WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
PHOTOELECTRIC ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ TRANSFORMATION ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ OF SOLAR ENERGY ЭНЕРГИИ V. M. ANDREEV The recent results of the..

studies of photoelectric ‡-·„ „‰‡‚ methods of transforma‚ tion of solar energy are discussed. These results help to understand how solar cells work, what are Быстрый рост энергопотребления является одной из наиболее характерных особенностей техниthe methods of increasing ческой деятельности человечества во второй полоtheir efficiency, the ways вине XX века. Развитие энергетики до недавнего of reducing the cost of времени не встречало принципиальных трудностей.

Увеличение производства энергии происходило в solar energy, and photoосновном за счет увеличения добычи нефти и газа, electric conversion of наиболее удобных в потреблении. Однако энергеconcentrated sunlight.

тика оказалась первой крупной отраслью мировой The estimation of further экономики, которая столкнулась с ситуацией истощения своей традиционной сырьевой базы. В начаprogress in this advanced ле 70-х годов энергетический кризис разразился во branch of alternative enerмногих странах. Одной из причин этого кризиса gies is given. явилась ограниченность ископаемых энергетических ресурсов. Кроме того, нефть, газ и уголь являются также ценнейшим сырьем для интенсивно ‡ ‡‡‚‡развивающейся химической промышленности. Поfl ‡ ‡ этому сейчас все труднее сохранить высокий темп развития энергетики путем использования лишь ‰‚‡, ‡‡·традиционных ископаемых источников энергии.

fl Атомная энергетика в последнее время также „ ‰‡ столкнулась со значительными трудностями, свя·‡‚‡fl занными, в первую очередь, с необходимостью рез „: ‡ кого увеличения затрат на обеспечение безопасности работы атомных электростанций.

‰‚‡ ‚, - Загрязнение окружающей среды продуктами сгорания ископаемых источников, в первую оче‚fl ‚редь угля и ядерного топлива, является причиной, fl ухудшения экологической обстановки на Земле.

“” - Существенным является также и “тепловое загрязнение” планеты, происходящее при сжигании лю„, бого вида топлива. Допустимый верхний предел вы ·‡работки энергии на Земле, по оценкам ряда ученых, ‚‡ ‚‡всего на два порядка выше нынешнего среднего мирового уровня. Такой рост энергопотребления мо„ „ жет привести к увеличению температуры на поверхfl. ‡fl ‡ ности Земли примерно на один градус. Нарушение ‡‚fl „ энергобаланса планеты в таких масштабах может дать необратимые опасные изменения климата. Эти ‚„ ‡‡‚fl обстоятельства определяют возрастающую роль в‚ зобновляемых источников энергии, широкое ис„.

пользование которых не приведет к нарушению экологического баланса Земли.

..

© ‰.., – фотопреобразователями площадь 4 1010 м2, равную квадрату со стороной 200 км. При этом интен сивность солнечной радиации принята равной 250 Вт/м2, что соответствует типичному среднему Большинство возобновляемых видов энергии – значению в течение года для южных широт. То есть гидроэнергия, механическая и тепловая энергия ми“низкая плотность” солнечной радиации не являетрового океана, ветровая и геотермальная энергия – ся препятствием для развития крупномасштабной характеризуется либо ограниченным потенциалом, солнечной энергетики. Возможные пути создания либо значительными трудностями широкого исэкономичных преобразователей солнечной энерпользования. Суммарный потенциал большинства гии будут рассмотрены в следующих разделах навозобновляемых источников энергии позволит увестоящей статьи.

личить потребление энергии с нынешнего уровня Приведенные выше соображения являются довсего лишь на порядок. Но существует еще один исстаточно веским аргументом: проблему преобразоточник энергии – Солнце. Солнце, звезда спектвания солнечной энергии необходимо решать сегорального класса 2, желтый карлик, очень средняя дня, чтобы использовать эту энергию завтра. Можно звезда по всем своим основным параметрам: масхотя бы в шутку рассматривать эту проблему в рамсе, радиусу, температуре и абсолютной величине.

