|
|
Дипломаная работа по мехатронике и мобильной роботехнике. Цель разработать мехатронный фотоэлектрический преобразователь. Задачи
Кристаллический кремний:
Наиболее распространённым типом фотоэлектрических преобразователей в настоящее время являются системы на основе поли- и монокристаллического кремния. Кремний занимает второе место по распространенности после кислорода среди всех химических элементов на Земле. Но хоть кремний и является самым удобным сырьём для фотоэнергетики, путь его получения и обработки до «солнечного качества» достаточно долог и включает себя большое число технологических переделов, ряд которых требует значительных энергетических затрат.
Монокристаллический кремний:
Монокристаллические кремниевые солнечные элементы (c-Si СЭ) производятся из кремниевых пластин 0.3 мм толщины путём их легирования донорными и акцепторными примесями, создания омических контактов (сплошного тыльного и решёточного лицевого) и направленного химического травления поверхности для создания антиотражающих свойств.
Рис. 1.1 – Фотоэлемент на основе монокристаллического кремния
По внешнему виду монокристаллический солнечный элемент представляет собой однородную поверхность тёмного цвета со скруглёнными краями (рис. 1.1). Скруглённые углы связаны с тем, что при изготовлении монокристаллического кремния выдают цилиндрические заготовки. А поверхность является однородной по причине того, что такой элемент состоит из одного выращенного цельного кристалла кремния.
Существует несколько типов конструкции монокристаллических солнечных элементов, отличающихся способом формирования, структурой и расположением контактов (рис. 1.2).
Рис. 1.2 – Различные типы солнечных элементов
На основе монокристаллического кремния:
металл-изолятор-n-p-структура (MINP),
солнечный элемент с пассированным эмиттером (PESC),
двухлицевой солнечный элемент,
структура с односторонним встроенным контактом (SSBS),
структура с двухсторонним встроенным контактом (DSBS),
структура с пассивированным эмиттером и локально-диффузионным тыльным контактом (PERL)
Солнечные элементы, основанные на монокристаллах, обладают самым высоким КПД среди всех существующих кремниевых пластин. В связи с тем, что ячейка обладает однородной структурой, солнечные лучи равномерно освещают всю её поверхность. Не поддаваясь рассеиванию на кристаллических неровностях, они также равномерно преобразуются в электроток. Эффективность данной ячейки находится во власти только от свойств самого кристалла, она не убывает от вторичных отражений лучей (что характерно для полипластин). Это свойство позволяет снизить конечные габариты, создаваемых из них батарей, в виду их компактности.
Поликристаллический кремний:
Поликристаллические (которые также называется мультикристаллическими) кремниевые солнечные элементы по технологии изготовления принципиально не отличаются от монокристаллических. Отличие заключается в том, что для их производства применяется менее чистый и более дешёвый кремний.
В поликристаллических солнечных панелях используется кремний не самой высокой степени очистки и, соответственно, не такой дорогой. В настоящее время различают поликремний «электронного» (полупроводникового) качества (содержанием примесей менее 1·10-10 %) и поликремний «солнечного» качества (содержанием примесей менее 1·10-5 %). Создание поликристаллического кремния происходит при медленном охлаждении кремниевого расплава. В отличие от производства монокристаллов стадия вытягивания отсутствует, что делает весь процесс менее энергоёмким и, соответственно, менее затратным. Однако внутри кристалла поликристаллического кремния имеются области, отделённые зернистыми границами, вызывающие меньшую эффективность элементов.
Поликристаллические элементы внешне представляют собой форму в идее квадрата с неоднородной структурой с синеватым оттенком (рис.3.). Неоднородность структуры, прежде всего, связана с тем, что её элементы состоят из большого количества разнородных кристаллов кремния, и помимо этого в состав элемента входит незначительное количество примесей.
