Классификация фотоэлектрических преобразователей энергии, характеристики, эффективность, производители

Кристаллический кремний

Наиболее распространённым типом фотоэлектрических преобразователей в настоящее время являются системы на основе поли- и монокристаллического кремния. Кремний занимает второе место по распространенности после кислорода среди всех химических элементов на Земле. Но хоть кремний и является самым удобным сырьём для фотоэнергетики, путь его получения и обработки до «солнечного качества» достаточно долог и включает себя большое число технологических переделов, ряд которых требует значительных энергетических затрат.

 

Монокристаллический кремний

Монокристаллические кремниевые солнечные элементы (c-Si СЭ) производятся из кремниевых пластин 0.3 мм толщины путём их легирования донорными и акцепторными примесями, создания омических контактов (сплошного тыльного и решёточного лицевого) и направленного химического травления поверхности для создания антиотражающих свойств.

Рис. 1.1 – Фотоэлемент на основе монокристаллического кремния

 

По внешнему виду монокристаллический солнечный элемент представляет собой однородную поверхность тёмного цвета со скруглёнными краями (рис. 1.1). Скруглённые углы связаны с тем, что при изготовлении монокристаллического кремния выдают цилиндрические заготовки. А поверхность является однородной по причине того, что такой элемент состоит из одного выращенного цельного кристалла кремния.

Существует несколько типов конструкции монокристаллических солнечных элементов, отличающихся способом формирования, структурой и расположением контактов (рис. 1.2).

Рис. 1.2 – Различные типы солнечных элементов

на основе монокристаллического кремния:

а) простой p-n переход, б) металл-изолятор-n-p-структура (MINP),

в) солнечный элемент с пассированным эмиттером (PESC),

 г) двухлицевой солнечный элемент,

д) структура с односторонним встроенным контактом (SSBS),

 е) структура с двухсторонним встроенным контактом (DSBS),

 ж) структура с пассивированным эмиттером и локально-диффузионным

тыльным контактом (PERL)

 

Солнечные элементы, основанные на монокристаллах, обладают самым высоким КПД среди всех существующих кремниевых пластин. В связи с тем, что ячейка обладает однородной структурой, солнечные лучи равномерно освещают всю её поверхность. Не поддаваясь рассеиванию на кристаллических неровностях, они также равномерно преобразуются в электроток. Эффективность данной ячейки находится во власти только от свойств самого кристалла, она не убывает от вторичных отражений лучей (что характерно для полипластин). Это свойство позволяет снизить конечные габариты, создаваемых из них батарей, в виду их компактности.

Монокристаллические ФЭП обладают целым рядом преимуществ, среди которых:

‒ более компактные габаритные размеры на ватт вырабатываемой мощности в сравнении с другими кремниевыми ФЭП;

‒ длительный ресурс эксплуатации с малой потерей производительности кристалла (не больше 20 % за 25 лет);

‒ более высокие значения КПД (17-22 %) в сравнении с другими кремниевыми ФЭП;

‒ монокристаллические панели являются компактными. Они не только дают самую высокую выходную мощность, но им также требуется меньше пространства по сравнению с любыми другими типами панелей. Монокристаллические солнечные панели производят до четырёх раз больше электроэнергии, чем, например, тонкоплёночные.

Но вместе с тем, монокристаллические солнечные элементы обладают такими недостатками, как:

‒ высокая цена. Это связано с большим расходом достаточно дорогого кремния «солнечного качества», подавляющая часть которого отвечает за роль пассивной подложки;

‒ если солнечная панель частично покрыта тенью, грязью или снегом – вся цепь потеряет мощность.

 

Поликристаллический кремний

 

Поликристаллические (которые также называется мультикристаллическими)кремниевые солнечные элементы по технологии изготовления принципиально не отличаются от монокристаллических. Отличие заключается в том, что для их производства применяется менее чистый и более дешёвый кремний.

В поликристаллических солнечных панелях используется кремний не самой высокой степени очистки и, соответственно, не такой дорогой. В настоящее время различают поликремний «электронного» (полупроводникового) качества (содержанием примесей менее 1·10^-10 %) и поликремний «солнечного» качества (содержанием примесей менее 1·10^-5 %). Создание поликристаллического кремния происходит при медленном охлаждении кремниевого расплава. В отличие от производства монокристаллов стадия вытягивания отсутствует, что делает весь процесс менее энергоёмким и, соответственно, менее затратным. Однако внутри кристалла поликристаллического кремния имеются области, отделённые зернистыми границами, вызывающие меньшую эффективность элементов.

