Энергетика

Каскадные солнечные элементы

1. Краткая история развития солнечной энергетики

Прогресс в области развития радиосвязи в первой половине XX века потребовал разработки новых, автономно работающих источников питания. В Советском Союзе в годы Великой Отечественной войны таким источником стал автономный малогабаритный термоэлектрический источник электропитания для партизанских радиостанций, который получил название «партизанский котелок». Разработан «котелок» был под руководством А.Ф. Иоффе в Физико-техническом институте. Термоэлектрический источник питания отдавал мощность 12 Вт при напряжении 12 В, приводился в рабочее состояние в течение 20 минут. Масса источника питания составляла 5 кг, габаритные размеры 230х250х240 мм.

Реалии современности вынудили человечество осознать, что энергетика будущего должна создаваться на базе использования солнечной энергии. При этом особо важное значение имеет то, что преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется без нанесения ущерба окружающей среде. В сфере солнечной энергетики преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых элементов является в настоящее время наиболее перспективным.

Эффективность разработанных академиком А.Ф. Иоффе в 30-е годы прошлого столетия первых солнечных фотоэлементов лишь ненамного превышала 1%. Позже были созданы фотоэлементы на базе кремниевых p-n-переходов с КПД около 6% − эти фотоэлементы уже применялись в космической технике. В 1960-х годах были созданы фотоэлементы на основе арсенида галлия GaAs с p-n-переходом, которые имели важное преимущество перед существовавшими в то время другими солнечными элементами – они могли работать при повышенных температурах. Именно такие фотоэлементы были установлены на советских космических аппаратах, запущенных к Венере и на самоходных аппаратах «Луноход-1» и Луноход-2».

В течение 1950-1987 гг. работы по созданию технологий и систем для производства электроэнергии в космических аппаратах в рамках советской космической программы возглавлял директор Всесоюзного научно-исследовательского института источников тока ВНИИТ (в настоящее время – АО НПП «Квант») Н.С. Лидоренко. Под его непосредственным руководством были созданы источники электрической энергии для всех классов ракет и искусственных спутников, а также были созданы солнечные электростанции для наземного и космического использования. В 1958 году в ВНИИТ были сконструированы первые солнечные батареи для космических спутников; в 1970-м году – электрохимические генераторы; в 1972-м – экспериментальные автомобильные водородно-воздушные генераторы тока; в 1974-м – первые молекулярные конденсаторы.

Прогресс в космонавтике напрямую зависит от качества бортовых систем электропитания. Это понимало и высшее руководство СССР, поэтому в середине 1950-х годов ВНИИТ был сориентирован на космические программы. В 1956 году институт начал заниматься исследованиями в области кремниевых солнечных батарей, считавшихся в то время наиболее перспективными. Уже в 1958 году в институте была создана солнечная батарея, которая успешно прошла испытания и была установлена на борту искусственного спутника Земли ИСЗ-3, запущенного 15 мая 1958 года.

Первые кремниевые фотоэлементы, разработанные в ВНИИТ, имели планарную структуру с p-n-переходами, которые получали диффузией фосфора в базовый кремний p-типа. Легированный фосфором n+-слой на обратной стороне структуры сошлифовывался, а на n+-p-область заготовки с помощью трафаретной маски напылялись контактные площадки, на которые затем электролитически осаждалась медь.

Первый, экспериментальный фотопреобразователь в ВНИИТ был получен в середине 1957 года. Он был выполнен в виде пластины площадью около 0,5 см2. Такой преобразователь, освещенный обычной лампой накаливания, генерировал фотоЭДС напряжением 0,55 В и током 12 мА. Натурные испытания фотопреобразователь проходил на широте Москвы в полдень; его мощность составила 3 мВт/см2.

Этапы эволюции солнечных элементов и батарей ВНИИТ (НПП «Квант») отражены в Таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Этапы эволюции солнечных элементов и батарей ВНИИТ (НПП «Квант»)

Этапы и события Дата Примечания
Первый солнечный элемент на основе кремния 1957
Первая солнечная батарея (СБ) на спутнике ИСЗ-3 1958
Первая промышленная технология производства Si СБ 1959-1963
Первые российские солнечные элементы на GaAs 1964
Первые в мире СБ из GaAs на АМС «Венера» 1967
Первые в мире СБ из GaAs для «Лунохода-1» и «Лунохода-2» 1970-1972
Si СБ для долговременных орбитальных станций «Салют»

программы «Союз-Аполлон»

1974-1976
Первая в мире СБ на основе гетеропереходов на GaAs для

долговременных орбитальных станций «Мир»

1986 Мощность

10 кВт

Комбинированная электронно-диффузионная технология производства двухсторонних Si элементов 1988 КПД 16%
СБ для российского сегмента МКС 1997-2000
Первая в России СБ на основе GaAs мульткаскадных солнечных элементов 2005 Космический аппарат «Казсат»
Первая в Европе СБ на основе GaAs мульткаскадных солнечных элементов мощностью 24 кВт в рабочей точке 2013 Космический аппарат «Экспресс AMS»

Источник: [10, Таблица 1]

В конце ХХ столетия кремниевые солнечные батареи, традиционно используемые в космической технике на протяжении более 50 лет, перестали удовлетворять требованиям создателей космических аппаратов. Мировые космические производители перешли к использованию арсенида галлия GaAs в каскадных солнечных фотопреобразователях на подложке из германия, которые повысили уровень мощности бортовых энергетических установок с 5 до 20 кВт. Солнечные батареи, построенные из таких фотопреобразователей, показали КПД более 30%. Фотоэлементы этого типа стали называться каскадными, многопереходными или тандемными. Они работают в большей части диапазоне солнечного спектра и имеют высокую эффективность преобразования солнечной энергии [10, с. 92].

Идея каскадных солнечных элементов сформировалась в начале 1960-х годов, однако в то время она рассматривалась как достаточно далекая перспектива повышения КПД солнечных элементов. Ситуация изменилась лишь в конце 1980-х годов, когда были разработаны первые двухкаскадные солнечные элементы. В это время солнечные элементы соединялись механически, но было очевидно, что необходим переход к фотоэлементам монолитной структуры, и такие фотоэлементы были созданы в лаборатории NREL (США).

