Меню

Арсенида галлия солнечные батареи

Арсенида галлия солнечные батареи

Арсенид-галлиевые СБ.

Гетероструктурные СБ имеют более высокий КПД , чем кремниевые и германиевые, монокристаллические и особенно — аморфного кремния.

КПД гетероструктурных ( например, арсенид-галлиевых) солнечных батарей доходит до 35-40 %.
Их максимальная рабочая температура — до +150 o Цельсия, в отличии от + 70 o Цельсия — у кремниевых батарей, что увеличивает возможности концентрирования света на ГФП GaAs.

Арсенид-галлиевые СБ значительно дороже кремниевых.

В качестве наиболее вероятных материалов для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СЭС в настоящее время рассматривается кремний и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.
ФЭП (фотоэлектрические преобразователи) на основе соединения мышьъяка с галлием (GaAs), как известно, имеют более высокий, чем кремниевые ФЭП, теоретический КПД, так как ширина запрещённой зоны у них практически совпадает с оптимальной шириной запрещённой зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии =1,4 эВ. У кремниевых этот показатель =1,1 эВ.

Вследствие более высокого уровня поглощения солнечного излучения, определяемого прямыми оптическими переходами в GaAs, высокие КПД ФЭП на их основе могут быть получены при значительно меньшей по сравнению с кремнием толщине ФЭП.Принципиально достаточно иметь толщину ГФП 5-6 мкм для получения КПД порядка не менее 20 %, тогда как толщина кремниевых элементов не может быть менее 50-100мкм без заметного снижения их КПД. Это обстоятельство позволяет рассчитывать на создание лёгких плёночных ГФП, для производства которых потребуется сравнительно мало исходного материала, особенно если в качестве подложки удастся использовать не GaAs ,а другой материал, например синтетический сапфир (Al2 O3)[11].

ГФП обладают также более благоприятными с точки зрения требований к преобразователям СЭС эксплутационными характеристиками по сравнению с кремниевыми ФЭП. Так, в частности, возможность достижения малых начальных значений обратных токов насыщения в p-n-переходах благодаря большой ширине запрещённой зоны позволяет свести к минимуму величину отрицательных температурных градиентов КПД и оптимальной мощности ГФП и , кроме того, существенно расширять область линейной зависимости последней от плотности светового потока. Экспериментальные зависимости КПД ГФП от температуры говорят о том, что повышение равновесной температуры последних до 150-180 °С не приводит к существенному снижению их КПД и оптимальной удельной мощности. В то же время для кремниевых ФЭП повышение температуры выше 60-70 °С является почти критическим — КПД падает вдвое.

Благодаря устойчивости к высоким температурам арсенид-галлиевые ФЭП позволяют применять к ним концентраторы солнечного излучения. Рабочая температура ГФП на GaAs доходит до 180 °С, что уже является вполне рабочими температурами и для тепловых двигателей, паротурбин. Таким образом, к 30-процентному собственному КПД арсенид-галлиевых ГФП (при 150°C) можно прибавить КПД теплового двигателя, использующего сбросовое тепло охлаждающей фотоэлементы жидкости [19]. Поэтому общий КПД установки, которая к тому же использует и третий цикл отбора низкотемпературного тепла у охлаждающей жидкости после турбины на обогрев помещений — может быть даже выше 50-60 %.

Также ГФП на основе GaAs в значительно меньшей степени, чем кремниевые ФЭП, подвержены разрушению потоками протонов и электронов высоких энергий вследствие высокого уровня поглощения света в GaAs, а также малых требуемых значений времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей. Более того, эксперименты показали, что значительная часть радиационных дефектов в ГФП на основе GaAs исчезает после их термообработки ( отжига) при температуре как раз порядка 150-180 °С. Если ГФП из GaAs будут постоянно работать при температуре порядка 150 °С, то степень радиационной деградации их КПД будет относительно небольшой на протяжении всего срока активного функционирования станций ( особенно это касается космических солнечных энергоустановак, для которых важен малые вес и размер ФЭП и высокий КПД).

Читайте также:  Сроки службы солнечных батарей

В целом можно заключить, что энергетические, массовые и эксплутационные характеристики ГФП на основе GaAs в большей степени соответствуют требованиям СЭС и СКЭС (космич.), чем характеристики кремниевых ФЭП.

Однако кремнтй является значительно более доступным и освоенным в производстве материалом, чем арсенид галлия. Кремний широко распространён в природе, и запасы исходного сырья для создания ФЭП на его основе практически неограничены. Технология изготовления кремниевых ФЭП хорошо отработана и непрерывно совершенствуется. Существует реальная перспектива снижения стоимости кремниевых ФЭП на один-два порядка при внедрении новых автоматизированных методов производства, позволяющих в частности, получать кремниевые ленты , солнечные элементы большой площади и т.п.

