Солнечные элементы - Марк Михайлович Колтун
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Активно исследуются фотолюминесцентные солнечные концентраторы, называемые также плоскопараллельными или плоскими концентраторами.
Солнечный свет, который падает на плоскую пластину, покрытую слоем люминофора, поглощается им. В процессе поглощения света падающие фотоны возбуждают молекулы люминофора (в этом качестве могут быть использованы и многие органические красители). При этом возникает новое излучение, но уже с другой длиной волны, характерной для данного люминофора. Переизлученная энергия остается внутри плоской пластины благодаря внутреннему отражению и после многократного отражения от плоских отражающих стенок попадает на солнечные элементы, установленные по периметру плоского прямоугольного концентратора.
Исследование процессов деградации параметров солнечных элементов и методы их стабилизации
Исходные характеристики солнечных элементов могут, к сожалению, заметно ухудшаться в процессе эксплуатации.
Повышение температуры приводит, как правило, к росту фототока и падению ЭДС, выходной мощности и КПД солнечных элементов, причем градиент падения мощности зависит от природы полупроводникового материала — для широкозонных материалов он мал, для узкозонных велик. У кремниевых солнечных элементов с повышением температуры на 100o C мощность, генерируемая ими, падает на 45 %, а у солнечных элементов на основе арсенида галлия — на 25 % (напомним, что ширина запрещенной зоны кремния составляет 1,02 эВ, арсенида галлия — 1,43 эВ).
Увеличение плотности падающего потока излучения в несколько раз может также привести к резкому уменьшению выходной мощности солнечных элементов, если последовательное сопротивление элементов сравнительно велико — около 1 Ом×см2. Последовательное сопротивление обычных солнечных элементов составляет 0,5–0,6 Ом см2, и их можно применять (без ухудшения электрических характеристик) в условиях 5—7-кратного увеличения плотности потока солнечного излучения, характерного для наземных условий средней полосы СССР (обычно 400–800 Вт/м2).
Различные способы уменьшения последовательного сопротивления, например путем создания частой контактной сетки на лицевой поверхности элементов с оптимизированными размерами полос, позволяют не только снизить его, но и более эффективно использовать возрастание плотности потока солнечного излучения, создаваемое чаще всего с помощью концентраторов света разнообразных конструкций. В ряде работ было показано, что значительное увеличение плотности падающего на солнечные элементы потока излучения приводит к росту КПД за счет возникновения полезных тянущих электрических полей в объеме полупроводника (если, конечно, при этом не происходит падения мощности из-за рассеяния тока при прохождении через элементы вследствие их значительного последовательного сопротивления). Экспериментальные исследования подтвердили этот вывод. При снижении последовательного сопротивления солнечных элементов до 0,1 Ом×см2 максимальный КПД преобразования ими солнечной энергии наблюдался при 40—50-кратных потоках солнечного излучения. При снижении последовательного сопротивления до 0,01 и менее удается эффективно преобразовывать в электроэнергию потоки излучения, превышающие однократные солнечные в 500–700 раз.
Следует указать, что отмеченные выше зависимости выходной мощности солнечных элементов от интенсивности падающего света и температуры носят полностью обратимый характер (если, конечно, в процессе работы не произошло значительного перегрева элементов — до температур, превышающих предел работоспособности контактных слоев или покрытий, что обычно составляет 150–200o С).
При эксплуатации как в космосе, так и на Земле солнечные элементы и полупроводниковые материалы, из которых они сделаны, подстерегает также опасность необратимых изменений. Особенно большое снижение выходной мощности солнечных элементов и батарей наблюдается при воздействии корпускулярного облучения — протонами и электронами радиационных поясов Земли, а также при многократном термоциклировании всей конструкции солнечных батарей при заходе в тень Земли и при выходе из нее. Значительные температурные напряжения, возникающие внутри солнечных элементов при термоциклировании из-за разницы в коэффициентах теплового расширения различных полупроводниковых слоев, образующих гетеропереходы, или контактных, просветляющих, защитных и полупроводниковых слоев (в случае как гомо-, так и гетеропереходов), приводят к механическому разрушению солнечных элементов, если величина этих напряжений превышает прочность отдельных слоев элементов или величину сил, удерживающих эти слои вместе.
Значительный опыт накоплен разработчиками разных стран в создании солнечных элементов и батарей, способных успешно противостоять отрицательному воздействию радиации и термоциклировании. В настоящее время удается изготавливать солнечные батареи таких конструкций, которые способны работать в условиях космоса и на Земле десятки лет без значительного снижения мощности.
Решить эту сложную проблему помогло создателям солнечных элементов понимание сложных и тонких физических процессов, происходящих в полупроводниковых материалах и на их границе с другими слоями, входящими в состав солнечных элементов, при деградации их параметров под влиянием различных видов внешнего воздействия. Исследование этих процессов проводится в современных лабораториях с привлечением самых разных способов анализа структуры, состава, примесей и дефектов в материалах: электронной и оптической растровой микроскопии, вторично-ионной спектроскопии, Оже-спектроскопии, масс-спектрометрии, рентгеновского микроанализа, фото-, катодо- и электролюминесценции, емкостной спектроскопии глубоких уровней, инфракрасной спектроскопии и других.
Еще два вида воздействий, приводящих к необратимой деградации солнечных элементов, привлекли внимание исследователей в последние годы. Один из них вызывает деградацию, которая условно может быть названа химико-термической, второй — фотонную.
Химико-термическая деградация возникает, например, из-за влияния остаточной атмосферы космического корабля и выхлопных газов двигателей на параметры солнечных элементов. Не менее опасна для солнечных элементов наземных фотогенераторов и их оптических покрытий загрязненная газообразными щелочными и кислотными отходами атмосфера больших городов. Необычные химические реакции с участием свободных радикалов, происходящие при повышенной температуре на торцевых и свободных от покрытий поверхностях солнечных элементов, вызывают закорачивание электронно-дырочных переходов, коррозию контактов, потемнение покрытий.
Влияние фотонной деградации было не сразу обнаружено, поскольку его довольно трудно отделить от воздействия корпускулярной радиации и химико-термической деградации.
Длительное время считалось, что повреждающее воздействие самого солнечного излучения на солнечные элементы может выразиться лишь в потемнении оптических покрытий. Разработка светостойких многослойных покрытий, в которых верхний слой — стеклопленка с добавлением двуокиси церия — поглощает все ультрафиолетовое излучение с длиной волны короче 0?36 мкм, позволила добиться уменьшения деградации элементов, вызываемой ухудшением оптических свойств покрытий, до весьма малых значений (0,5–2,5 %) даже в условиях непрерывной работы на борту космических аппаратов в течение нескольких лет.
В связи с этим для многих исследователей было неожиданностью обнаруженное явление ухудшения свойств самих элементов непосредственно под действием оптической части солнечного излучения. В ходе первых опытов, когда изучалось совместное воздействие солнечного света, корпускулярного облучения и температуры, выяснились некоторые важные особенности одновременного влияния нескольких повреждающих факторов на свойства полупроводниковых материалов и солнечных элементов. Такие опыты достаточно полно отражают реальные условия эксплуатации солнечных элементов как в космических, так и в наземных условиях.
Было показано, что солнечные элементы с низким содержанием кислорода в исходных пластинах кремния, полученного методом бестигельной зонной плавки, обладают высокой степенью фотонной деградации
