CC BY
97
ОСНОВНЫЕ ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ И КПД В ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
© Батищев В.В.*
Северо-Кавказский федеральный университет, г. Ставрополь
Солнечная энергетика - наиболее перспективный вид альтернативной энергии на сегодняшний день. Сегодня солнечная энергетика получила широкое распространение за счет целого ряда преимуществ перед другими возобновляемыми источниками энергии, такими как, безопасность окружающей среды, доступность и неисчерпаемость источника энергии в условиях роста цен на традиционные виды энергоносителей, автономные солнечные энергосистемы не требуют подвижных частей, использование солнечной энергии возможно практически в любой точке земного шара. Солнечные модули все чаще используются для энергоснабжения частных домов. Кроме того, они активно внедряются в централизованную сеть в рамках программ по энергосбережению, принятых в наиболее развитых странах [1].
Ключевые слова коэффициент полезного действия (КПД), солнечный элемент (СЭ), кремний, фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), антиотражающее покрытие (АОП).
В наше время вопрос о переходе на возобновляемые источники энергии все чаще рассматривается как замена стандартному получению электроэнергии. Развитие солнечной энергетики является первостепенной задачей, так как благодаря солнцу мы можем получать огромный, практически неисчерпаемый, запас энергии. Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. И в этом случае наилучшим материалом для них будет кремний. Выбор кремния в качестве исходного материала для изготовления ФЭП обусловлен рядом факторов:
- Кремний является наиболее распространенным после кислорода элементом на Земле.
- Технология изготовления кремниевых ФЭП хорошо отработана и непрерывно совершенствуется.
- ФЭП на основе кремния подходят для использования солнечного излучения по своей спектральной чувствительности.
- Кремниевые приборы менее чувствительны к температурным колебаниям.
- Кремний позволяет достигнуть минимальных потерь на отражение [2].
* Магистрант 1 курса.
В настоящее время КПД кремниевых ФЭП составляет в среднем 14-18 %. В лабораторных условиях получены образцы с КПД 22 %. Повышение уровня КПД кремниевых солнечных элементов - это одна из самых важных проблем в развитии всей солнечной энергетики и конкретно создании ФЭП. На эффективность кремниевых ФЭП оказывает влияние ряд факторов: сопротивление металлизации, структура р-п-перехода, качество технологического исполнения. Так как технологически процесс изготовления стандартных ФЭП достиг своего максимума, то одним из важных способов увеличения эффективности солнечного элемента является снижение сопротивления металлизации и контактных переходов [3].
Значение КПД панели получают путем деления мощности электрической энергии вырабатываемой панели на мощность солнечного света, падающего на панель. На сегодняшний день среднее значение этого показателя составляет 12-25 %. Разница, в первую очередь, зависит от используемых для изготовления солнечных панелей материалов.
Материалы
Монокристаллические элементы имеют показатели КПД 21,5 % в массовом производстве и 38 % в космическом производстве. Монокристаллический кремний производят из сырья высокой очистки, приблизительно 9899,9 %. Эта особенность делает монокремний наиболее дорогостоящим, но с более высокими показателями КПД.
Поликристаллические элементы имеют КПД около 18 %, и тем самым уступают монокремнию. Низкие показатели связаны с тем, что поликремний изготавливают не только из сырья высокой очистки, но и из второсортных материалов, например переработанные солнечные панели. Это приводит к появлению различных дефектов.
Существуют солнечные панели из аморфного кремния, так называемые «гибкие панели». Название говорит само за себя, главная особенность таких панелей - это гибкая структура. Производят такие ячейки с использованием аморфного кремния или теллурида кадмия. Показатели КПД определяются веществом полупроводника, поэтому для кремния он порядка 10 %, а для панелей на таких полупроводниковых материалах, как теллуридах достигает 25 %.
Таким образом, эффективность солнечных панелей напрямую зависит от выбора материала. Напомним, что рассматривается кремний, как самый подходящий оптимальный вариант для создания ФЭП [4].
