Конструкции и материалы солнечных батарей. Арсенид галлия солнечные батареи

Солнечные батареи на основе арсенида галлия и их особенности

Солнечные батареи, созданные с использованием арсенида галлия (соединение галлия и мышьяка), - это одна из альтернатив привычным кремниевым фотоэлементам. Арсенид галлия – это полупроводник, обладающий такими же гелиоэнергетическими свойствами, как и кремний, но более эффективный с точки зрения производительности. Именно поэтому солнечные элементы на его основе отличаются гораздо большим КПД (до 44%).

Однако применяют такие батареи гораздо реже, причем главным образом в специализированных отраслях (например, в космической сфере). Объясняется это очень просто. Дело в том, что главный недостаток панелей на арсениде галлия – очень высокая стоимость. И сам материал, и технологический процесс производства гораздо дороже, чем для кремниевых аналогов. Кроме того, галлий является достаточно дефицитным полупроводником. Поэтому солнечные батареи этого типа массово не производятся, несмотря на их более высокую эффективность и лучшие характеристики.

эффективность

Особенности

Фотоэлементы на основе арсенида галлия обладают рядом весомых достоинств:

Очень высокая поглощательная способность. Материал весьма эффективно поглощает солнечное излучение, благодаря чему его можно наносить слоем всего в несколько микрон. Это означает значительное уменьшение толщины фотоячейки.
Ширина запрещенной зоны. Запрещенная зона – область энергий, обладать которыми электрон в нормальном состоянии не может. Ее ширина – минимум энергии, требующийся для перемещения электрона, чтобы он участвовал в формировании фототока. Для арсенида галлия этот параметр составляет – 1,43 эВ, что является практически идеальным значением для однопереходного фотоэлемента.
Очень высокая стойкость к радиации. В сочетании с производительностью эта характеристика делает данные фотоячейки очень подходящими для использования в космической отрасли.
Малая чувствительность к нагреванию. В отличие от кремниевых панелей, солнечные батареи на арсениде галлия практически не теряют производительность при повышении температуры и перегреве. А значит, им нужно меньше дополнительного охлаждения.

Возможность изменения рабочих характеристик. Добавление разного рода примесей (фосфора, индия, мышьяка, алюминия) позволяет корректировать параметры галлия арсенида (например, ширину запрещенной зоны). Это позволяет расширить возможности создания солнечных ячеек с точно заданными параметрами и структурой (таких, как сложные многопереходные элементы).

Использование галлия арсенида дает возможность разработчиками получать многослойные ячейки с различным составом слоев. За счет этого можно более точно управлять процессом генерации носителей заряда (интенсивностью фототока). Для кремниевых элементов эти возможности ограничены, поскольку материал имеет предельно допустимый уровень легирования (введения примесей для изменения свойств).

Многослойные галлий-арсенидные элементы

Сегодня одной из самых высокопроизводительных (но и самых дорогих) является трехслойная структура, состоящая из германия (подложка, нижний слой), арсенида галлия и фосфида индия-галлия. В данной схеме слои последовательно выращиваются друг за другом. При этом каждый слой отвечает за поглощение определенной части солнечного спектра (диапазон поглощения зависит от запрещенной зоны). Такой подход позволяет получить наиболее полное поглощение солнечных лучей по всей длине волн, что для однопереходных ячеек недостижимо. Однако процесс изготовления подобных структур очень сложен и, как следствие, весьма дорог.

галлий-арсенидные солнечные элементы

Удешевление технологии

Технологии изготовления галлий-арсенидных солнечных элементов довольно дороги, однако ведутся активные работы по их удешевлению. Так, ученые из Иллинойского Университета (США) предложили методику, дающую возможность исключить самую дорогостоящую часть процесса без ущерба для качества.Как правило, галлия арсенид производится в виде достаточно толстых пластин, нарезаемых в дальнейшем на элементы согласно технологическому процессу. Однако для солнечной ячейки достаточно лишь тонкого слоя данного полупроводника. Таким образом получается, что большая часть материала из-за излишней толщины просто не задействуется.