Цены на кремниевые фотоэлектрические батареи снизились за 25 лет в 20-30 раз с 70-100 долл/ватт в семидесятых годах вплоть до 3,5 долл/ватт в 2000 г. и продолжают снижаться далее. На Западе ожидается переворот в энергетике в момент перехода цены 3-долларового рубежа. По некоторым расчётам, это может произойти уже в 2002 г., а для России с нынешними энерготарифами этот момент наступит при цене 1 ватта СБ 0,3-0,5 доллара, то есть, при на порядок более низкой цене. Тут играют роль вместе взятые: тарифы, климат, географические широты, способности государства к реальному ценообразованию и долгосрочным инвестициям. В реально действующих структурах с гетеропереходами КПД достигает на сегодняшний день более 30% , а в однородных полупроводниках типа монокристаллического кремния — до 18%. Среднее значение КПД в солнечных батареях на монокристаллическом кремнии сегодня около 12%, хотя достигает и 18%. Именно, в основном, кремниевые СБ можно видеть сегодня на крышах домов разных стран мира.

В отличие от кремния галлий является весьма дефицитным материалом, что ограничивает возможности производства ГФП на основе GaAs в количествах, необходимых для широкого внедрения.

Галлий добывается в основном из бокситов , однако рассматривается также возможность его получения из угольной золы и морской воды. Самые большие запасы галлия содержатся в морской воде, однако его концентрация там весьма невелика, выход при извлечении оценивается величиной всего в 1% и , следовательно, затраты на производство будут, вероятно, чрезмерно большими. Технология производства ГФП на основе GaAs с использованием методов жидкостной и газовой эпитаксии (ориентированного роста одного монокристалла на поверхности другого <на подложке>), не развита ещё до такой степени, как технология производства кремниевых ФЭП и в результате этого стоимость ГФП сейчас существенно выше (на порядки) стоимости ФЭП из кремния [11].

Источник

Арсенид-галиевые солнечные батареи

Солнечные батареи автономных электростанций, которые созданы на основе соединения арсенида галлия – это надежная и эффективная альтернатива обычным кремниевым панелям. Арсенид галлия, это соединение мышьяка с галлием, обладающее такими же высокими гелиоэнергетическими свойствами, как и сам кремний, но с другой стороны более эффективный в плане производительности, что немаловажно.

Читайте также:  Грид инвертор для солнечных батарей что это

Поэтому солнечные элементы на основе этого соединения демонстрируют более высокий показатель КПД, иногда до 44% больше, что является значительной разницей. Но с другой стороны применяют такие системы довольно нечасто, чаще всего в сфере высоких технологий, космической отрасли и схожих направлениях. Помимо достоинств данного типа панелей (высокая производительность и надежность) есть и значительный минус.

Несмотря на высокие показатели эффективности, такие панели обладают высокой стоимостью и при разрушении могут стать источником ядовитых веществ, что является преградой для их широкого распространения в быту и хозяйстве. И сам материал, и технологические особенности производства сами по себе очень затратные в финансовом плане, поэтому их стоимость сохраняется на высоком уровне. Поэтому такие панели не получили массового распространения.

Особенности

Солнечные панели на основе арсенида галлия имеют ряд важных преимуществ:

Высокая способность к поглощению энергии. Материал показывает высокую эффективность по поглощению солнечного света, в результате чего его можно применять, налаживая слоями всего в несколько микрон. Это позволяет получить значительное уменьшение толщины ячеек.

Ширина запрещенной зоны. Этот термин отображает область энергии, которой обладать электрон не может в нормальном состоянии, ее ширина представляет собой минимальный объем энергии, который требуется для перемещения электрона, чтобы тот участвовал в формировании самого фототока. У этого материала эти показатели практически идеальны и не достигаются с применением других материалов.

Очень хорошая устойчивость к воздействию радиации, именно поэтому данный тип батарей используется в космической сфере.

Небольшая чувствительность к нагреванию. Кремниевые панели при работе сильно нагреваются, что часто бывает проблемой и необходимо обеспечить отток тепла, для предотвращения нагревания панелей и выхода из строя батарей. Батареи на основе арсенида галлия практически не получают потери производительности при перегреве. Поэтому такие панели нуждаются в меньшем охлаждении.

В таких панелях можно менять рабочие характеристики. Добавлять различные примеси, такие как фосфор, мышьяк, алюминий. Эти вещества позволяют корректировать параметры арсенида галлия, такие как, к примеру, ширина запрещенной зоны или другие. Благодаря этому можно значительно расширить возможности заданные параметрами панелей.