Антиотражающее покрытие
Благодаря своей структуре, отражение солнечных лучей от поверхности пластин снижается на 10-15 %. Это происходит в следствии текстурирова-ния поверхности пластин, практически на самом начальном этапе. После
резки слитка кремния, на квадратные пластины, поверхность остается поврежденной на наноуровне. А так как, мы не можем просто убрать несколько микрон с поверхности, иначе пластина станет гладкой и будет полностью отражать весь падающий свет, то проводится процесс текстурирования, в котором структура поверхности представляется как хаотично расположенные микропирамиды. Все это служит предпосылкой для создания антиот-ражающего слоя.
Как было сказано выше, на начальном этапе удается снизить процент потерь отражения на 10-15 %. С целью еще большего уменьшения потерь на поверхность пластины наносится антиотражающее покрытие (АОП). Согласно законам оптики, в процессе нанесения АОП, учитывают такой важный параметр, как коэффициент преломления. Тем самым удается снизить потери на отражение еще на 1-2 %, что уже не мало.
В качестве АОП для монокремния используются пленки оксида титана или нитрида кремния. Обычно эти пленки наносятся методом ускоренного плазмохимического напыления из газовой фазы. На выходе мы получаем пластину с «выращенной» на лицевой поверхности пленки нитрида кремния (отдается большее предпочтение) или оксида титана, с толщиной примерно 70 нм. Эта пленка позволяет добиться эффекта антиотражения, независимо от структуры поверхности пластин кремния [5].
Технология создания
Так же разница в значениях КПД зависит от сложности создания солнечного элемента (СЭ). По своей сути СЭ это р-п переход. Кремниевый солнечный элемент состоит из фронтальной системы контактов (лицевая поверхность), антиотражающего покрытия, п - области, области р-п - перехода, р - области, изотипного слоя и тыльного контакта (рисунок 1).
Рис. 1. Разрез кремниевого солнечного элемента
Лицевая поверхность служит для максимального поглощения излучения, падающего на него. Лицевую поверхность делают в виде решетки, это вызвано снижением оптических потерь из-за затемнения рабочей поверхно-
сти. В процессе создания этой поверхности необходимо учитывать несколько важных особенностей:
1. Линии решетки необходимо сделать как можно тоньше и расположить наиболее удаленно друг от друга. Однако нельзя их слишком отдалять, иначе носители заряда не успеют достичь контакта и ре-комбинируют внутри материала. Поэтому расстояние линий решетки не может быть больше определенного значения.
2. Ширина линий должна быть оптимальной. Чем тоньше линия, тем лучше для оптики, но тем меньший ток сможет провести этот контакт.
3. При формировании этого слоя также имеет большое значение и глубина залегания контактов. Так p-n-переход залегает на глубине всего лишь 0,5 мкм. Металл, наносящийся на кремний, должен как можно глубже войти в п-слой, но при этом не достичь p-слоя, иначе будет электрический контакт между двумя этими слоями и СЭ окажется короткозамкнутым.
Рис. 2. Фронтальная система контактов
На тыльной стороне СЭ наносится не один тип металла, а два -это сплошной алюминиевый слой и полосы серебряного слоя (обычно две или три, существуют так же прерывистые полосы). Алюминиевый слой служит своеобразный энергетическим зеркалом. Так как носители заряда имеют свойство рекомбинировать, то для того чтобы снизить этот эффект наносят BSF - слой (back side field), который «отзеркаливает» носители заряда, которые не успели дать вклад в генерацию тока. Это позволило увеличить КПД примерно на 2-4 % [6].
Как отмечалось ранее, технологический процесс достиг своего максимума, однако при создании СЭ необходим контроль выполняемых действий и процедур.
Тестирование
Сложности в производстве СЭ так же влияют на конечные показатели КПД. И так как весь процесс технологически трудоемкий и включает в себя множество этапов, на которых требуется особая внимательность, то при тщательном производстве проводятся входной и промежуточные контроли. На конечном этапе готовые СЭ подвергаются тестированию. Тесты, в основном, направлены на получения данных о максимальном значении тока напряжении, максимальной мощности, шунтирующего, контактного и линейного сопротивлений, так же темнового тока и фототока, и самого главного показателя - интенсивности. Интенсивность - это мощность падающая на поверхность определенной площади. Этот параметр различен в различных регионах Земли, при чем, максимальное значение достигает 1300 Вт/кв.м, но обычно принимают значение 1 кВт/кв.м.
