Таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени кпд = 1%. Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского “Спутник”




Скачать 65.17 Kb.
НазваниеТаллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени кпд = 1%. Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского “Спутник”
Дата публикации20.06.2013
Размер65.17 Kb.
ТипДокументы
uchebilka.ru > Физика > Документы
3. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Важный вклад в понимание механизма действия фотоэффекта в полупроводниках внес основатель Физико-технического института (ФТИ) Российской Академии наук академик А.Ф. Иоффе. Он мечтал о применении полупроводниковых фото­элементов в солнечной энергетике уже в тридцатые годы, когда Б.Т. Коломиец и Ю.П. Маслаковец создали в ФТИ сернисто-таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени КПД = 1%.

Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского “Спутник”-3 и американского “Авангард”-1. С этого времени вот уже более 35 лет полупроводниковые солнечные батареи являются основным и почти единственным источником энергоснабжения космических аппаратов и больших орбитальных станций типа “Салют” и “Мир”. Большой задел, наработанный учеными в области солнечных батарей космического назначения, позволил развернуть также работы по наземной фотоэлектрической энергетике.

Основу фотоэлементов составляет полупроводниковая структура с переходом, возникающим на границе двух полупроводников с различными механизмами проводимости. Заметим, что эта терминология берет начало от английских слов positive (положительный) и negative (отрицательный). Получают различные типы проводимости путем изменения типа введенных в полупроводник примесей. Так, например, атомы III группы Периодической системы Д.И. Менделеева, введенные в кристаллическую решетку кремния, придают последнему дырочную (положительную) проводимость, а примеси V группы   электронную (отрицательную). Контакт или полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля, играющего чрезвычайно важную роль в работе солнечного фотоэлемента. Поясним причину возникновения контактной разности потенциалов. При соединении в одном монокристалле полупроводников и типа возникает диффузионный поток электронов из полупроводника типа в полупроводник типа и, наоборот, поток дырок из в полупроводник. В результате такого процесса прилегающая к переходу часть полупроводника типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к переходу часть полупроводника типа, наоборот, приобретет положительный заряд. Таким образом, вблизи перехода образуется двойной заряженный слой, который противодействует процессу диффузии электронов и дырок. Действительно, диффузия стремится создать поток электронов из области в область, а поле заряженного слоя, наоборот,   вернуть электроны в область. Аналогичным образом поле в переходе противодействует диффузии дырок из в область. В результате двух процессов, действующих в противоположные стороны (диффузии и движения носителей тока в электрическом поле), устанавливается стационарное, равновесное состояние: на границе возникает заряженный слой, препятствующий проникновению электронов из полупроводника, а дырок из полупроводника. Другими словами, в области перехода возникает энергетический (потенциальный) барьер, для преодоления которого электроны из полупроводника и дырки из полупроводника должны затратить определенную энергию. Не останавливаясь на описании электрических характеристик перехода, который широко используется в выпрямителях, транзисторах и других полупроводниковых приборах, рассмотрим работу 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 в “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 перехода. Генерированные вблизи перехода “неосновные” носители (дырки в полупроводнике и электроны в полупроводнике) диффундируют к переходу, подхватываются полем перехода и выбрасываются в полупроводник, в котором они становятся основными носителями: электроны будут локализоваться в полупроводнике типа, а дырки   в полупроводнике типа. В результате полупроводник типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник типа   отрицательный. Между и областями фотоэлемента возникает разность потенциалов   фотоЭДС. Полярность фотоЭДС соответствует “прямому” смещению перехода, которое понижает высоту барьера и способствует инжекции дырок из области в область и электронов из области 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 света. При очень большой интенсивности света, когда потенциальный барьер оказывается практически нулевым, величина фотоЭДС выходит на “насыщение” и становится равной высоте барьера на неосвещенном переходе. При засветке же прямым, а также сконцентрированным до 100 — 1000 крат солнечным излучением, величина фотоЭДС составляет 50 - 85% от величины контактной разности потенциала перехода.

Мы рассмотрели процесс возникновения фотоЭДС, возникающей на контактах к и областям перехода. При коротком замыкании освещенного 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, например питаемого солнечной батареей калькулятора, 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.

Солнечный фотоэлемент изготавливается на основе пластины, выполненной из полупроводникового материала, например кремния. В пластине создаются области с и типами проводимости. В качестве методов создания этих областей используется, например, метод диффузии примесей или метод наращивания одного полупроводника на другой. Затем изготавливаются нижний и верхний электроконтакты, причем нижний контакт   сплошной, а верхний выполняется в виде гребенчатой структуры (тонкие полосы, соединенные относительно широкой токосборной шины).

