—>Олимпиада «Наноэлектроника»
Неофициальный сайт —>
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Солнечная энергетика
2. Типы солнечных элементов
2.1. I поколение фотоэлектрических элементов
2.2. II поколение фотоэлектрических элементов
2.3. III поколение фотоэлектрических элементов
3. Ячейка Гретцеля
4. Наноматериалы для солнечных батарей
4.1. Кремний
4.2. Диоксид титана
4.3. Арсенид галлия
4.4. Наноантены
4.5. Нанотрубки
5. Использование солнечных батарей
Заключение
Список используемых источников
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в общественном сознании крепнет убежденность в том, что энергетика будущего должна базироваться на крупномасштабном использовании солнечной энергии. Солнце – это огромный, неиссякаемый, абсолютно безопасный источник энергии, в равной степени всем принадлежащим и всем доступным. [1]
Самой актуальной проблемой современной энергетики является поиск новых альтернативных возобновляемых источников электроэнергии. Приоритетным направлением в данной области является фотоэлектричество. Это тесно связанно с такими факторами, как неограниченность запаса солнечной энергии и повышение экологической безопасности.
Ученные считают, что к середине века запасы нефти и газа будут близки к истощению, а солнечная энергия будет компенсировать сокращение этих объемов. Следует заметить, что при таком раскладе, выброс двуокиси углерода в атмосферу существенно уменьшится, что должно ускорить процесс развития экологически чистой солнечной фотоэнергетики, а это в свою очередь, приведет к снижению загрязнения среды и возможности глобального потепления.
Ставка на солнечную фотоэнергетику должна рассматриваться как беспроигрышный и безальтернативный выбор для человечества. [1]
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Россия располагает колоссальным потенциалом практически по всем возобновляемым источникам энергии (ВИЭ), в том числе по фотовольтаике. В России есть довольно много районов, где среднегодовой приход солнечной радиации составляет 4–5 кВт*ч на квадратный метр в день (этот показатель соизмерим с югом Германии и севером Испании – странах-лидерах по внедрению фотоэлектрических систем). Небходимо отметить, что высокий уровень инсоляции в России наблюдаются не только на Северном Кавказе, но еще и на Дальнем Востоке, а также юге Сибири.
Рис. 1. Потенциал солнечной энергетики в России.
То, на сколько эффективно преобразование солнечного излучения напрямую зависит от оптических свойств фотоэлектрических преобразователей, а также, электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры. Фотопроводимость здесь играет особо важную роль, так как она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.
ТИПЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В настоящее время все существующие фотоэлектрические элементы представлены тремя поколениями. Основная тенденция их развития заключается в снижении себестоимости энергии, порой даже в ущерб эффективности.
I поколение фотоэлектрических элементов
Первое поколение составляют классические кремниевые элементы с традиционным p-n переходом, а так же монокристаллические кремниевые элементы, которые способны генерировать электрическую энергию от источника излучения, длина волны которого совпадает с таковой солнечного света. Элементы подобного типа – основная технология, применяемая в производстве коммерческих солнечных батарей: ей принадлежит 86% рынка земных фотоэлектрических элементов.
Обычно толщина пластин из чистого монокристаллического или поликристаллического кремния составляет 200-300 мкм. Пластины характеризуются высоким КПД (17-22%) и высокой себестоимостью.
II поколение фотоэлектрических элементов
Второе поколение основано так же основывается на использовании p-n перехода, однако кристаллический кремний не используют как основной материал. Обычно используются следующие материалы: теллурий, кадмий (CdTe), смесь меди, индия, галлия, селен (CIGS), микрокристаллический и аморфный кремний. Обычно, толщина поглощающего свет слоя полупроводника составляет всего 1 — 3 мкм на использовании тонких эпитаксиальных полупроводниковых батарей.
Фотоэлектрические элементы второго поколения занимают лишь малую часть рынка применяемых на Земле батарей, а именно 18 %, но примерно 90% космического принадлежит именно им.
Процесс производства таких фотоэлементов более автоматизирован и имеет значительно меньшую себестоимость. Основным недостатком второго поколения элементов является меньшая эффективность, чем элементы первого поколения, которая колеблется в зависимости от технологии от 7-15%.
