CC BY
27
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
УДК 621.315.592:548.55
ТЕРМОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ОСНОВЕ АНТИМОНИДА ГАЛЛИЯ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2005 г. В. П. Хвостиков, О.А. Хвостикова, Л.С. Лунин, В.И. Ратушный, П.Ю. Газарян, Н.В. Литвин
Введение
Интерес к термофотоэлектрическим (ТФЭ) генераторам неразрывно связан с развитием технологий получения высокоэффективных узкозонных фотоэлектрических преобразователей. В ТФЭ системах тепловое излучение преобразуется в электрическую энергию с помощью фотоэлементов с малой шириной запрещенной зоны, фоточувствительных в инфракрасной (ИК) области спектра.
Принцип действия термофотоэлектрического генератора (рис. 1) состоит в том, что излучение, образующееся в результате разогрева материала эмиттера (радиатора) до высокой температуры (с помощью концентрированного солнечного излучения или сжигания топлива) преобразуется в электричество фотоэлементом. При этом спектр излучения эмиттера и область спектральной чувствительности фотоэлемента должны быть согласованы. Для выполнения условия такого согласования существуют две возможности [1]:
- использование селективного эмиттера; селективный эмиттер должен иметь максимум излучения для Ну > Е£ и относительно небольшую интенсивность излучения при больших длинах волн;
- использование эмиттера с оптическим фильтром. В этом случае не дающая вклада в генерацию электричества длинноволновая часть излучения отражается обратно к эмиттеру. Роль такого фильтра может играть зеркало, нанесенное на тыльную поверхность фотоэлемента, и отражающее излучение, не поглощенное в материале фотоэлемента. С целью получения такого отражателя, например, осаждают на тыльную поверхность подложки диэлектрическое покрытие и металлическую пленку [2].
Достигнутые значения КПД преобразования «фотон - электрон» в ТФЭГ с селективными эмиттерами составляют 20-25 % при рабочей температуре излучателя 1300-1500 °С. Дальнейшая оптимизация всей системы либо отдельных компонентов может идти по пути применения каскадных гетероструктур, использования тыльного зеркала, разработки новых типов эмиттеров и фильтров. Наиболее подходящими для создания тандема (каскада) из ТФЭ-элементов являются узкозонные материалы со значением Ег=0,4-0,8 эВ. Этот диапазон ширины запрещенной зоны может перекрываться фотоэлементами на основе ва8Ъ (Ег=0,7 эВ),
ШваЛБ (Ег=0,75 эВ), ве (Ег=0,66 эВ) и семейства твердых растворов 1пОаА$8Ь (Ег=0,5-0,6 эВ). Все перечисленное выше в совокупности позволит увеличить эффективность фотоэлектрического преобразования до 35-40 % [3].
Рис. 1. Схема термофотоэлектрического генератора электричества (вид сверху). Слева: с селективным радиатором, справа: радиатор и оптический фильтр: 1 - источник высокой температуры, 2 - селективный радиатор, 3 - фотоэлектрический элемент, 4 - неселективный радиатор, 5 - оптический фильтр
Модули солнечных термофотоэлектрических генераторов
Использование в ТФЭ-системе в качестве источника тепла (вместо сжигаемого топлива) концентрированного солнечного излучения перспективно для увеличения эффективности ТФЭ-преобразования с сохранением всех преимуществ преобразователей солнечного излучения. Кроме того, при ТФЭ-преобра-зовании источник излучения может быть максимально приближен к элементу, что делает возможным достижение электрической мощности 2-10 Вт/см2 [4]. Таким образом, реально достижимый удельный энергосъем с поверхности фотопреобразователя в ТФЭГ (20-100 кВт-ч/см2 в год) в несколько сотен раз превышает средний удельный энергосъем с поверхности наземных солнечных батарей.
В ТФЭ-системе существует значительно большее по сравнению с фотоэлектрическими батареями число степеней свободы для влияния на эффективность преобразования. В фотоэлектрических батареях такой степенью свободы является уровень концентрации солнечного излучения, падающего на фотоэлемент. В ТФЭ-системе кроме этого можно влиять на эффективность преобразования выбором источника ИК-излу-чения, материала фотоэлемента, возможностью использования оптического фильтра и тыльного зеркала для рециркуляции фотонов с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны материала фотоэлемента [5].
Были разработаны модули солнечных ТФЭГ двух типов с эмиттером цилиндрической формы и приемниками цилиндрической и плоской формы (рис. 2, 3). В обоих случаях эмиттер располагается в вакууме, что позволяет использовать в качестве материалов эмиттера вольфрам и тантал. Расчеты показывают, что в разработанных системах возможно получить температуру эмиттера около 2000 К. Для уменьшения возврата фотонов обратно в ТФЭ-систему площадь эмиттера должна быть в 5-10 раз больше площади апертуры адсорбера.
Рис. 2. Схема СТФЭГ цилиндрического типа
На базе разработанных Оа8Ь-фотоэлементов были изготовлены фотоприемники плоского и цилиндрического типов [6]. На рис. 4 показаны фотоприемники, выполненные для цилиндрического типа системы. Нагрузочная вольтамперная характеристика показывает хорошее качество этих элементов с плотностью токов около 5 А/см2. Для системы плоского типа был изготовлен фотоприемник с использованием 16 фотоэлементов на основе ва8Ь размером 1 х 1 см. Фотоприемник показал выходную мощность 17 Вт при фототоке 60 А под флэш-лампой.
В обеих системах для возврата подзонных фотонов обратно к эмиттеру использовался «отражатель», установленный на обратную сторону фотоэлемента. С целью увеличения эффективности отражения в рамках данной работы исследовались следующие характеристики элементов на основе антимонида галлия:
- коэффициент отражения подзонных фотонов для образцов с различным уровнем легирования;
- расчет КПД ТФЭ-преобразования в реальных фотоэлементах.
Рис. 3. Схема СТФЭГ плоского типа
Рис. 4. 16 фотоприемников на основе Оа8Ь, установленных на медных пластинах
Была исследована зависимость коэффициента отражения «бесполезного» инфракрасного излучения в зависимости от толщины подложек и концентрации носителей заряда для различных образцов антимонида галлия и германия.
В разработанных ва8Ь-элементах, полученных путем диффузии цинка в подложки антимонида галлия п-типа, легированные теллуром, отражающее покрытие тыльного контакта состоит из слоев М^2 и Аи [7]. Все образцы имеют антиотражающее покрытие 2п8/М^2.
На рис. 5 и 6 показаны зависимости коэффициента отражения от концентрации свободных носителей и толщины образцов подложек ва8Ь на длине волны 2100 нм. Как следует из зависимостей, максимум коэффициента отражения 80 % достигается на длинах волн более 2,0 мкм на образцах ва8Ь толщиной 170 мкм с концентрацией свободных носителей 2-1017 см-3.
Wavelength, nm
Рис. 5. Коэффициент отражения подзонных фотонов от тыльной стороны образцов GaSb с различной степенью легирования Te. Толщина образцов 450 мкм, образцы имеют просветляющее покрытие ZnS/MgF2 и отражающее покрытие с тыльной стороны MgF2/Au
Юг-
" 3.9 - n-GaSb
л 0.7 £
« 0.6
S 0.5
I 0.4
а 0.3
ш 0.2
o.oL_E5^L_■_I_■_I_■_
JB0D 19СС 2000 2'00
Wavelength, nm
Рис. 6. Коэффициент отражения подзонных фотонов от тыльной стороны образцов GaSb с различной толщиной. Степень легирования образцов 2-1017 см-3, образцы имеют просветляющее покрытие ZnS/MgF2 и отражающее покрытие с тыльной стороны MgF2/Au
1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 Blackbody temperature, К Рис. 7. КПД и плотность фототока фотоэлемента на основе GaSb в зависимости от температуры абсолютно черного тела. Кривые КПД построены для разных коэффициентов отражения подзонных фотонов от тыльной стороны образца (50, 70 и 90 %)
На рис. 7 представлены расчетные зависимости КПД и плотности фототока фотоэлементов на основе антимонида галлия от температуры абсолютно черного тела. Кривые КПД построены для разных коэффициентов отражения подзонных фотонов от тыльной стороны образца (50, 70 и 90 %). Максимум эффективности фотоэлементов составляет около 27 % при степени отражения 90 %
Заключение
Термофотоэлектрическое преобразование солнечной энергии является перспективным с точки зрения достижения более высоких КПД такого преобразования и удельного энергосъема по сравнению с традиционным преобразованием солнечной энергии фотоэлектрическими батареями. Одним из путей повышения ТФЭ-преобразования является увеличение эффективности возврата подзонных фотонов к эмиттеру. Для получения высокой степени такой рециркуляции необходимо добиться минимальной абсорбции их тыльным контактом. Кроме того, подложка фотоэлемента должна быть относительно слабо легирована для уменьшения абсорбции свободных носителей (без учета потерь на резистивном сопротивлении тыльного контакта). Проведенные расчеты позволяют говорить о достижении КПД 27 % при степени отражения 90 % для элементов на основе антимонида галлия.
Литература
1. Bett A.W., Keser S., Stollwerck G., Sulima O.V. // Proc. 14th Eur. Photovolt. Solar Energy Conf. (Barselona, Spain, 1997).
2. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Khvostikova O.A., Oliva E.V., Rumyantsev V.D., Shvarts M.Z. // Proc. 17th Eur. Photo volt. Solar Energy Conf. (Munich, Germany, 2001), p. 219.
3. Stone K.W., Fatemi N.S., Garverick L.M., Douglas McD., Beach H. // Proc. 25th Photovolt. Specialists Conf. (Washington, DC, USA, 1996), p. 1421.
4. Coutts T.J., Wanlass M.W., Ward J.S., Johnson S. // Proc. 25th IEEE Photovolt. Specialists Conf. (Washington, USA, 1996), p. 25.
5. Gray J.L., El-Husseini A.// Proc. 2nd NREL Conf. Thermophotovolt. Generation of Electricity (Colorado Springs, USA, 1995), p. 3.
6. Khvostikov V.P., Rumyantsev V.D., Khvostikova O.A., Sorokina S. V., Andreev V.M. Thermophotovoltaic cells based on low-bandgap semiconductor compounds" // 6th Conference on Thermophotovoltaic generation of electricity. Freiburg. 2004.
7. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Khvostikova O.A., Oliva E. V., Rumyantsev V.D., Shvarts M.Z. Thermophotovoltaic Cells with Sub-bandgap Photon Recirculation // Proc. of 17th European Photovoltaic Solar Energy Conf., Munich, 2001, P. 219-222.
n-GaSb
Thickness of GaSb
—I— 170 ^m
—■—250 hLrn
—»— 310 цгп
—•— 450 ^m
Г 1
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, г. Санкт-Петербург; Южно-Российский государственный технический университет
(Новочеркасский политехнический институт) 22 февраля 2005 г.