Приборы, на которых тестируются СЭ, бывают импульсные и непрерывного облучения искусственным солнечным светом. Импульсные приборы лучше тем, что СЭ не успевает нагреваться, и тем самым погрешность проводимых измерений становиться меньше. Также результат зависит от выбора искусственного освещения или от выбора лампы, что влияет на спектральный состав излучения. Конечно, в настоящее время все автоматизировано, и компьютер с легкостью производит все необходимые расчеты, однако нельзя забывать о том, что:
1. Так как генерируемый СЭ ток прямо пропорционален освещенности, то она должна быть точно известна и постоянна.
2. Необходим однородный свет на поверхности тестируемого СЭ.
3. Необходимо точно знать температуру СЭ.
4. Необходимо исключить любое падение напряжения на контактах и в цепи, которое вносит дополнительные погрешности измерений [7].
Подводя итог всему вышесказанному, можно сказать, что основные потери энергии и КПД в фотоэлектрических преобразователях зависят от выбора материала - монокремний, поликремний или аморфный кремний; нанесения антиотражающего покрытия - пленки различных сплавов, которые можно усовершенствовать и возможно добиться лучших показателей; тестирование готовых солнечных элементов - выбор оборудования, на котором будут производиться тесты, немаловажный фактор, так как необходимо со стопроцентной уверенностью знать какие показатели будут на выходе.
Список литературы:
1. Немчинова Н.В., Клёц В.Э. Кремний В XXI веке.
2. Мейтин М. Фотовольтаика: материалы, технологии, перспективы. Пусть всегда будет Солнце // Электроника-НТБ. - 2000. - № 6. - С. 40-47.
3. Алхасов А.Б. Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов. - Махачкала: ИП Овчинников (АЛЕФ), 2011. - 356 с.
4. Фаренбух А. Солнечные элементы Теория и эксперимент - М.: Энер-гоатомиздат, 1999. - 280 с.
5. Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы / Пер. с англ. с сокращениями. - М.: Мир, 1986. - 435 с.
6. Амброзяк А. Конструкция и технология полупроводниковых фотоэлектрических приборов / Пер. с польского, под ред. Б.Т. Коломийца. - М.: Советское радио, 1970. - 392 с.
7. Глиберман А.Я., Зайцева А.К. Кремниевые солнечные батареи. - Гос-энергоатомиздат, 1961.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
© Графкина М.В.*, Свиридова Е.Ю.*, Афлятунова Г.Р.*
Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ),
г. Москва
Снизить негативное воздействие технических систем на окружающую среду можно путем выбора конструкционных материалов с лучшими экологическими показателями. Предлагается метод определения комплексного экологического показателя конструкционных материалов, основанный на оценке негативного воздействия на атмосферный воздух при производстве и рециклировании этих материалов, а также способы повышения экологической безопасности конструкционных материалов путем нанесения дополнительных покрытий.
Ключевые слова: конструкционные материалы, экологические показатели, технические системы, критерии экологической безопасности, загрязнение атмосферного воздуха, электромагнитное загрязнение, жизненный цикл, комплексный экологический показатель.
Необходимость сохранения качества окружающей среды требует рассмотрения биосферных процессов и функционирования технических систем (ТС) не как изолированных друг от друга событий, а как элементов общей системы, т.е. глубоко связанных и интегрированных. При таком подходе все стадии жизненного цикла ТС (производство материалов, проектирование системы, изготовление комплектующих, сборка изделия, эксплуатация, ремонт, утилизация и др.) оказывают влияние на окружающую среду. В
* Заведующий кафедрой «Экологическая безопасность технических систем», доктор технических наук, профессор.
* Доцент кафедры «Экологическая безопасность технических систем», кандидат технических наук.
" Студент направления подготовки «Техносферная безопасность».