Новую страницу в солнечной фотоэнергетике открыла разработка солнечных фотоэлементов на основе гетероструктур AlGaAs – GaAs. Вплоть до середины 80-х годов XX века преобразование солнечной энергии в электрическую в фотоэлементах как на основе арсенида галлия, так и кремния, осуществлялось при помощи простых технологий и простых структур. Несколько позднее в сферу полупроводниковой солнечной энергетики начали проникать высокие технологии, позволившие существенно снизить рекомбинационные, оптические и энергетические потери. Это привело к резкому повышению эффективности работы кремниевых фотоэлементов. В это время была решена такая технологическая проблема, как создание широкозонных окон AlGaAs толщиной, которая может сравниться с толщиной наноразмерных активных зон в гетеролазерах, что и дало возможность создать каскадные солнечные элементы.

Двухкаскадные солнечные элементы различных типов были созданы в начале 80-х годов XX века. Каскадные солнечные элементы, применяемые в настоящее время в космических аппаратах, содержат третий каскад с германиевым p-n-переходом. В это же время начались исследования возможности создания четырех-, пяти-, а возможно и еще более многокаскадных структур, которые позволили бы реализовать высокие значения КПД в солнечных элементах [6, с. 16-17].

Солнечные геоструктурные элементы дают возможность получить относительно высокие значения КПД и обладают высокой радиационной стойкостью; их важным преимуществом является способность эффективно преобразовывать высококонцентрированное солнечное излучение (вплоть до 2000-кратного). Это открывает широкие перспективы уменьшения стоимости и поверхности солнечных элементов и, как следствие, снижения стоимости солнечной электроэнергии.

Солнечные элементы на основе гетероструктур n-GaAs-p-AlGaAs впервые были разработаны в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе. Элементы этого типа имеют широкозонное «окно» из твердого раствора AlGaAs, которое полностью прозрачно для солнечного света и обеспечивает достижение КПД, близкого к предельному теоретическому значению.

В настоящее время солнечные элементы, в основе которых лежат гетероструктуры AlGaAs/GaAs, обладающие высокой эффективностью преобразования солнечной энергии и повышенной стойкостью к радиации, широко используются в солнечных батареях, предназначенных для работы в космосе. Так, солнечная батарея с гетероструктурными солнечными элементами общей площадью более 60 кв. м, разработанными по технологии Физико-Технического Института, была установлена на станции «Мир». За более чем десятилетний срок эксплуатации снижение мощности этой батареи не превысило 20% [2, с. 1035].

2. Каскадные солнечные элементы – продукт высоких технологий

2.1. Характеристики каскадных солнечных элементов и энергетических установок на их основе

Таким возобновляемым видам энергии, как тепловая и механическая энергия мирового океана, геотермальная, ветровая и гидроэнергия свойственны трудности их широкого использования и ограниченный потенциал. К слову, общий потенциал всех возобновляемых источников энергии позволяет повысить потребление энергии с современного уровня всего лишь на порядок. Однако существует другой источник энергии – солнечная энергия. Солнце излучает на Землю 1017 Вт в виде солнечного «зайчика» диаметром 12,7 тыс. км. В южных широтах, когда Солнце находится в зените, интенсивность солнечного излучения составляет около 1 кВт/м2. Если будут разработаны высокоэффективные методы преобразования солнечной энергии в электрическую, то энергия Солнца полностью обеспечит непрерывно растущие потребности человечества в энергии. [4, с. 94].

Современные достижения в производстве высокоэффективных солнечных элементов не позволяют все же говорить о возможности их широкого применения, что в первую очередь связано с высокой стоимостью технологического оборудования, необходимого для производства сложных гетероструктур.

Другим путем получения энергии от Солнца является путь, связанный с использованием поликристаллических и тонкопленочных солнечных элементов. Однако КПД таких элементов низок, хотя их стоимость вполне приемлема. Высокоэффективные солнечные элементы на основе гетероструктур используются преимущественно в качестве элементов космической техники, а низкоэффективные – в наземных условиях.

К настоящему времени по технологии перекристаллизации тонкопленочных аморфных или мелкокристаллических пленок разработаны высокоэффективные солнечные элементы, предназначенные для использования в солнечных батареях с концентраторами солнечного излучения (см. Рисунок 2.1.1).

концентраторы солнечного излучения

Особенностью сферических концентраторов солнечного света является то, что отражатель в них используется в качестве радиатора. Сферические концентраторы могут иметь степень концентрирования порядка нескольких сотен, а цилиндрические – нескольких десятков. При этом тепловая нагрузка цилиндрических концентраторов значительно ниже, чем тепловая нагрузка сферических концентраторов, однако количество солнечных элементов в этом случае должно быть намного больше.

Что касается технологии получения каскадных солнечных элементов, то здесь используют перекристаллизацию тонкопленочных аморфных или мелкокристаллических пленок соединений AlGaInPAs, состав которых подбирают таким, чтобы в максимальной степени снизить рассогласование параметров решетки и эпитаксиального слоя и одновременно сформировать требуемый профиль ширины запрещенной зоны [16, с. 88, 92-93].

Гетероструктуры на основе InP по-прежнему привлекают внимание исследователей в плане осуществления высокоэффективного преобразования солнечной энергии в электрическую. В [7, с. 72] сообщается о достижении КПД, равного 18% в каскадных солнечных элементах на основе гетероструктур InP/CdS. Экспериментальные солнечные элементы на InP гомопереходах с КПД 15% уже созданы[11, с. 230].

Определяющей характеристикой солнечных фотоэлектрических установок и каскадных солнечных элементов является максимальное значение КПД, которое меняется с течением времени в сторону повышения в результате совершенствования технологии изготовления, улучшения свойств исходных материалов и наращивания многослойности элементов. Широкоприменяемые однослойные поликиристаллические солнечные элементы на подложке из кремния характеризуются КПД до 20%, двухслойные элементы на той же подложке – до 30%, трехслойные – до 40%. Аморфные солнечные элементы обеспечивают КПД до 10%, однослойные солнечные элементы на основе AsGa – до 40%. Считается, что солнечные элементы на основе арсенида галлия наиболее перспективны. В настоящее время AsGa получеют путем переработки люизита – боевого отравляющего вещества, которого накоплено в мире до 40000 тонн. Из такого количества люизита можно выработать до 1000 тонн AsGa, которого будет достаточно для создания солнечных элементов суммарной мощностью 500000 МВт.

