Солнечная энергетика (стр. 3 из 8)

Основной прогресс, достигнутый в разработке молекулярных фотокаталитических систем разложения воды, связан с созданием так называемых жертвенных систем, моделирующих фотосистемы растительного фотосинтеза и осуществляющих выделение либо водорода, либо кислорода из воды с одновременным необратимым расходованием жертвы — специально добавленного донора или акцептора электрона. Примером такой жертвенной системы фотокаталитического восстановления воды является система, содержащая трисбипиридильные комплексы рутения и родия [Ru(bpy)₃]²⁺, [Rh(bpy)₃]³⁺ в качестве фотокатализатора и промежуточного акцептора электрона. Фотовозбуждение такой системы приводит к фотостимулированному переносу электрона:

и последующему каталитическому выделению водорода из воды на платиновом катализаторе:

В качестве необратимо расходуемой жертвы, обеспечивающей регенерацию фотокатализатора, используется триэтаноламин.

Осуществить замкнутый, не требующий введения дополнительно расходуемых веществ цикл фоторазложения воды солнечным светом в молекулярных фотокаталитических системах пока еще не удается. Основной задачей является разработка методов предотвращения реакции рекомбинации первичных продуктов фоторазделения зарядов, которая протекает намного быстрее, чем сложные каталитические реакции окисления и восстановления воды. Предполагается, что такая задача может быть решена при переходе к молекулярно-организованным системам, позволяющим (по аналогии с природным фотосинтезом) получать пространственно разделенные продукты фоторазделения зарядов. Исследования в этом направлении интенсивно развиваются в последнее время.

3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) - прибора для преобразования энергии солнечного излучения - на основе монокристаллического кремния. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины р-типа сформирован р-п-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в р-слое вблизи р-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в р-слой (рис. 2 а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а р-слой - положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между р- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. 2 6). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а р-слой - положительному.

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ):

где I_s- ток насыщения, a I_ph фототoк.

ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис. 4), включающая источник тока /ph=SqN0Q, где S - площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q- безразмерный множитель (<1), показывающий, какая доля всех созданных светом электронно-дырочных пар (5%) собирается р-n-переходом. Параллельно источнику тока включен р-n-переход, ток через который равен I_s[e4u/kT-1]. р-n-Переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток /.

Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока I_рh. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а.

Максимальная мощность, снимаемая с 1 см², равна

где £ - коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт амперной характеристики, I_КЗ - ток короткого замыкания, Uxx -напряжение холостого хода.

4. КОНСТРУКЦИИ И МАТЕРИАЛЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда условий:

• оптический коэффициент поглощения (а) активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;

• генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;

• солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;

• полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;

• структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.

Производство структур на основе монокристаллического кремния, удовлетворяющих данным требованиям, - процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники [4].

Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки a-Si:H толщиной 0,5-1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:H производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе a-Si:H - 12% - несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (-15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе a-Si:H достигнет теоретического потолка -16%.

Наиболее простые конструкции СЭ из a-Si:H были созданы на основе структуры металл - полупроводник (диод Шотки) (рис. 5).

Несмотря на видимую простоту, их реализация достаточно проблематична - металлический электрод должен быть прозрачным и равномерным по толщине, а все состояния на границе металл/a-SiiH - стабильными во времени. Чаще всего солнечные элементы на основе a-Si:H формируют на ленте из нержавеющей стали или на стеклянных подложках, покрытых проводящим слоем. При использовании стеклянных подложек на них наносят прозрачную для света проводящую оксидную пленку (ТСО) из Sn0₂, In₂0₃ или Sn0₂+ln₂0₃ (ITO), что позволяет освещать элемент через стекло. Поскольку у нелегированного слоя электронная проводимость выражена слабо, барьер Шотки создается за счет осаждения металлических пленок с высокой работой выхода (Rt, Rh, Pd), которая обуславливает образование области положительного объемного заряда (обедненного слоя) в a-Si:H.

При нанесении аморфного кремния на металлическую подложку образуется нежелательный потенциальный барьер а-Si:H/металли-ческая подложка, высоту которого необходимо уменьшать. Для этого используют подложки из металлов с малой работой выхода (Мо, Ni, Nb). Перед нанесением аморфного кремния желательно осадить на металлической подложке тонкий слой (10-30 нм) a-Si:H, легированный фосфором. Не рекомендуется использовать в качестве материалов электродов легко диффундирующие в аморфный кремний металлы (например, Аи и AI), а также Сu и Аg, поскольку a-Si:H обладает плохой адгезией к ним. Отметим, что U_xxсолнечных элементов с барьером Шотки на основе a-Si:H обычно не превышает 0,6 В.

Более высокой эффективностью обладают СЭ на основе аморфного кремния с р-i-n-структурой (рис.6). В этом "заслуга" рис. 6 широкой нелегированной i-области a-Si:H, поглощающей существенную долю света. Но возникает проблема - диффузионная длина дырок в a-Si:H очень мала (-100 нм), поэтому в солнечных элементах на основе a-Si:H носители заряда достигают электродов в основном только благодаря внутреннему электрическому полю, т.е. за счет дрейфа носителей заряда. В СЭ на основе кристаллических полупроводников носители заряда, имея большую диффузионную дли ну (100 - 200 мкм), достигают электродов и в отсутствие электрического поля. Поскольку в простом p-n-переходе в a-Si:H область сильного электрического поля очень узка и диффузионная длина носителей заряда мала, в большей части СЭ не происходит эффективного разделения носителей заряда, генерируемых при поглощении света. Следовательно, для получения эффективных СЭ на основе р-i-n-сруктуры аморфного ги-дрогенизированного кремния необходимо добиться во всей А области однородного мощного внутреннего электрического поля, достаточного для достижения длины дрейфа носителей, соизмеримого с размерами области поглощения (см. рис. 6).

Данная задача решается, если при изготовлении р-i-n-структуры первым формировать р-слой (рис.7). Для его создания необходимо небольшое количество бора (<10¹⁸ см³), а значит, существенного загрязнения нелегированного слоя не происходит.