Электронные лекции в формате DOC (04)

Посмотреть архив целиком

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ

ГИДРОГЕНИЗИРОВАННОГО АМОРФНОГО КРЕМНИЯ

(aSi : H)

Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую является весьма привлекательным по нескольким причинам:

  • во-первых, источник энергии практически неистощим (в отличие от нефти, угля и т. п.);

  • во-вторых, по крайней мере, принципиально, он достаточен для производства электорэнергии в количествах, необходимых для удовлетворения потребностей всего населения Земли;

  • и в третьих, производство электроэнергии является относительно экологически чистым.

Первый преобразователь солнечной энергии на основе монокристаллического кремния был создан в 1954 году и имел к. п. д. порядка 6 %. Затем всплеск работ по фотоэлектрическим преобразователям произошел в 60-х годах в связи с развитием космической техники. В результате был достигнут значительный прогресс в развитии фотопреобразователей на монокристаллическом кремнии. Сейчас их к. п. д. перевалил за 20 %. (Максимально достижимый к. п. д. идеального преобразователя – 29 %). Однако стоимость производства этих элементов, а следовательно, и стоимость электроэнергии оказываются очень высокими. Стоимостные показатели оцениваются, как правило, двумя взаимосвязанными параметрами:

  • стоимостью 1 Ватта установленной мощности

  • стоимостью 1 кВтчаса электроэнергии

В 1974 году стоимость установленной мощности для элементов на монокристаллическом кремнии составляла 50 $/Вт. В настоящее время она снизилась до примерно 5 $/Вт. Однако, для конкуренции с другими видами производства электроэнергии необходимо её снижение до 1 – 2 $/Вт, что, при использовании монокристаллического кремния, пока недостижимо. Одним из путей решения этой проблемы является создание фотоэлектрических преобразователей на основе некристаллических полупроводников и, в частности, гидрогенизированного аморфного кремния. Значительно меньшая стоимость производства и возможность создания элементов большой площади открывает возможность снижения стоимости установленной мощности, а следовательно, стоимости электроэнергии примерно на порядок величины.

В результате, в настоящее время сложилось следующее соотношение стоимостей электроэнергии при различных видах производства:

  • тепловые электрические станции – (10 – 12) центов/кВтчас;

  • ветровая энергетика – 28 центов/кВтчас;

  • фотоэлектрическая энергетика – (14 – 16) центов/кВтчас.




Принцип работы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП)

энергии


Работа ФЭП основана на внутреннем фотоэффекте. Рассмотрим полупроводниковую структуру с р-n переходом. При облучении её светом в области фундаментального поглощения

в полупроводнике генерируются

электронно-дырочные пары. В области hν p n

генерации их концентрация возрастает,

благодаря чему они диффундируют к

р-n переходу. Электрическое поле V

р-n перехода разделяет электроны

(е → в n-область) и дырки Rн A

(р → в р-область). В результате (если

внешняя цепь разомкнута) на контактах Ec

возникает ЭДС холостого хода (Uxx), EF φ

величина которой определяется контактной Ev

разностью потенциалов φ (высотой барьера

р-n перехода).

Если внешняя цепь замкнута накоротко I

(Rн = 0), через неё будет протекать ток Rн

короткого замыкания (Iкз), определяемый Iкз

внутренним сопротивлением ФЭП. Im

При конечных значениях Rн ток и

напряжение будут иметь некоторые

промежуточные величины. Вольтамперная

характеристика будет иметь следующий вид. Um Uкз U

Рабочая точка определяется линией нагрузки.

Коэффициент полезного действия ФЭП определяется выражением:

η = Im· Um / Pi = (Iкз · Uxx · F) / Pi ,


где: Im и Um – ток и напряжение ФЭП в режиме максимальной выходной мощности,

Pi – полный световой поток, падающий на ФЭП при стандартных условиях освещения. Как правило используют стандартные условия освещения АМ1. Они соответствуют освещенности и спектральному составу солнечного света в полдень в ясный день на поверхности Земли. Эта освещенность моделируется излучением абсолютно черного тела при температуре Т = 5800 К и потоком Pi = 100 мВт/ см2.

Fкоэффициент заполнения. Из предыдущей формулы следует, что:

F = (Im · Um) / (Iкз · Uxx).