На КПД солнечных элементов в значительной степени влияют такие факторы, как каскадность (количество слоев) солнечного элемента и наличие концентраторов солнечного излучения. С помощью однослойных солнечных элементов без концентраторов можно достичь КПД до 26% (теоретически – до 31%). Если используются концентраторы, позволяющие получить коэффициент концентрации 1000, то КПД солнечного элемента можно повысить до 32% (теоретически – до 37%). В настоящее время для экспериментального однослойного солнечного элемента удалось достигнуть КПД 37%; для двухслойного и трехслойного солнечных элементов этот показатель превысил 50%, а для четырехслойного – 72% при коэффициенте концентрации на уровне 1000.

К энергетической характеристике солнечных элементов относят развиваемую мощность солнечной электроустановки NСЭ.

Проблема производства, хранения и утилизации солнечных элементов состоит в повышенной экологической опасности используемых в технологии их изготовления материалов. Кроме того, требование экономичности производства солнечных элементов подразумевает его крупномасштабность и, как следствие, требует высоких капитальных и материальных затрат.

Одной из характеристик солнечных элементов является их землеемкость, которая достаточно высока вследствие рассеянности поступления солнечного излучения. В Таблице 2.1.1 приведены значения землеемкости для энергетических установок различного типа.

Таблица 2.1.1 – Землеемкость энергетических установок различного типа

Тип Биоэнергетика ГЭС ВЭС Солнечный пруд ГеоТЭС АЭС СФЭУ ТЭС без топл. базы БЭСЭС
ГА/МВт 20 10 10 8 1,9 2,0 1-1,6 1,17 1,1

Источник: [8, Таблица 6.2]

Из данных Таблицы 2.1.1 следует, что для выработки 1 МВт электроэнергии с помощью башенных солнечных энергоустановок (БСЭС) необходимо 1,1 га земли, с помощью солнечных фотоэнергетических станций (СФЭС) от 1,0 до 1,6 га, с помощью солнечных прудов – до 8 га, и это весьма ощутимые значения для обжитых районов любой страны.

Для того, чтобы снизить неравномерность солнечного излучения, технологическая схема солнечных электроустановок дополняется аккумулятором, чаще всего тепловым, в результате чего образуется единый энергетический комплекс. При этом в период солнечной светимости в аккумуляторе будет запасаться тепловая энергия, а в темное время суток эта энергия будет передаваться рабочему телу, приводящему во вращение турбину станции. Таким образом, солнечная электроустановка может служить надежным источником электрснабжения не только при работе в качестве энергосистемы, но и как изолированный объект.

В случае, когда солнечная электростанция не будет иметь аккумулятора, то параллельно с ней необходимо устанавливать резервный источник энергии или закольцовывать солнечную электроустановку в сеть с другими станциями энергосистемы.

Если энергию солнечной энергетической установки сравнивать с ядерной энергией, то оказывается, что 1 т урана в ядерном реакторе открытого типа способна произвести 35 ГВтч электроэнергии, а одна тонна кремния, примененная в установке с солнечным концентратором в течение эксплуатационного срока службы (30 лет) может выработать 92 ГВтч электроэнергии. Поэтому совершенно справедливо, что что кремний называют «нефтью ХXI века», связывая прибыльность солнечной энергетики с прибыльностью нефтяной отрасли.

В таблице 2.1.2 приведены сравнительные характеристики базовых материалов для атомных электростанций и солнечных энергетических установок.

Таблица 2.1.2 – Сравнительная характеристика базовых материалов для атомных электростанций и солнечных энергетических установок

Характеристика Уран Кремний
Содержание в земной коре, % 0,0003 29,5
Мировые запасы, тыс. т 2763 более 25 млн.
Годовой выпуск, тыс. т 45 1000 (металлургический)

7 (приборный)

Цена, долл. США/кг 40-60 2 (металлургический

40-100 (приборный)

Энергетический эквивалент за 30 лет, МВтч/кг 3000 3000 (аморфный пленочный)

300 (кристаллический)

Срок службы 30 50-100

Источник: [8, Таблица 6.9]

Во всем мире уже так четко осознана перспективность развития солнечной электроэнергетики, что во многих странах это подтверждено правовыми актами и законами. Общеизвестны законодательные акты, принятые в пользу поддержки солнечной энергетики в Индии, Дании, США, Японии, Германии и в целом ряде других стран. Принятие подобных законодательных актов способствует интенсификации применения солнечных источников энергии в мире [8, с. 222, 237, 246, 250].

К. Чопра и С. Дас в [18, с. 368] к показателю экономической эффективности фотоэлектрических систем относят величину затрат на получение от солнечных элементов 1 Вт пиковой мощности. Сами солнечные элементы, разрабатываемые в настоящее время, могут иметь высокую себестоимость, но тем не менее их себестоимость компенсируется снижением затрат на получение 1 Вт пиковой мощности в результате повышения выходной мощности фотоэлектрической установки с концентратором солнечного излучения и устройства слежения за движением Солнца, которые составляют несущественную часть общих затрат на реализацию системы.

2.2. Каскадный фотоэлектрический преобразователь с наноструктурным просветляющим покрытием

Каскадный фотоэлектрический преобразователь с наноструктурным трехслойным просветляющим покрытием, описание которого приведено ниже, содержит многослойную полупроводниковую структуру AlGaInP/GaInP/Ga(In)As/Ge. Описываемый фотоэлектрический преобразователь обладает низким коэффициентом отражения солнечного излучения во всем спектре преобразования и повышенным КПД.

На момент опубликования заявки на изобретение известные каскадные фотоэлектрические преобразователи имели целый ряд недостатков, основным из которых можно считать высокую степень отражения в длинноволновом диапазоне солнечного излучения. Авторами изобретения была решена задача разработки конструкции каскадного солнечного преобразователя с наноструктурным просветляющим покрытием, обладающего повышенным КПД и низким коэффициентом отражения солнечного излучения как в длинноволновой, так и в коротковолновой области солнечного спектра.

