Солнечная фотовольтаика. Основные принципы работы кремниевых солнечных ячеек
Каталог первых двух разделов
Раздел 3. Солнечная фотовольтаика
1. Введение
2. Понятие «фотовольтаика»
Этот пост может быть немного скучным, но без него не понять фотовольтаику.
3. Кремниевые солнечные ячейки: основные принципы
3.1. Полупроводники и донаторы/катализаторы
Ячейки солнечных батарей состоят, по сути, из двух тонких соединенных между собой слоев разнородных полу-проводниковых материалов, известных соответственно как 'p' (положительный)-тип полупроводников, и 'n' (отрицательный)-тип полупроводников. Эти полупроводники обычно делают из кремния, если несколько упростить.
Существует единое международное соглашение, по которому солнечные ячейки и модули должны проходить единые стандартные испытания. По существу, необходимо проверить два параметра: температура ячейки или модуля должна быть не более 25°C, а солнечный радиационный показатель ячейки должен иметь энергетическую плотность 1000 Вт/м2 со спектральным энергетическим распределением, известным как «воздушный массовый показатель 1,5» (AM-1,5).
Теперь терминологии, которая будет использована дальше по тексту. Спектральное энергетическое распределение описывает закономерность изменения мощности солнечного излучения в зависимости от спектра и длины волны.
Понятие «воздушная масса» описывает путь, по которому идет спектральное энергетическое распределение излучения от Солнца. Оно определяется расстоянием, которое проходят лучи Солнца, пока они достигнут атмосферы, согласно наблюдениям наблюдателя солнечного энергетического модуля.
За пределами атмосферы Земли излучение Солнца имеет энергетическую плотность приблизительно 1365 Вт•м-2. Характеристика спектрального энергетического распределения солнечного излучения, определенное перед входом в атмосферу, называется распределение «воздушной массы 0» (AM-0).
У поверхности Земли газы, которые составляют атмосферу (кислород, азот, озон, водный пар, углекислота и т.п.), смягчают солнечное излучение в интервале различных длин волн. Это ослабление пропорционально расстоянию, которые проходят лучи Солнца при путешествии через атмосферу.
Когда Солнце находится в зените, расстояние, по которому лучи Солнца проходят через атмосферу к солнечному модулю, минимально. Характерное спектральное энергетическое распределение солнечного излучения, которое наблюдается при этом, известно, как распределение «воздушной массы 1» (АМ-1).
Когда Солнце находится под определенным углом и к зениту (наблюдатель при этом на уровне моря), «воздушная масса» определяется как соотношение длины пути лучей Солнца при этой широте к длине пути, который Солнце проходит, находясь в зените. Согласно простой тригонометрии (смотри рисунок 1), это соотношение равно:
Рисунок 1. «Воздушная масса» - соотношение длин путей лучей Солнца через атмосферу, когда Солнце находится под углом (Θ) к зениту, к длине пути, который проходят лучи Солнца до поверхности Земли, находясь в зените.
Например, распределение «воздушных масс» равно 1,5, согласно данным стандартных испытаний, что соответствует спектральному энергетическому распределению, наблюдаемому при излучении Солнца под углом 48° (cos 48° = 0,67, обратная величина составляет 1,5).
Приблизительные спектральные энергетические распределения для «воздушной массы» 0 и 1,5 показаны на рис. 2. На практике энергетический рейтинг в пиковых ваттах (Втп) солнечной ячейки или модуля определяют, измеряя максимальную мощность от установленных ламп, которые воспроизводят спектральное распределение AM-1,5 с полной энергетической плотностью 1000 Вт∙м-2.
Рисунок 2. Спектральное энергетическое распределение солнечной радиации, соответствующей «воздушной массе» 0 и «воздушной массе» 1,5.
На рисунке зеленая линия - теоретическое спектральное энергетическое распределение, которое было бы в пространстве, если бы Солнце было абсолютным излучателем («черное тело») с температурой 6 000°C. Рассмотрены только сделанные из кремния полупроводники, хотя, как мы увидим позже, ячейки солнечных батарей могут быть сделаны из других материалов.
Полупроводники n-типа сделаны из кристаллического кремния с небольшими добавками (обычно, фосфора) таким образом, чтобы материал обладал излишком свободных электронов. Электроны - частицы с отрицательным электрическим зарядом, поэтому кремний с такими добавками называют полупроводник отрицательного n-типа.
Полупроводники р-типа сделаны также из кристаллического кремния с небольшими добавками (обычно, бора), что приводит к дефициту свободных электронов. Эти не-достающие электроны обычно называют «дырами». В результате как бы не хватает электронов, поэтому дыры можно рассматривать, как эквивалент положительно заряженных частиц, и такой кремний называют полупроводник положительного р-типа.
3.2. p-n переход
Используя такие материалы для полупроводников, мы можем создать так называемый p-n переход. Они создают единое электрическое поле в зоне перехода. Такое электрическое поле, называемое электростатическим полем, может быть создано, если, например, потереть пластмассовую гребенку о свитер. Это поле заставит отрицательно заряженные частицы двигаться в одном направлении, а положительно заряженные - в обратном. Однако, p-n переход на практике не является простой механической структурой: характеристики изменяются от 'p' к 'n' постепенно, не резко.
3.3. Фотоэлектрический эффект
Проанализируем, что происходит, когда солнечный свет попадает на ячейку с материалом, имеющим p-n переход. Солнечный свет может быть представлен, как поток крошечных частиц энергии - фотонов. Если фотоны света имеют определенную длину волны, которая соответствует p-n переходу, они передают свою энергию некоторым электронам полупроводника, как бы повышая их энергетический уровень. Обычно материалы как бы удерживают, связывают эти электроны в соответствии с валентностью прилегающих атомов, и не могут двигаться. Однако, в возбужденном состоянии (с добавленной энергией) электроны создают свободный поток - ток, который движется по материалу. При движении электроны «забивают» р-дыры в материале, которые, в свою очередь, тоже движутся. Для лучшего представления процесса, можно провести аналогию с автомобильной парковкой, рис. 3:
Рисунок 3. Автомобильная парковка аналогична процессу проводимости в полупроводнике:
(a) - нижний этаж автомобильной парковки полон, поэтому стоящие там автомобили двигаться не могут (представление электронов в группе валентности). Но при этом «второй этаж» пустой.
(b) «автомобиль» (электрон) движется по второму этажу (представление проводимости), он может двигаться, т.к. вокруг свободно. Это аналогично «электронной дыре», которая также позволяет двигаться «автомобилям» на первом этаже (группа валентности).
Когда p-n переход сформирован, некоторые электроны, находящиеся в непосредственной близости к переходу, привлекаются от n-стороны, чтобы объединиться с дырами на соседней p-стороне. В то же время дыры p-стороны, находящиеся возле перехода, привлекаются для объединения с электронами на соседней n-стороне.
Общий эффект от этого заключается в том, что вокруг перехода с n-стороны создается область менее отрицательно заряженная, чем могла бы быть, а с р-стороны - более отрицательно заряженная, чем можно было бы предположить. В результате это означает, что в районе перехода устанавливается обратное электрическое поле: отрицательное на р-стороне и положительное - на n-стороне. Область вокруг перехода также истощена на носители (электроны и дыры) и называется областью истощения.
Когда электрон в области перехода энергетически активизируется падающим на него фотоном, он переходит в группу проводимости и освобождает место в группе валентности. При этом создается пара из двух носителей (пара «электрон - дыра»). Под влиянием обратного электрического поля, созданного вокруг перехода, электроны будут стремиться переместиться в n-область, а дыры - в p-область. Этот процесс может быть объяснен в терминах уровней энергии в материале, рис. 4:
Рисунок 4. Энергетические группы в полупроводнике
(a) Энергетические группы в нормальном («обычном») полупроводнике;
(b) - Электрон может быть «продвинут» в группу проводимости, в случае поглощения им энергии света (или тепла), «забивая» дыру в группе валентности;
(c) - Когда полупроводники n-типа и p-типа комбинируются в p-n переход, их суммарная энергия создает новое распределение и создается суммарное электрическое поле;
(d) в p-n переходе, фотоны света могут возбудить электроны, что переведет их из группы валентности в группу проводимости. Электроны как бы перекатываются из n-области в область дыр p-области.
Электроны, простимулированные поступающими фотонами, переходят в группу проводимости, «скатываются вниз» под влиянием электрического поля в n-область перехода; дыры же могут «всплывать вверх» под влиянием поля, в p-область перехода.
Поток электронов в n-область является электрическим током. Если для протекания тока есть замкнутый контур, движущиеся электроны, в конце концов, соберутся возле одного из металлических контактов вверху ячейки. Дыры, тем временем, движутся в противоположном направлении через материал, пока они не достигнут другого металлического контакта внизу ячейки, где они заполнятся электронами, приходящими от другой половины замкнутой цепи.
Для того, чтобы вырабатывать энергию, солнечная энергетическая ячейка должна вырабатывать напряжение, также как и ток, созданный потоком электронов. В результате это напряжение будет поддерживаться внутренним электрическим полем, созданном в p-n переходе. Обычно одна кристаллическая кремниевая солнечная энергетическая ячейка вырабатывает напряжение около 0,5 В и создает ток около 3 А, т.е. обеспечивает пиковую мощность около 1,5 Вт. (В зависимости от технологии производства, некоторые солнечные энергетические ячейки вырабатывают большую или меньшую мощность).
3.4. Эффективность ленточных соединений (полос) и отдельных солнечных энергетических ячеек
Согласно квантовой теории, количество энергии, которую получает каждый электрон, переводит электрон с одного уровня на какой-то конкретный уровень или в «группу».
Электроны, которые в материале в обычном состоянии в атомах находятся вместе (распределены между соседними атомами), физики описывают, как электроны, расположенные на низких уровнях и определяют группу валентности. При определенных условиях некоторые электроны могут переходить на более высокие энергетические уровни, известные, как уровни проводимости, в результате чего они могут перемещаться по материалу и поэтому проводят электричество (см. рис. 4. Это так называемая энергетический промежуток или полоса между энергетическими уровнями, величина которых изменяется от материала к материалу, и которая измеряется в электрон-вольтах (эВ) - очень малая величина энергии.
Металлы, которые хорошо проводят электрический ток, имеют много электронов в группе проводимости. Изоляторы, которые вообще едва проводят электрический ток, фактически не имеют никаких электронов в группе проводимости. Чистые (или «естественные») полупроводники имеют некоторые электроны в группе проводимости, но их не так много, как в металле. Но в чистых полупроводниках за счет очень незначительных определенных добавок можно значительно улучшить проводимость.
Если присутствует явление добавки энергии фотона к электрону полупроводника р-типа, установленного в солнечной энергетической ячейке, это переведет электрон из группы валентности в группу проводимости, то эта энергия должна быть не меньше «ширины» энергетической полосы (зоны). Фотоны, у которых энергия менее, чем величина энергетического промежутка, не дают возможности электронам валентности перейти в группу проводимости, и просто рассеиваются. Фотоны с энергией, значительно большей, чем энергетический промежуток, поглощаются электронами и позволяют им перейти в группу проводимости, но остальная, дополнительная, энергия рассеивается, как тепло. Эта энергия рассеяния - одна из причин, почему в солнечных энергетических ячейках не может быть полного, 100 % превращения солнечного излучения в электроэнергию. (Есть и другая причина, почему не вся энергия фотонов поглощается ячейкой: небольшая часть энергии отражается).
Т.к. энергия фотона прямо пропорциональна частоте его светового потока, фотоны, связанные с более короткими световыми волнами вблизи видимого голубого спектра (т.е. с более высокой частотой), обладают большей энергией, чем волны большей длины, красного спектра видимого света. Спектральное распределение солнечного света изменяется в значительной степени в соответствии с погодными условиями и высотой нахождения Солнца на небосводе.
Для максимальной эффективности преобразования света в электроэнергию, действительно важно, чтобы поступающая энергия соответствовала ширине энергетической полосы материала, используемого для солнечной ячейки. Например, если большинство энергии в поступающем солнечном спектре находится в желто-зеленом диапазоне (передается фотонам с энергией около 1,5 эВ), то полупроводник с шириной энергетической полосы около 1,5 эВ будет наиболее эффективным. В общем, материалы полупроводника с ширины энергетической полосы от 1,0 до 1,5 эВ наиболее перспективны для использования солнечной ячейки. У кремния ширина энергетической полосы равна 1,1 эВ.
Максимальная теоретическая эффективность преобразования, которая может быть достигнута в солнечной ячейке кремния за один переход, по расчетам составляет около 30%, если все излучение будет направлено для преобразования в «ловушку», которая сможет гарантировать практически полное поглощение фотонов. Однако, ячейки мульти-перехода проектировались так, чтобы при каждом переходе поглощалась вся, даже случайная часть солнечного спектра. Теоретически, такие ячейки должны иметь наивысшую возможную эффективность, достигающую 66% за бесконечного большой ряд переходов - однако пока еще достигнутая эффективность в ячейках с мульти-переходом на практике оказалась намного ниже.
В следующем посте рассмотрим ячейки из монокристаллического и поликристаллического кремния.
.