Рис. 1.3 – Фотоэлемент на основе поликристаллического кремния
Поликристаллические кремниевые солнечные элементы обладают рядом преимуществ. К ним можно отнести:
относительно низкая стоимость солнечной батареи. Это связано с тем, что метод, применяемый для производства поликристаллического кремния, является более простым и менее затратным. Количество отходов кремния меньше;
мощность поликристаллических элементов меньше зависит от затенения поверхности, чем монокристаллические;
Недостатки поликристаллических кремниевых солнечных элементов:
производительность солнечных панелей, основанных на поликристаллах, как правило, составляет 14-18 %. Из-за низкой чистоты кремния поликристаллические солнечные панели не так эффективны, как монокристаллические;
более низкая эффективность использования пространства. Как правило, необходимо покрыть большую площадь, чтобы на выходе получить такую же электрическую мощность, как и от монокристаллических.
Аморфный кремний:
Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния (a-Si) производятся осаждением плёнок кремния на стеклянную или стальную поверхность (с нанесением характерных защитных и промежуточных покрытий). Осаждение производится либо способом пиролиза моносилана или его плазмохимического разложения. Плёнки легируют бором и фосфором для  осуществления проводимости разных видов.
Рис. 1.4 – Солнечная панель на основе аморфного кремния
В таких модулях не используются кристаллы, они представляют собой тонкоплёночные солнечные элементы сложной структуры (рис. 1.4), корнем технологического процесса изготовления которых является послойное покрывание всевозможными способами подходящих соединений тонких плёнок. Возможность нанесения плёнок на подложки из нержавеющей стали и термостойких полимеров позволяет создавать гибкие портативные солнечные модули и проводить осаждение на сравнительно больших площадях. Для набора напряжения осуществляется либо последовательное соединение заготовок малой площади, либо сегментирование крупной заготовки на нужное число единичных ФЭП с их последующим электрическим соединением. Модули на основе аморфного кремния состоят приблизительно из 6 слоёв. Прозрачное покрытие закрывает антиотражающий слой, после идут полупроводники p и n типа проводимости, затем контактный слой и подложка. Принцип работы этих модулей ничем не отличается от кристаллических солнечных модулей.
В качестве рабочего перехода для солнечных элементов на основе аморфного кремния могут применяться: барьер Шоттки, МОП-структура, p-i-n-структура. На рис. 1.5представлены разные виды конструкции данных солнечных  элементов.
Рис. 1.5 – СЭ на основе аморфного кремния:
а) барьер Шоттки
б) МДП (MUS) – структура
в) p-i-n-структура
г) p-i-n-структура с буферным слоем (однопереходный элемент)
д) трёхпереходный элемент (3 p-i-n-структуры с последовательным соединением)
Преимущества солнечных элементов на основе аморфного кремния:
Гибкость и лёгкость;
Фотопанели из аморфного кремния не подвержены коррозии;
Температурный коэффициент снижения мощности у таких модулей в два раза меньше в сравнении с монокристаллическими модулями, что означает их более эффективные выходные параметры при увеличении рабочей температуры;
Экологическая чистота в отличие от CdTe-плёнок, где Cd является токсичным материалом.
Недостатки:
Требуется большая площадь для установки
Меньшая заполняемость и более низкий КПД означает необходимость покупки больше опорных конструкций, кабелей и т.д., что увеличивает стоимость конечной энергосистемы;
Заметное снижение параметров в ходе использования. В связи с этим недолгий срок службы (7-10 лет).
Полупроводниковые соединения AIIIBV:
 AIIIBV полупроводниковые соединения такие, как GaAs, InAs, InSb, InP, GaAlAs, GaInAsP имеют практически идеальные параметры для фотовольтаического преобразования солнечного света. Цифры в AIIIBV обозначают, из каких групп находятся в этом полупроводниковом соединении химические элементы. На основе такого типа материалов создаются как однопереходные, так и многопереходные солнечные элементы (рис. 1.6).
Рис. 1.6 – Типы конструкций солнечных элементов
на основе AIIIBV полупроводников:
а) с гомогенным p-n переходом
б) с гетерогенным p-n переходом
в) двухпереходный с двумя выводами
г) двухпереходный с тремя выводами
д) двухпереходный с четырьмя выводами
е) гетерогенный с GaAs/GaInP переходом
В полупроводниках данного типа поглощающие слои в основном выращиваются насаждением металлоорганических паров (MOCVD). Эта операция предоставляет хорошую управляемость и возобновимость для производства элементов большой площади с высокой эффективностью. В большинстве случаев, наращивание происходит на GaAs подложку. Для оптимизации параметров солнечных элементов применяется широкий спектр AIIIBV полупроводниковых соединений в разных сочетаниях, но чаще всего применяется GaAs и InP. В нанесённые плёнки возможно добавление примесей иных III-валентных металлов.