Поставленная перед авторами задача решалась тем, что в преобразователь была включена полупроводниковая структура AlGaInP/GaInP/Ga(In)As/Ge, имеющая фронтальный слой AlGaInP и контактный слой GaAs, а также трехслойное просветляющее покрытие, расположенное на фронтальном слое. Для выполнения просветляющего покрытия были последовательно нанесены слой SiO2 толщиной от 70 до 80 нм, слой Si3N4 толщиной от 25 до 35 нм и слой TiOx толщиной от 20 до 30 нм.

Просветляющее покрытие на поверхности фотоэлектрического преобразователя снижает потери на отражение солнечного излучения. В описываемой конструкции фотопреобразователя показатель преломления среднего слоя находится между показателем преломления слоя SiO2 и показателем преломления слоя TiOx. Величины показателей преломления для слоя SiO2 и слоя TiOx равны 1,5 и 2,6 соответственно. Наилучшим соединением для среднего слоя оказался Si3N4 с показателем преломления равным 2,0. Достоинством сочетания выбранных материалов была возможность их создания методом магнетронного распыления.

В каскадный фотоэлектрический преобразователь, поперечный разрез которого схематически показан на Рисунке 2.2.1, входит полупроводниковая структура 1 (AlGaInP/GaInP/Ga(In)As/Ge), которая, в свою очередь, содержит подложку из германиясо слоем 2 (GaInP/Ga(In)As) и фронтальный слой 3 (AlGaInP), имеющий контактный слой 4 (GaAs).

каскадный фотоэлектрический преобразователь

Кроме того, описываемый каскадный фотоэлектрический преобразователь содержит омический контакт 5 на лицевой стороне и омический контакт 6 на тыльной стороне, а также просветляющее покрытие 7 на фронтальном слое 3, размещенное в местах, свободных от омического контакта 5.

Трехслойное просветляющее покрытие 7 содержит нижний слой 8 (SiO2), промежуточный слой 9 (Si3N4) и верхний слой 10 (TiOx).

Изготовление фотопреобразователя выполнялось в несколько стадий. Сначала производилось химическое травление тыльной стороны подложки из германия 2, затем ионно-лучевым травлением выполнялась очистка фронтальной поверхности структуры 1. После этого с помощью маски производилось напыление фоторезиста на слой 11 с последующей зачисткой тыльной поверхности подложки из германия.

Стадия заключительной обработки фотопреобразователя включала вжигание слоев 11 и 12 при температуре 370С, утолщение омических контактов 4 и 6 электрохимическим методом, локальное химическое травление контактного слоя 4, нанесение трехслойного просветляющего покрытия 7 и разделение на чипы созданной структуры.

Изготовленный по вышеописанной технологии каскадный фотоэлектрический преобразователь имел низкий коэффициент отражения солнечного излучения во всем спектре преобразования – на 10-20% меньше в сравнении с каскадным фотопреобразователем на базе двухслойного просветляющего покрытия и позволял получить максимальный КПД преобразования солнечного излучения в электрическую энергию [14] .

2.3. Каскадные солнечные элементы со сверхвысоким КПД

Обычные солнечные элементы на базе одного полупроводникового материала преобразуют в электричество только часть энергии солнечного излучения. Более того, напряжение холостого хода такого солнечного элемента не может превышать ширины запрещенной зоны перехода, а в случае использования гетероперехода – ширины запрещенной зоны узкозонного полупроводника. Указанные эффекты вызывают большие внутренние потери энергии, и их КПД ограничивается значением 25%.

Структура каскадных солнечных элементов предусматривает не менее двух элементов из полупроводниковых элементов разных типов, в которых специально подобраны значения ширины запретной зоны – при последовательном соединении такие элементы обеспечивают высокие значения напряжения холостого хода. Применение полупроводниковых материалов, которые имеют запрещенные зоны, существенно отличающиеся по ширине, позволяет более эффективно использовать солнечное излучение и снизить внутренние потери энергии. Правильный выбор материалов для каскадных элементов служит гарантией достижения высоких КПД (свыше 30%).

Известны два способа выполнения преобразования солнечной энергии посредством каскадных солнечных элементов. Первый из этих способов предусматривает использование оптических фильтров, имеющих зеркальную поверхность, второй – создание элементов с переходами, расположенными последовательно вдоль хода солнечных лучей. В случае использования солнечных фильтров солнечное излучение будет разлагаться на несколько пучков, каждый из которых должен быть направлен на конкретный элемент с согласованными характеристиками распределения излучения. В случае использования фотопреобразователей с последовательно расположенными элементами солнечное излучение должно в первую очередь попадать на широкозонный материал. Фотоны с высокой энергией будут поглощаться в первом элементе, остальные фотоны попадут на второй элемент, который также будет поглощать фотоны с наиболее высокой энергией. Оставшиеся фотоны поступят на третий элемент. Этот процесс селективного поглощения будет продолжаться до тех пор, пока солнечное излучение не попадет на элемент с минимальной шириной запрещенной зоны. Подобная конструкция обеспечивает использование существенно большей части солнечного излучения и дает возможность получить высокий КПД.

Идея преобразования солнечного излучения фотопреобразователями каскадной структуры нашла свое развитие в монолитных интегральных каскадных солнечных элементах, отдельные элементы которых имеют общую базу, а само электрическое соединение выполняется внутри структуры, в отличие от последовательно соединенных независимых солнечных элементов, образующих каскад.

Изготовление монолитных каскадных солнечных элементов более сложно, чем изготовление последовательно соединенных независимых солнечных элементов, поскольку при этом необходимо исключить повышение стоимости и решить проблему внутреннего электрического соединения солнечных элементов [18, с. 382].

Схема каскадного солнечного элемента в высоким КПД, содержащего оптический фильтр, концентратор солнечного излучения и два каскадных элемента, показана на Рисунке 2.3.1.

Схема каскадного солнечного элемента

Концентратором солнечного излучения в этом солнечном элементе является линза Френеля. Оптический фильтр располагается под углом 45 к оси сконцентрированного солнечного пучка, в результате чего отраженная часть солнечного пучка, направляемая на первый элемент, обладает такой же геометрической формой, что и часть светового пучка, проходящая через фильтр и направляемая ко второму элементу. Как отраженный, так и прошедший через каскадный преобразователь солнечный свет может быть сфокусирован таким образом, чтобы была обеспечена оптимальная концентрация солнечного излучения для каждого элемента. Если в каскадный элемент необходимо ввести дополнительные солнечные элементы, то при этом потребуется установка дополнительных оптических фильтров, каждый из которых будет отражать солнечное излучение к определенному элементу.