Ученые же предложили наращивать тонкопленочный галлия арсенид на подложке из алюминия арсенида. Далее, при помощи химической реакции, тонкую пленку полупроводника можно отделить от подложки. В итоге получаются арсенид-галлиевые пластины минимальной толщины, которые в составе фотоячейки будут работать полностью. Такие пластины можно наносить на любые иные подложки для получения солнечных элементов нужной структуры и с заданными параметрами.

На данный момент главная сложность данной методики заключается в получении ячеек полупроводника большей площади (достигнутый результат – лишь 0,5х0,5 мм). При увеличении площади технология станет коммерчески оправданной и позволит значительно снизить затраты на производство фотоячеек этого типа.

solarb.ru

Арсенид-галлиевые солнечные батареи.

Арсенид-галлиевые СБ.

Гетероструктурные СБ имеют более высокий КПД , чем кремниевые и германиевые, монокристаллические и особенно - аморфного кремния.

КПД гетероструктурных ( например, арсенид-галлиевых) солнечных батарей доходит до 35-40 %.Их максимальная рабочая температура - до +150 o Цельсия, в отличии от + 70 o Цельсия - у кремниевых батарей, что увеличивает возможности концентрирования света на ГФП GaAs.

Арсенид-галлиевые СБ значительно дороже кремниевых.

В качестве наиболее вероятных материалов для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СЭС в настоящее время рассматривается кремний и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs. ФЭП (фотоэлектрические преобразователи) на основе соединения мышьъяка с галлием (GaAs), как известно, имеют более высокий, чем кремниевые ФЭП, теоретический КПД, так как ширина запрещённой зоны у них практически совпадает с оптимальной шириной запрещённой зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии =1,4 эВ. У кремниевых этот показатель =1,1 эВ.

Вследствие более высокого уровня поглощения солнечного излучения, определяемого прямыми оптическими переходами в GaAs, высокие КПД ФЭП на их основе могут быть получены при значительно меньшей по сравнению 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 менее 50-100мкм без заметного снижения их КПД. Это обстоятельство позволяет рассчитывать на создание лёгких плёночных ГФП, для производства которых потребуется сравнительно мало исходного материала, особенно если в качестве подложки удастся использовать не GaAs ,а другой материал, например синтетический сапфир (Al2 O3)[11].

ГФП обладают также более благоприятными с точки зрения требований к преобразователям СЭС эксплутационными характеристиками по сравнению с кремниевыми ФЭП. Так, в частности, возможность достижения малых начальных значений обратных токов насыщения в p-n-переходах благодаря большой ширине запрещённой зоны позволяет свести к минимуму величину отрицательных температурных градиентов КПД и оптимальной мощности ГФП и , кроме того, существенно 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.

Благодаря устойчивости к высоким температурам арсенид-галлиевые ФЭП позволяют применять к ним концентраторы солнечного излучения. Рабочая температура ГФП на GaAs доходит до 180 °С, что уже является вполне рабочими температурами и для тепловых двигателей, паротурбин. Таким образом, к 30-процентному собственному КПД арсенид-галлиевых ГФП (при 150°C) можно прибавить КПД теплового двигателя, использующего сбросовое тепло охлаждающей фотоэлементы жидкости [19]. Поэтому общий КПД установки, которая к тому же использует и третий цикл отбора низкотемпературного тепла у охлаждающей жидкости после турбины на обогрев помещений - может быть даже выше 50-60 %.

Также ГФП на основе GaAs в значительно меньшей степени, чем кремниевые ФЭП, подвержены разрушению потоками протонов и электронов высоких энергий вследствие высокого уровня поглощения света в GaAs, а также малых требуемых значений времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей. Более того, эксперименты показали, что значительная часть радиационных дефектов в ГФП на основе GaAs исчезает после их термообработки ( отжига) при температуре как раз 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 ( особенно это касается космических солнечных энергоустановак, для которых важен малые вес и размер ФЭП и высокий КПД).

В целом можно заключить, что энергетические, массовые и эксплутационные характеристики ГФП на основе GaAs в большей степени соответствуют требованиям СЭС и СКЭС (космич.), чем характеристики кремниевых ФЭП.

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

Цены на кремниевые фотоэлектрические батареи снизились за 25 лет в 20-30 раз с 70-100 долл/ватт в семидесятых годах вплоть до 3,5 долл/ватт в 2000 г. и продолжают снижаться далее. На Западе ожидается переворот в энергетике в момент перехода цены 3-долларового рубежа. По некоторым расчётам, это может произойти уже в 2002 г., а для России с нынешними энерготарифами этот момент наступит при цене 1 ватта СБ 0,3-0,5 доллара, то есть, при на порядок более низкой цене. Тут играют 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.