Поликристаллические элементы внешне представляют собой форму в идее квадрата с неоднородной структурой с синеватым оттенком (рис.3.). Неоднородность структуры, прежде всего, связана с тем, что её элементы состоят из большого количества разнородных кристаллов кремния, и помимо этого в состав элемента входит незначительное количество примесей.

 

Рис. 1.3 – Фотоэлемент на основе поликристаллического кремния

Поликристаллические кремниевые солнечные элементы обладают рядом преимуществ. К ним можно отнести:

‒ относительно низкая стоимость солнечной батареи. Это связано с тем, что метод, применяемый для производства поликристаллического кремния, является более простым и менее затратным. Количество отходов кремния меньше;

‒  мощность поликристаллических элементов меньше зависит от затенения поверхности, чем монокристаллические;

Недостатки поликристаллических кремниевых солнечных элементов:

‒ производительность солнечных панелей, основанных на поликристаллах, как правило, составляет 14-18 %. Из-за низкой чистоты кремния поликристаллические солнечные панели не так эффективны, как монокристаллические;

‒ более низкая эффективность использования пространства. Как правило, необходимо покрыть большую площадь, чтобы на выходе получить такую же электрическую мощность, как и от монокристаллических.

Аморфный кремний

 

Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния (a-Si) производятся осаждением плёнок кремния на стеклянную или стальную поверхность (с нанесением характерных защитных и промежуточных покрытий). Осаждение производится либо способом пиролиза моносилана или его плазмохимического разложения. Плёнки легируют бором и фосфором для осуществления проводимости разных видов.

Рис. 1.4 – Солнечная панель на основе аморфного кремния

В таких модулях не используются кристаллы, они представляют собой тонкоплёночные солнечные элементы сложной структуры (рис. 1.4), корнем технологического процесса изготовления которых является послойное покрывание всевозможными способами подходящих соединений тонких плёнок. Возможность нанесения плёнок на подложки из нержавеющей стали и термостойких полимеров позволяет создавать гибкие портативные солнечные модули и проводить осаждение на сравнительно больших площадях. Для набора напряжения осуществляется либо последовательное соединение заготовок малой площади, либо сегментирование крупной заготовки на нужное число единичных ФЭП с их последующим электрическим соединением. Модули на основе аморфного кремния состоят приблизительно из 6 слоёв. Прозрачное покрытие закрывает антиотражающий слой, после идут полупроводники p и n типа проводимости, затем контактный слой и подложка. Принцип работы этих модулей ничем не отличается от кристаллических солнечных модулей.

В качестве рабочего перехода для солнечных элементов на основе аморфного кремния могут применяться: барьер Шоттки, МОП-структура, p-i-n-структура. На рис. 1.5представлены разные виды конструкции данных солнечных элементов.

Рис. 1.5 – СЭ на основе аморфного кремния:

а) барьер Шоттки, б) МДП (MUS) – структура, в) p-i-n-структура,

г) p-i-n-структура с буферным слоем (однопереходный элемент),

д) трёхпереходный элемент (3 p-i-n-структуры с последовательным соединением)

 

Преимущества солнечных элементов на основе аморфного кремния:

‒ гибкость и лёгкость;

‒ фотопанели из аморфного кремния не подвержены коррозии;

‒ температурный коэффициент снижения мощности у таких модулей в два раза меньше в сравнении с монокристаллическими модулями, что означает их более эффективные выходные параметры при увеличении рабочей температуры;

‒ экологическая чистота в отличие от CdTe-плёнок, где Cd является токсичным материалом.

Недостатки:

‒ требуется большая площадь для установки

‒ меньшая заполняемость и более низкий КПД означает необходимость покупки больше опорных конструкций, кабелей и т.д., что увеличивает стоимость конечной энергосистемы;

‒ заметное снижение параметров в ходе использования. В связи с этим недолгий срок службы (7-10 лет).