Солнечные энергетические установки, имеющие концентраторные модули, более сложны в сравнении с установками, в которых плоские кремниевые или тонкопленочные модули размещаются на свободной поверхности или крышах зданий. Однако именно за счет усложнения модулей становится возможным широко использовать в энергетических установках наногетероструктурные каскадные солнечные элементы нового поколения на базе материалов А3B5. В Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе была разработана конструкция концентраторного модуля сравнительно простой структуры с высоким КПД. Высокая кратность концентрирования солнечного излучения обеспечивает нормальный температурный режим работы модуля, причем перегрев p-n-переходов устраняется посредством перекачки мощности на внешнюю нагрузку. Это позволяет получить 34%-ное значение КПД модуля при температуре нагрева p-n-переходв не выше 35С [3, с. 79].

3. Перспективы развития солнечной энергетики и каскадных солнечных элементов

3.1. Настоящее и будущее солнечной энергетики

Стремительный рост энергопотребления во второй половине ХХ столетия стал характерной особенностью технического прогресса. До недавнего времени развитие энергетики происходило без принципиальных трудностей – рост производства энергии происходил преимущественно за счет увеличения добычи нефти, газа и угля. Тем не менее энергетическая отрасль стала первой отраслью мировой экономики, которой пришлось столкнуться с истощением сырьевой базы. В 1970-х годах разразился мировой энергетический кризис, основной причиной которого была ограниченность добываемых энергетических ресурсов. Кроме того, уголь, нефть и газ во все большей степени стали служить ценным сырьем для бурно развивающейся химической промышленности. В настоящее время сложилась ситуация, когда стало все сложнее сохранять высокие темпы развития энергетики в результате использования только традиционных источников энергии.

Со значительными трудностями, связанными с необходимостью резкого увеличения затрат на обеспечение безопасности работы атомных электростанций, столкнулась в последнее время и атомная энергетика.

Немаловажную роль сыграло загрязнение окружающей среды продуктами сгорания ископаемых источников, в первую очередь ядерного топлива и угля – они стали причиной ухудшения экологической обстановки на нашей планете.

По оценкам ряда ученых, в настоящее время верхний предел выработки электрической энергии на планете всего лишь на два порядка превышает современный мировой уровень. Такое повышение энергопотребления может вызвать увеличение средней температуры поверхности Земли на один градус. Это нарушит энергетический баланс планеты и приведет к необратимым изменениям климата. Указанные обстоятельства указывают на растущую роль возобновляемых и солнечных источников энергии, широкое применение которых не угрожает экологическому балансу Земли.

Наша страна богата природными ресурсами – мы обладаем значительными запасами газа, нефти, угля. Тем не менее использование энергии Солнца и для нас имеет немаловажное значение. Хотя большая часть территории страны расположена в северных широтах, некоторые южные регионы нашей страны имеют климат, благоприятный для развития солнечной энергетики.

Еще большие перспективы в плане использования солнечной энергии имеют страны экваториальной зоны Земли. В ряде стран Центральной Азии продолжительность солнечного облучения составляет 3000 часов в год, а удельная мощность облучения достигает 1850 кВтчас/м2.

В области преобразования солнечной энергии в электрическую преобладают следующие направления работ: прямой тепловой нагрев (представляющий собой получение тепловой энергии), термодинамическое преобразование солнечного излучения (при котором солнечная энергия трансформируется в тепловую с помощью промежуточных преобразователей) и фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии в электрическую.

Прямой тепловой нагрев поверхности солнечными лучами относят к наиболее простым методам преобразования солнечной энергии, он широко применяется в южных районах нашей страны и в экваториальных странах в установках солнечного отопления, горячего водоснабжения и опреснения морской воды. Солнечные теплоиспользующие установки содержат плоские солнечные коллекторы, служащие поглотителями солнечного тепла. Вода, контактирующая с поглотителем солнечного тепла, нагревается и отводится от него насосом или посредством естественной циркуляции [4, с. 93-95].

По оценкам министерства топлива и энергетики Российской Федерации валовый ресурс солнечного излучения в 1994 году в стране составил 7,07106 тВтч/год; технический ресурс – 7070 тВтч/год (9,1% от валового ресурса), экономический ресурс – 35,5 тВтч/год (0,5% от технического ресурса) [8, с. 21].

Современное человечество не может обойтись без электроэнергии, однако ее производство и потребление постоянно растут, а ее стоимость непрерывно повышается, поскольку повышается стоимость добычи нефти, угля и газа, а стоимость такого важного для электроэнергетики металла, как медь, поднялась до необычайно высокого уровня.

Проблемы с атомными электростанциями в СССР и в Японии стали серьезной проверкой для ядерной энергетики, но эта область энергетики еще остается актуальной. Энергия Солнца и ветра как альтернативные источники могут служить реальным решением проблем энергетики, особенно учитывая факт, что затраты на используемые источники энергии будут только увеличиваться. В настоящее время наиболее перспективными (и инвестицированными) источниками возобновляемой энергии являются солнечная и ветряная энергии.

В настоящее время солнечная энергия преобразуется в электрическую или тепловую с помощью двух технологий. Сущность первой технологии состоит в использовании солнечных коллекторов, теплоносителем в которых может служить вода, воздух или антифриз. Схема работы системы с солнечной панелью приведена на Рисунке 3.1.1.

Схема работы системы с солнечной панелью

Солнечные коллекторы могут использоваться не только для обогрева помещений или подогрева воды, они могут кондиционировать воздух, опреснять морскую воду, сушить фрукты и сельхозпродукты.

По второй технологии энергия Солнца в настоящее время преобразуется в электроэнергию чаще всего с помощью солнечных батарей на основе кремния. В состав солнечных батарей входят фотоэлектрические элементы (см. Рисунок 3.1.2) [9].