Существует два класса эпитаксиальных фотогальванических элементов: космические и земные. Элементы космического класса эффективны на 28-30%, но стоимость одного ватта производимой ими энергии выше, чем у тонкопленочных.
Сейчас на стадии разработки ряд технологий и полупроводниковые материалы в плане эффективности их применения, например, создание тонких Ga-As-пленок для космической индустрии (с потенциальным КПД до 37%).
III поколение фотоэлектрических элементов
Третье поколение фотогальванических элементов существенно отличается от предыдущих двух. Оно тоже относятся к тонкопленочным технологиям, но без привычного понятия p-n перехода, соответственно и использования полупроводников. Поколение представлено квантовыми точками и устройствами со встроенными углеродными нанотрубками. В настоящее время это поколение включает в себя разнообразные технологии, но основным направлением является фотоэлементы на основе органических полимерных материалов.
Преимуществом фотоэлементов этого поколения является низкая себестоимость и простота изготовления. Главным недостатком на пути развития является низкая эффективность, которая не превышает 7%, но, по мнению ученых, их КПД, к моменту начала широкомасштабного производства достигнет 45%. В настоящее время рыночная доля третьего поколения элементов не превышает 0,5%.
ЯЧЕЙКА ГРЕТЦЕЛЯ
Сенсибилизированные красителем солнечные батареи — фотоэлектрохимические ячейки, в которых используются фоточувствительные мезопористые оксидные полупроводники с широкой запрещённой зоной. Эти ячейки изобретены в 1991 году М. Гретцелем и др., по имени которого и получили название ячеек Гретцеля. [2]
Солнечные батареи этого типа изготавливаются из дешёвых материалов и не требуют сложной аппаратуры при производстве. [2]
Ячейки имеют вовсе простую структуру, состоят из двух электродов и иодсодержащего электролита. Один электрод состоит из высокопористого насыщенного красителем диоксида титана (TiO2), нанесённого на прозрачную электропроводящую подложку. Другим электродом является просто прозрачная электропроводящая подложка. Оба процесса используют окислительно-восстановительную реакцию, протекающую в электролите, поэтому работа ячейки часто сравнивается с фотосинтезом. Эффективность преобразования энергии в ячейке Гретцеля ещё не достигла высокого уровня. В настоящее время она составляет около 10 %. Теоретически возможно достичь уровня в 33 %.[2]
Рис. 2. Модель ячейки Гретцеля. Принцип работы.
НАНОМАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
Для решения основных проблем и улучшения технических параметров солнечных батарей ученные непрерывно будут вести разработки новых или модернизированных компонентов, конструкций, наночастиц и материалов и исследования их пригодности.
Кремний
Батареи, основным материалом для которых служит кремний, на сегодняшний день являются самыми популярными, их КПД превышает 15%. Кремний широко распространен в земной коре, поэтому отличается относительной дешевизной и высоким показателем производительности, в сравнении с другими видами солнечных батарей. Кремниевые батареи производят из моно- и поликристаллов Si и аморфного кремния.
Каждая батарея состоит из огромного количества силиконовых ячеек, которые за счет фотоэлектрического эффекта способны производить электрическую энергию при попадании на них солнечного излучения.
Для изготовления монокристаллических солнечных батарей используют максимально чистый кремний, получаемый по методу Чохральского. После затвердевания готовый монокристалл разрезают на тонкие пластины толщиной 250-300 мкм, которые пронизывают сеткой из металлических электродов. Используемая технология является сравнительно дорогостоящей, поэтому и стоят монокристаллические батареи дороже, чем поликристаллические или аморфные. Выбирают данный вид солнечных батарей за высокий показатель КПД (17-22%).
Для получения поликристаллов кремниевый расплав подвергается медленному охлаждению. Такая технология требует меньших энергозатрат, соответственно, и себестоимость кремния, полученного с ее помощью меньше. Единственный минус: поликристаллические солнечные батареи имеют более низкий КПД (12-18%), чем их моно «конкурент». Причина заключается в том, что внутри поликристалла образуются области с зернистыми границами, которые и приводят к уменьшению эффективности элементов.
