Страница 3 из 7
Поверхность фото панелей и зеркал (для тепло машинных ЭС) нужно очищать от пыли и других загрязнений. В случае крупных фотоэлектрических станций, при их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения, но применение отполированного стекла на современных солнечных батареях решает эту проблему.
Эффективность фотоэлектрических элементов падает при их нагреве (в основном это касается систем с концентраторами), поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. Также в фотоэлектрических преобразователях третьего и четвёртого поколений используют для охлаждения преобразование теплового излучения в излучение наиболее согласованное с поглощающим материалом фотоэлектрического элемента (так называемое up-conversion), что одновременно повышает КПД.
Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться. Отработавшие своё фотоэлементы, хотя и незначительная их часть, в основном специального назначения, содержат компонент (кадмий), который недопустимо выбрасывать на свалку. Нужно дополнительное расширение индустрии по их утилизации.
Глава 2. Основные виды солнечных батарей
Устройства для прямого преобразования световой или солнечной энергии в электроэнергию называются фотоэлементами (по-английски Photovoltaics (PV), от греческого photos – свет и названия единицы электродвижущей силы – вольт). Преобразование солнечного света в электричество происходит в фотоэлементах, изготовленных из полупроводникового материала, например, кремния, которые под воздействием солнечного света вырабатывают электрический ток. Солнечные фотоэлектрические системы просты в обращении, однако сами фотоэлементы содержат сложные полупроводниковые устройства, аналогичные используемым для производства интегральных схем. Совокупность таких элементов образует фотоэлектрическую панель, либо модуль. Фотоэлектрические модули, благодаря своим электрическим свойствам, вырабатывают постоянный ток. Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии основан на особенностях взаимодействия полупроводниковых материалов со световым излучением. В фотоэлектрическом преобразователе свободные носители образуются в результате поглощения светового кванта полупроводником, разделение зарядов производится под действием электрического поля, возникающего внутри полупроводника. Главные преимущества фотоэлектрических установок заключается в том, что они не имеют движущихся частей, их конструкция очень проста, производство – технологично. К их недостаткам можно отнести разрушение полупроводникового материала от времени, зависимость эффективности работы системы от ее запыленности. Все это ограничивает срок службы фотоэлектрических преобразователей. В настоящее время в ведущих странах мира проводятся работы по эффективности и снижения стоимости фотоэлектрических преобразователей.
Иногда термин «солнечный элемент» используется для установок, которые поглощают энергию из солнечного света. Такие установки называются «солнечными панелями», или «солнечными батареями». В солнечной энергетике для получения электрической энергии широко применяют фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Несколько соединенных между собой преобразователей образуют солнечную батарею .
Фотоэлектрическая генерация энергии обусловлена пространственным разделением положительных и отрицательных носителей заряда при поглощении в полупроводнике электромагнитного излучения. В присутствии электрического поля эти заряды могут создавать во внешней цепи электрический ток. В местах переходов или неоднородностей материала существуют внутренние электростатические поля. Внутренние поля фотоэлементов на основе структур полупроводник-полупроводник или металл-полупроводник создают разность потенциалов около 0,5 В и плотность тока порядка 200 А·М-2 при плотности потока солнечного излучения около 1 кВт·М-2. Промышленные фотоэлементы или солнечные элементы имеют КПД от 10 до 20%. При средней облученности могут вырабатывать от 1 до 2 кВт электроэнергии в день с 1 м2.
Рассмотрим вентильный фотоэлектрический генератор. Вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя), являющийся разновидностью внутреннего фотоэффекта, это возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего магнитного поля).
Фотоэффект запирающего слоя положен в основу устройства полупроводниковых, или, как их еще иначе называют, вентильных фотоэлементов приборов, непосредственно превращающих лучистую энергию в электрическую. Впервые фотоэлектрический эффект был обнаружен французским физиком А. Беккерелем в 1839 году. Однако его не применяли до 1883 года, когда Карл Фритс создал первые солнечные элементы. Он покрыл полупроводниковый селен очень тонким слоем золота, образовав соединения. Но установка была эффективна лишь на 1%. Позже русский физик Александр Столетов сделал первый солнечный элемент, основанный на внешнем фотоэлектрическом эффекте (открытом Генрихом Герцем в начале 1887 года). Альберт Эйнштейн объяснил значение фотоэлектрического эффекта в 1905 году, за что и получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году. Рассел Оль запатентовал современное соединение полупроводникового солнечного элемента в 1946 году. Оно было обнаружено во время работы над серией открытий, которые, в конечном счете, и привело к созданию транзистора.
Применение полупроводников с различными типами проводимости дало значительно лучшие результаты. Принцип действия такого фотоэлемента состоит в следующем. Пусть n-полупроводник приводится в контакт с p-полупроводником. Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении. В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается не скомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионов. В р-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионов. Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой (запирающий слой), поле которого, направленное от n-области к p-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении п>р и дырок в направлении р>п. Под действием света, проникающего сквозь тонкий слой n-полупроводника, в нем происходит внутренний фотоэффект – образуются пары зарядов электрон-дырка. Если имеется внешняя цепь, то вновь образованные электроны, не имея возможности пройти сквозь запирающий слой устремляются в нее. Дырки же легко проходят сквозь запирающий слой к р-полупроводнику, где происходит рекомбинация – в цепи начинает протекать ток. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, сернисто-серебряные и др. Интегральная чувствительность некоторых полупроводниковых материалов представлена в таблице 1
Таблица 1. Интегральная чувствительность некоторых полупроводниковых материалов
Конструктивно любой вентильный фотоэлемент довольно прост. Изготавливается так называемый нижний электрод, представляющий собой металлическую пластинку, толщиной от одного до двух миллиметров. Форма пластинки не имеет никакого принципиального значения и определяется лишь назначением фотоэлемента. Нижний металлический электрод должен быть механически прочным. На него наносится тонкий слой того или иного полупроводника. Затем он подвергается соответствующей обработке, цель которой заключается в создании в толще полупроводника р-n-перехода. Когда эта цель достигнута, на наружную поверхность в большинстве случаев наносится верхний металлический электрод, представляющий собой тонкий полупрозрачный слой металла. Иногда обработка полупроводникового слоя для создания в нем р-n-перехода проводится при нанесенном уже верхнем металлическом электроде. Бывает и так, что полупроводник обрабатывается в отсутствии обоих электродов. Последние создаются уже после образования в полупроводниковом слое р-n-перехода. При изготовлении некоторых фотоэлементов р-n-переход образуется в процессе нанесения электрода.