 

Таблица 1.1 – Солнечные элементы на основе кремния

Материал, структура	S, см^2	Uхх, мВ	Iкз, мА/см^2	ff, %	КПД, %	Фирма-производитель
1	2	3	4	5	6	7
c-Si	4.00	709	40.9	82.7	24.0	UNSW
c-Si	45.7	694	39.4	78.1	21.6	UNSW
c-Si	22.1	702	41.6	80.3	23.4	UNSW
mc-Si	1.0	636	36.5	80.4	18.6	Georgia Tech.
mc-Si	100	610	36.4	77.7	17.2	Sharp
tf-Si	240	582	27.4	76.5	12.2	Astro Power
tf-Si	4.04	699	37.9	81.1	21.1	UNSW
a-Si:H	1.06	864	16.66	71.7	10.3	Chronar
a-Si:H	0.99	886	17.46	70.4	10.9	Glass tech.
a-Si:H	1.0	887	19.4	74.1	12.7	Sanyc
a-Si:H	1.08	879	18.8	70.1	11.5	Solarex
a-Si:H	1.0	891	19.3	70.0	12.0	Solarex
a-Si/ a-Si/ a-SiGe		2320	7.3	73.0	12.4	Sumitomo
a-SiC/a-Si	1.0	1750	8.16	71.2	10.2	Solarex
a-Si/a-Si	1.0	1800	9.03	74.1	12.0	Fuji

Сравнительная характеристика по основным параметрам некоторых ФЭП на основе кремния представлена в табл. 1.1.

1.2  Полупроводниковые соединения A^IIIB^V

A^IIIB^V полупроводниковые соединения такие, как GaAs, InAs, InSb, InP, GaAlAs, GaInAsP имеют практически идеальные параметры для фотовольтаического преобразования солнечного света. Цифры в A^IIIB^V обозначают, из каких групп находятся в этом полупроводниковом соединении химические элементы. На основе такого типа материалов создаются как однопереходные, так и многопереходные солнечные элементы (рис. 1.6).

Рис. 1.6 – Типы конструкций солнечных элементов

на основе A^IIIB^V полупроводников:

а) с гомогенным p-n переходом, б) с гетерогенным p-n переходом,

в) двухпереходный с двумя выводами, г) двухпереходный с тремя выводами,

д) двухпереходный с четырьмя выводами, е) гетерогенный с GaAs/GaInP переходом

 

В полупроводниках данного типа поглощающие слои в основном выращиваются насаждением металлоорганических паров (MOCVD). Эта операция предоставляет хорошую управляемость и возобновимость для производства элементов большой площади с высокой эффективностью. В большинстве случаев, наращивание происходит на GaAs подложку. Для оптимизации параметров солнечных элементов применяется широкий спектр A^IIIB^V полупроводниковых соединений в разных сочетаниях, но чаще всего применяется GaAs и InP. В нанесённые плёнки возможно добавление примесей иных III-валентных металлов.

Рис. 1.7 – Схемы фотоэлектрических энергоустановок

с концентраторами солнечного излучения

 

Толщина солнечных элементов на основе A^IIIB^V полупроводников составляет до 210 мкм, что значительно увеличивает расход материала в отличие от тонкоплёночных солнечных элементов. Чтобы компенсировать высокую себестоимость солнечных элементов на основе A^IIIB^V, необходимо увеличить КПД этих солнечных элементов до максимальных значений. Это возможно осуществить с помощью создания многопереходных устройств, в которых сочетаются поглотители с большими и малыми значениями ширины запрещённой зоны. Также существенно можно увеличить КПД с помощью концентраторных систем из линз или зеркал (рис. 1.7, 1.8). Широкое применение в качестве решения этой задачи нашли линзы Френеля. Они значительно дешевле обычных выпуклых линз и способны обеспечить степень концентрирования в 2-3 тысячи «солнц». Линза Френеля представляет собой произведённую из оргстекла пластину с толщиной 1-3 мм, одна сторона которой плоская, а на второй проделан профиль в виде концентрических колец, повторяющих профиль выпуклой линзы.

