ОСНОВЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Авторизация

Счётчики

Посетителям

Ecoreiting

ОСНОВЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Автор: Oleg

15.03.2009 07:58

Индекс материала
ОСНОВЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
стр1
стр2
стр3
стр4
стр5
стр6
Все страницы

Страница 1 из 7

М.Н. Турсунов, д.т.н.
Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» Академии Наук РУз

Введение

Широкое применение преобразователей солнечной энергии из кристаллического кремния основывается на возможности автономного функционирования фотоэлек-трических установок и подключения их при необходимости к традиционной энерго-системе в любом географическом регионе Земли. Высокая надежность и длительный ресурс работы во всех климатических зонах без деградации выходных параметров, практическая независимость коэффициента полезного действия (КПД) энергетической установки от величины генерируемой мощности и экологическая чистота источни-ка энергии определяют перспективу фотоэлектрических источников электропитания. Перечисленные преимущества, делают данный источник энергии почти единственно альтернативным в будущем на территориях государств Центральной Азии, уда-ленных от централизованных источников энергии.
Основными объектами фотоэлектрических установок являются: солнечное излу-чение, фотоэлектрический модуль (ФЭМ) на основе полупроводниковых солнечных элементов (СЭ) и система сервиса и контроля передачи энергии потребителю (система аккумулирования, преобразователи напряжения и другие).

Солнечное излучение

Солнце представляет собой гигантский термоядерный реактор, излучающий энергию подобно абсолютному черному телу при температуре 6000 К. Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция. Каждую секунду прибли-зительно 6 ∙ 1011 кг водорода превращается в гелий. Дефект массы при этом составляет 4 ∙ 103 кг, что в соответствии с уравнением E = mc2 выделяется энергия, равная 4 ∙ 1020 Дж. Выделяемая энергия исходит главным образом в форме электромагнитно-го излучения в диапазоне 0,2 - 3 мкм (основная часть). Полная масса Солнца в настоя-щее время составляет приблизительно 2 ∙ 1030 кг, что должно обеспечить его стабиль-ное существование в течение 10 млрд. лет. Земля движется вокруг Солнца по эллипти-ческой орбите. Диаметр Солнца составляет приблизительно 1,39 ∙ 109 м.
Энергетическая освещенность поверхности, расположенной перпендикулярно солнечным лучам на среднем расстоянии от Земли до Солнца, то есть на расстоянии одной астрономической единицы ( 1 а.е. = 1,496 ∙ 1011 м приблизительно 150 млн. км), называется солнечной постоянной (с.п.). Величина с.п. равна 1353 Вт/м2. В течение года расстояние Земля-Солнце изменяется, что приводит к изменению с.п. примерно на + 0,34 в течение года. Годовое поступление солнечной энергии на Землю составляет 1,5 ∙ 1018 кВт ∙ час, что в десятки тысяч раз превышает энергопотребление человечест-ва, располагавшего на уровне 1987 года первичными энергоносителями с суммарной годовой мощностью 6,9 ∙ 1013 кВт ∙ час.
Для сравнения приведем плотность потока солнечного излучения на орбитах планет солнечной системы в долях с.п.

Альбедо Земли

Альбедо поверхности Земли – это отношение потока излучения, отраженного от поверхности Земли в окружающее пространство, к потоку, упавшему на неё. Среднее альбедо Земли, рассчитанное по диффузному отражению поверхности равно 0,34. Счи-тается, что спектр отраженного излучения подобен спектру солнечного излучения у по-верхности Земли при атмосферной массе, равной 1.
По оптическим свойствам атмосфера Земли представляет собой селективный светофильтр, который изменяет характеристику космического солнечного излучения. Если поток излучения проходит атмосферу по нормали к земной поверхности до точки, расположенной на уровне моря, говорят, что его оптический путь равен атмосферной массе, равной единице (АМ 1). Длину оптического пути наклонных лучей определяют по отношению к длине оптического пути при АМ 1. В случае, если излучение не ослаб-ляется атмосферой, то оптическая атмосферная масса равна нулю (АМ 0).
Энергетическая освещенность, создаваемая прямым потоком солнечного излу-чения на поверхности Земли на уровне моря в полдень при ясном небе, близка к 100 мВт/см, а за пределами атмосферы 135,3 мВт/см.
Количество солнечного излучения, поступающего к поверхности Земли в опре-деленном географическом районе, называют инсоляцией. Инсоляция зависит от широ-ты местности и местного климата, уровня загрязнения воздуха, изменяется с сезонными колебаниями расстояния Земля-Солнце, зависит от атмосферной массы. Инсоляцию обычно выражают средними значениями количества солнечного излучения за год, ме-сяц, день и др.