фотоэлектрические элементы

[15, с. ] Перспективы развития солнечной энергетики связывают прежде всего с перспективами снижения стоимости солнечных энергетических установок. Основными путями снижения стоимости солнечных энергоустановок являются повышение их КПД до 25%, увеличение мощностей технологических линий до 1 ГВт и выше, снижение удельного расхода полупроводников, увеличение срока службы энергоустановок до 50 лет. Перспективным путем снижения стоимости полупроводниковых элементов и достижение гигаватного уровня производства солнечных энергоустановок является использование концентраторов солнечного излучения. Стоимость 1 кв. метра поверхности зеркального концентратора на порядок ниже стоимости 1 кв. м поверхности кремниевого солнечного элемента. За 60 лет удельная стоимость солнечных модулей снизилась в 2500 раз, однако по-прежнему остается высокой (см. Таблицу 3.1.1).

Таблица 3.1.1 – Изменение стоимости солнечных модулей (долл. США/Вт)

Год 1955 1960 1970 1980 1990 1995 2000 2005
Стоимость 1000 500 100 20 10 5-6 4-5 3,7
Год 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2014 2015
Стоимость 4,21 3,97 4,18 3,73 3,33 3,06 0,8-1,2 0,38-0,43

Источник: [15, Табл. 1]

В настоящее время стоимость эксплуатируемых мощностей солнечных энергетических установок почти равна стоимости ТЭС, работающих на угле; стоимость электроэнергии, получаемой от солнечных энергоустановок остается более высокой по сравнению со стоимостью электроэнергии, получаемой от традиционных источников энергии. Основная причина высокой стоимости вырабатываемой солнечными энергоустановками электроэнергии состоит в низком коэффициенте использования эксплуатируемых мощностей, составляющем 0,114 в Германии, 0,17 в России и 0,25 в странах экваториального пояса.

Современные объемы производства солнечных энергетических установок находятся на уровне 50 ГВт/год, при этом кремниевые солнечные модули составляют свыше 85% объема производства. Прогнозируется, что кремний в качестве полупроводникового материала для солнечных элементов и в ближайшем будущем будет доминировать, поскольку структура использования ресурсов стремится к структуре их существующих запасов на Земле. Известно, что земная кора почти на 30% состоит из кремния, и по запасам этот элемент находится на втором месте после кислорода. Если исходить из объемов производства солнечных элементов 100 ГВт в год и расходе кремния на производство солнечных элементов на уровне 10000 т/ГВт, то годовое мировое потребление кремния составит 1 млн. тонн.

С доисторических времен и вплоть до ХVII века единственными источниками энергии для человека служила непосредственно получаемая энергия Солнца и энергия сжигаемой древесины. И даже в настоящее время мировое производство энергии на 20% основано на сжигании древесины, энергии водных ресурсов и энергии ветра. Прогнозируется, что к концу ХХI века доля солнечной энергетики в мировом производстве электроэнергии составит 90% от объемов глобальной солнечной энергостистемы [15].

Приводимые Институтом энергетической стратегии данные показывают, что теоретический потенциал солнечной энергетики в Российской Федерации превышает 2,3 млрд. т условного топлива, а его экономический потенциал – 12,5 млрд. т условного топлива. Поступающий на поверхность Российской Федерации в течение трех дней потенциал солнечной энергии выше годового производства электроэнергии всей нашей страны.

В 2008-2010-х годах был пройден пик добычи органического топлива – нефти, газа, угля. С этого момента уровень добычи углеводородного сырья стал непрерывно снижаться примерно на 7% в год. Поэтому предполагается, что уже с 2020-2025 годов нефть и газ как топливо уже не будут использоваться массово, и человечество будет вынуждено переходить на другие источники энергии.

В соответствии с различными прогнозами к 2050 году выработка электроэнергии солнечными фотоэлектрическими станциями может составить 80% [17].

3.2. Перспективы развития каскадных солнечных элементов

Советский и российский ученый-физик, Лауреат Нобелевской премии Ж.И. Алферов с соавторами в статье «Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики» четко высказывает свою позицию в отношении перспектив развития солнечной энергетики, подразумевающуюся в [6]. Сущность их позиции можно выразить следующими словами: «… энергетика будущего должна базироваться на крупномасштабном использовании солнечной энергии, причем в самых разных ее проявлениях» [1, с. 937].

В вышеобозначенной работе дается краткое, но глубокое описание каскадных фотоэлементов. Указывается, что идея каскадных фотоэлементов в научных кругах начала обсуждаться в начале 1960-х годов и уже тогда каскадные солнечные элементы рассматривалась как очевидная перспектива повышения их КПД.

Структура фотоэлементов на основе соединений АIIIВV весьма сложна, но некоторое представление о них можно получить из Рисунка 3.2.1.

Структура фотоэлементов

Наша звезда – Солнце – представляет собой неиссякаемый источник энергии, и ставка на солнечную энергетику не только беспроигрышна, но и в долгосрочной перспективе является безальтернативным выбором для человечества.

Перспективы развития солнечной фотоэнергетики в настоящее время рассматриваются преимущественно в направлении повышения КПД многокаскадных фотоэлементов. В Таблице 3.2.1 приведены теоретические, ожидаемые и реально достигнутые значения КПД каскадных солнечных элементов.

Таблица 3.2.1 − Теоретические, ожидаемые и достигнутые значения КПД каскадных солнечных элементов

Спектр солнечного излучения КПД, %
Значение Количество p-n-переходов в каскаде
1 2 3 4 5
В условиях околоземного космоса (АМ0) Теоретическое 28 33 38 42 45
Ожидаемое 23 28 33 36 38
Реализованное 28,1 27,2 29,3
В наземных условиях (АМ1.5) Теоретическое 30 36 42 47 49
Ожидаемое 27 33 38 42 44
Реализованное 25,1 30,3 31,0
В наземных условиях с концентрацией (АМ1.5) Теоретическое 35 42 48 52 54
Ожидаемое 31 38 43 47 49
Реализованное 27,6 31,1 34,0

Источник: [1, с. 941]

Анализ Таблицы 3.2.1 показывает, что в настоящее время в отношении условий околоземного космоса полностью достигнуты возможности повышения КПД каскадных солнечных элементов, предусмотренные теорией для элементов с одним p-n-переходом; близки к достижению теоретических значений КПД элементов с двумя и тремя p-n-переходами и совершенно не исследована возможность повышения КПД для элементов с четырьмя и пятью p-n-переходами. Аналогичная картина складывается и для каскадных солнечных элементов, предназначенных для работы в наземных условиях и в наземных условиях с концентрацией солнечного излучения.

