Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рисунок 1 - Три основных вида кремниевых солнечных батарей
Рисунок 2 - Четыре вида тонкопленочных соединений, применяемых в солнечной энергетике
Рисунок 3 - Кремний аморфный, микро- и поликристаллический
Рисунок 4 - Солнечные панели вдоль автомобильных дорог
Рисунок 5 - Схема реализации солнечной панели, подключенной к внешней электросети
Рисунок 6 - Формула тока в отсутствие освещения и приложенном напряжении V
Рисунок 7 - Формула для световой составляющей тока
Рисунок 8 - Формула для суммарного тока
Рисунок 9 - График зависимости величины тока от приложенного напряжения в освещенном и неосвещенном образце. Индексы m говорят о значениях тока и напряжения, при которых мощность максимальна. Точки пересечения графика освещенного образца с осями координат - напряжение холостого хода и фототок, вычисляемый по формуле 7. Экстермальные значения упомянутых величин важны для определения fill-factor (см.след.формулу)
Рисунок 10 - Коэффициент заполнения (fill-factor, FF)- отношение максимально получаемой мощности к максимально возможной мощности солнечной батареи
Рисунок 11 - Формула для КПД солнечной батареи: отношение максимальной снимаемой мощности к мощности падающего солнечного потока или, что тоже самое, но с использованием понятия коэффициента заполнения, это произведение коэффициента заполнения и отношения максимально возможной мощности солнечной батареи к мощности солнечного потока
Рисунок 12 - Диаграмма "КПД-цена" для разных поколений солнечных батарей
Рисунок 13 - Сравнение КПД солнечных батарей в зависимости от числа переходов
Рисунок 14 - Схема электрохимической солнечной батареи
Рисунок 15 - Схема солнечной батареи на красителях
Рисунок 16 - Фотоэлектрохимический аккумулятор
Рисунок 17 - Органические солнечные батареи

Солнечная энергетика: фотовольтаический взгляд

Ключевые слова:  органические солнечные батареи, периодика, солнечная энергетика, фотоэлектрохимия

Автор(ы): Клюев Павел Геннадиевич

Опубликовал(а):  Клюев Павел Геннадиевич

07 сентября 2010

Фотовольтаика - метод выработки электрической энергии путем использования фоточувствительных элементов для преобразования солнечной энергии в электричество. По данным EPIA самой распространенной является кремниевая солнечная технология (она занимает 90% рынка). Кремниевые солнечные элементы могут делать из монокристаллического, поликристаллического (или мультикристаллического) или аморфного кремния (гибкие солнечные модули) (рисунок 1). Гибкие солнечные панели позволяют размещать их на поверхностях самой различной формы, что увеличивает площадь покрытия батареями, а модули с линзовыми системами, концентрирующими солнечное излучение, позволяют сэкономить на дорогостоящем материале. Кроме кремниевой кристаллической технологии существует тонкопленочная технология. Она состоит в нанесении пленок соединений на подложку из стекла или пластика. Соединения могут быть разными (рисунок 2): аморфный кремний, кадмий теллур (CdTe), соединения типа медь-индий/галлий-диселенид/дисульфид, многослойные соединения.

Но каким бы способом ни была получена энергия Солнца, остается открытым вопрос о технической реализации задуманного. Наиболее распространенным среди бытового потребителя солнечной энергии является непосредственное подключение солнечного модуля к внешней электрической сети (рисунок 5). Это позволяет продать излишки солнечной энергии поставщикам традиционного электричества из сети (о программе Feed-in Tariff Нанометр уже писал в статье Солнечная энергетика: 2014). В отсутствие солнечного излучения электрическая энергия поступает непосредственно из централизованной электрической сети. Просторы полей, крыши заводских цехов, терминалов аэродромов - идеальная площадка для солнечных модулей. Такие системы по своей технической реализации подобны бытовым, так как потребители подключаются еще и к внешней электрической цепи. Сельская электрификация стран с развивающейся экономикой, труднодоступных районов или тех, которые не подключены к централизованной электрической сети, обеспечение энергией нефтяников, газовщиков, спасателей МЧС, всех, кто находится в отдалении от централизованных электросетей, с легкостью может воплотиться в жизнь силами солнечных модулей. Более подробную информацию о этом можно получить на сайте Rural Electrification. Кроме этого возможна комбинация источников различных видов альтернативной энергии. Питание удаленных станций сотовой связи, светофоров, маяков и пр. - наиболее перспективные направления развития так называемой "автономной (или отключенной от центральной электросети)" солнечной энергетики.