Состав солнечного излучения

Солнечное излучение имеет спектральный состав от 0,1 мкм до 30 м (рис. 1). Наибольшая часть энергии солнечного излучения сосредоточена в диапазоне 0,2 - 3 мкм. Наиболее распространенные названия частей солнечного спектра следующие: ультрафиолетовая часть спектра от 0,1 до 0,38 мкм, видимая часть спектра от 0,38 до 0,78 мкм, инфракрасная часть спектра от 0,78 мкм и более.

Рис. 1 Спектральное распределение энергии солнечного излучения
1 - внеатмосферное излучение 1360 Вт/м2
2 - полное излучение Солнца, падающее на поверхность Земли
3 - прямое излучение, падающее на Землю 834,6 Вт/м2

Видимое излучение подразделяется на следующие: фиолетовое, синее, зеленое, желтое, красное. Инфракрасное излучение – близкое инфракрасное и далекое инфра-красное.
Ультрафиолетовое излучение, обладающее в космических условиях высокой ин-тенсивностью, поглощается в верхней части атмосферы Земли озоном, поэтому до Зем-ли доходит лишь незначительная часть излучения с длиной волны около 0,3 мкм.

Оптические и электрические свойства
полупроводниковых кристаллов

В настоящее время используется большое количество различных полупроводни-ковых материалов для изготовления СЭ. Эффективность преобразования излучения в электрическую энергию в этих материалах имеет различные значения.
Для понимания оптических и фотоэлектрических свойств СЭ необходимо хотя бы кратко рассмотреть качественные особенности зонной структуры полупроводни-ков, её отличие от электронного строения металлов и изоляторов (диэлектриков) и ос-новные оптические характеристики полупроводниковых материалов.
При образовании твердых тел, например, полупроводника, атомы настолько сближаются друг с другом, что их внешние оболочки перекрываются. Вместо индиви-дуальных орбит отдельных атомов появляются коллективные орбиты, и подоболочки атомов объединяются в зоны, единые для всего кристалла. Характер движения элек-тронов при этом изменяется кардинальным образом: электроны, находящиеся на опре-деленном энергетическом уровне одного атома, получают возможность без затраты энергии переходить на подобный же уровень соседнего атома и тем самым свободно перемещаться вдоль всего кристалла.
Внутренние оболочки в изолированных атомах, а, следовательно, и в кристалле целиком заполнены. Самая же верхняя зона, образованная из уровней, на которых рас-полагались валентные электроны, не всегда заполнены до конца. Электропроводность кристалла, его оптические и многие другие свойства в основном определяются степе-нью заполнения валентной зоны и расстоянием от неё до самой верхней зоны, полу-чившей название зоны проводимости. Электроны, попавшие из валентной зоны, на-пример, за счет теплового или оптического возбуждения, в зону проводимости, могут принимать участие в переносе электрического тока. Перемещение электронов на осво-бодившие места в валентной зоне создаёт встречное движение положительных зарядов, называемых дырками. Положительный заряд всегда образуется в валентной зоне после ухода электрона, ведь до этого зона была электрически нейтральной.
Вещества, у которых валентная зона заполнена целиком, а расстояние до следующей зоны велико, называются диэлектриками.
Для металлов характерно другое энергетическое строение: валентная зона за-полнена частично либо перекрывается со следующей свободной зоной – зоной прово-димости.
Если же у вещества валентная зона заполнена целиком, но энергетическое расстояние до зоны проводимости мало ( менее 2 эВ), то такие вещества называ-ются полупроводниками. Электропроводность и другие свойства полупроводников сильно зависит от внешних условий, особенно от температуры Т. С повышением тем-пературы Т экспоненциально растет число тепловых перебросов электронов через за-прещенную зону с шириной Е, разделяющую валентную зону и зону проводимости. Увеличивается число электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, а электропроводность полупроводника G возрастает по закону:
G = A exp (- E /2kT) (1),
где: К – постоянная Больцмана;
А – постоянная, характеризующая данное вещество.
Электропроводность металлов, в силу постоянства концентрации свободных носителей, определяется температурной зависимостью подвижности электронов и с ростом температуры медленно падает.
Если представленное выше соотношение прологарифмировать, то оно примет следующий вид:
ln G = ln A – E/2kT (2)
Эту зависимость можно изобразить графически в так называемых полулогариф-мических координатах и получить прямую, тангенс угла наклона которой φ позволяет рассчитать важнейший параметр полупроводника, определяющий его электрические и оптические свойства – ширину запрещенной зоны Eg = 2ktgφ. Зависимость логарифма электропроводности от 1/Т представляет собой наклонную прямую линию лишь для чистых, лишенных посторонных примесей полупроводников, называемые собствен-ными полупроводниками. Легирующие примеси, вводимые в полупроводники, как пра-вило, для придания им электронного или дырочного характера электропроводности, занимают энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости, лег-ко отдают электроны в зону проводимости при небольшом тепловом или оптическом возбуждении или около потолка валентной зоны, на которые легко забрасываются электроны из заполненной нижней зоны, вследствие чего в кристалле появляется ис-ключительно дырочная проводимость, не сопровождаемая движением электронов в верхней зоне.
Для примесных полупроводников зависимость ln G от 1/Т носит более сложный характер и состоит из отрезков двух наклонных прямых, соединенных горизонтальным участком. Тангенс угла наклона отрезка прямой, лежащей в области низких темпера-тур, даёт возможность определить энергию активации или энергетическое положение примесных уровней в запрещенной зоне, тангенс угла наклона отрезка и прямой, рас-положенных в области высоких температур, позволяет найти значение Еg примесного полупроводника.
При изготовлении солнечных элементов большое значение имеют особенности взаимодействия солнечного излучения и полупроводникового материала, процессы пе-редачи энергии фотонов попадающего в полупроводник света электронам – носителям электрического заряда внутри полупроводника.
В квантовой механике элементарные частицы, в том числе и электроны, рас-сматриваются одновременно и как волны. В связи с этим при описании движения эле-ментарных частиц используются на только такие величины, как энергия Е и импульс Р, но и, например, длина волны λ, частота ν и волновой вектор К = Р/h, h – постоянная Планка. При этом Е = hν и Р = h/λ.
Зонную структуру кристалла часто представляют в виде диаграммы Е – К, ис-пользуя при этом обычно значения энергии в эВ, а волновой вектор К – в долях посто-янной решетки кристалла, причем на оси К с помощью стрелок указывается направле-ния кристаллической ориентации. Вид зависимости Е – К помогает понять также ха-рактер межзонных переходов в данном полупроводниковом материале и, в частности, определить, являются они «прямыми» или «непрямыми».
Следует отметить, что значение Eg, определенное при измерениях оптического поглощения, зависит в значительной степени от концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике, температуры и наличия в запрещенной зоне примесных уровней. Если состояния вблизи дна зоны проводимости и потолка валентной зоны за-полнены носителями заряда, то оптические измерения дадут для Еg примесного полу-проводника значение более высокое, чем для чистого собственного полупроводника. Если примесная зона слилась с краем ближайшей разрешенной зоны, что может про-изойти при сильном легировании, то Еg уменьшается. Сужение Еg заметно скажется на положении края основной полосы поглощения.
Одним из основных показателей, определяющим возможность использования материала для изготовления эффективных СЭ, является коэффициент поглощения ма-териала. Коэффициент поглощения полупроводника α определяется условием, что энергия волны уменьшается в e раз на расстоянии, равном 1/α
N = Nо exp (-αℓ) (3)
где: N – плотность потока прошедших в полупроводник фотонов на глубину ℓ;
Nо – плотность потока фотонов, пересекающих поверхность полупроводника. Коэффициент поглощения α материала связан с его показателем поглощения К соотношением α = 4πK/λ
Таким образом, изменяя интенсивность оптического излучения, прошедшего че-рез полупроводниковые образцы различной точно измеренной толщины, можно опре-делить значения К и λ данного вещества.
На рисунке 2 представлены зависимости α от энергии для часто используемых в СЭ материалов.