Другими словами, коэффициент заполнения представляет собой отношение максимальной выходной мощности ФЭП к мощности, которую имел бы ФЭП с прямоугольной вольтамперной характеристикой.




Рассмотрим условия, необходимые для эффективного преобразования солнечной энергии в электрическую:

  1. Эффективное поглощение полупроводником большей части солнечного излучения.

  2. Эффективность «собирания» на контактах фотогенерированных электронов и дырок. Эффективность зависит от соотношения между диффузионной длиной носителей заряда и расстоянием между областью генерации и р-n переходом.

  3. Достаточно большая величина барьера р-n перехода, определяющая значение напряжения холостого хода (Uxx).

  4. Небольшое полное сопротивление ФЭП, включающее в себя сопротивление толщи полупроводника, контактов и так далее. Данный параметр определяет величину тока короткого замыкания (Iкз).


Поглощение полупроводником солнечного излучения определяется значениями его коэффициента оптического поглощения (α) в диапазоне энергий фотонов от 1,5 до 3,0 эВ и толщиной полупроводника.

С другой стороны, толщина полупроводника влияет на эффективность собирания фотогенерированных электронов и дырок и не должна превышать диффузионной длины носителей заряда. В противном случае носители заряда будут рекомбинировать до их разделения электрическим полем р-n перехода.

В монокристаллических полупроводниках, благодаря большой диффузионной длине эти два требования не вступают в противоречие: толщина выбирается исходя из первого требования, а второе требование заведомо выполняется.


Иная ситуация в некристаллических полупроводниках. Из-за потери дальнего порядка в этих материалах высока плотность локализованных состояний, а следовательно, мала диффузионная длина носителей заряда. Поэтому перечисленные выше требования вступают в противоречие, и для их выполнения приходится искать специальные решения.


Конструкции и характеристики ФЭП на основе

гидрогенизированного аморфного кремния

Итак, для разделения и последующего собирания фотогенерированных носителей заряда в ФЭП должно быть создано внутреннее электрическое поле. В ФЭП на монокристаллических полупроводниках это поле обычно создается областью объемного заряда р-n перехода. n p

  1. Образование объемного n + - p

заряда. + -

  1. Зависимость ширины от + - n

концентрации заряженных центров. p + -

нескомпенсированные: доноры акцепторы

В некристаллических полупроводниках из-за высокой плотности локализованных состояний ширина области объёмного заряда получается очень малой. Следовательно, разделение носителей заряда происходит лишь в малой части объёма полупроводника. А это, с учетом малой диффузионной длины носителей заряда, снижает эффективность «собирания» носителей заряда. В связи с этим в ФЭП на основе a-Si:H, как правило, используют следующие типы структур:

  1. p+ - i – n+ структура

  2. n+ - i – Me - барьер Шоттки.

Рассмотрим подробнее ФЭП с p+ - in+ структурой.

В рассматриваемой структуре фактически присутствуют два перехода: p+ - i и n+ - i переходы.

Благодаря отсутствию легирования i-области, концентрация заряженных центров в ней относительно мала. Поэтому при толщинах пленки 0,4 – 0,8 мкм область объёмного заряда распространяется практически на всю толщину i-области (рис.).

Следовательно, электрическое поле существует во всей i-области, а энергетическая диаграмма выглядит следующим образом:

Тогда генерируемые светом носители заряда в любой части i-области сразу будут разделяться электрическим полем, что обеспечит их эффективное «собирание».

Теперь надо решить вопрос:

с какой стороны (n+ или p+) делать прозрачный электрод и освещать ФЭП.

Возможны два варианта:

  1. освещение со стороны p+ области – это так называемая нормальная (или прямая) структура:

  2. освещение со стороны n+ области – обращенная структура:

Поглощение более вероятно ближе к освещаемой поверхности. Поэтому в случае прямой (p+ - in+) структуры больший путь

p+-i i – n+

p+ i n+

ρ (кул/см3)


+

+

+ + +

- - - - -

- - - - x

- -

-

-

области сильного поля


область слабого

поля

Ес


Ev




hν

p+ i n+

hν




n+ i p+





проделывает электрон.

------------------------------------------

В целом, рассмотренные структуры обеспечивают:


Случайные файлы

Файл
KUNSTKAM.DOC
144765.rtf
158748.rtf
26339.rtf
160893.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.