Физика процессов, происходящих в солнечных батареях, описывается диодными уравнениями (рисунок 6-8). График зависимости генерируемого суммарного тока в зависимости от приложенного напряжения на переходе показан на рисунке 9. По нему удобно определять коэффициент заполнения или fill-factor - меру качества солнечной батареи, учитывающий отсутствие токов утечки (условие напряжения холостого хода), максимальности фототока в отсутствие приложенного напряжения (рисунок 10).

Производство кремниевых солнечных батарей все еще остается дорогостоящим процессом(см.рисунок 3): самым дешевым из кремниевого авангарда является аморфный кремний. Сократить расходы на производство могла бы помочь тонкопленочная технология. Было бы неплохо нанести материал на поверхность подложки, исключив ряд технологических операций с моно- и поликремнием. Однако использование тонких пленок автоматически требует от материала высокого значения коэффициента поглощения. Для этого тонкие пленки кремния, как непрямозонного материала, не слишком хороши (КПД всего 6-9%). Увеличение поглощения для непрямозонного материала требует увеличения его толщины. В качестве наиболее подходящих соединений используют CdTe и CuInSe2, демонстрирующие КПД вплоть до 20%. Среди недостатков тонкопленочной технологии можно назвать относительную непредсказуемость выращенной на подложке структуры, сложности в формировании омических контактов, а также те эффекты, которые вносят различные желаемые и нежелаемые неоднородности тонкой пленки (атомы примесей, атомы серы в CuInSe2 и пр.). Существенно снизить стоимость солнечных блоков и увеличить удельную мощность могли бы концентраторы. Использование недорогой оптики для концентрирования солнечной энергии на небольших площадях может повысить КПД до 37%.

На рисунке 12 представлена сравнительная диаграмма-график трех "поколений" материалов солнечных батарей. Первое поколение (I) - монокристаллический кремний. Второе поколение (II) - тонкие пленки аморфного кремния, CdTe и CuInSe2, ячейки с красителями и органические солнечные ячейки. Третье поколение (III) - солнечные ячейки, КПД которых превышает теоретический предел в 32%, рассчитанный Шокли в 1961 году. Вообще, причинами снижения КПД являются рекомбинационные процессы, отражение от поверхности, несовпадение ширины запрещенной зоны с энергией падающих фотонов (если она меньше Eg- материал прозрачен, если больше - излишки энергии отдаются кристаллической решетке в виде тепла). Каскадные солнечные элементы могут повысить КПД. В них солнечные элементы располагают по мере уменьшения ширины запрещенной зоны по ходу следования луча света. В солнечных ячейках третьего поколения, используя многослойные соединения, можно "обойти" этот теоретический предел. Исследованием процессов взаимного преобразования солнечной и электрической энергии в растворах электролитов с электродами изучает фотоэлектрохимия.

Фотоэлектрохимические системы, разработанные в 70-х - 80-х годах прошлого века, основаны на помещении полупроводникового электрода в раствор электролита. Полученный таким образом источник энергии имеет несколько преимуществ:для создания перехода необходимо всего лишь погрузить полупроводниковый электрод в электролит, полученный переход недеформирован и практически идеален, для конвертации солнечной энергии в энергию химических реакций не нужны соединяющие проводники. Недостатками являются ограниченный срок службы электрода, высокая стоимость установки. Итак, полупроводниковый электрод погружается в электролит. Скорость электрохимических реакций пропорциональна концентрации подвижных носителей заряда на поверхности электрода-полупроводника. Так как концентрация подвижных заряда в полупроводнике невелика (по сравнению с металлами), полупроводниковая обкладка двойного электрического слоя диффузна. Если имеется донорный полупроводник в качестве электрода, то при его освещении образуются фотоэлектроны, которые начинают свое движение в сторону омического контакта, а дырки, образующиеся в валентной зоне, участвуют в анодных реакциях на электроде. Электроны, прошедшие через всю цепь, возвращаются во второй электрод и далее в раствор, участвуя таким образом в катодных реакциях. Так сохраняется электронейтральность раствора, в который погружен полупроводниковый электрод. Необходимо отметить важность диффузионной длины неосновных носителей заряда. Вещество, в котором большое количество дефектов и неоднородностей обладает малым значением диффузионной длины. Электроны и дырки не успевают достичь поверхности, чтобы рекомбинировать или принять участие в химической реакции. Наноразмерные структуры позволяют снизить требования к диффузионной длине, которая должна быть сравнима с размерами самого устройства.