В случае изготовления аморфных панелей, используется не кристаллический кремний, а силан или кремневодород, который тонким слоем наносится на материал подложки. КПД таких батарей составляет всего 5-6%, что является очень низким показателем эффективности, но, несмотря на эти недостатки, они имеют и ряд достоинств:
— показатель оптического поглощения в 20 раз выше, чем у поли- и монокристаллов;
— толщина элементов меньше 1 мкм;
— в сравнении с поли- и монокристаллами имеет более высокую производительность при пасмурной погоде;
— повышенная гибкость.
Помимо описанных выше видов кремниевых солнечных батарей, существуют и их гибриды. Так для большей стабильности элементов используют двухфазный материал, представляющий собой аморфный кремний с включениями нано- или микрокристаллов. По свойствам полученный материал сходен с поликристаллическим кремнием. [3]
Диоксид титана
Диоксид титана представляет собой вещество белого цвета, с температурой плавления 1870 °С, не растворяется в воде и кислотах. При нагревании окрашивается в желтый цвет, исчезающий после охлаждения.
Основные свойства диоксида титана:
— высокая разбеливающая способность;
— хорошая совместимость с любым пленкообразователем;
— хорошая укрывистость;
— высокая атмосферо- и влагостойкость;
— нетоксичность;
— химическая стойкость.
Большая часть производимого в мире диоксида титана (59%) используется при получении лакокрасочной продукции. Это основной белый пигмент, позволяющий не только получать покрытия разнообразной цветовой гаммы, но и значительно улучшать их свойства.
В последние годы быстро растет спрос на новый вид продукции — высокочистый нанодиоксид титана, который обладает уникальными фотокаталитическими свойствами и имеет широкие возможности применения в солнечных батареях. Использование нанопорошков диоксида титана снижает стоимость 1 кВт•ч в 5 раз по сравнению с аналогами на основе кремниевых полупроводниковых материалов. Кроме того, нанодиоксид применяют в космической отрасли и производстве специальных пластмасс для защиты от ультрафиолетового излучения, при изготовлении самоочищающихся стекол, фотокатализаторов, электрохромных дисплеев. Способ получения нанодисперсного диоксида титана основан на низкотемпературном (200–500 °С) сжигании очищенного тетрахлорида титана в присутствии катализатора в паровой фазе. В зависимости от условий процесса получают рентгеноаморфный, анатазный или рутильный TiO2. Экспериментальные образцы такого продукта имеют частицы размером от 10 до 20 нм. [4]
Арсенид галлия
Арсенид галлия – это полупроводник, обладающий такими же гелиоэнергетическими свойствами, как и кремний, но более эффективный с точки зрения производительности. Именно поэтому солнечные элементы на его основе отличаются гораздо большим КПД (до 44%).
Однако применяют такие батареи гораздо реже, причем главным образом в специализированных отраслях (например, в космической сфере), потому что главным недостатком панелей является очень высокая стоимость.
И сам материал, и технологический процесс производства гораздо дороже, чем для кремниевых аналогов. Для удешевления производства предлагается формировать солнечные элементы на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.Кроме того, галлий является достаточно дефицитным полупроводником. Поэтому солнечные батареи этого типа массово не производятся, несмотря на их более высокую эффективность и лучшие характеристики.
Особенности одного из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей:
— почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ;
— повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;
— высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;
— относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;
— характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании солнечных элементов.
Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе — широкий диапазон возможностей для дизайна солнечных элементов. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный солнечный элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна. [5]
Наноантены
В настоящее время разработчиками из INL – национальной лаборатории Айдахо, Microcontinuum Inc (Кембридж), Университета Миссури, ведутся разработки технологии для получения дешевой солнечной энергии, которая продолжает работать и после захода Солнца.
Технология использует специальный производственный процесс для нанесения металлических наноантенн (крошечных квадратных спиралек) на лист пластмассы. Такая конструкция позволяет получать до 80% энергии солнечного света, в то время как существующие солнечные батареи могут использовать только 20%.
Так как размер наноантенны очень невелик, то они поглощают энергию в инфракрасной части спектра, уже за пределами человеческого зрения. Солнце излучает много тепловой энергии, часть из которой поглощается землей и другими объектами, а позже излучается в течение многих часов после заката, наноантенны могут получать и это тепловое излучение с более высокой эффективностью, чем обычные солнечные батареи.