В отличие от кремния галлий является весьма 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. Самые большие запасы галлия содержатся в морской воде, однако его концентрация там весьма невелика, выход при извлечении оценивается величиной всего в 1% и , следовательно, затраты на производство будут, вероятно, чрезмерно большими. Технология производства ГФП на основе GaAs с использованием методов жидкостной и газовой эпитаксии (ориентированного роста одного монокристалла на поверхности другого {на подложке} ), не развита ещё до такой степени, как технология производства кремниевых ФЭП и в результате этого стоимость ГФП сейчас существенно выше (на порядки) стоимости ФЭП из кремния [11].

В космических аппаратах, где основным источником тока являются солнечные батареи и где очень важны понятные соотношения массы, размера и КПД, главным материалом для солн. 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 солн.излучением, что соответственно, в разы, снижает потребности в дефецитном галлии. Дополнительный резерв экономии галлия связан с использованием в качестве подложки ГФП не GaAs, а синтетического сапфира (Al2O3).Стоимость ГФП при их массовом производстве на базе усовершенствованной технологии будет, вероятно, также значительно снижена, и в целом стоимость системы преобразования системы преобразования энергииСЭС на основе ГФП из GaAs может оказаться вполне соизмеримой со стоимостью системы на основе кремния. Таким образом, в настояще время трудно до конца отдать явное предпочтение одному из двух рассмотренных полупроводниковых материалов- кремнию или арсениду галлия, и лишь дальнейшее развитие технологии их производства покажет, какой вариант окажется более рационален для наземной и космической солнечных энергетик. Постольку-поскольку СБ выдают постоянный ток, то встаёт задача трансформации его в промышленный переменный 50 Гц ,220 В. С этой задачей отлично справляется специальный класс приборов- инверторы. Они относительно недороги и широко распространены

solar-battery.narod.ru

Арсенид-галиевые солнечные батареи

Солнечные батареи автономных электростанций, которые созданы на основе соединения арсенида галлия – это надежная и эффективная альтернатива обычным кремниевым панелям. Арсенид галлия, это соединение мышьяка с галлием, обладающее такими же высокими гелиоэнергетическими свойствами, как и сам кремний, но с другой стороны более эффективный в плане производительности, что немаловажно.

Поэтому солнечные элементы на основе этого соединения демонстрируют более высокий показатель КПД, иногда до 44% больше, что является значительной разницей. Но с другой стороны применяют такие системы довольно нечасто, чаще всего в сфере высоких технологий, космической отрасли и схожих направлениях. Помимо достоинств данного типа панелей (высокая производительность и надежность) есть и значительный минус.

Несмотря на высокие показатели эффективности, такие панели обладают высокой стоимостью и при разрушении могут стать источником ядовитых веществ, что является преградой для их широкого распространения в быту и хозяйстве. И сам материал, и технологические особенности производства сами по себе очень затратные в финансовом плане, поэтому их стоимость сохраняется на высоком уровне. Поэтому такие панели не получили массового распространения.

Особенности

Солнечные панели на основе арсенида галлия имеют ряд важных преимуществ:

Высокая способность к поглощению энергии. Материал показывает высокую эффективность по поглощению солнечного света, в результате чего его можно применять, налаживая слоями всего в несколько микрон. Это позволяет получить значительное уменьшение толщины ячеек.

Ширина запрещенной зоны. Этот термин отображает область энергии, которой обладать электрон не может в нормальном состоянии, ее ширина представляет собой минимальный объем энергии, который требуется для перемещения электрона, чтобы тот участвовал в формировании самого фототока. У этого материала эти показатели практически идеальны и не достигаются с применением других материалов.

Очень хорошая устойчивость к воздействию радиации, именно поэтому данный тип батарей используется в космической сфере.

Небольшая чувствительность к нагреванию. Кремниевые панели при работе сильно нагреваются, что часто бывает проблемой и необходимо обеспечить отток тепла, для предотвращения нагревания панелей и выхода из строя батарей. Батареи на основе арсенида галлия практически не получают потери производительности при перегреве. Поэтому такие панели нуждаются в меньшем охлаждении.