Рис. 1.7 – Схемы фотоэлектрических энергоустановок с концентраторами солнечного излучения
 Толщина солнечных элементов на основе AIIIBV полупроводников составляет до 210 мкм, что значительно увеличивает расход материала в отличие от тонкоплёночных солнечных элементов. Чтобы компенсировать высокую себестоимость солнечных элементов на основе AIIIBV, необходимо увеличить КПД этих солнечных элементов до максимальных значений. Это возможно осуществить с помощью создания многопереходных устройств, в которых сочетаются поглотители с большими и малыми значениями ширины запрещённой зоны. Также существенно можно увеличить КПД с помощью концентраторных систем из линз или зеркал (рис. 1.7, 1.8). Широкое применение в качестве решения этой задачи нашли линзы Френеля. Они значительно дешевле обычных выпуклых линз и способны обеспечить степень концентрирования в 2-3 тысячи «солнц». Линза Френеля представляет собой произведённую из оргстекла пластину с толщиной 1-3 мм, одна сторона которой плоская, а на второй проделан профиль в виде концентрических колец, повторяющих профиль выпуклой линзы.
Рис. 1.8 – Солнечная батарея с концентратором солнечной энергии
Среди солнечных элементов на основе полупроводниковых соединений AIIIBV наилучшими характеристиками обладают соединения на основе арсенида галлия (GaAs). Этот полупроводник обладает хорошими теплофизическими характеристиками, достаточно большой шириной запрещённой зоны, высокой подвижностью электронов, подходящими особенностями зонной структуры, дающих возможность прямых межзонных переходов носителей заряда. Когда на поверхность полупроводника на основе GaAs соединения падает концентрированное солнечное излучение, в нём обнаруживается ряд полезных свойств, среди которых увеличение продолжительности жизни возбудителей электронов, снижение омических потерь, усиление генерации за счёт «объёмного фотоэффекта».
Прогресс в виде солнечного элемента на основе GaAs напрямую связан с улучшением технологии его производства. Первые представители данных солнечных элементов, выращенные на основе метода Чохральского, не имели высоких показателей КПД и уступали в этом преобразователям на основе кремния, но, не смотря на это, они могли работать при высоких температурах (до 300 ºС). Причём процесс производства фотоэлектричества проходит вплоть до 250 ºС.
Второе поколение солнечных элементов (СЭ) на основе GaAs представляют собой гетероструктуры, в которых применена идея широкозонного окна из AlGaAs. СЭ такого рода имеют высокое значение КПД (24,6 % для 100-кратного концентрированного излучения в условиях космоса и 27,5 % для 100-кратного излучения в наземных условиях). Технология изготовления СЭ на основе GaAs довольно хорошо опробована, поэтому их можно считать в качестве базовых для использования в термофотоэлектрических установках (ТФЭУ).
На сегодняшний день уже можно говорить о третьем поколении СЭ на основе GaAs, в которых реализована такая идея, как многокаскадная эпитаксия. Такие преобразователи создаются по методу газофазной эпитаксии из паров металлоорганических соединений. Хоть элементы получили довольно большой прогресс в этом направлении, они пока не способны обеспечить реальную конкуренцию традиционным СЭ на основе AlGaAs/GaAs.
Арсенид-галлиевые СБ значительно дороже кремниевых. Источники сырья для арсенид галлиевых фотопреобразователей ограничены (
1 %) и процесс его переработки сложный и экологически напряженный. Галлий добывается в основном из бокситов, однако рассматривается также возможность его получения из угольной золы и морской воды. Самые большие запасы галлия содержатся в морской воде, однако его концентрация там весьма невелика, и выход при извлечении оценивается величиной всего в 1% и, следовательно, затраты на производство будут, вероятно, чрезмерно большими. Технология производства ГФП на основе GaAs не развита ещё до такой степени, как технология производства кремниевых СБ, и в результате этого стоимость ГФП сейчас существенно выше на  порядки стоимости ФЭП из кремния.