Нет никаких оснований сомневаться, что теоретически предположенные КПД будут практически реализованы, если удастся разработать материалы для промежуточных каскадов.

Каскадные солнечные элементы могут совершенствоваться в следующих направлениях. Прежде всего, для достижения этой цели могут использоваться лазеры на основе соединений АIIIBV и при этом можно выделить два этапа в таком развитии. Первый этап может быть связан с разработкой гетероструктур, второй – с разработкой наногетероструктур. В обоих случаях в ходе исследовательских работ выполнялось совершенствование инжекционных лазеров и разработка технологий создания таких лазеров.

Солнечная энергия общедоступна, относится к относительно чистым в экологическом отношении источникам и уверенно начинает занимать свою нишу в мировой энергетике. За последние годы почти в полусотне стран мира цены на электрическую энергию, получаемую на фотоэлектрических солнечных электростанциях, рекордно снизились и стали дешевле электроэнергии, вырабатываемой традиционными источниками электроэнергии, а инвестиции в развитие солнечной энергетики стали не просто коммерчески жизнеспособными, но и приносящими стабильный и долгосрочный доход.

Однако в Российской Федерации, несмотря на то, что в ряде случаев солнечная энергетика стала конкурентоспособной в сравнении с энергетикой традиционной, все же сохраняется высокая стоимость ее использования и внедрение фотоэлектрических солнечных электростанций осуществляется лишь после выполнения тщательных технико-экономических расчетов. В нашей стране в настоящее время в отношении солнечной энергетики пока речь может вестись лишь о ее использовании в качестве дополнительного источника электрической энергии, который поддерживает уже существующую традиционную систему электроснабжения [5, с. 63-64].

В современных космических аппаратах применяют два вида солнечных батарей – арсенид-галлиевые на германиевой подложке и кремниевые. Кремниевые батареи дешевле и проще в производстве и поэтому они занимают подавляющую долю российского рынка. Арсенид-галлиевые батареи нуждаются в дефицитных материалах, их стоимость выше, чем кремниевых, однако эти батареи имеют гораздо большую эффективность и несмотря на высокую стоимость спрос на арсенид-галлиевые батареи растет [12, с. 126].

Мировой рынок солнечной фотоэнергетики с 2005 года ежегодно растет на 40%. Это намного больше, чем любая другая отрасль промышленности. В ближайшие 20 лет солнечная фотоэнергетика сможет создать более 2 миллионов рабочих мест, снизить выбросы парниковых газов в земную атмосферу на 350 млн т, что соответствует остановке 140 тепловых электростанций, работающих на угле. Прогнозируется, что к 2030 году мощность солнечной фотоэнергетики достигнет 650 ГВт

Предполагаемой альтернативой перспективы развития солнечных фотоэлементов может быть использование материалов на основе наногетероэпитаксиальных структур. При этом дизайн солнечного элемента значительно упрощается, так как солнечный элемент на основе многослойных наногетероэпитаксиальных структур однокаскадный. Чтобы изготовить такой солнечный элемент необходимы два полупроводниковых материала: матричный (широкозонный) и узкозонный [13, c. 106; 115].

Что касается перспектив развития солнечной энергетики в целом и каскадных солнечних элементов в частности, но необходимо отметить, что потенциал энергии Солнца огромен. Квадратный километр пустынь нашей планеты способен дать энергию, эквивалентную 1,5 млн. баррелей нефти. Расчеты показывают, что если солнечными элементами покрыть только 1% территории Сахары, то получаемой при этом электроэнергии будет достаточно для годового мирового его потребления. Даже пятая часть этой территории – 0,2% − обеспечит электроэнергией всю Западную Европу.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время мы являемся свидетелями важных процессов, происходящих в сфере науки, техники и технологий. История развития полупроводников насчитывает лишь немногим более 50 лет, однако они прочно заняли все области техники электропреобразования, успешно осуществили информационную революцию и приблизились к реализации технологического переворота в осветительной технике. Эти успехи применения полупроводников дают возможность надеяться, что революционные преобразования с участием полупроводников позволят осуществить подобное и в технике генерирования электрической энергии.

Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии является одним из перспективных методов. С того времени, когда был запущен спутник «Саоют-3» с установленными на нем солнечными батареями, этот метод становится основным методом получения электрической энергии на космических аппаратах и находит все большее применение на Земле.

Многопереходные каскадные солнечные элементы очень сложны по структуре. Однако решающим обстоятельством экономически оправданного их использования является то, что каскадные солнечные элементы способны эффективно работать в условиях концентрированного солнечного излучения.

Каскадные солнечные элементы возникли не на пустом месте, они начали развиваться за счет уже созданной полупроводниковой электроники, лазерной техники и космической электроэнергетики, научно-техническая база которых стала отправной точкой развертывания наземной солнечной фотоэнергетики, базирующейся на полупроводниках. Пришло время, когда необходимо переходить к широким инвестициям средств в эту сферу, соответствующих значимости солнечной электроэнергетики.

Благодаря возможности получения предельной эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию каскадные солнечные элементы позволяют значительно снизить стоимость выработки электроэнергии и обеспечить широкое применение таких элементов в народном хозяйстве. Верхний, вариозный слой каскадного солнечного элемента предоставляет возможность существенно повысить чувствительность всего солнечного элемента в коротковолновом диапазоне солнечного излучения, что позволяет использовать фотопреобразователи на основе каскадных солнечных элементов в регионах, расположенных высоко над уровнем моря.

Высоковольтные преобразователи, имеющие вертикальные p-n-переходы, дают возможность вырабатывать высокую плотность удельного выходного напряжения – более 100 вольт с одного сантиметра поверхности. Это открывает широкие возможности уменьшения габаритных размеров источников питания для микроэлектроники. В то же время фотопреобразователи, имеющие вариозный верхний слой, обладают свойством независимости КПД преобразования от характеристик спектра солнечного потока. Эти преобразователи одинаково эффективны в течение всего светового дня. Более того, фотопреобразователи на основе GaAs-AlGaAs, обладающие большей шириной запрещенной зоны в сравнении с S1, имеют высокий температурный предел эффективной работы, и это дает возможность широко использовать такие преобразователи в разнообразных эксплуатационных условиях.

