Солнечные элементы

Таким образом, как показывают данные, приведенные на рис. 4.12, только за счет повышения плотности потока солнечного излучения в 1000 раз КПД солнечного элемента из оптимального полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны около 1,4 эВ возрастает до 35 % (см. рис. 4.12, кривая 7).

Результаты этих расчетов вдохновили многих исследователей на создание наземных фотогенераторов с солнечными элементами, работающими при весьма высоких концентрациях потока, достигающих уже сейчас уровня 400—500-кратных (с перспективой дальнейшего увеличения до 2000—2200-кратных по сравнению с обычным солнечным).

Если это направление повышения КПД солнечных элементов требует решения инженерных и конструкторских задач, связанных с отводом большого количества избыточной теплоты для сохранения температуры элементов на достаточно низком уровне, а также с созданием долговечных концентраторов солнечной энергии со светостойкими покрытиями, то два других перспективных способа резкого увеличения КПД преобразования солнечного излучения с помощью солнечных элементов находятся еще на стадии физических исследований в условиях лаборатории. Внешне эти два пути прямо противоположны.

Первый из них требует резкого сужения широкополосного солнечного спектра и затем превращения этого спектрально преобразованного потока излучения в электрическую энергию с помощью солнечного элемента с p-n-переходом в гомогенном материале, ширина запрещенной зоны которого точно подходит по энергетическому зазору к спектру направленного на него потока излучения. При сужении спектра КПД солнечного элемента, как известно, сильно возрастает, поскольку исчезают потери на нефотоактивное поглощение в длинноволновой части спектра и на тепловое рассеяние избыточной энергии коротковолновых фотонов.

Второй путь связан с созданием каскадной системы из нескольких солнечных элементов, прозрачных в длинноволновой области спектра за краем основной полосы поглощения, причем каждый из них будет эффективно преобразовывать соответствующую часть падающего излучения, в результате чего перекрывается весь спектральный интервал солнечного излучения и тем самым как бы резко расширяется спектральная чувствительность солнечного элемента.

Сузить широкополосное солнечное излучение можно различными путями, например направив концентрированный солнечный поток на теплоприемник, выполненный в виде модели черного тела с селективным термостойким излучателем, покрытым окисью эрбия, преимущественно излучающим в области спектра от 1 до 2 мкм. Солнечные элементы из германия или из кремния будут преобразовывать такой спектрально суженный (практически без потерь) поток солнечного излучения с КПД выше 25 %. Для солнечных элементов с большей шириной запрещенной зоны, например, из арсенида галлия с гомо- или гетеропереходом, следовало бы разработать селективный тепловой излучатель более коротковолнового участка спектра, что позволило бы получать в эксперименте еще большие значения кпд.

Для сужения солнечного спектра могут быть использованы полупроводниковые светодиоды на основе гетероструктур в арсениде галлия, преобразующие с почти 100 %-ным квантовым выходом коротковолновое излучение в длинноволновое, отвечающее по энергии ширине запрещенной зоны гомогенного арсенида галлия. Академиком Ж. И. Алферовым и его сотрудниками было предложено совместить в одном монолитном многослойном солнечном элементе такую переизлу-чающую структуру с преобразователем оптического излучения в электроэнергию на основе гетероструктуры твердый раствор алюминия в арсениде галлия — арсенид галлия.

Энергетические зонные диаграммы различных солнечных элементов на основе арсенида галлия представлены на рис. 4.13.

В случае переизлучающей структуры между двумя областями окна-фильтра область, обращенная к свету (область 2), имеет состав Al0,8Ga0,2As, а переизлучающая структура (область 4) — состав Al0,1Ga0,9As с постепенным увеличением (область 3) содержания алюминия (до 0,3) по мере приближения к р — n-переходу в арсениде галлия (область 7). В такой структуре спектр фоточувствительности определяется тонкой (толщина менее 1 мкм) верхней областью 2 широкозонного окна-фильтра, а сопротивление растекания снижается благодаря сравнительно толстой (толщина 20–30 мкм) внутренней области 3 окна-фильтра, прозрачной для длинноволнового люминесцентного излучения, испускаемого переизлучающей структурой 4 к р-n-переходу в арсениде галлия (область 7) после поглощения солнечного излучения.