Рис. 1.9 – Солнечные батареи, установленные на космическом аппарате
В настоящее время в космических энергоустановках в качестве фотопреобразователей широко применяются трёхкаскадные солнечные элементы GaInP/GaAs/Ge (рис. 1.9). Солнечные элементы данного типа обладают высоким значением КПД и повышенной стойкостью к радиации. Эти особенности крайне важны для условий космоса и ни один другой вид ФЭП не может конкурировать с преобразователями данного рода.
Преимущества ФЭП на основе AIIIBV:
высокие значения КПД (до 44%);
AIIIBV полупроводниковые соединения имеют практически идеальные параметры для фотовольтаического преобразования солнечного света (большая ширина запрещённой зоны, высокая подвижность электронов, подходящие особенности зонной структуры и др.);
ФЭП данного типа обладают повышенной радиационной стойкостью в сравнении с другими видами.
К недостаткам таких ФЭП можно отнести:
крайне высокая цена;
процесс переработки, производства фотоэлементов очень сложный и экологически напряжённый;
материалы, используемые при производстве фотоэлементов данного типа, находятся в большом дефиците на Земле.
Полупроводниковые соединения AIIBVI :
 Наиболее ярким представителем этого класса, использующимся в фотоэлектрических преобразователях, является теллурид кадмия (CdTe). Цифры в AIIBVI обозначают, из каких групп находятся в этом полупроводниковом соединении химические элементы. На рис. 10. изображён фотоэлемент на основе этого соединения.
Рис. 1.10 – Фотоэлемент на основе соединения CdTe
Наилучшими с точки зрения дальнейшего использования и усовершенствования оказались n-CdS/p-CdTe солнечные элементы (рис. 1.11).
 CdS и CdTe могут наноситься в ходе различного рода технологических процессов, что открывает широкие возможности для оптимизации и удешевления солнечных элементов. Среди разнообразных методов нанесения CdTe наиболее обещающими являются вакуумная сублимация (CSS), методы химического осаждения (CD), напыление (sputtering), электроосаждение (ED). CdS может наноситься осаждением в химической ванне (CBD), RF-напылением и вакуумной сублимацией (CSS). Наилучшие характеристики на данный момент времени показывают CdS/CdTe солнечные элементы, изготовленные по CBD/CSS технологии. С целью упорядочения нанесённых тонких плёнок и повышения тем самым КПД солнечного элемента, CdS и CdTe тонкие плёнки после нанесения подвергаются высокотемпературному отжигу при 400-500 ºС для образования Cd (S,Te) контактного гетероперехода.
Рис. 1.11 – Структура тонкоплёночных CdTe солнечных элементов с гетеропереходом CdS/CdTe
Преимущества солнечных элементов на основе AIIBVI:
‒ AIIBVI полупроводниковые соединения имеют довольно хорошие параметры для фотовольтаического преобразования солнечного света (большой коэффициент оптического поглощения (
105 см-1) в видимом диапазоне и имеет почти идеальную ширину запрещенной зоны (1,5 эВ) для ячеек с одним переходом). Благодаря этому пленка CdTe толщиной всего несколько микрон поглощает
90 % солнечного излучения;
CdTe – фотомодули не подвержены коррозии;
СЭ являются достаточно перспективными с широкими возможностями для усовершенствования и оптимизации технологии производства и, следовательно, для снижения себестоимости.
К недостатком таких солнечных элементов можно отнести:
низкий КПД (рекорд – 16 %);
элементы применяемые при изготовлении солнечных модулей являются токсичными (Cd), либо редкоземельные рассеянные (Te). В связи с этим возникает проблема дальнейшей утилизации солнечных элементов, отработавших срок, что приводит к увеличению стоимости установки и ограничению широкого использования для преобразования света.
|
|
|
Скачать 0.85 Mb.