 

Рис. 1.8 – Солнечная батарея с концентратором солнечной энергии

 

Среди солнечных элементов на основе полупроводниковых соединений A^IIIB^V наилучшими характеристиками обладают соединения на основе арсенида галлия (GaAs). Этот полупроводник обладает хорошими теплофизическими характеристиками, достаточно большой шириной запрещённой зоны, высокой подвижностью электронов, подходящими особенностями зонной структуры, дающих возможность прямых межзонных переходов носителей заряда. Когда на поверхность полупроводника на основе GaAs соединения падает концентрированное солнечное излучение, в нём обнаруживается ряд полезных свойств, среди которых увеличение продолжительности жизни возбудителей электронов, снижение омических потерь, усиление генерации за счёт «объёмного фотоэффекта».

Прогресс в виде солнечного элемента на основе GaAs напрямую связан с улучшением технологии его производства. Первые представители данных солнечных элементов, выращенные на основе метода Чохральского, не имели высоких показателей КПД и уступали в этом преобразователям на основе кремния, но, не смотря на это, они могли работать при высоких температурах (до 300 ºС). Причём процесс производмства фотоэлектричества проходит вплоть до 250 ºС.     

Второе поколение солнечных элементов (СЭ) на основе GaAs представляют собой гетероструктуры, в которых применена идея широкозонного окна из AlGaAs. СЭ такого рода имеют высокое значение КПД (24,6 % для 100-кратного концентрированного излучения в условиях космоса и 27,5 % для 100-кратного излучения в наземных условиях). Технология изготовления СЭ на основе GaAs довольно хорошо опробована, поэтому их можно считать в качестве базовых для использования в термофотоэлектрических установках (ТФЭУ).

На сегодняшний день уже можно говорить о третьем поколении СЭ на основе GaAs, в которых реализована такая идея, как многокаскадная эпитаксия. Такие преобразователи создаются по методу газофазной эпитаксии из паров металлоорганических соединений. Хоть элементы получили довольно большой прогресс в этом направлении, они пока не способны обеспечить реальную конкуренцию традиционным СЭ на основе AlGaAs/GaAs.

Арсенид-галлиевые СБ значительно дороже кремниевых. Источники сырья для арсенид галлиевых фотопреобразователей ограничены (~1 %) и процесс его переработки сложный и экологически напряженный. 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, и выход при извлечении оценивается величиной всего в 1% и, следовательно, затраты на производство будут, вероятно, чрезмерно большими. Технология производства ГФП на основе GaAs не развита ещё до такой степени, как технология производства кремниевых СБ, и в результате этого стоимость ГФП сейчас существенно выше на порядки стоимости ФЭП из кремния.

 

Рис. 1.9 – Солнечные батареи, установленные на космическом аппарате

 

В настоящее время в космических энергоустановках в качестве фотопреобразователей широко применяются трёхкаскадные солнечные элементы GaInP/GaAs/Ge (рис. 1.9). Солнечные элементы данного типа обладают высоким значением КПД и повышенной стойкостью к радиации. Эти особенности крайне важны для условий космоса и ни один другой вид ФЭП не может конкурировать с преобразователями данного рода.

В табл. 1.2 продемонстрирована сравнительная характеристика по основным параметрам некоторых ФЭП на основе А^IIIB^V соединения.

 

Таблица 1.2 – Основные характеристики ФЭП А^IIIB^V

Материал. Структура	S, см^2	Uoc, мВ	Jsc, мА/см^2	ff, %	КПД, %	Организация
1	2	3	4	5	6	8
GaAlAs-GaAs	4.003	1035	27.57	85.3	24.3	Stanford Univ.
GaAs	4.00	1011	27.55	83.8	23.3	Sun Power

Продолжение таблицы 1.2

GaAlAs-GaAs	3.91	1022	28.17	87.1	25.1	Kopin
GaAs	0.25	1018	27.56	84.7	23.8	Spire/Purdue Univ.
GaAlAs-GaAs	0.25	1029	27.89	86.4	24.8	Spire
InP	4.02	878	29.29	85.4	21.9	Spire
GaAs-Ge	0.25	1190	23.8	84.9	24.1	Spire
GaAlAs-InP/InAs	0.31	876	28.7	82.9	20.9	Varian
GaInP/GaAs	0.25	2385	13.99	88.5	29.5	NREL
GaInP-GaAs	0.25	1049	28.5	84.4	25.3	NREL
GaInP/GaAs	4.00	2488	14.22	85.6	30.3	Japan Energy
GaAs	0.25	1154	4988	X6.4	27.6	Spire
GaAs/Si	0.250	1065	5911	80.2	21.3	Spire
InP	0.0746	959	1059	87.3	24.3	NREL
GaInP/GaAs	0.103	2663	2320	86.9	30.2	NREL
GaAs GaInAsP	0.0511 0.0534	1096 626	990.3 556.7	83.5 80.7	23.7 7.1	NREL
InP	0.0634	973	1414	83.8	22.9	NREL

