в диапазоне от 6 до 15 В, рассчетную мощность - около 10 Вт. Эти параметры близки к тем, которыми обладают широко используемые сетевые зарядные устройства.
Будет вполне объяснимо, если указанный список оборудования не слишком впечатлит. Все объясняется низким КПД thin-film-фотоэлементов. Но уже найдены пути решения этой проблемы.
Совершенствование
Вскоре после начала производства Flicom тонкопленочных элементов в том же 2007 г. группе австралийских ученых удалось устранить существенное препятствие на пути достижения высокого КПД рассматриваемого альтернативного источника энергии. У них получилось разработать новую технологию, способную повысить эффективность указанных типов солнечных батарей на 50 %.
Одна из основных причин высокой стоимости энергии солнечных батарей — необходимость использования дорогих кремниевых пластин. Потому для исследований по усовершенствованию фотоэлектрических панелей учеными были выбраны как раз тонкопленочные элементы - основное положение, которым они руководствовались, заключалось в следующем: дешевизна тонкопленочных фотогальванических элементов несколько нивелируется низкой эффективностью (от 5 до 7% падающей на них солнечной энергии конвертируется в элетроток), что не позволяет широко внедрять данную технологию. И исследователям удалось разработать специальный способ обработки поверхности солнечных элементов, позволяющий повысить эффективность поглощения света солнечной батареей. Они предложили наносить тончайший слой серебра (примерно 10 нм), который затем подвергают нагреванию при температуре 200°С – это приводит к разрушению сплошной металлической пленки и образованию островков сплюснутой сферической формы диаметром около 100 нм. Падающий на такие участки свет или другое электромагнитное излучение вызывают в серебряных наночастицах коллективные колебания свободных электронов, которые перенаправляют электромагнитные волны в нижележащий слой кремния, что в целом существенно увеличивает поглощение света солнечным элементом: данная технология позволит в перспективе повысить эффективность тонкопленочных батарей до 13–15 %, что послужит очень важным шагом вперед, поскольку по достижении эффективности в 15% становится экономически целесообразным повсеместное использование такого типа фотоэлектрических элементов. К примеру, для полной электрификации односемейного дома окажется достаточным использование 8 м2 фотогальванических панелей, что обойдется владельцу в не заоблачные $10 000. (рис. крыша, на закате)
Недостатки и пути устранения
Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны прежде всего с:
отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
прохождением части излучения через элемент без поглощения в нём,
внутренним сопротивлением преобразователя и некоторыми другими физическими процессами.
Для уменьшения всех видов потерь энергии в солнечных батареях успешно разрабатываются и применяется различные мероприятия. К их числу относятся:
*поиск и использование полупроводников наиболее подходящих для *преобразования солнечного излучения;
*направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём оптимального добавления примесей;
*переход от гомогенных к гетерогенным полупроводниковым структурам;
*применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту элементов от космической радиации;
*разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра;
Также существенного повышения КПД фотогальванических панелей удалось добиться за счёт: создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны),
применения люминесцентно переизлучающих структур,
предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным фотоэлектрическим преобразователем.
Заключение
Проблемы, связанные с бурно растущей сферой углеводородной энергетики и успешные исследования в области использования энергии Солнца заставляют обратить на последнюю все более пристальное внимание. Пока сдерживающими факторами служат дороговизна и низкая эффективность уже созданных устройств. Но так как для решения этих проблем уже найдены пути, не за горами массовое распространение альтернативной и более безопасной технологии. Особенно с учетом возможностей thin-film панелей, гибкость, тонкость и легкость которых позволяет нам ожидать их появления в электронных устройствах уже в ближайшее время, а это продлит работу портативных помощников и значительно поубавит забот их владельцам.
* Эпитаксия - ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого, при котором каждый последующий слой имеет абсолютно ту же ориентировку, что и предыдущий.
Реклама:
|
|