ках решения энергетических задач по управляемому Но эта звезда имеет одну уникальную особенность – термоядерному синтезу, когда эффективный реакэто “наша звезда”, и человечество обязано всем свотор (Солнце) создан самой природой и обеспечивает им существованием этой средней звезде. Наше светиресурс надежной и безопасной работы на многие ло поставляет Земле мощность около 1017 Вт – такова миллионы лет, а наша задача заключается лишь в сила “солнечного зайчика” диаметром 12,7 тыс. км, разработке наземной преобразовательной подстанкоторый постоянно освещает обращенную к Солнции. В последнее время в мире проведены широкие цу сторону нашей планеты. Интенсивность солнечисследования в области солнечной энергетики, коного света на уровне моря в южных широтах, когда торые показали, что уже в ближайшее время этот Солнце в зените, составляет 1 кВт/м2. При разраметод получения энергии может стать экономичесботке высокоэффективных методов преобразоваки оправданным и найти широкое применение.

ния солнечной энергии Солнце может обеспечить бурно растущие потребности в энергии в течение Россия богата природными ресурсами. Мы имемногих сотен лет.

ем значительные запасы ископаемого топлива – угля, нефти, газа. Однако использование солнечной Доводы противников крупномасштабного исэнергии имеет и для нашей страны большое значепользования солнечной энергии сводятся в основние. Несмотря на то, что значительная часть террином к следующим аргументам:

тории России лежит в высоких широтах, некоторые 1. Удельная мощность солнечной радиации мавесьма большие южные районы нашей страны по ла, и крупномасштабное преобразование солнечсвоему климату очень благоприятны для широкого ной энергии потребует очень больших площадей.



использования солнечной энергии.

2. Преобразование солнечной энергии очень доЕще бльшие перспективы имеет использоварого и требует практически нереальных материальние солнечной энергии в странах экваториального ных и трудовых затрат.

пояса Земли и близких к этому поясу районах, хаДействительно, как велика будет площадь Земрактеризуемых высоким уровнем поступления солли, покрытой преобразовательными системами, нечной энергии. Так, в ряде районов Центральной для производства заметной в мировом энергетичесАзии продолжительность прямого солнечного обком бюджете доли электроэнергии Очевидно, что лучения достигает 3000 часов в год, а годовой приэта площадь зависит от эффективности используеход солнечной энергии на горизонтальную поверхмых преобразовательных систем. Для оценки эфность составляет 1500 – 1850 кВт час/м2.

фективности фотоэлектрических преобразователей, Главными направлениями работ в области преосуществляющих прямое преобразование солнечобразования солнечной энергии в настоящее время ной энергии в электрическую с помощью полупроявляются:

водниковых фотоэлементов, введем понятие коэф– прямой тепловой нагрев (получение тепловой фициента полезного действия (КПД) фотоэлемента, энергии) и термодинамическое преобразование (поопределяемого как отношение мощности электролучение электрической энергии с промежуточным энергии, вырабатываемой данным элементом, к преобразованием солнечной энергии в тепловую);

мощности падающего на поверхность фотоэлемен– фотоэлектрическое преобразование солнечта солнечного зайчика. Так, при КПД солнечных ной энергии.

преобразователей, равном 10% (типичные значения КПД для кремниевых фотоэлементов, широко ос- Прямой тепловой нагрев является наиболее военных в серийном промышленном производстве простым методом преобразования солнечной энердля нужд наземной энергетики), для производства гии и широко используется в южных районах Рос1012 Вт электроэнергии потребовалось бы покрыть сии и в странах экваториального пояса в установках, ‹7, солнечного отопления, снабжения горячей водой, охлаждения зданий, опреснения воды и т.п. Осно- вой солнечных теплоиспользующих установок явВажный вклад в понимание механизма действия ляются плоские солнечные коллекторы – поглотифотоэффекта в полупроводниках внес основатель тели солнечного излучения. Вода или другая Физико-технического института (ФТИ) Российжидкость, находясь в контакте с поглотителем, наской Академии наук академик А.Ф. Иоффе. Он гревается и при помощи насоса или естественной мечтал о применении полупроводниковых фотоциркуляции отводится от него. Затем нагретая жидэлементов в солнечной энергетике уже в тридцатые кость поступает в хранилище, откуда ее потребляют годы, когда Б.Т. Коломиец и Ю.П. Маслаковец сопо мере необходимости. Подобное устройство напоздали в ФТИ сернисто-таллиевые фотоэлементы с минает системы бытового горячего водоснабжения.

рекордным для того времени КПД = 1%.

Электроэнергия является наиболее удобным для Широкое практическое использование для использования и передачи видом энергии. Поэтому энергетических целей солнечных батарей началось понятен интерес исследователей к разработке и сос запуском в 1958 году искусственных спутников зданию солнечных электростанций, использующих Земли – советского “Спутник”-3 и американского промежуточное преобразование солнечной энер“Авангард”-1. С этого времени вот уже более 35 лет гии в тепло с последующим его преобразованием в полупроводниковые солнечные батареи являются электроэнергию.

основным и почти единственным источником энергоснабжения космических аппаратов и больВ мире сейчас наиболее распространены солших орбитальных станций типа “Салют” и “Мир”.

нечные тепловые электростанции двух типов: 1) баБольшой задел, наработанный учеными в области шенного типа (рис. 1) с концентрацией солнечной солнечных батарей космического назначения, позэнергии на одном гелиоприемнике, осуществляеволил развернуть также работы по наземной фотомой с помощью большого количества плоских зерэлектрической энергетике.

кал; 2) рассредоточенные системы из параболоидов Основу фотоэлементов составляет полупроводи параболоцилиндров, в фокусе которых размещениковая структура с p–n переходом (рис. 2), вознины тепловые приемники и преобразователи малой кающим на границе двух полупроводников с размощности.

личными механизмами проводимости. Заметим, что эта терминология берет начало от английских слов positive (положительный) и negative (отрицательный). Получают различные типы проводимосСолнце ти путем изменения типа введенных в полупроводник примесей. Так, например, атомы III группы Периодической системы Д.И. Менделеева, введенные в кристаллическую решетку кремния, придают последнему дырочную (положительную) проводимость, а примеси V группы – электронную Преобразователь (отрицательную). Контакт p- или n-полупроводниконцентрированной ков приводит к образованию между ними контактсолнечной энергии ного электрического поля, играющего чрезвычайно в электрическую Фотоны – + p n – + Дырки Подвижные Электроны зеркала Рис. 1. Солнечная энергетическая установка “башенного” типа. Рис. 2. Схема работы солнечного фотоэлемента.

.. важную роль в работе солнечного фотоэлемента. ветствует “прямому” смещению p–n перехода, коПоясним причину возникновения контактной раз- торое понижает высоту барьера и способствует ности потенциалов. При соединении в одном моно- инжекции дырок из p-области в n-область и элеккристалле полупроводников p- и n-типа возникает тронов из n-области в p-область. В результате дейдиффузионный поток электронов из полупровод- ствия этих двух противоположных механизмов – ника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, накопления носителей тока под действием света и поток дырок из p- в n-полупроводник. В результате их оттока из-за понижения высоты потенциального такого процесса прилегающая к p–n переходу часть барьера – при разной интенсивности света устаполупроводника p-типа будет заряжаться отрица- навливается разная величина фотоЭДС. При этом тельно, а прилегающая к p–n переходу часть полу- величина фотоЭДС в широком диапазоне освепроводника n-типа, наоборот, приобретет положи- щенностей растет пропорционально логарифму тельный заряд. Таким образом, вблизи p–n перехода интенсивности света. При очень большой интенобразуется двойной заряженный слой, который сивности света, когда потенциальный барьер окапротиводействует процессу диффузии электронов и зывается практически нулевым, величина фотодырок. Действительно, диффузия стремится со- ЭДС выходит на “насыщение” и становится равной здать поток электронов из n-области в p-область, а высоте барьера на неосвещенном p–n переходе.