 

Преимущества ФЭП на основе A^IIIB^V:

‒ высокие значения КПД (до 44%);

‒ A^IIIB^V полупроводниковые соединения имеют практически идеальные параметры для фотовольтаического преобразования солнечного света (большая ширина запрещённой зоны, высокая подвижность электронов, подходящие особенности зонной структуры и др.);

‒ ФЭП данного типа обладают повышенной радиационной стойкостью в сравнении с другими видами.

К недостаткам таких ФЭП можно отнести:

‒ крайне высокая цена;

‒ процесс переработки, производства фотоэлементов очень сложный и экологически напряжённый;

‒ материалы, используемые при производстве фотоэлементов данного типа, находятся в большом дефиците на Земле.

 

1.3 Полупроводниковые соединения A^IIB^VI

 

Наиболее ярким представителем этого класса, использующимся в фотоэлектрических преобразователях, является теллурид кадмия (CdTe). Цифры в A^IIB^VI обозначают, из каких групп находятся в этом полупроводниковом соединении химические элементы. На рис. 10. изображён фотоэлемент на основе этого соединения.

 

Рис. 1.10 – Фотоэлемент на основе соединения CdTe

 

Наилучшими с точки зрения дальнейшего использования и усовершенствования оказались n -CdS/ p -CdTe солнечные элементы (рис. 1.11).

CdS и CdTe могут наноситься в ходе различного рода технологических процессов, что открывает широкие возможности для оптимизации и удешевления солнечных элементов. Среди разнообразных методов нанесения CdTe наиболее обещающими являются вакуумная сублимация (CSS), методы химического осаждения (CD), напыление (sputtering), электроосаждение (ED). CdS может наноситься осаждением в химической ванне (CBD), RF-напылением и вакуумной сублимацией (CSS). Наилучшие характеристики на данный момент времени показывают CdS/CdTe солнечные элементы, изготовленные по CBD/CSS технологии. С целью упорядочения нанесённых тонких плёнок и повышения тем самым КПД солнечного элемента, CdS и CdTe тонкие плёнки после нанесения подвергаются высокотемпературному отжигу при 400-500 ºС для образования Cd (S,Te) контактного гетероперехода.

Рис. 1.11 – Структура тонкоплёночных CdTe солнечных элементов с гетеропереходом CdS/CdTe

 

Преимущества солнечных элементов на основе A^IIB^VI:

‒ A^IIB^VI полупроводниковые соединения имеют довольно хорошие параметры для фотовольтаического преобразования солнечного света (большой коэффициент оптического поглощения (~105 см^-1) в видимом диапазоне и имеет почти идеальную ширину запрещенной зоны (1,5 эВ) для ячеек с одним переходом). Благодаря этому пленка CdTe толщиной всего несколько микрон поглощает ~90 % солнечного излучения;

‒ CdTe – фотомодули не подвержены коррозии;

‒ СЭ являются достаточно перспективными с широкими возможностями для усовершенствования и оптимизации технологии производства и, следовательно, для снижения себестоимости.

 

