Содержание:
Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов.
Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии.
Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка 300-350 Кельвинов и Тсолнца ~ 6000 К их предельный теоретический КПД < 29 %. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 26 %.
Физический принцип работы солнечных батарей
Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.
Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.
Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.
Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:
- отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
- прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
- рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
- рекомбинацией образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объёме ФЭП,
- внутренним сопротивлением преобразователя,
- и некоторыми другими физическими процессами.
Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:
- использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
- направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
- переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
- оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
- применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
- разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
- создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.
Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.
Фотоэлементы для промышленного назначения
На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:
- высокая надёжность при длительном (десятки лет!) ресурсе работы;
- высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;
- приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затраты на создание системы преобразования;
- минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
- удобство техобслуживания.
Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.
Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.
Типы фотоэлектрических элементов
- Монокристаллические кремниевые
- Поликристаллические кремниевые
- Тонкоплёночные
В 2005 г. на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6 % рынка. В 2006 г. тонкоплёночные фотоэлементы занимали 7 % долю рынка. В 2007 г. доля тонкоплёночных технологий увеличилась до 8 %.
За период с 1999 г. по 2006 г. поставки тонкоплёночных фотоэлементов росли ежегодно в среднем на 80 %.
Минимальные цены на фотоэлементы (начало 2007 г.).
- Монокристаллические кремниевые — 4,30 $/Вт установленной мощности.
- Поликристаллические кремниевые — 4,31 $/Вт установленной мощности.
- Тонкоплёночные — 3,0 $/Вт установленной мощности.
Стоимость кристаллических фотоэлементов на 40-50 % состоит из стоимости кремния.
Итоги развития фотоэлементной отрасли.
Если в 1985 г. все установленные мощности мира составляли 21 МВт, то за один только 2006 г. было установлено 1744 МВт (по данным компании Navigant consulting), что на 19 % больше, чем в 2005 г. В Германии установленные мощности выросли на 960 МВт, что на 16 % больше, чем в 2005 г. В Японии установленные мощности выросли на 296,5 МВт. В США установленные мощности выросли на 139,5 МВт (+ 33 %).
К 2005 году суммарные установленные мощности достигли 5 ГВт. Инвестиции в 2005 г. в строительство новых заводов по производству фотоэлементов составили 1 млрд $.
Ввод в строй новых мощностей в 2005 г.: Германия — 57 %; Япония — 20 %; США — 7 %; остальной мир — 16 %. Доля стран в суммарных установленных мощностях (на 2004г.): Германия — 39 %; Япония — 30 %; США — 9 %; остальной мир — 22 %.
Производство фотоэлементов в мире выросло с 1656 МВт в 2005 г. до 1982,4 МВт. в 2006 г. Япония продолжает удерживать мировое лидерство в производстве — 44 % мирового рынка; в Европе производится 31 %. США производят 7 % от мирового производства, хотя в 2000 г. эта цифра доходила до 26 %.
В 2006 г. десять крупнейших производителей произвели 74 % фотоэлементов, в том числе:
- Sharp Solar — 22 %;
- Q-Cells — 12 %;
- Kyocera — 9 %;
- Suntech — 8 %;
- Sanyo — 6 %;
- Mitsubishi Electric — 6 %;
- Schott Solar — 5 %;
- Motech — 5 %;
- BP Solar — 4 %.
