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