Таблица 1.3 – Основные характеристики ФЭП А^IIВ^VI

Материал. Структура	S, см^2	Uoc, мВ	Jsc, мА/см^2	ff, %	КПД, %	Организация
ss/ITO/CdS/CdTе/ /Cu/Au	0,191	790	20,10	69,4	11,0	IEC
ss/SnO,/CdS/CdTе	0,824	840	20,66	74,0	12,8	NREL
ss/Sn02/CdS/CdTе	0,313	783	24,98	62,7	12,3	Photon Energy
ss/Sn02/CdS/CdTе	0,3	788	26,18	61,4	12,7	Photon Energy
ss/Sn02/CdS/HgTеGa	1,022	736	21,9	65,7	10,6	SMU
MgF2/ss/Sn02/CdS/ /CdTе/C/Ag	1,047	843	25,09	74,5	15,8	Univ.South Florida
ss/SnO VCdS/CdTе/N i	1,068	767	20,93	69,6	11,2	AMETEX
ss/Sn02/CdS/CdTе	0,08	745	22,1	66,0	10,9	Georgia Tech.
MgF2/ss/Sn02/CdS/ /CdTе	1,115	828	20,9	74,6	12,9	Solar Cells Inc.
Ss/Sn02/CdS/CdTе/ /Cu/Au	0,114	815	17,61	72,8	10,4	Univ. Toledo
CdTе	0,628	807	25,2	70	12,7	BP Solar

 

К недостатком таких солнечных элементов можно отнести:

‒ низкий КПД (рекорд – 16 %);

‒ элементы применяемые при изготовлении солнечных модулей являются токсичными (Cd), либо редкоземельные рассеянные (Te). В связи с этим возникает проблема дальнейшей утилизации солнечных элементов, отработавших срок, что приводит к увеличению стоимости установки и ограничению широкого использования для преобразования света.

 

Органические материалы

 

Одной из возможных реализаций фотоэлектрических приёмников излучения являются фотоприёмники на основе органических полупроводников. Под органическими полупроводниками понимают твёрдые органические вещества, которые имеют (или приобретают под влиянием внешних воздействий) электронную или дырочную проводимости. Органические полупроводники характеризуются наличием в молекулах системы сопряжения. Носители тока в таких полупроводниках образуются в результате возбуждения p-электронов, дело кализованных по системе сопряжённых связей. Энергия активации, необходимая для образования носителей тока снижается по мере увеличения числа сопряжений в молекуле и в полимерах может быть порядка тепловой энергии.

Технологии производства солнечных батарей на основе органических материалов появились относительно недавно. В основе технологии производства таких ФЭП лежат фоточувствительные полимерные материалы. Этот фоточувствительный материал может быть напечатан или нанесён достаточно просто на гибкую полимерную подложку. Если такой подложкой служит лента, то процесс может быть непрерывным и автоматическим, без участия человека. В результате, такие батареи оказываются очень дешёвыми.

 

Рис. 1.12 – Фотоэлемент на основе органического материала

 

Первые органические батареи были сделаны из двух слоёв: слоя-донора и слоя-акцептора. Органические полупроводники отличаются от неорганических тем, что при поглощении света в них не возбуждаются непосредственно носители заряда, а образуются связанные пары, экситоны. Чтобы экситон превратить в носитель заряда, его нужно разорвать, для чего нужно приложить дополнительную энергию. Разрыв экситона происходит на интерфейсе, если есть два типа материала. Тогда на границе экситон разваливается, и электрон идёт в одну сторону, а дырка – в другую.

Есть две основные конфигурации органических ФЭП: это батареи планарного типа, в которых фотоактивные компоненты наносятся отдельными слоями и батареи с объёмным гетеропереходом, в которых есть только один фотоактивный слой, представляющий смесь донора и акцептора (рис. 1.13).

Существенный прогресс в создании эффективных ФЭП планарного типа достигнут при использовании фуллерена C60 в качестве акцепторного материала в солнечных батареях в комбинации с фталоцианинами металлов (MPc). Сообщается об эффективностях преобразования света 2,0 - 2,5 % для систем C60/MPc (M=Cu, Zn) по состоянию на конец 2012 года.

 

Рис. 1.13 – Структура типичной планарного типа ФЭП (а)

и батареи c объёмным гетеропереходом (б)

Наиболее перспективными являются пластиковые солнечные батареи, в которых в качестве рабочих материалов используются смеси органических полупроводников 𝑝- и -типов, хорошо растворимые в органических растворителях. Благодаря этому они могут наноситься методом печати на гибкие полимерные подложки. Эта технология уже досконально разработана и используется многими западными компаниями.

В табл. 1.4 представлены основные характеристики некоторых моделей ФЭП на основе органических материалов.