Солнечные элементы с переизлучающей структурой между областями окна-фильтра особенно подходят для преобразования солнечного излучения очень высокой интенсивности, ибо имеют широкий спектральный диапазон чувствительности и низкое последовательное сопротивление. В ходе исследований были изучены световые вольт-амперные характеристики солнечных элементов на основе арсенида галлия с гетеропереходом и переизлучающей структурой для различных степеней концентрации солнечного потока (вплоть до 2570-кратной). Максимальная электрическая мощность, снимаемая с нагрузки к одному из таких элементов диаметром 1 см, составила при измерениях в наземных условиях 13,5 Вт. Следовательно, для получения более 100 Вт электрической мощности требуется всего восемь таких элементов с концентраторами, в то время как ту же электрическую мощность в наземных условиях от солнечных элементов высокого качества обычной конструкции обеспечивает плоская панель площадью не менее 1 м2 (более 10 тыс. элементов площадью 1 см2 каждый).

Очевидно, что затраты, связанные с трудоемкой технологией изготовления новых солнечных элементов сложной многослойной структуры, полностью себя оку-пят, и, возможно, что при широком применении таких элементов стоимость электроэнергии, получаемой от солнечных элементов, снизится на два-три порядка и приблизится к стоимости электроэнергии от традиционных источников (тепловые электростанции, гидроэлектростанции).

После разработки эффективных гомо- и гетероструктур на кремнии и арсениде галлия возник интерес к созданию из них каскадных солнечных элементов. Электрическое соединение элементов в каскаде влечет за собой определенные технологические и конструктивные усложнения, в связи с чем были сделаны попытки получить каскадные элементы в единой монолитной структуре, создаваемой последовательным выращиванием с помощью жидкостной, газовой или молекулярной эпитаксии слоев на подложке из арсенида галлия, например, как это показано на рис. 4.14. Верхний (2) и нижний (4) солнечные элементы в такой двухкаскадной системе соединяются последовательно с помощью туннельного п+—p+-перехода из AIGaAs (см. рис. 4.14, область 5). Экспериментально полученная в одной из зарубежных работ подобная структура генерировала высокое Ux.x (около 2,2 В), но сравнительно низкий ток, и КПД не превышал уровня 10–15 %, вероятно, из-за довольно большого сопротивления туннельного перехода (0,58 Ом).

Высокое качество полученных туннельных переходов позволяет ожидать новых результатов на пути создания монолитных каскадных солнечных элементов, и в последнее время появились сообщения о росте КПД таких элементов.

Значительно больших успехов добились исследователи, использующие два или три солнечных элемента, расположенных перпендикулярно друг другу. Солнечное излучение концентрируется с помощью линзы Френеля и падает на одно или два многослойных ди-хроических зеркала, которые расщепляют спектр на отдельные участки, направляя к каждому элементу излучение того спектрального состава, в котором данный элемент имеет максимальную чувствительность (рис. 4.15).

Для практической реализации таких систем большое значение имеет не только КПД отдельных солнечных элементов (причем они должны возможно более резко отличаться по области спектральной чувствительности), но и высокое качество, а также стабильность параметров (при длительном непрерывном освещении) применяемых дихроических зеркал, которые, как правило, изготавливаются нанесением в вакууме 17–19 (или более) чередующихся прозрачных пленок ZnS (показатель преломления n=2,3) и Na3AlF6 (n=1,35). Излучение, пропущенное зеркалом, проходит к солнечному элементу на основе арсенида галлия, а отраженное — к кремниевому элементу (см. рис. 4.15).