Нанесение наноантенн на гибкий пластик делает их применение гораздо более удобным и многовариантным по сравнению с распространенными сейчас кремниевыми панелями – от покрытия крыш домов до полиэтиленовых пакетов. К тому же использование недорогих материалов при массовом производстве сделают такую батарею дешевле обычного коврика.
Но при всех этих премуществах конструкция не лишена недостатков: частота генерируемого инфракрасным излучением тока слишком велика для обработки современными электрокомпонентами. Поэтому до массового выпуска солнечных батарей нового поколения нас отделяет разработка новых методов преобразования энергии. [6]
Нанотрубки
Инженеры из Массачусетского технологического института создали новый тип фотоэлементов, в которых используются только углеродные нанотрубки и фуллерены.
В состав фотоэлементов входят только однослойные углеродные нанотрубки и фуллерены C60 (углеродные «футбольные мячи»). По словам разработчиков, для корректной работы устройства эти вещества должны быть достаточно чистыми, что подразумевает сложный и дорогой процесс изготовления. Тем не менее, очень высокое светопоглощение нанотрубок в инфракрасном диапазоне позволяет сделать их слой достаточно тонким.
Поскольку материал прозрачен для видимого света, новые фотоэлементы целесообразно располагать поверх традиционных кремниевых. Инфракрасное излучение составляет около 40 процентов от всей энергии солнечного света, и потенциально такие композитные батареи могут стать в полтора раза эффективнее обычных. [7]
Структуру двуслойных нанотрубок из искусственных пигментов ученые позаимствовали у зеленых серных бактерий, которые водятся на большой глубине, где мало солнечного света. Бактериохлорофилл у этих микроорганизмов организован в структурированные комплексы, позволяющие очень эффективно поглощать излучение.
Ученые организовали искусственные пигменты в нанотрубки, сделав их амфифильными (они присоединили к молекуле гидрофобные и гидрофильные заместители). В водном растворе такие вещества в зависимости от структуры образуют мицеллы, мембранны, или же двуслойные нанотрубки.
Связи между отдельными молекулами вещества в нанотрубках оказались так сильны, что повлияли на светопоглощающие свойства пигмента. Эффективность абсорбции излучения зависела от ориентации молекул в структурах. При этом взаимодействие между внутренним и внешним слоями двуслойной нанотрубки оказалось минимальным.
По словам ученых, полученные результаты позволят создать теоретическую модель поведения пигментов в структурированных комплексах. Понимание влияния структуры солнечных батарей на их эффективность необходимо для создания их прототипов. [8]
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
Использование солнечных батарей помогает не только экономить на использовании электричества, но и позволяет получать доход от непосредственной продажи батарей. Сейчас они пользуются популярностью и в России, это выдвигает страну на тот же уровень, как и другие страны. Многие школы, дома, аэропорты уже действуют на основе солнечной энергии. И эта тенденция продолжает рост, теперь заказы на солнечные батареи поступают и от самих жильцов, которые хотят снизить плату за электроснабжение.
Система энергоснабжения, когда солнце находится в наибольшей активности, гарантирует полную автономность и безопасность. Если же солнечная активность недостаточна, то стоит выбирать батареи повышенной мощности. Некоторые батареи возможно установить и собрать своими руками, пользуясь простой инструкцией, но лучше всего довериться специалистам.
Солнечные батареи могут находиться в рабочем состоянии в любом месторасположении, где существует солнечный свет. И чем больше света, тем быстрее окупится ваша покупка. Солнечные батареи – новый этап в развитии бесперебойной системы энергоснабжения жилищных домов, предприятий и деревень. [9]
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Актуальность солнечной энергетики постоянно растет, потому что солнечная энергия является экологически чистой. Вторая причина актуальности использования солнечной энергии заключается в её ресурсоемкости. Энергия поставляется бесплатно и не оказывает влияния на окружающую среду непосредственно в вашей квартире.
Солнечная энергия представляет собой сферу значимых инвестиций в условиях снижения запасов нефти и газа. Солнечная энергия способствует увеличению мирового потребления и росту цен на ископаемое топливо.
Открываются возможности:
— решения задач по энергоснабжению трудоступных территорий;
— трансфера технологий и создания на их базе современных разработок;
— развития смежных отраслей;
— снижению загрязнения среды;
— уменьшение риска глобального потепления.
Источник