Возможно в качестве активного вещества использовать молекулы красителя. Они адсорбируются на поверхности TiO2 стержня, который не поглощает солнечное излучение из-за слишком большой ширины запрещенной зоны: более 3 эВ (рисунок 15). Возникает возбужденное состояние молекул красителя, электроны переходят в TiO2, а в красителе остаются дырки. Таким образом осуществляется необходимое для работы батареи разделение зарядов. Изначально, в возбужденном красителе электрон и дырка находятся в экситонном состоянии и реализовать разделение заряда невозможно. Только при диссоциации (при погруженном в раствор электролита электроде) происходит пространственное разделение зарядов и течет электрический ток. Электроны, вернувшись во второй электрод (обычно металл), диффундируют в раствор неводного электролита и восстанавливают молекулы красителя.
Помимо того, что фотоэлектрохимические устройства могут быть источниками электрической энергии, они могут ее и хранить. На рисунке 16 показана упрощенная схема. Устройство хранения имеет три электрода. В темноте происходят обратные реакции с обратным током электронов (через резистор R2). Реакция на катоде аналогична, с той лишь разницей, что поток электронов исходит не от фотоанода, а от третьего электрода.

Органические солнечные батареи отличаются от уже рассмотеренных фотохимических источников энергии тем, что в качестве электрода и электролита используются органические соединения. Ими могут быть молекулярные полупроводники (перилен n-типа и фталоцианин р-типа), полупроводниковые полимеры (политиофен р-типа и фуллерен n-типа). В результате поглощения света в органических соединениях не образуется пары "свободный электрон-дырка". Образуется экситон - связанное состояние электрона и дырки (об экситонах Нанометр также рассказывал). Экситон электронейтрален, поэтому разделение заряда не выполняется. Когда же экситоны диффундируют к границе раздела, происходит диссоциация - электроны затягиваются в n-область, а дырки - в p-область (см.рисунок 17).

Фотовольтаика - одна из наиболее перспективных областей альтернативной энергетики. Начиная с третьего искусственного спутника Земли все последующие космические аппараты оснащались солнечными батареями. Сегодня такие модули уже участвуют в энергообеспечении отдельных домов, используются в качестве переносных источников энергии.
В следующих публикациях мы рассмотрим методы производственного и эксплуатационного контроля солнечных модулей.

Список используемых источников

1 Report on the Basic Energy Sciences Workshop on Solar Energy Utilization

2 Photovoltaic energy. Electricity from the sun. © EPIA

3 Статья в Википедии



Средний балл: 8.2 (голосов 6)

 


Комментарии
Клюев Павел Геннадиевич, 07 сентября 2010 02:35 
Ура! Интернет подключен!


---
Сельская электрификация стран с развивающейся экономикой, труднодоступных районов или тех, которые не подключены к централизованной электрической сети, обеспечение энергией нефтяников, газовщиков, спасателей МЧС, всех, кто находится в отдалении от централизованных электросетей, с легкостью может воплотиться в жизнь силами солнечных модулей.
---

По-моему, ни одна из заявленных здесь целей солнечными модулями не обеспечивается в принципе.
Neugierige, 08 сентября 2010 19:41 
Увеличение поглощения для непрямозонного материала требует увеличения его толщины.-
либо организации отражающего подслоя. Успешно реализован в Китае.