Использование данного материала как основы для панелей позволяет разработчикам выполнить многослойные панели. Благодаря этому можно управлять процессом генерации носителей заряда.

Многослойные элементы.

Самая эффективная, но и дорогостоящая на сегодняшний день, это трехслойная система. Она состоит из таких элементов, как германий, арсенид галлия и фосфид индия-галлия. При этом все слои выполняют разную функцию по поглощению энергии, каждый слой поглощает свой спектр. Такой способ обеспечивает наиболее эффективное поглощение света панелями. Но процесс производства таких панелей очень сложен и дорогостоящий.

Удешевление технологии

Технологии производства таких панелей очень дорого стоят, но активно ведутся работы по удешевлению этой технологии, для того чтобы она стала более доступной для людей. Ученые из университета США продвинулись довольно далеко в этом плане, поэтому возможно в ближайшее время будет найдено решение этого вопроса.

Обычно используется довольно толстая пластина, но для эффективного поглощения необходим лишь тонкий слой, получается, что значительная часть материала расходуется попросту неэффективно. Ведутся активные работы, направленные на уменьшение рабочего слоя.

Читайте также:  С чего делают солнечные панели

Ученые предлагают наращивать тонкий слой арсенид галлия на подложке из алюминия. Далее эту пленку отделять от подложки. В итоге получать тонкие пластины самого арсенид галлия, которые и использовать при производстве панелей.

Источник

Арсенид-галлиевые солнечные батареи

Арсенид-галлиевые солнечные батареи создавались с использованием арсенида галлия. Для того, чтобы получить материал, необходимо соединить мышьяк и галлий, разработаны как альтернативный вариант традиционным элементам с использованием кремния. Арсенид галлия, который входит в солнечные батареи, представляет собой полупроводник. Он имеет такие же свойства, которые имеет кремний. Но главное преимущество в его лучших «рабочих» качествах. Благодаря таким преимуществам солнечная батарея арсенид галлия имеет намного больше коэффициент полезного действия.

Особенности арсенид-галлиевыех солнечных батарей

Несмотря на огромные преимущества, арсенид галлия полупроводник используется не так часто. Одной из главных отраслях, где применяют такие устройства является космическая. Главный недостаток солнечной панели арсенид галлия – большая стоимость при производстве. Этот материал, а также процесс изготовления значительно дороже кремния и процесса изготовления продукции с его использованием. Галлий достаточно дефицитный материал, поэтому массовое использование его невозможно, несмотря на то, что коэффициент полезного действия арсенид-галлиевых солнечных батарей намного больше.

Преимущества солнечной батареи из арсенид галлия

Фотоэлементы в арсенид-галлиевых солнечных панелей имеют некоторые значительные преимущества. Полупроводнику арсенида галлия достаточно слоя всего несколько микрон, чтобы достигать эффективных результатов, поскольку обладает высоким уровнем поглощения энергии. Такое тонкое покрытие способствует возможности уменьшить фотоячейки, не влияя на конечный результат.

Солнечная батарея арсенид галлия имеет высокую стойкость к радиации. Подходят для использования во многих направлениях, но учитывая дорогостоящее производство, применяются очень редко. Панели арсенид галлия отлично противостоят процессам нагревания. Они способны работать даже в условиях высоких температур и даже перегрева. Это означает, что они не нуждаются в большом количестве охлаждения.

Есть разработки по улучшению процесса изготовления панелей арсенид галлия, путем добавления различных примесей. Такой процесс позволяет значительно корректировать процесс производства, также можно расширять солнечные ячейки, в соответствии с измененными параметрами.

В некоторых ситуациях возможно даже получить многослойные ячейки, изменять составы в слоях. В ходе этого процесса можно получить более точное управление генерацией носителей заряда. Кремниевые батареи такой возможности не имеют.

На данный момент есть возможность создавать даже структуру, состоящую из трех слоев. Каждый из трех слоев поглощает только определенные солнечные лучи. Таким образом, количество поглощенных лучей значительно больше, чем у других конструкциях. Поглощать многие виды солнечных лучей невозможно для однослойных батарей. Но изготовления таких доскональных структур очень дорого как в финансовом плане, так и в плане труда.

Удешевление технологии получения арсенид галлия полупроводника

На данный момент технология производства очень дорогая, но активно ведется поиск путей, которые помогут сделать производство более дешевым. Сейчас изучается возможность исключить из процесса производства самые дорогостоящие детали, но при этом такой подход не должен повлиять на коэффициент полезного действия. Предложено устанавливать более тонкие пластины, толщина которых не повлияет на конечный результат.

Источник