Основным материалом для получения солнечных элементов является кремний. Технология получения полупроводникового кремния и фотоэлементов на его основе базируется на методах, разработанных в микроэлектронике   наиболее развитой промышленной технологии. Кремний, по-видимому, вообще один из самых изученных материалов в природе, к тому же второй по распространенности после кислорода. Если учесть, что первые солнечные элементы были изготовлены из кремния около сорока лет назад, то естественно, что этот материал играет первую скрипку в программах фотоэлектрической солнечной энергетики. Фотоэлементы из монокристаллического кремния сочетают достоинства использования относительно дешевого полупроводникового материала с высокими параметрами получаемых на его основе приборов.

До недавнего времени солнечные батареи наземного применения, так же как и космического, изготавливали на основе относительно дорогого монокристаллического кремния. Снижение стоимости исходного кремния, разработка высокопроизводительных методов изготовления пластин из слитков и прогрессивных технологий изготовления солнечных элементов позволили в несколько раз снизить стоимость наземных солнечных батарей на их основе. Основными направлениями работ по дальнейшему снижению стоимости “солнечной” электроэнергии являются: получение элементов на основе дешевого, в том числе ленточного, поликристаллического кремния; разработка дешевых тонкопленочных элементов на основе аморфного кремния и других полупроводниковых материалов; осуществление преобразования концентрированного солнечного излучения с помощью высокоэффективных элементов на основе кремния и относительно нового полупроводникового материала алюминий – галлий   мышьяк.

В последние годы в мире достигнут значительный прогресс в области разработки кремниевых солнечных элементов, работающих при концентрированном солнечном облучении. Созданы кремниевые элементы с КПД > 25% в условиях облучения на поверхности Земли при степени концентрирования 20-50 “солнц”. Значительно большие степени концентрирования допускают фотоэлементы на основе полупроводникового материала алюминий – галлий   мышьяк, впервые созданные в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе в 1969 году. В таких солнечных элементах достигаются значения КПД > 25% при степени концентрирования до 1000 крат. Несмотря на большую стоимость таких элементов, их вклад в стоимость получаемой электроэнергии не оказывается определяющим при высоких степенях концентрирования солнечного излучения вследствие существенного (до 1000 раз) снижения их площади. Ситуация, при которой стоимость фотоэлементов не дает существенного вклада в общую стоимость солнечной энергоустановки, делает оправданным усложнение и удорожание фотоэлемента, если это обеспечивает увеличение КПД. Этим объясняется внимание, уделяемое в настоящее время разработкам каскадных солнечных элементов, которые позволяют достичь существенного увеличения КПД. В каскадном солнечном элементе солнечный спектр расщепляется на две (или более) части, например, видимую и инфракрасную, каждая из которых преобразуется с помощью фотоэлементов, выполненных на основе различных материалов. В этом случае снижаются потери энергии квантов солнечного излучения. Например, в двухэлементных каскадах теоретическое значение КПД превышает 40%.

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени кпд = 1%. Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского “Спутник” iconРеферат скачан с сайта allreferat wow ua Природа Венеры и Марса Природа...
С запуском в 1957 г в Советском Союзе первых искусственных спутников Земли стало возможным наблюдать космические объекты непосредственно...

Таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени кпд = 1%. Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского “Спутник” iconПрименение солнечных панелей для создания систем автономного энергообеспечения
На основе солнечных батарей (СБ) начинают активно создаваться автономные энергосистемы для городского коммунального хозяйства, базовых...

Таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени кпд = 1%. Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского “Спутник” iconОсобенности искусственных спутников земли на примере спутниковых систем связи

Таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени кпд = 1%. Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского “Спутник” iconКондратьева, Ирина От Днепра до бесконечности: Освоение космоса немыслимо...

Таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени кпд = 1%. Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского “Спутник” iconКонструкционные (машиноподельные) металлические материалы
Сталь – основной металлический материал, широко применяемый для изготовления деталей машин, газовых аппаратов, приборов, различных...

Таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени кпд = 1%. Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского “Спутник” icon-
Бизнес идея Проекта «Микроспейс-2» направлена на создание пусковой системы для запуска нано-спутников (нано-спутник весом от 5 до...

Таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени кпд = 1%. Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского “Спутник” iconРуководство по пользованию Симулятором предполагает, что пользователь...
Симулятор ввэр-1000 первоначально создавался для обучения. Программа выполняется на персональном компьютере в реальном времени и...

Таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени кпд = 1%. Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского “Спутник” iconИспользование программного продукта mathlab для создания искусственных...
Использование программного продукта mathlab для создания искусственных нейронных сетей и последующего использования их в системе...

Таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени кпд = 1%. Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского “Спутник” iconОсобенности паломничества на Афон Что взять с собой на Афон
Фонарик. Паломнику обязательно понадобится карманный фонарик. На Афоне нет постоянного электроснабжения. В большинстве монастырей...

Таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени кпд = 1%. Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского “Спутник” icon1 Актуальность темы
На сегодняшний день широкое практическое применение получают различного рода ядерные излучения, несмотря на то, что они опасны для...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
uchebilka.ru
Главная страница


<