По-моему, ни одна из заявленных здесь целей солнечными модулями не обеспечивается в принципе.-
мощнейшее строительство в Эмиратах.
Старый унылый ботан, 08 сентября 2010 23:12 
"Наноразмерные структуры позволяют снизить
требования к диффузионной длине, которая
должна быть сравнима с размерами самого
устройства"

Речь о тонких монокристаллических пленках?
В случае поликристаллических пленок основным
фактором всё-таки является увеличение
удельной поверхности, на которой разделяются
заряды.
В статье так же не совсем ясно описано, что
является движущей силой разделения зарядов в
классических солнечных элементах, и в
экситонных.
Но всё равно спасибо за труд!
---
[I]По-моему, ни одна из заявленных здесь целей солнечными модулями не обеспечивается в принципе.-
мощнейшее строительство в Эмиратах.[/I]
---

Эмираты - это сельская страна с развивающейся экономикой? Или намечается электрификация труднодоступного района пустыни?

Проблем они огребут с этим проектом выше крыши. Впрочем, они могут себе это позволить.
Neugierige, 10 сентября 2010 09:56 
Александр Ринатович, там, да и в других местах, покупаются SolarFab'ы- фабрики по производству заводов- изготовителей батарей. ( Прошу не путать с Нанофабами- диаметрально противоположное применение).Вообще, там скупаются технологии. Интересный, в чем- то поучительный пример здесь.
Латыпова Адель Ришатовна, 11 сентября 2010 11:54 
"Единственное, что я нашел и то что заслуживает доверия - статья о физике Александре Абрамовиче Красновском.Он занимался фотохимией и хлорофиллами. Поинтересовался и в Институте биохимии РАН им.Баха. Что ответят - напишу.Сам заинтересовался"

A хлорофиллы?
По моему, в поединке наука-проирода счет все-таки в пользу последнего.
Вообще-то уже нет. КПД фотосинтеза сейчас уступает фотоэлементам. Другое дело, что трава растёт сама, а панелки ещё делать надо...
Пастух Евфграфович, 15 сентября 2010 15:54 
А есть ли данные о возможности создания искусственного солнца как спутника одной из наших планет. А почему бы и нет? А то дальше водородных бомб ничего полезновенького не видно.
Палии Наталия Алексеевна, 23 сентября 2010 21:49 
Адель Ришатовна, поединок продолжается: последние новости из MIT.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Механизм
Механизм

SCAMT Workshop Week - практическая летняя школа
SCAMT Workshop Week (SWW) - это уникальный новый формат летней школы: за 1 неделю у тебя будет возможность сделать научный проект в одной из самых современных областей нанотехнологий и освоить новые практические навыки.

МГУ — в сотне лучших вузов мира по версии QS World University Rankings
6 июня 2018 года опубликован новый глобальный рейтинг вузов QS World University Rankings, в котором Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова прибавил 5 позиций по сравнению с предыдущим годом и занял 90-е место. Как отметили составители рейтинга, с 2014 года Московский университет поднялся уже на 30 позиций и демонстрирует стабильную положительную динамику.

Пресс-служба МГУ: Химики МГУ научили анализаторы светиться от запаха взрывчатки
Сотрудники химического факультета МГУ совместно с исследователями ИОХ РАН создали пористый гель, способный изменять свои оптические свойства в присутствии опасных органических веществ.

Материалы к защитам квалификационных работ бакалавров на ФНМ МГУ в 2018 году
Коллектив авторов
Защиты квалификационных работ (квалификация – бакалавр материаловедения) по направлению 04.03.02 - «химия, физика и механика материалов» на Факультете наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова состоятся 4, 5, 6, 7 и 8 июня 2018 г. Начало защит в 11.00. Защиты пройдут в аудитории 221 корпуса Б.

Научно-исследовательская работа студентов в 7 семестре 2017/2018 учебного года. Тезисы докладов на студенческой научной конференции.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ-2014, которая состоялась 22-23 января 2018 года.

Материалы к защитам квалификационных работ магистров на ФНМ МГУ в 2018 году

22-25 мая 2018 года в аудитории 235 лабораторного корпуса Б пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками ФНМ (начало в 11:00).

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.