Солнечные батареи
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 27 Ноября 2012 в 15:52, доклад
Краткое описание
солнечные батареи, их виды, материалы используемые в них.
Существует несколько видов солнечных батарей, включая силиконовые батареи, которые в качестве основы содержат силикон, и сенсибилированные красителем солнечные элементы, в которых используются органические красители. На сегодняшний день группа японских исследователей добилась успехов в области органических тонкопленочных солнечных батарей. Одна из ведущих химических компаний «Toray» достигла высочайшей производительности преобразования энергии с помощью органических тонкопленочных солнечных батарей.
Прикрепленные файлы: 1 файл
Органические солнечные батареи.docx
Органические солнечные батареи
Органическая наноэлектроника – очень быстро развивающаяся в настоящее время область. Она имеет дело с приборами, в которых полупроводник является органическим материалом, т.е. состоит в основном углерода, азота, водорода и кислорода. Использование органических материалов в солнечной энергетике позволить существенно снизить стоимость солнечных батарей. Основной материал солнечных батарей – кремний – достаточно дорогой материал. Использование органики позволит снизить их стоимость примерно в 4 раза. Стремительно растет КПД органических солнечных батарей. В 2007 году он достиг значения 6,5%.
На настоящий момент лучшие значения подвижности носителей заряда в органических материалах уже сопоставимы с подвижностями в a-Si. Принцип работы органической солнечной батареи показан на рис. 1, а наиболее эффективные донорные и акцепторные материалы в органических солнечных батареях с объемным гетеропереходом — на рис .2.
Рисунок 1. Принцип действия органической солнечной батареи
Рисунок 2. Наиболее эффективные донорные и акцепторные материалы в органических солнечных батареях с объемным гетеропереходом.
Солнечные элементы, созданные на базе органических красителей, позволяют достигнуть КПД — 9%. Принцип их работы заключается в поглощении фотонов недорогой тонкопленочной структурой, содержащей молекулы красителя, закрепленные в слое оксида титана, нанесенном на стеклянную или пластмассовую подложку. Поглощение фотона приводит к возбуждению молекулы красителя, из которой высвобождаются электроны. Затем они попадают в слой оксида титана, по которому передаются к отрицательному выводу элемента.
Было рассмотрено два варианта увеличения полезной площади элемента. В одном фоточувствительный слой наносили на поверхность наночастиц, в другом – на поверхность нанотрубок. Использование наночастиц увеличивает площадь, но затрудняет движение электронов. Нанотрубки лишены этого недостатка, но не так заметно увеличивают полезную площадь. Объединив эти две методики — смешав наночастицы и нанотрубки – можно достичь высокой эффективности фотопреобразования.
Солнечная энергетика: фотовольтаический взгляд
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). 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 : аморфный кремний, кадмий теллур (CdTe), соединения типа медь-индий/галлий-диселенид/ дисульфид, многослойные соединения.
Рис. 3. Кремний аморфный, микро- и поликристаллический.
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 4 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.
Рис. 4. Диаграмма «КПД-цена» для разных поколений солнечных батарей.
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 5). 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 6 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.
Рис. 5. Схема солнечной батареи на красителях.
Рис. 6. Фотоэлектрохимический аккумулятор.
Органические солнечные батареи отличаются от уже рассмотренных 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. 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 7).
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.
Рис. 7. Органические солнечные батареи.
Солнечные батареи на органических красителях – очередной шаг к дешевой солнечной энергии
Цветосенсибилизированные солнечные ячейки, называемые иногда ячейками Гретцеля, в честь ее изобретателя Михаэля Гретцеля, профессора химии швейцарской политехнической школы Лозанны, долго рассматривались как многообещающая технология, позволяющая существенно снизить стоимость ватта солнечной энергии. Такие панели потенциально могут быть гораздо дешевле в производстве, чем стандартные солнечные панели. Но этот потенциал так и не был реализован, так как в панелях с приемлемой для коммерческого использования эффективностью до сих пор было необходимо использование летучих электролитов, требующих герметизации панелей и красителей на основе дорогого металла рутения.
Теперь Гретцель в сотрудничестве с Китайской Академией Наук нашли альтернативу и тому, и другому материалу и создали новый тип фотоэлемента на красителях, не только высокоэффективный, но и дешевый и более прочный.
Ключ к новой технологии – новый органический краситель, разработанный профессором Чанчуньского Института Прикладной Химии Пенг Вонгом и его коллегами. Органические красители уменьшают стоимость производства панелей благодаря дешевизне по сравнению с красителями на основе рутения. Также исследователи использовали новый тип электролита, называемый ионной жидкостью.
«Мы впервые продемонстрировали возможность создания устойчивых, не содержащих растворителей фотоэлементов, показывающих высокую эффективность по сравнению с рутениевыми красителями» – сказал Вонг.
Исследователи установили новый рекорд эффективности для фотоэлементов, включающих молекулы органических красителей. Чтобы конкурировать с традиционными солнечными элементами, элементам на красителях нужно достичь эффективности преобразования света по крайней мере в 10%. Фотоэлементы Вонга и его коллег достигли КПД в 9,8%. «В случае эффективностей, даже маленькое увеличение имеет значение» – говорит Гретцель. Он рад видеть успехи исследователей, «подходящих так близко к порогу эффективности органических панелей в 10%, так как это – магическое число».