В таких панелях можно менять рабочие характеристики. Добавлять различные примеси, такие как фосфор, мышьяк, алюминий. Эти вещества позволяют корректировать параметры арсенида галлия, такие как, к примеру, ширина запрещенной зоны или другие. Благодаря этому можно значительно расширить возможности заданные параметрами панелей.

Использование данного материала как основы для панелей позволяет разработчикам выполнить многослойные панели. Благодаря этому можно управлять процессом генерации носителей заряда.

Многослойные элементы.

Самая эффективная, но и дорогостоящая на сегодняшний день, это трехслойная система. Она состоит из таких элементов, как германий, арсенид галлия и фосфид индия-галлия. При этом все слои выполняют разную функцию по поглощению энергии, каждый слой поглощает свой спектр. Такой способ обеспечивает наиболее эффективное поглощение света панелями. Но процесс производства таких панелей очень сложен и дорогостоящий.

Удешевление технологии

Технологии производства таких панелей очень дорого стоят, но активно ведутся работы по удешевлению этой технологии, для того чтобы она стала более доступной для людей. Ученые из университета США продвинулись довольно далеко в этом плане, поэтому возможно в ближайшее время будет найдено решение этого вопроса.

Обычно используется довольно толстая пластина, но для эффективного поглощения необходим лишь тонкий слой, получается, что значительная часть материала расходуется попросту неэффективно. Ведутся активные работы, направленные на уменьшение рабочего слоя.

Ученые предлагают наращивать тонкий слой арсенид галлия на подложке из алюминия. Далее эту пленку отделять от подложки. В итоге получать тонкие пластины самого арсенид галлия, которые и использовать при производстве панелей.

konveyt.ru

Арсенид-галлиевые солнечные батареи

Арсенид-галлиевые солнечные батареи создавались с использованием арсенида галлия. Для того, чтобы получить материал, необходимо соединить мышьяк и галлий, разработаны как альтернативный вариант традиционным элементам с использованием кремния. Арсенид галлия, который входит в солнечные батареи, представляет собой полупроводник. Он имеет такие же свойства, которые имеет кремний. Но главное преимущество в его лучших «рабочих» качествах. Благодаря таким преимуществам солнечная батарея арсенид галлия имеет намного больше коэффициент полезного действия.

Особенности арсенид-галлиевыех солнечных батарей

Несмотря на огромные преимущества, арсенид галлия полупроводник используется не так часто. Одной из главных отраслях, где применяют такие устройства является космическая. Главный недостаток солнечной панели арсенид галлия – большая стоимость при производстве. Этот материал, а также процесс изготовления значительно дороже кремния и процесса изготовления продукции с его использованием. Галлий достаточно дефицитный материал, поэтому массовое использование его невозможно, несмотря на то, что коэффициент полезного действия арсенид-галлиевых солнечных батарей намного больше.

Арсенид-галлиевые солнечные батареи

Преимущества солнечной батареи из арсенид галлия

Фотоэлементы в арсенид-галлиевых солнечных панелей имеют некоторые значительные преимущества. Полупроводнику арсенида галлия достаточно слоя всего несколько микрон, чтобы достигать эффективных результатов, поскольку обладает высоким уровнем поглощения энергии. Такое тонкое покрытие способствует возможности уменьшить фотоячейки, не влияя на конечный результат.

Солнечная батарея арсенид галлия имеет высокую стойкость к радиации. Подходят для использования во многих направлениях, но учитывая дорогостоящее производство, применяются очень редко. Панели арсенид галлия отлично противостоят процессам нагревания. Они способны работать даже в условиях высоких температур и даже перегрева. Это означает, что они не нуждаются в большом количестве охлаждения.

Есть разработки по улучшению процесса изготовления панелей арсенид галлия, путем добавления различных примесей. Такой процесс позволяет значительно корректировать процесс производства, также можно расширять солнечные ячейки, в соответствии с измененными параметрами.

схема многослойных арсенид-галлиевых солнечных батарей В некоторых ситуациях возможно даже получить многослойные ячейки, изменять составы в слоях. В ходе этого процесса можно получить более точное управление генерацией носителей заряда. Кремниевые батареи такой возможности не имеют.