Практика применения каскадных солнечных элементов показала, что они имеют как преимущества, так и недостатки. Преимущества таких элементов состоят в том, что они способны по максимуму обеспечить экологическую чистоту преобразования солнечного излучения в электрическую энергию, способны получать энергию практически в любом регионе, имеют значительный срок службы, нуждаются в невысоких затратах на обслуживание, обладают независимой от установленной мощности эффективностью преобразования солнечного излучения.

К недостаткам каскадных солнечных элементов относят зависимость вырабатываемой электрической энергии от степени освещенности и времени суток, высокую стоимость фотопреобразователей, необходимость применения инверторов, преобразующих постоянный ток в переменный ток промышленной частоты, необходимость использования аккумуляторов в качестве резервных источников, обеспечивающих бесперебойность электроснабжения потребителей.

Перечисленные недостатки приводят к тому, что стоимость электроэнергии, получаемой от солнечных фотоэлектрических станций, в настоящее время в несколько раз выше стоимости электроэнергии, получаемой от традиционных источников энергии.

Ключом к повышению эффективности каскадных солнечных элементов является снижение необратимых потерь солнечного излучения в процессе работы фотоэлементов. Снижение необратимых потерь приведет к повышению КПД фотопреобразования.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Алферов Ж.И. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики / Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.Д. Румянцев // Физика и техника полупроводников, 2004. – Том 38. – Вып. 8. – С. 937-948.
  2. Андреев В.М. Гетероструктурные солнечные элементы / В.М. Андреев // Физика и техника полупроводников, 1999. – Том 33. – Вып. 9. – С. 1035-1038.
  3. Андреев В.М. Концентраторные модули нового поколения на основе каскадных солнечных элементов: конструкция, оптические и температурные свойства / В.М. Андреев, Н.Ю. Давидюк, Д.А. Малевски, А.Н. Паньчак, В.Д. Румянцев, Н.А. Садчиков, А.В. Чекалин, А. Luque // Журнал технической физики, 2014 . – Том 84. – Вып. 11. – С. 72-79.
  4. Андреев В.М. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии / В.М. Андреев // Соросовский образовательный журнал, 1996. – №7. – С. 93-98.
  5. Ахметшин А.Т. Экономические особенности развития солнечной фотоэнергетики / А.Т. Ахметшин, С.К. Шерьязов // Вестник УГНТУ. − Наука, образование, экономика. − Серия: Экономика , 2017. – С. 57-66.
  6. Бондаренко Д.Н. Солнечная энергетика. История и перспективы развития / Д.Н. Бондаренко, А.Д. Парамонова // Приоритетные направления научных исследований : Материалы международной научно-практической конференции (25 декабря 2018 г., Волгоград). Отв. ред. Зарайский А.А. – Издательство ЦПМ «Академия бизнеса», Саратов, 2018. – C. 16-18.
  7. Ботарнюк В.М. Фотоэлектрические свойства гетеропереходов n-CdS/p-InP // В.М. Ботарнюк, Л.В. Горчак, В.Ю. Диакону, В.Ю. Рудь. – Физика и техника полупроводников, 1998. – Том 32. − №1. – С. 72-77.
  8. Виссарионов В.И. Солнечная энергетика : Учеб. пособие для ВУЗов / В.И. Виссарионов, Г.В. Дерюгин, В.А. Кузнецова, Н.К. Калинин : Под ред. В.И. Виссарионова. – М. : Издательский дом МЭИ, 2008. – 317 с.
  9. Дизендорф А.В. Перспективы возобновляемой энергетики / А.В. Дизендорф // Научный журнал КубГУ, №124. – 20016.
  10. Жалнин Б. Отечественная космическая энергетика: вчера, сегодня, завтра //Б. Жалнин, М. Каган, А. Наумов // Электроника. Наука. Технология. Бизнес, 2016. − №2 (00152). − С. 92-102.
  11. Исмаилов И.И. Некоторые характеристики солнечных элементов с вертикальными p-n-переходами на основе варизонных гетероструктур GaInPAs/InP / И.И. Исмаилов, Т.А. Хасанов // Доклады Академии Наук Республики Таджикистан. Физика, 2006. – Том 49. – №3. – С. 230-233.
  12. Кожевникова Л.А. Солнечные элементы и батареи космического применения / Л.А. Кожевникова // Решетниковские чтения, 2018. – С. 126-127.
  13. Марончук И.И. Солнечные элементы: современное состояние и перспективы развития / И.И. Марончук, Д.Д. Саникович, В.И. Марончук // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ, 2019. − №2, С. 105-123.
  14. Патент 2436191 Российская Федерация, МПК7 H 01 L / B 82 B. Каскадный фотоэлектрический преобразователь с наноструктурным просветляющим покрытием / В.М. Андреев, А.В. Малевская, А.С. Гудовских, Ю.М. Задиранов (RU) . − № 2019126395/28 ; заявл. 28.06.2010; опубл. 10.12.2011, Бюл. № 34. – 9 с. : ил.
  15. Стребков Д.С. Перспективные направления снижения стоимости солнечных энергетических установок // Д.С. Стребков, Н.Ю. Бобовников, С.М. Курбатов, Н.С. Филиппченкова // Достижения науки и техники АПК, 2009. − №10.
  16. Сысоев И.А. Солнечные батареи на основе каскадных фотоэлектрических преобразователей, полученные градиентной кристаллизацией из жидкой фазы / И.А. Сысоев // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Технические науки, 2008. − №5. – С. 88-93.
  17. Усков А.Е. Фотоэлектрические станции: перспективы, достоинства, недостатки и особенности работы / А.Е. Усков, Л.А. Дайбова, Н.А. Кравченко, А.Н. Самойлов // Научный журнал КубГАУ, 2016. − №24 (10).
  18. Чопра К.Л. Тонкопленочные солнечные элементы / К.Л. Чопра, Р.Д. Дас. – М. : Издательство «Мир», 1986. – 438 с.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *