Новые материалы, используемые в создании солнечных батарей

Введение
Потребность в энергии возрастает, а истощение запасов нефти заставляет людей искать альтернативу природным источникам энергии. Развитые страны постоянно конкурируют, чтобы сделать новые прорывы в поиске и создании новых технологий, которые могут заменить нефть в качестве источника энергии. Истощение энергоснабжения, а также зависимость от одного вида энергии огромен. Почти каждый сектор жизни использует мазут, в то время как он является доминирующим экспортным товаром для государства.
Электричество, получаемое на атомных, тепловых, водных электростанциях, постоянно растет в цене, так как очень дорого в производстве. Стоит отметить, что большое количество потребителей электрической энергии расположены вдали от источников централизованного электроснабжения, что требует построения протяженных линий электропередач, а это в свою очередь увеличивает потери. Также использование природных ресурсов приводит к заметному ухудшению экологической обстановки в мире, поэтому поиск новых и возобновляемых источников энергии является актуальной задачей [1].
В настоящее время ведутся разработки в области создания новых материалов, технологий с целью повышения эффективности существующих методов преобразования возобновляемых видов энергии. Солнечный элемент (фотоэлектрические элементы) представляет собой полупроводниковое оборудование для преобразования энергии фотонов в электрическую энергию [2]. Процесс преобразования солнечного света в электричество возможен из-за материалов, из которых состоят солнечные элементы. Основной проблемой является низкий коэффициент полезного действия (КПД) энергоустановок с фотопреобразователями, в качестве которых чаще всего применяются кремниевые фотоэлементы с одним p-n-переходом. Данная проблема может быть решена различными способами: применением каскадных многопереходных фотоэлементов на основе арсенида галлия-индия (GaInAs) [3-5], фосфида алюминия-индия (AlInP) [6], германия (Ge), созданием новых типов кремниевых фотопреобразователей, таких как фотоэлементы с вертикальными p-n-переходами.
Цель работы – ознакомится с особенностями материалов используемые в солнечных батареях.
Задачи работы:
Рассмотреть принцип работы солнечной батареи
Изучить технологию производства солнечных батарей
Рассмотреть материалы используемые в создании солнечных панелей и выявить достоинства и недостатки.
1 История и принцип работы солнечных батарей
Фотоэлектрические солнечные элементы представляют собой тонкие кремниевые диски, которые преобразуют солнечный свет в электричество. Эти диски служат источниками энергии для широкого спектра применений, включая: калькуляторы и другие небольшие устройства; телекоммуникации; панели крыши на индивидуальные дома; и для освещения, накачки и медицинского охлаждения для деревень в развивающихся странах. Солнечные элементы в виде больших массивов используются для питания спутников и, в редких случаях, для обеспечения электроэнергией электростанций [7].
Когда начались исследования в области электричества и были изготовлены и изучены простые батареи, исследования в области солнечного электричества последовали удивительно быстро. Еще в 1839 году Антуан-Сезар Беккерель выставил химическую батарею на солнце, чтобы увидеть, как она производит напряжение. Это первое преобразование солнечного света в электричество было эффективным на один процент. То есть один процент входящего солнечного света был преобразован в электричество. Уиллоби Смит в 1873 году обнаружил, что селен чувствителен к свету; в 1877 году Адамс и Дей отметили, что селен под воздействием света производит электрический ток. Чарльз Фриттс в 1880-х годах также использовал селен, покрытый золотом, чтобы сделать первый солнечный элемент, опять же, только на один процент эффективнее. Тем не менее, Фриттс считал его клетки революционными. Он предполагал, что свободная солнечная энергия будет средством децентрализации, предсказывая, что солнечные элементы заменят электростанции жилыми домами с индивидуальным питанием.
С объяснением Альберта Эйнштейна в 1905 году фотоэлектрического эффекта - металл поглощает энергию света и будет удерживать эту энергию до тех пор, пока его не достигнет слишком много света - вновь возникла надежда, что солнечное электричество с более высокой эффективностью станет возможным. Однако был достигнут лишь незначительный прогресс, пока исследования диодов и транзисторов не принесли знания, необходимые ученым Белла Гордону Пирсону, Даррилу Чапину и Кэлу Фуллеру для производства кремниевого солнечного элемента с КПД 4% в 1954 году.
Дальнейшая работа довела эффективность ячейки до 15 процентов. Солнечные элементы были впервые использованы в изолированном сельском городе Америкус, штат Джорджия, в качестве источника питания для системы телефонной ретрансляции, где она успешно использовалась в течение многих лет.