В случае, когда органические краситель и ионная жидкость используются одновременно, эффективность падает до 8,1%, но уже и этот результат можно считать существенным прорывом, считает Гретцель. Хотя при комбинировании нелетучих электролитов с рутениевыми красителями, эффективность уже превышала 10 процентов. «Десять лет назад мы не думали, что сможем получить более 1%» говорит он.
Путем замены традиционных рутения и йод на порфирин и кобальт был увеличен слой, который поглощает солнечный свет, что приводит к эффективному электронному обмену между красителем и подложкой. Интересно, что за счет применения новых химических соединений, сенсибилизированные красители приобрели зеленоватый оттенок, а процесс преобразования стал всё больше напоминать фотосинтез.
Источник
Солнечные батареи
Главная > Реферат >Коммуникации и связь
Люди всегда боятся перемен.
Люди боялись электричества,
когда оно было изобретено, не так ли?
Люди боялись угля, они боялись, газовых двигателей .
Там всегда будет невежество и незнание приводит к страху.
Но со временем, люди будут приходить,
чтобы принять своих хозяев кремния.
Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии
Физический принцип работы фотоэлемента
Фотоэлементы для промышленного назначения
Солнечная батарея на крыше дома
Использование в космосе
Эффективность фотоэлементов и модулей
Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов
Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива — урана и тория, из которого можно получить в реакторах-размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива — водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены, и неизвестно когда они будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде, т.е. без участия в этом процессе реакторов деления В связи с указанными проблемами становится все более необходимым использование нетрадиционных энергоресурсов, в первую очередь солнечной, ветровой, геотермальной энергии, наряду с внедрением энергосберегающих технологий.
Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности наиболее перспективна.
2. Солнечная батарея
Солнечная батарея — бытовой термин, использующий в разговорной речи или не научной прессе. Обычно под термином «солнечная батарея» подразумевается несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.
В отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя, солнечная батарея производит непосредственно электричество. Хотя, для производства электричества из солнечной энергии используются и солнечные коллекторы: собранную тепловую энергию можно использовать и для вырабатывания электричества. Крупные солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.), называются Гелиоэлектростанции (ГЕЭС).
Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Ήλιος, Helios — солнце). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы, до занимающих крыши автомобилей и зданий.
3. 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. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16%, у лучших образцов до 25%.[1] В лабораторных условиях уже достигнут КПД 40,7 %.
4. Физический принцип работы фотоэлемента
Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте. Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В солнечном элементе из полупроводникового кремния толщиной 50мкм поглощаются фотоны, и их энергия преобразуется в электрическую посредством p-n соединения.
Переход на гетеросоединения типа арсенида галлия и алюминия, применение концентраторов солнечной радиации с кратностью концентрации 50-100 позволяет повысить КПД с 20 до 35 %. В 1989 г. фирмой “Боинг” создан двухслойный элемент, состоящий из двух полупроводников — арсенида и антимонида галия — с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37 %. В обычных кремниевых элементах инфракрасное излучение не используется, в то время как в новом элементе в первом прозрачном слое (арсенид галия) поглощается и преобразуется в электричество видимый свет, а инфракрасная часть спектра, проходящая через этот слой, поглощается и преобразуется в электричество во втором слое (антимониде галлия), в итоге КПД составляет 28%+9%=37%, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций.
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.
5. 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 (25-30 лет) ресурсе работы;
высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;
приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затрат 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;
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.
Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов СЭС считаются кремний, Cu(In,Ga)Se2 и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.
6. Солнечная батарея на крыше дома
Солнечные батареи крупного размера, как и солнечные коллекторы, очень широко используются в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крышах домов.
Новые дома Испании с марта 2007 года должны быть оборудованы солнечными водонагревателями, чтобы самостоятельно обеспечивать от 30 % до 70 % потребностей в горячей воде, в зависимости от места расположения дома и ожидаемого потребления воды. Нежилые здания (торговые центры, госпитали и т. д.) должны иметь фотоэлектрическое оборудование.
7. Использование в космосе
Солнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.
Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой Марса) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к Венере и Меркурию, напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз).
8. Эффективность фотоэлементов и модулей
Мощность потока солнечного излучения на квадратный метр, без учёта потерь в атмосфере, составляет около 1350 ватт. В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м². С помощью наиболее распространённых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9 % -24 %. При этом цена батареи составит около 1—3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. Ожидается, что к 2010 году себестоимость снизится до 0,15 долл.
Сообщается, что в отдельных лабораториях получены солнечные элементы с эффективностью 44 %. В 2005 году было заявлено, что российские учёные разработали ‘Звездные батареи’ с эффективностью фотоэлементов 90%. В 2007 году появилась информация, об изобретении российскими учёными элементов с эффективностью 54 %, но эти высокоэффективные панели не могут массово использоваться в виду отсутствия массового производства.
Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях
Источник