Кремниевые фотоэлементы

Содержание

Введение…………………………………………………………………...…2

1. Всё о кремниевом фотоэлементе, о его характеристиках и             коэффициенте полезного действия………………………………………....3

2.Применение кремниевых фотоэлементов  на примере 

солнечной батареи………………………………………………..………….7

Заключение……………………………………………………………………

Введение

Вы наверняка видели калькуляторы, которые работают на фотоэлементах (солнечных батареях) – калькуляторы, которым не нужны электрические элементы питания и у которых в некоторых случаях нет даже кнопки выключения. До тех пор, пока у вас есть достаточное количество освещения, они могут работать бесконечно. Возможно, вы видели солнечные батареи покрупнее – на дорожных знаках, извещающих о чрезвычайной ситуации, телефонных автоматах, буйках, даже на стоянках, в качестве источника света. Хотя эти панели не так распространены, как калькуляторы на солнечной энергии, их нетрудно заметить, если вы знаете, куда смотреть. Массивы фотоэлементов есть на космических спутниках, где они используются для питания электрических систем. Вероятно, вам также знакомо выражение «солнечная революция», которое на слуху последние 20 лет – идея о том, что придет день, когда все мы будем использовать бесплатную энергию Солнца. Это заманчивое обещание: в яркий, солнечный день Солнце отдает примерно 1000 ватт энергии на квадратный метр земной поверхности, и если бы мы смогли собрать всю эту энергию, то мы бы запросто смогли обеспечить бесплатной энергией наши дома и офисы.

1. Всё о кремниевом  фотоэлементе, о его характеристиках  и             коэффициенте полезного действия

Структура кремниевого фотоэлемента приведена на рис. 11. Он представляет собой плоскую пластину кремния с электропроводностью р-типа, на поверхности которой создан тонкий слой с проводимостью n+-типа. Высокая проводимость этого слоя позволяет создать омический контакт в виде кольца или рамки на нижней поверхности фотоэлемента, оставив всю верхнюю поверхность кристалла открытой для освещения.

Вольтамперная характеристика фотоэлемента аналогична ВАХ фотодиода. Части кривых, расположенные в третьем квадранте (при обратном напряжении) соответствуют фотодиодному режиму работы p–n-перехода; части кривых, расположенные в четвертом квадранте – режиму генерации фото - ЭДС.

Фотоэлемент работает без внешних источников питания, а сам является источником электрической энергии (четвертый квадрант на ВАХ p–n-перехода (рис. 12). Если к фотоэлементу подключить внешнюю нагрузку (рис. 13), то при освещении p–n-перехода по цепи потечет ток. Точки пересечения ВАХ с осью токов (U = 0) соответствуют значениям токов короткого замыкания (Rн = 0).

Iкз = –Iф = –Kинт Ф

Ток короткого замыкания зависит от площади фотоэлемента Iкз = KλЕS. У кремниевых фотоэлементов плотность тока короткого замыкания Iкз/S = 20÷25 мА/см2 = 200÷250 А/м2 при средней освещенности солнечным светом.

Точки пересечения ВАХ с осью напряжений (при Rн = ∞) соответствуют значениям фото-ЭДС φ0 или напряжениям холостого хода Uхх. Приняв в уравнении (2.3) I = 0, можно найти напряжение холостого хода:

.

где Is = InE+IpE – обратный ток p–n-перехода.

Формула справедлива, пока концентрация неосновных носителей много меньше концентрации основных носителей заряда. При большой интенсивности света максимальное значение фото-ЭДС стремиться к величине контактной разности потенциалов p–n-перехода φ0.

У кремниевых фотоэлементов фото-ЭДС составляет 0.5÷0.55 В. Точки пересечения ВАХ с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания, которые зависят от площади p–n-перехода фотоэлемента.

По ВАХ при разных освещенностях фотоэлемента можно выбрать оптимальное сопротивление нагрузки Rн опт, при котором в нагрузке будет выделяться максимальная мощность Рmax. Для этого необходимо провести нагрузочную прямую из начала координат I = -U/Rн (рис. 12). Точка пересечения ВАХ с нагрузочной прямой определяет напряжение Uн и ток нагрузки Iн. Мощность выделяемая в нагрузке Pн = Uн∙|Iн|.

Для кремниевых фотоэлементов при оптимальной нагрузке Uн = 0.35÷0.4 В и J = 15÷20 мА/см2. Таким образом, при средней освещенности электрическая мощность с одного квадратного сантиметра фотоэлемента составляет P = 5÷8 мВт.

Световые характеристики фотоэлемента рис. 14 показывают зависимость напряжения холостого хода Uхх = φф и тока короткого замыкания Iкз = Iф от освещенности, создаваемой лампой накаливания с температурой вольфрамовой нити Т = 2842 К: Uхх = f(E) и Iкз = f(E). Зависимость Iкз от освещенности в широких пределах изменения освещенности линейна (рис. 14, сплошная линия), а напряжения холостого хода пропорциональна логарифму освещенности (рис. 14, штриховая линия).

Отношение Кинт = Iкз/E называется интегральной чувствительностью фотоэлемента.

Спектральная характеристика фотоэлемента – это зависимость тока короткого замыкания от длины волны падающего света Iкз = f(λ) при Е = const. Максимум спектральной характеристики кремниевых фотоэлементов почти совпадает с максимумом спектрального распределения энергии солнечного света. Поэтому кремниевые фотоэлементы широко используют для создания солнечных батарей.

Коэффициент полезного действия фотоэлемента η = Рmax/Рф, где Рф – мощность светового потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента. Теоретический предел КПД, кремниевого солнечного фотоэлемента составляет 23%. Уменьшение КПД фотоэлементов происходит из-за частичного отражения излучения от поверхности полупроводника, поглощения квантов света без образования пар электрон – дырка, рекомбинации неравновесных носителей до их разделения электрическим полем в p–n-переходе, потери мощности при прохождении тока через объемное сопротивление базы фотоэлемента. В результате КПД кремниевых фотоэлементов, выпускаемых промышленностью, составляет порядка 12%. Для увеличения КПД можно изготовить фотоэлемент на основе гетероперехода.

2.Применение кремниевых фотоэлементов на примере солнечной батареи

Солнечные батареи хоть и экологически чистые, но при этом – весьма дорогие. Ученые нашли им альтернативу – полимерные солнечные батареи. О том, что это такое, рассказано в моем реферате ниже.

Человек, хотя бы немного интересующийся солнечной энергетикой, прекрасно представляет себе, что такое солнечная батарея - это совокупность большого количества фотоэлементов, укрепленных на какой-либо поверхности. Фотоэлемент представляет собой полупроводниковое устройство, которое преобразует энергию Солнца в электрический ток. Фотоэлементы «традиционных» солнечных батарей производят из кремния. Процесс производства таких батарей сложен и весьма дорог. Несмотря на то, кремний - это очень распространенный элемент и что в земной коре содержится около 20% кремния, процесс превращения исходного песка в высокочистый кремний очень сложен и дорог. Кроме того, порой возникают проблемы с утилизацией отработанных фотоэлементов, поскольку в этих фотоэлементах помимо кремния содержится еще и кадмий. И наконец, кремниевые фотоэлементы по мере работы сильно нагреваются. После чего их производительность начинает снижаться. Поэтому кремниевым батареям помимо фотоэлементов требуются еще и дорогостоящие системы охлаждения. Все это заставило ученых искать более эффективные способы преобразования солнечной энергии.

Альтернативой кремниевым солнечным батареям могут стать полимерные солнечные батареи. Это новая технология, над развитием которой работают десятки научно-исследовательских институтов и фирм по всему миру.

Полимерный фотоэлемент - это пленка, которая состоит из активного слоя (полимера), электродов из алюминия, гибкой органической подложки и защитного слоя. Для создания рулонных полимерных солнечных батарей отдельные пленочные фотоэлементы объединяют между собой. 

Достоинства полимерных солнечных батарей по сравнению с обычными кристаллическими: компактность, легкость, гибкость. Такие батареи недороги в производстве (для их изготовления не используется дорогой кремний) и экологичны, так как они оказывают на окружающую среду менее значительное влияние.

Недостаток пока один - эффективность преобразования солнечной энергии полимерных солнечных батарей пока очень низкий. Этот недостаток и ограничивал создание таких батарей на уровне образцов-прототипов. 

В настоящее время, наибольший коэффициент полезного действия полимерных солнечных батарей удалось добиться Алану Хигеру из центра полимеров и органических твёрдых частиц университета Калифорнии в Санта-Барбаре (семь лет назад он получил Нобелевскую премию по химии за открытие и развитие проводящих полимеров)  и Кванхе Ли из корейского института науки и технологии в Гванджу. Их солнечная батарея имеет КПД в 6,5% при освещённости в 0,2 ватта на квадратный сантиметр. Это самый высокий уровень, достигнутых для солнечных батарей из органических материалов.  И хотя лучшие кремниевые солнечные батареи имеют КПД 40%, тем не менее к полимерным батареям во всем мире проявляют очень сильный интерес. Правда технология производства таких батарей находится пока еще в ранней стадии своего развития.

Совсем недавно компания «Mekoprint A/S» запустила первую линию, на которой будут производится полимерные солнечные батареи. Компания около 10 лет занималась проектно-конструкторскими работами и вот теперь готова к массовому выпуску таких батарей.  Производство заключается в многослойной печати солнечного фотоэлемента на гибкую пленку, которую затем можно скручивать, разрезать и делать из пленки солнечные батареи абсолютно любых размеров.

По заявлениям специалистов компании, основной плюс полимерных батарей – это их дешевизна. Их производство обойдется компании как минимум в 2 раза дешевле, чем производство обычных, кремниевых батарей. Это обстоятельство, в свою очередь, скажется на рыночной стоимости полимерных батарей и в результате они станут намного доступнее. Вторым плюсом полимерных батарей является их потрясающая гибкость. Такую батарею – можно резать ножом, можно сворачивать в трубку, можно наклеить на любую поверхность совершенно произвольной формы. При желании такую батарею можно наклеить даже на одежду (что и было однажды проделано датскими специалистами). Полимерная батарея была наклеена на обычную шапку. И в солнечную погоду мощности батареи вполне хватало на то, чтобы от нее работал небольшой переносной радиоприемник.

И наконец, нельзя не упомянуть и о чистоте процесса производства таких батарей. Оказывается. их производство не вреднее, чем производство обычной пластиковой посуды и о вредных выбросах в атмосферу, происходящих при производстве обычных батарей из кремния скоро можно забыть. Вполне возможно, что через какое-то время мы забудем о газе и угле, так как при дальнейшем развитии этой технологии вполне возможно что вырабатываемая электроэнергия с использованием солнечных полимерных батарей окажется дешевле процесса получения электроэнергии путем сжигания традиционных энергоносителей.

Заключение:

Все еще противоречивая солнечная энергетика только начинает завоевывать страны с рыночной экономикой и развивающиеся государства.

Дороговизна технологий сдерживает этот процесс.

Однако постепенное удешевление установок делает энергию солнца все более привлекательной.

Уверен, успех развития этой отрасли напрямую будет зависеть от того, как быстро мы сможем начать оперировать с энергией Солнца.