 

Таблица 1.4 – Основные характеристики некоторых ФЭП

на органических материалах

Модель ФЭП	Соотношение сторон панели	Uoc, B	Jsc, мА/см^2	Максимальная мощность, Вт	Рабочее напряжение, В	Рабочий ток, мА
Konarka Power Plastic 320	700мм:340мм	11,1	508	3.3	8	405
Konarka Power Plastic 620	1340мм:340мм	11,1	1190	7,7	8	950

 

Преимущества данных ФЭП:

‒ низкая цена;

‒ ФЭП созданные на основе органических материалов обладают хорошей гибкостью и лёгкостью;

‒ экологическая чистота. Производство данных ФЭП не связано с вредным воздействием на окружающую среду.

Недостатки:

‒ низкий КПД (рекорд – 9 %);

‒ низкий срок службы;

‒ ФЭП данного типа ещё недостаточно изучены и имеют небольшой опыт эксплуатации.

 

1.5 Соединение CuInSe₂ и родственные ему материалы

 

Селенид меди и индия обладает чрезвычайно благоприят­ными свойствами как материал для создания фотоэлектриче­ских преобразователей с гетеропереходом. Поглощение света в этом полупроводнике сопровождается прямыми оптическими переходами, что позволяет ввести менее жёсткие требования к величине диффузионной длины неосновных носителей заряда. CuInSe₂ легко получить в виде плёнок как p-, так и n-типов проводимости, поэтому на основе данного материала могут быть созданы элементы с гомогенным и гетерогенным пере­ходами. Ширина запрещённой зоны CuInSe₂ (1,04 эВ) близка к оптимальной для преобразования солнечного излучения в наземных условиях. Поскольку степень несоответствия па­раметров кристаллических решёток CuInSe₂ (структура халь­копирита) и CdS (гексагональная структура) составляет лишь 1,2 %, CuInSe₂ и CdS образуют идеальный гетеропереход. Зна­чения энергий сродства к электрону этих материалов прибли­зительно равны между собой, поэтому на границе раздела от­сутствует пик в зоне проводимости. На рис. 1.14 представлено, как выглядит панель из подобного материала.

 

Рис. 1.14 – Солнечная панель на основе Cu(In,Ga)Se₂

Существует множество различных методов нанесения CuInSe₂ поглощающих плёнок для солнечных элементов, каждый из которых имеет свои преимущества и свои недостатки. Среди них соиспарение из нескольких источников, селенизация Cu-In плёнок, электроосаждение, осаждение из физических и химических паров. Наилучшие результаты показывают солнечные элементы с поглотителями, полученными соиспарением составных элементов соединения и селенизацией предварительно нанесенных Cu-In плёнок. Ключевой проблемой синтеза CuInSe₂ плёнок является контроль соотношения Cu/In в соединении, так как даже незначительное отклонение состава от стехиометрического может привести к значительному изменению параметров и характеристик солнечного элемента.

Конструкции некоторых типов Cu(In,Ga)Se₂ солнечных элементов представлены на рис. 1.14.

В силу этого, а также из-за отсутствия интереса к CuInSe₂ со стороны твёрдотельной электроники, пока не существует единого технологического процесса для синтеза CuInSe₂ плёнок, пригодного для промышленного внедрения.

Основные характеристики некоторых солнечных элементов на основе тройных соединений меди CuInSe₂ и родственных полупроводников представлены в табл. 1.6.

Рис. 1.15 – Структура солнечных элементов на

основе трехкомпонентных соединений меди:

а) с CdS оптическим окном и антиотражателем, б) с ZnO оптическим окном и антиотражателем, в) с прозрачным лицевым электродом

Таблица 1.7 – Основные характеристики ФЭП CuInSe₂ и родственных полупроводников

Материал. Структура	S, см^2	Uхх, мВ	Jкз, мА/см^2	ff, %	КПД, %	Организация
1	2	3	4	5	6	7
ZnO/CdS/CuInSe2	0,192	539	33,7	73,6	13,4	Siemens Solar
Cu(In,Ga)Se2	0,48	655	30,2	70,1	17,6	Matsushi
CuGaSe2	0,38	870	34,1	72,3	9,3	IPE
Cu(In,Ga)Se2	0,164	600	24,8	65,2	14,9	DEEE
ZnO/(Zn,Cd)S/ / CuGaSe2	0,15	756	13,7	60	6,2	IPE
ZnO/CdS/CuInSe2	0,202	493	38.7	72	13.7	IPE
CuInS2	0,178	705	23.3	72	11,8	IPE
CuInSe2	0,36	613	33.6	72,5	14,9	KTH
CuGaSe2	0,13	780	14.2	54	5,5	NREL
Cu(In0,75Ga0,25)Se2	0,31	645	29.8	74,1	14,3	IPE