Тип солнечного элемента для полного удовлетворения внутренних энергетических потребностей еще не разработан, но солнечные элементы стали успешными в обеспечении энергией искусственных спутников. Топливные системы и обычные батареи были слишком тяжелыми в программе, где каждая унция имела значение. Солнечные элементы обеспечивают больше энергии на унцию веса, чем все другие традиционные источники энергии.
Были создано только несколько крупномасштабных фотоэлектрических систем питания. Большая часть усилий направлена на предоставление технологии солнечных батарей в отдаленные места, которые не имеют других средств альтернативной энергии. Около 50 мегаватт устанавливается каждый год, но солнечные батареи обеспечивают только около 1 процента всей электроэнергии в настоящее время. Сторонники солнечной энергии утверждают, что количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли каждый год, может легко удовлетворить все наши потребности в энергии в несколько раз, однако солнечным элементам предстоит долгий путь, прежде чем они осуществят мечту Чарльза Фритта о бесплатном, полностью доступном солнечном электричестве.
Наиболее важными компонентами фотоэлемента являются два слоя полупроводникового материала, обычно состоящие из кристаллов кремния. Сам по себе кристаллизованный кремний не является очень хорошим проводником электричества, но когда примеси намеренно добавляются. Этот процесс называется легированием.
Подавляющее большинство солнечных панелей являются в физическом смысле фотоэлектрическими преобразователями. Электрогенерирующий эффект возникает в месте полупроводникового p-n перехода. Под действием света в одной из них возникает недостаток электронов, а в другой – их избыток. Каждая пластина имеет токоотводящие полоски из меди, которые подсоединяются к преобразователям напряжения. Нижний слой фотоэлемента обычно легирован бором, а верхний – фосфором [8].
Поверхность между получающимися полупроводниками "p-типа" и "n-типа" называется р-n переходом. Движение электронов на этой поверхности создает электрическое поле, которое позволяет электронам течь только из слоя p-типа в слой n-типа.
При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам, отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину. Каждая пластина имеет токоотводящие полоски из меди, которые подсоединяются к преобразователям напряжения (Рис. 1).
Большинство фотоэлектрических систем основаны на отдельных квадратных ячейках на несколько дюймов сбоку. В одиночку каждая ячейка генерирует очень мало энергии (несколько ватт), поэтому они сгруппированы в виде модулей или панелей. Затем панели либо используются как отдельные элементы, либо группируются в большие массивы.
Рисунок 1 – Принцип действия солнечной батареи.
КПД солнечной батареи зависит от чистоты кремния и ориентации его кристаллов. Именно эти параметры пытаются улучшить инженеры последние десятилетия. Основной проблемой при этом является высокая стоимость процессов, которые лежат в основе очищения кремния и расположения кристаллов в одном направлении на всей панели.
Солнечная энергия является не только надежным и долговременным источником энергии, но и очень экономически эффективным, если выбранные типы солнечных батарей и окружающая среда идеально согласованы друг с другом. На графике (Рис. 2) можно видеть тенденцию к увеличение выработки солнечной фотоэлектрической энергии. В течение одного года (2014-2015) производство солнечной фотоэлектрической энергии увеличилось в Европе почти на 87%.
Рисунок 2 – график выработки солнечной фотоэлектрической энергии в Европе в зависимости от года.
2 Типы солнечных панелей
Различные типы солнечных панелей служат различным потребностям и целям, учитывая, что солнечный свет может использоваться по-разному. Различение между типами солнечных панелей часто означает различие между солнечными панелями с одним или несколькими переходами; или между солнечными панелями первого, второго или третьего поколениями. Однопереходные и многопереходные отличаются количеством слоев на солнечной панели, на которые будет попадать солнечный свет, в то время как классификация по поколениям фокусируется на материалах и эффективности различных типов солнечных панелей.
Полупроводники фотоэлектрических преобразователей изготовляются не только из кремния, но и из других материалов, при этом принцип работы батареи не изменяется

. В таблице 1 представлены максимальные КПД различных солнечных панелей.
Солнечные батареи подразделяются на:
Кремниевые: монокристаллические, поликристаллические, аморфные.
Теллурий-кадмиевые.
На основе селенида индия- меди-галлия.
Полимерные.
Органические.
Таблица 1 - Максимальные КПД различных солнечных панелей.
Тип Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
Кремниевые
Si (кристаллический) 24,7
Si (поликристаллический) 20,3
Si (тонкопленочная передача) 16,6
Si (тонкопленочный субмодуль) 10,4
III-V
GaAs (кристаллический) 25,1
GaAs (тонкопленочный) 24,5
GaAs (поликристаллический) 18,2
InP (кристаллический) 21,3
Тонкие пленки халькогенидов
CIGS (фотоэлемент) 19,9
CIGS (субмодуль) 16,6
CdTe (фотоэлемент) 16,5
Аморфный / нанокристаллический кремний
Si (аморфный) 9,5
Si (нанокристаллический) 10,1
Фотохимические
На базе органических красителей 10,4
На базе органических красителей (субмодуль) 7,4
Органические
Органические полимеры 5,15
Многослойные
GaInP/GaAs/Ge 32,0
GaInP/GaAs 30,3
GaAs (тонкопленочный) 25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль) 11,7
2.1 Солнечные панели 1-го поколения
Солнечные панели 1-го поколения - это традиционные типы солнечных панелей, изготовленные из монокристаллического кремния или поликремния, которые чаще всего используются в обычных условиях [9].
Монокристаллические солнечные панели. Монокристаллические солнечные панели - солнечных панелей, изготовленные из монокристаллического кремния (требуется наиболее чистый кремний). Высокая чистота кремния приводит к тому, что у этого типа солнечных панелей один из самых высоких показателей эффективности. Монокристаллические панели имеют высокую выходную мощность, занимают меньше места и служат дольше, но они самые дорогие. Другое преимущество, которое следует учитывать, состоит в том, что они, как правило, менее подвержены воздействию высоких температур по сравнению с поликристаллическими панелями.
Поликристаллические солнечные панели. Поликристаллические солнечные панели изготавливаются путем плавления сырого кремния, что является более быстрым и более дешевым процессом, чем тот, который используется для монокристаллических панелей. Это приводит к снижению конечной цены, но также к снижению эффективности (около 15%) и сокращению срока службы, поскольку они в большей степени подвержены воздействию высоких температур.
2.2 Солнечные панели 2-го поколения
Солнечные панели 2-го поколения представляют собой различные типы тонкопленочных солнечных элементов и в основном используются для фотоэлектрических электростанций, встроенных в здания или небольшие солнечные системы.
Тонкопленочные солнечные элементы (TFSC). Тонкопленочные солнечные панели изготавливаются путем размещения одной или нескольких пленок фотоэлектрического материала (например, кремния, кадмия или меди) на подложке. Эти типы солнечных панелей являются самыми простыми в производстве, делая их дешевле, чем альтернативные из-за уменьшения количества материала, необходимого для их производства. Они также являются гибкими, что открывает множество возможностей для альтернативных применений, а также меньше подвержены воздействию высоких температур. Основная проблема заключается в том, что они занимают много места, что обычно делает их непригодными для жилых помещений. Более того, они имеют самые короткий срок службы [10-12].
Аморфный кремниевый солнечный элемент (A-Si). Этот тип солнечных панелей использует трехслойную технологию. Они на 7% менее эффективны, чем кристаллические, которые имеют КПД около 18%, но преимущество заключается в том, что A-Si-ячейки имеют относительно низкую стоимость [13].
2.3 Солнечные панели 3-го поколения
Солнечные панели 3-го поколения включают в себя различные тонкопленочные технологии, но большинство из них все еще находятся на стадии исследований или разработки. Некоторые из них генерируют электричество, используя органические материалы, другие используют неорганические вещества (например, CdTe).
Биогибридная солнечная батарея. Биогибридный солнечный элемент является одним из типов солнечных панелей, который все еще находится в стадии исследования. Он был обнаружен группой экспертов из Университета Вандербильта. Идея новой технологии состоит в том, чтобы воспользоваться преимуществами фотосистемы и таким образом эмулировать естественный процесс фотосинтеза. Многие материалы, используемые в этой ячейке, похожи на традиционные методы, но только благодаря объединению нескольких слоев фотосистемы, преобразование из химической в электрическую энергию становится намного более эффективным (до 1000 раз более эффективным, чем типы 1-го поколения) [14].
Рисунок 3 - Принципиальная схема биоэлектрохимической ячейки.
Окисление воды происходит на аноде из фосфата кобальта (CoPi), а восстановление протона происходит на катоде из никеля, молибдена, цинка (NiMoZn) или нержавеющей стали. CO2 постоянно распыляется в клетку. Бактерия Ralstonia eutropha (Re) H16 окисляет Н2, используя устойчивые к кислороду гидрогеназы (Н2аза), чтобы генерировать восстановленные кофакторы (например, NADPH) и АТФ, и использует их для снижения СО2 до 3-фосфоглицерата посредством цикл Кальвина. Затем 3-фосфоглицерат превращается в биомассу в массе ReH16 или может быть переведен в изопропанол.
Фотоэлемент с теллуридом кадмия (CdTe). В этой коллекции фотогальванических элементов используется коллекция теллуридов кадмия, которая позволяет производить солнечные элементы при относительно низких затратах и, следовательно, более коротком сроке окупаемости (менее года). Из всех технологий использования солнечной энергии именно эта технология требует наименьшего количества воды для производства. Единственным недостатком использования теллурида кадмия является его токсичность при вдыхании [15].
Фотоэлементы с использования теллурида кадмия CdTe производятся на подложке с прозрачным TCO проводником, который изготавливается из оксида индия и олова ITO и используется как передний контакт. Эта подложка покрывается слоем селенида кадмия CdS с n-типом проводимости. После этого наносится абсорбирующий слой теллурида кадмия CdTe с p-типом проводимости. После этого модуль закрывается металлической токопроводящей пластиной.
Рисунок 4 - Фотоэлементы с использования теллурида кадмия CdTe.
Фотоэлемент с селенид индия- меди-галлия (CIGS) и селенид индия-меди (CIS). Из-за токсичности кадмия некоторые панели изготовляют с использованием индия, галлия и теллура, но массовое производство их невозможно из-за дороговизны данных редких металлов. КПД составляет около 25-35 %, но имеются данные, что данные панели могут достигать КПД и до 40 %. Использовали их раньше только в космической отрасти, сейчас применяют только в солнечных тепловых электростанциях. В результате нагрева воды образуется пар, который заставляет вращаться турбину и генерировать электроэнергию. Ячейки CIGS обладают высокой долговечностью [16, 17].
Фотовольтаические устройства на основе CIGS получаются путем формирования p-n гетеропереходов на тонкой плёнке CdS. Роль полупроводника CdS n-типа, у которого ширина запрещённой зоны 2.4 эВ, заключается не только в том, чтобы сформировать p-n-переход с поглотителем, но также и для того, чтобы служить входящим слоем, который пропускает падающий свет сn относительно малыми потерями на поглощение и отражение. Изготовление обычно начинается с осаждения молибденового Mo заднего контакта, за которым следует поглотитель p-типа, -тонкий слой CdS (толщиной 50-100 нм), а ZnO с введённой примесью Al служит в качестве прозрачного переднего контакта. Проводящий оксидный слой может также быть добавлен к этому контакту, чтобы максимизировать поглощение и, в свою очередь, плотность тока, получаемую из этих элементов. Преимущество CIGS заключается в гибкости подложек (таких, как известково-натриевое стекло, алюминиевая фольга или высокотемпературный полиамид), на которые могут быть осаждены эти элементы [18].
Концепция данного солнечного элемента состоит в использовании трёх слоев: слоя n-ZnO (с шириной запрещённой зоны 3.30 эВ), который используется в качестве прозрачного контакта, слоя n-CdS (2.40 эВ), представляющего собой фронтальный поглощающий слой, и p-CIGS (1.15 эВ) – поглощающего слоя p-типа. Эта конфигурация является весьма популярной для устройств на основе CIGS.
Полимерные и органические аналоги. На протяжении последний десяти лет активно ведутся разработки в области создания солнечных панелей на основе органических и полимерных материалов. В таких панелях применяются углеродные фуллерены, фталоцианин меди, полифенилен и другие. КПД составляет 14-15%, обладают гибкой конструкцией, а стоимость производства в разы меньше, чем кристаллических солнечных панелей. Срок службы таких фотоэлементов еще не определен [19].
На сегодняшний день лучшими материалами для органических солнечных батарей типа «объёмный гетеропереход» являются соединения фуллеренов (𝑛-тип) и полисопряженные полимеры (𝑝-тип).
В последние годы большое внимание уделяется разработке солнечных батарей с использованием гибридных материалов на основе полупроводниковых нанокристаллов или коллоидных квантовых точек (ККТ), которые являются перспективными компонентами таких систем, поскольку обладают уникальными оптическими и электронными свойствами. В частности, благодаря квантовому размерному эффекту изменяя размер ККТ, можно изменять ширину запрещённой зоны, что позволит оптимизировать поглощения солнечного излучения