поле заряженного слоя, наоборот, – вернуть элек- При засветке же прямым, а также сконцентриротроны в n-область. Аналогичным образом поле в p–n ванным до 100 – 1000 крат солнечным излучением, переходе противодействует диффузии дырок из p- в величина фотоЭДС составляет 50 – 85% от величиn-область. В результате двух процессов, действую- ны контактной разности потенциала p–n перехода.

щих в противоположные стороны (диффузии и двиМы рассмотрели процесс возникновения фотожения носителей тока в электрическом поле), устаЭДС, возникающей на контактах к p- и n-областям навливается стационарное, равновесное состояние:

p–n перехода. При коротком замыкании освещенна границе возникает заряженный слой, препятстного p–n перехода в электрической цепи потечет вующий проникновению электронов из n-полупроток, пропорциональный по величине интенсивносводника, а дырок из p-полупроводника. Другими ти освещения и количеству генерированных светом словами, в области p–n перехода возникает энергеэлектронно-дырочных пар. При включении в электический (потенциальный) барьер, для преодоления трическую цепь полезной нагрузки, например пикоторого электроны из n-полупроводника и дырки таемого солнечной батареей калькулятора, величииз p-полупроводника должны затратить определенна тока в цепи несколько уменьшится. Обычно ную энергию. Не останавливаясь на описании элеэлектрическое сопротивление полезной нагрузки в ктрических характеристик p–n перехода, который цепи солнечного элемента выбирают таким, чтобы широко используется в выпрямителях, транзистополучить максимальную отдаваемую этой нагрузке рах и других полупроводниковых приборах, рассмоэлектрическую мощность.

трим работу p-n перехода в фотоэлементах.

Солнечный фотоэлемент изготавливается на осПри поглощении света в полупроводнике вознове пластины, выполненной из полупроводникобуждаются электронно-дырочные пары. В однородвого материала, например кремния. В пластине соном полупроводнике фотовозбуждение увеличиваздаются области с p- и n- типами проводимости ет только энергию электронов и дырок, не разделяя (рис. 2). В качестве методов создания этих областей их в пространстве, то есть электроны и дырки раздеиспользуется, например, метод диффузии примеляются в “пространстве энергий”, но остаются рясей или метод наращивания одного полупроводнидом в геометрическом пространстве. Для разделения ка на другой. Затем изготавливаются нижний и носителей тока и появления фотоэлектродвижущей верхний электроконтакты (на рисунке электроды силы (фотоЭДС) должна существовать дополнизаштрихованы), причем нижний контакт – сплоштельная сила. Наиболее эффективное разделение ной, а верхний выполняется в виде гребенчатой неравновесных носителей имеет место именно в структуры (тонкие полосы, соединенные относиобласти p–n перехода (рис. 2). Генерированные тельно широкой токосборной шиной).

вблизи p–n перехода “неосновные” носители (дырки в n-полупроводнике и электроны в p-полупро- Основным материалом для получения солнечных воднике) диффундируют к p–n переходу, подхваты- элементов является кремний. Технология получения ваются полем p–n перехода и выбрасываются в полупроводникового кремния и фотоэлементов на полупроводник, в котором они становятся основ- его основе базируется на методах, разработанных в ными носителями: электроны будут локализовать- микроэлектронике – наиболее развитой промышся в полупроводнике n-типа, а дырки – в полупро- ленной технологии. Кремний, по-видимому, вообводнике p-типа. В результате полупроводник p-типа ще один из самых изученных материалов в природе, получает избыточный положительный заряд, а по- к тому же второй по распространенности после кислупроводник n-типа – отрицательный. Между n- и лорода. Если учесть, что первые солнечные элеp-областями фотоэлемента возникает разность по- менты были изготовлены из кремния около сорока тенциалов – фотоЭДС. Полярность фотоЭДС соот- лет назад, то естественно, что этот материал играет, ‹7, первую скрипку в программах фотоэлектрической солнечной энергетики. Фотоэлементы из моно- Холодильник кристаллического кремния сочетают достоинства использования относительно дешевого полупроФотоэлемент водникового материала с высокими параметрами получаемых на его основе приборов.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.