 

Достоинства данных ФЭП:

‒ Ширина запрещённой зоны твёрдых растворов Cu(In,Ga)(S,Se)₂ изменяется в диапазоне 1.0 – 2.4 эВ и может быть идеально согласована с оптимальным значением для фотопреобразователей солнечной энергии (1.2 - 1.6 эВ);

‒ Высокая стабильность характеристик. После непрерывной работы в течение 7·10⁴ часов при освещении имитатором солнечного излучения и температуре 60 °С ни один из параметров негерметизированных элементов не ухудшился, Кроме того, радиационная стойкость приборов на основе CuInSe₂ и Cu(In, Ga)Se₂ в 50 раз выше по сравнению с монокристаллическим кремнием и GaAs;

‒ Низкая себестоимость. Так, на производство батареи мощностью 1.0 кВт требуется ~80 г соединения Cu(In,Ga)Se₂. При крупносерийном производстве (~60 МВт/год) ожидается себестоимость модуля 0.65 – 0.8 долл. США/Вт;

‒ Плёнки CuInSe₂ и Cu(In,Ga)Se₂ могут быть получены различными методами на промышленном технологическом оборудовании, при этом сравнительно просто могут быть сформированы СЭ с КПД 13-17 %.

Недостатки:

‒ ФЭП с данным типом полупроводника ещё недостаточно изучены, в связи с этим оптимальная технология синтеза CuInSe₂ пока не найдена;

‒ КПД данных ФЭП на основе этих полупроводников ещё недостаточно высок, чтобы конкурировать с ФЭП на основе кристаллического кремния.

Сравнение ФЭП

        

Свойства и параметры основных типов фотоэлектрических преобразователей дают лишь общее представление об их достоинствах и недостатках. Однако важным остаётся вопрос о комплексном сравнении ФЭП для их применения в составе энергоустановки. Ведь любому владельцу такой установки важно получить максимум электрической энергии при минимуме капитальных затрат.

Электрофизические параметры модулей различных типов также существенно отличаются – значения напряжений холостого хода, напряжения и токов в точке максимальной мощности для модулей, изготовленных по различным технологиям, приведены в табл. 2.1. Также существенно отличаются значения коэффициентов, отражающих изменения этих параметров в зависимости от температуры окружающей среды. Это обстоятельство представляется достаточно существенным, поскольку большинство инверторов и контроллеров, без которых не может нормально функционировать солнечная электростанция, адаптированы под диапазоны токов и напряжений, характерных для модулей на основе кристаллического кремния.

Таблица 2.1 – Электрофизические параметры фотоэлектрических модулей

Параметры	MSW-180	GET115AT2	Siton SN130	TCM140A
КПД, %	14,2	8	12	14,1
Напряжение холостого хода, В	44	130	56,5	21
Напряжение в точке макс. мощности, В	37	90	42,7	17
Ток в точке макс. мощности, А	10,2	1,22	3,05	8,2

 

Каждый вид фотоэлектрического преобразователя имеет свои преимущества и недостатки, и на основании их они получили разное распространение и применяются в тех местах, где это будет выгодно. Так, например, в космосе для энергообеспечения космических аппаратов наибольшее распространение получили ФЭП на основе A₃B₅. Фотоэлектрические преобразователи данного типа обладают такой важной особенностью, как радиационная стойкость, также имеют высокий КПД, что для применения в космосе это очень важно. Большой коэффициент поглощения солнечного излучения в арсениде галлия позволяет сохранить высокий КПД при уменьшении толщины структуры ФЭП до величины менее 10 мкм, что обеспечивает снижение более чем на порядок расхода арсенида галлия и, как следствие этого, снижение в 2-3 раза веса солнечных батарей. В таких тонкопленочных ФЭП с толщиной активной области порядка 5 мкм возможно достижение высокой двусторонней чувствительности и повышение на 20-25 % энергосъема в космосе за счёт использования альбедо Земли.

 

 

Рис. 2.1 – Структур