Главная >  Потенциал энергии 

 

Арсенид-галиевые солнечные батар. Как наиболее возможные материалы для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СЭС в данное время рассматривается кремний и арсенид галлия (GaAs), причем в последнем случае речь идет о гетерофотопрелбразователе (ГФП) со структурой АlGaAs-GaAs. Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на основе соединения мышьяка с галлием (GaAs) имеют более высокий, чем кремниевые ФЭП, теоретический КПД, так как ширина запрещенной зоны в них практически совпадает с оптимальной шириной запрещенной зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии и равняется 1,4 еВ., в кремниевых этот показатель равняется 1,1 еВ Вследствие более высокого уровня поглощения солнечного излучения, обусловленного прямыми оптическими переходами в GaAs, высокие КПД ФЭП на их основе могут быть получены при значительно меньшей в сравнении с кремнием толщине ФЭП. Принципиально достаточно иметь толщину ГФП 5-6 мкм для получения КПД порядка не менее 20 %, тогда как толщина кремниевых элементов не может быть меньше 50-100 мкм без заметного снижения их КПД. Это обстоятельство разрешает рассчитывать на создание легких пленочных ГФП, для производства которых потребуется сравнительно мало исходного материала, в особенности если в качестве подкладки удастся использовать не GaAs, а другой материал, например, синтетический сапфир (Al2O .

 

Гетероструктурные солнечные батареи (СБ) имеют более высокий КПД, чем кремниевые и германиевые, монокристаллические и в особенности - из аморфного кремния. КПД гетероструктурных (например, арсенид-галиевых) солнечных батарей доходит до 35-40%. Их максимальная рабочая температура +150 оС, в отличие от + 70 оС - у кремниевых батарей, что увеличивает возможности концентрирования света на гетерофотопреобразователе (ГФП) из GaAs.

 

Благодаря устойчивости к высоким температурам арсенид-галиевые ФЭП позволяют применять к ним концентраторы солнечного излучения. Рабочая температура ГФП на GaAs доходит до 180°С, что уже являются целиком рабочими температурами для тепловых двигателей, паровых турбин. Таким образом, к 30% собственного КПД арсенид-галиевых ГФП (при +150°C) можно прибавить КПД теплового двигателя, который использует сбросовое тепло жидкости, которая охлаждает фотоэлементы. Поэтому общий КПД установки, которая вдобавок использует и третий цикл отбора низкотемпературного тепла от охлаждающей жидкости после турбины на обогрев помещений, - может быть даже выше 50-60 %.

 

ГФП имеют также более благоприятные с точки зрения требований к преобразователям СЭС эксплутационные характеристики в сравнении с кремниевыми ФЭП. Так, в частности, возможность достижения маленьких начальных значений обратных токов насыщение в p-n-переходах благодаря большой ширине запрещенной зоны разрешает свести к минимуму величину отрицательных температурных градиентов КПД и оптимальной мощности ГФП и, кроме того, существенным образом расширять область линейной зависимости последней от плотности светового потока. Экспериментальные зависимости КПД ГФП от температуры говорят о том, что повышение равновесной температуры последних до +150...180 °С не приводит к существенному снижению их КПД и оптимальной удельной мощности. В то же время для кремниевых ФЭП повышение температуры выше +60...70°С является почти критическим - КПД падает вдвое.

 

В целом можно сказть, что энергетические, массовые и эксплуатационные характеристики ГФП на основе GaAs в большей степени отвечают требованиям СЭС и СКЭС (космические), чем характеристики кремниевых ФЭП.

 

Также ГФП на основе GaAs в значительно меньшей мере, чем кремниевые ФЭП, подвержены разрушению потоками протонов и электронов высокой энергии вследствие высокого уровня поглощения света в GaAs, а также маленьких необходимых значений времени жизнь и диффузной длины неосновных носителей. Более того, эксперименты показали, что значительная часть радиационных дефектов в ГФП на основе GaAs исчезает после их термообработки ( отджига) при температуре именно порядка +150...180°С. Если ГФП из GaAs будут постоянно работать при температуре порядка +150°С, то степень радиационной деградации их КПД будет относительно небольшой на протяжении всего срока активного функционирования станций (в особенности это касается космических солнечных энергоустановок, для которых важны малые вес и размер ФЭП и высокий КПД).