На данный момент есть возможность создавать даже структуру, состоящую из трех слоев. Каждый из трех слоев поглощает только определенные солнечные лучи. Таким образом, количество поглощенных лучей значительно больше, чем у других конструкциях. Поглощать многие виды солнечных лучей невозможно для однослойных батарей. Но изготовления таких доскональных структур очень дорого как в финансовом плане, так и в плане труда.

Удешевление технологии получения арсенид галлия полупроводника

На данный момент технология производства очень дорогая, но активно ведется поиск путей, которые помогут сделать производство более дешевым. Сейчас изучается возможность исключить из процесса производства самые дорогостоящие детали, но при этом такой подход не должен повлиять на коэффициент полезного действия. Предложено устанавливать более тонкие пластины, толщина которых не повлияет на конечный результат.

Рекомендуем прочесть:

www.solar-battery.com.ua

Солнечные батареи на арсениде галлия бьют рекорды эффективности

Прошлым летом американская компания Alta Devices анонсировала индивидуальные фотоэлектрические элементы, обладающие рекордной эффективностью (27,6% ) конверсии солнечной энергии в электричество. Теперь тот же производитель сообщил о рекорде для солнечной батареи «в сборе»: 23,5%. Достижение подтверждено Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (подразделение Минэнерго США). Естественно, заявления о рекордных цифрах относятся к коммерчески доступным продуктам.

Alta Devices производит батареи на основе галлий-арсенидных фотогальванических ячеек. Это куда более эффективный конверсионный материал, чем обычно использующийся не столь дорогой кремний (который в действительности весьма дорог, ведь смотря что с чем сравнивать: в каких-то случаях и кремний копеечным покажется). Для поддержания максимально низкой цены компания использует очень малое количество арсенида галлия, фабрикуя ультратонкие слои толщиной в один микрон.

Конечно, достижение впечатляет. Но, к сожалению, уже не раз можно было наблюдать, как чьи-то рекорды оборачивались полным забвением, так и не оказав никакого воздействия на рынок солнечной энергии. Тем не менее любой успех на пути повышения эффективности солнечных батарей является важным шагом к достижению солнечной энергетикой статуса настоящего конкурента ископаемым источникам. Теперь штукатурка стен приоретает интересное свойство, ведь использовать поверхность можно для установки солнечных панелей.

Впрочем, для пущего вдохновения Министерство энергетики уже сегодня ставит перед компаниями, которым оно оказывает финансовую поддержку, следующую задачу: к концу текущей декады довести цену солнечной энергии до 6 центов за киловатт-час. Это необходимо для того, чтобы наглядно продемонстрировать потребителю реальную выгодность установки дорогущей батареи. И выполнение этой задачи, при всём уважении к несомненным успехам Alta Devices, невозможно без качественных изменений в солнечной технологии, начиная с применения различных нано- и фотонных материалов и заканчивая солнечно-термальными технологиями. Квинтэссенцией своих усилий Минэнерго видит завоевание солнечной энергетикой рыночной доли в 15–18% к 2030 году.

Сегодня этот показатель сильно недотягивает даже до 1%.

{social}

ecoenergy.org.ua

Арсенид-галлиевые СБ.

Арсенид-галлиевые СБ значительно дороже кремниевых.

www.wewees.ru

Конструкции и материалы используемые в солнечных элементах

Конструкции и материалы солнечных батарей

Производство структур на основе монокристаллического кремния – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния a-Si:H, арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка – 16 %.

Арсенид галлия – один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей. Это объясняется следующими его особенностями:- почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ;- повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;- высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;- относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;-характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании солнечных элементов.

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе – широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный солнечный элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна. Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ). Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства. Один из основных способов получения CuInSe2 – электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH>>1,2–2,0.

Теллурид кадмия (CdTe) – еще один перспективный материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами. Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe – высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают высокой подвижностью носителей заряда, а солнечные элементы на их основе – высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

Энергия солнца, альтернативная энергия, солнечные батареи,солнечные коллекторы, конструкции солнечных батарей, солнечные элименты

Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, использующие органические материалы. Коэффициент полезного действия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, высок – ~11 %.

Основа солнечны элементов данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органического красителя. Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.

Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии