Солнечные элементы - Марк Михайлович Колтун

В настоящее время намечен и экспериментально исследован ряд новых направлений, развитие которых может привести к получению на практике высокого КПД преобразования солнечного излучения непосредственно в электрическую энергию.

Из теории следует (и подтверждается экспериментально), что КПД солнечного элемента растет с увеличением интенсивности освещения. В объеме полупроводника возникает ЭДС Дембера, связанная с разницей в подвижности рожденных светом электронов и дырок и их взаимодействием. Если свет падает на р+- слой в солнечном элементе с р+ — p — n+-структурой, то ЭДС Дембера совпадает по знаку с фото-ЭДС, генерируемой изотипным барьером, а когда освещается верхний разделяющий барьер п+—р, ЭДС направлены в противоположные стороны. В связи с этим для получения повышенных значений Ux.x полезно освещать двусторонние элементы более интенсивно с тыльной стороны (при больших световых потоках). Число избыточных носителей заряда, возникающих при высокой интенсивности освещения, значительно превосходит их тепловое равновесное количество, определяемое степенью легирования полупроводника, что приводит к уменьшению электрического сопротивления базовой области солнечного элемента за счет явления фотопроводимости. При очень больших (тысячекратных) освещенностях в солнечных элементах может быть получено значение Ux.x, близкое к потенциалу запрещенной зоны данного полупроводника, выраженному в вольтах. Увеличение КПД солнечных элементов при повышении интенсивности падающего солнечного потока со спектром AM1 может быть представлено в виде полученных расчетным путем зависимостей максимального КПД от ширины запрещенной зоны полупроводника при температуре 300 К (рис. 4.12).

Таким образом, как показывают данные, приведенные на рис. 4.12, только за счет повышения плотности потока солнечного излучения в 1000 раз КПД солнечного элемента из оптимального полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны около 1,4 эВ возрастает до 35 % (см. рис. 4.12, кривая 7).

Результаты этих расчетов вдохновили многих исследователей на создание наземных фотогенераторов с солнечными элементами, работающими при весьма высоких концентрациях потока, достигающих уже сейчас уровня 400—500-кратных (с перспективой дальнейшего увеличения до 2000—2200-кратных по сравнению с обычным солнечным).

Если это направление повышения КПД солнечных элементов требует решения инженерных и конструкторских задач, связанных с отводом большого количества избыточной теплоты для сохранения температуры элементов на достаточно низком уровне, а также с созданием долговечных концентраторов солнечной энергии со светостойкими покрытиями, то два других перспективных способа резкого увеличения КПД преобразования солнечного излучения с помощью солнечных элементов находятся еще на стадии физических исследований в условиях лаборатории. Внешне эти два пути прямо противоположны.

Первый из них требует резкого сужения широкополосного солнечного спектра и затем превращения этого спектрально преобразованного потока излучения в электрическую энергию с помощью солнечного элемента с p-n-переходом в гомогенном материале, ширина запрещенной зоны которого точно подходит по энергетическому зазору к спектру направленного на него потока излучения. При сужении спектра КПД солнечного элемента, как известно, сильно возрастает, поскольку исчезают потери на нефотоактивное поглощение в длинноволновой части спектра и на тепловое рассеяние избыточной энергии коротковолновых фотонов.

Второй путь связан с созданием каскадной системы из нескольких солнечных элементов, прозрачных в длинноволновой области спектра за краем основной полосы поглощения, причем каждый из них будет эффективно преобразовывать соответствующую часть падающего излучения, в результате чего перекрывается весь спектральный интервал солнечного излучения и тем самым как бы резко расширяется спектральная чувствительность солнечного элемента.

Сузить широкополосное солнечное излучение можно различными путями, например направив концентрированный солнечный поток на теплоприемник, выполненный в виде модели черного тела с селективным термостойким излучателем, покрытым окисью эрбия, преимущественно излучающим в области спектра от 1 до 2 мкм. Солнечные элементы из германия или из кремния будут преобразовывать такой спектрально суженный (практически без потерь) поток солнечного излучения с КПД выше 25 %. Для солнечных элементов с большей шириной запрещенной зоны, например, из арсенида галлия с гомо- или гетеропереходом, следовало бы разработать селективный тепловой излучатель более коротковолнового участка спектра, что позволило бы получать в эксперименте еще большие значения кпд.

Для сужения солнечного спектра могут быть использованы полупроводниковые светодиоды на основе гетероструктур в арсениде галлия, преобразующие с почти 100 %-ным квантовым выходом коротковолновое излучение в длинноволновое, отвечающее по энергии ширине запрещенной зоны гомогенного арсенида галлия. Академиком Ж. И. Алферовым и его сотрудниками было предложено совместить в одном монолитном многослойном солнечном элементе такую переизлу-чающую структуру с преобразователем оптического излучения в электроэнергию на основе гетероструктуры твердый раствор алюминия в арсениде галлия — арсенид галлия.

Энергетические зонные диаграммы различных солнечных элементов на основе арсенида галлия представлены на рис. 4.13.

В случае переизлучающей структуры между двумя областями окна-фильтра область, обращенная к свету (область 2), имеет состав Al0,8Ga0,2As, а переизлучающая структура (область 4) — состав Al0,1Ga0,9As с постепенным увеличением (область 3) содержания алюминия (до 0,3) по мере приближения к р — n-переходу в арсениде галлия (область 7). В такой структуре спектр фоточувствительности определяется тонкой (толщина менее 1 мкм) верхней областью 2 широкозонного окна-фильтра, а сопротивление растекания снижается благодаря сравнительно толстой (толщина 20–30 мкм) внутренней области 3 окна-фильтра, прозрачной для длинноволнового люминесцентного излучения, испускаемого переизлучающей структурой 4 к р-n-переходу в арсениде галлия (область 7) после поглощения солнечного излучения.

Солнечные элементы с переизлучающей структурой между областями окна-фильтра особенно подходят для преобразования солнечного излучения очень высокой интенсивности, ибо имеют широкий спектральный диапазон чувствительности и низкое последовательное сопротивление. В ходе исследований были изучены световые вольт-амперные характеристики солнечных элементов на основе арсенида галлия с гетеропереходом и переизлучающей структурой для различных степеней концентрации солнечного потока (вплоть до 2570-кратной). Максимальная электрическая мощность, снимаемая с нагрузки к одному из таких элементов диаметром 1 см, составила при измерениях в наземных условиях 13,5 Вт. Следовательно, для получения более 100 Вт электрической мощности требуется всего восемь таких элементов с концентраторами, в то время как ту же электрическую мощность в наземных условиях от солнечных элементов высокого качества обычной конструкции обеспечивает плоская панель площадью не менее 1 м2 (более 10 тыс. элементов площадью 1 см2 каждый).

Очевидно, что затраты, связанные с трудоемкой технологией изготовления новых солнечных элементов сложной многослойной структуры, полностью себя оку-пят, и, возможно, что при широком применении таких элементов стоимость электроэнергии, получаемой от солнечных элементов, снизится на два-три порядка и приблизится к стоимости электроэнергии от традиционных источников (тепловые электростанции, гидроэлектростанции).

После разработки эффективных гомо- и гетероструктур на кремнии и арсениде галлия возник интерес к созданию из них каскадных солнечных элементов. Электрическое соединение элементов в каскаде влечет за собой определенные технологические и конструктивные усложнения, в связи с чем были сделаны попытки получить каскадные элементы в единой монолитной структуре, создаваемой последовательным выращиванием с помощью жидкостной, газовой или молекулярной эпитаксии