 

Цены на кремниевые фотоэлектрические батареи снизились за 25 лет в 20-30 раз с 70-100 $/Вт в семидесятых годах вплоть до 3,5 $/Вт в 2000г. и продолжают снижаться дальше. На Западе можно ожидать переворот в энергетике в момент перехода цены через 3-долларовый рубеж. По некоторым расчетам, это может состояться уже в 2002г. Тут сыграют роль вместе взятые: тарифы, климат, географические широты, способности государства к реальному ценообразованию и долгосрочным инвестициям. В реально действующих структурах с гетеропереходами КПД достигает на сегодняшний день более 30% , а в однородных полупроводниках типа монокристаллического кремния - до 18%. Среднее значение КПД в солнечных батареях на монокристаллическом кремнии сегодня около 12%, хотя достигает и 18%. Именно, в основном, кремниевые СБ можно видеть сегодня на крышах домов разных стран мира.

 

Однако кремний является более доступным и освоенным в производстве материалом, чем арсенид галлия. Кремний широко распространен в природе, и запасы исходного сырья для создания ФЭП на его основе практически неограниченные. Технология изготовления кремниевых ФЭП хорошо отработана и непрерывно усовершенствуется. Существует реальная перспектива снижения стоимости кремниевых ФЭП на один-два порядка при внедрении новых автоматизированных методов производства, которые разрешают, в частности, получать кремниевые ленты, солнечные элементы большой площади и т.п.

 

В космических аппаратах, где основным источником тока являются солнечные батареи, где очень важны разумные соотношения массы, размера и КПД, главным материалом для солнечных батарей, конечно, является арсенид галлия. Очень важна для космических СЭС способность этого соединения в ФЭП не терять КПД при нагревании концентрированным в 3-5 раз солнечным излучением, что соответственно снижает потребности в дефицитном галлии. Дополнительный резерв экономии галлия связан с использованием в качестве подкладки ГФП не GaAs, а синтетического сапфира (Al2O . Стоимость ГФП при их массовом производстве на базе усовершенствованной технологии будет, вероятно, также значительно снижена, и в целом стоимость системы преобразование энергии на основе ГФП из GaAs может оказаться целиком сопоставимой со стоимостью системы на основе кремния. Таким образом, тяжело до конца отдать явное преимущество одному з двух рассмотренных полупроводниковых материалов (кремния или арсенида галлия), и лишь дальнейшее развитие технологии их производства покажет, какой вариант окажется более рациональным для наземной и космической солнечной энергетики. Поскольку СБ выдают постоянный ток, то возникает задача трансформации его в переменный ток 50 Гц. С этой задачей отлично справляется специальный класс приборов - инверторы. Они относительно недорогие и широко распространенные.

 

В отличие от кремния галлий является очень дефицитным материалом, что ограничивает возможности производства ГФП на основе GaAs в количествах, необходимых для широкого внедрения. Галлий добывается в основном из бокситов, однако рассматривается также возможность его получения из угольной золы и морской воды. Наибольшие запасы галлия имеются в морской воде, однако его концентрация там очень небольшая, концентрация при его извлечении оценивается величиной всего в 1% и, итак, затраты на производство будут, вероятно, чрезмерно большими. Технология производства ГФП на основе GaAs с использованием методов жидкостной и газовой эпитаксии (отношение роста одного монокристала на поверхности другого (на подкладке)) не развита еще до такой степени, как технология производства кремниевых ФЭП, и в результате этого стоимость ГФП сейчас существенно выше (на порядок) стоимости ФЭП из кремния.

 

 

Реструктуризация энергетики вконтексте формирования новойхозяйственной системы страны. Об энергетической стратегии России напериод до 2020 года. Про. 3. О реализации Соглашения осотрудничестве государств.

 

Главная >  Потенциал энергии 

0.0165