Инновации в разработке солнечных элементов



В данной статье производится обзор на возобновляемые источники энергии, а именно солнечную энергетику. Цель работы: ознакомиться со структурой солнечных элементов, произвести комплексный обзор материалов. Объектом являются солнечные батареи. В статье рассмотрены: история создания и развития солнечной энергетики, описана конструкция и структура солнечных батарей и принцип работы, затронута проблема солнечных элементов и рассмотрены пути её решения. В статье представлены современные разработки в области солнечной энергетики, а также рассмотрены реальные проекты на солнечных батареях.

Ключевые слова: электроэнергетика, экономика, энергосбережение и экология, солнечный элемент, солнечная электростанция, фотоэлектрический элемент, источники энергии, структура солнечных элементов, солнечные батареи

In this article the review on renewables, namely solar power engineering is made. The purpose of operation to get acquainted with structure of solar elements, to make the complex review of materials. An object are solar batteries. In article are considered: the history of creation and development of solar power engineering, is described construction and structure of solar batteries and the principle of operation, I will affect that problem of solar elements and ways of its decision are considered. In article the modern development in the field of solar power engineering are provided, and real projects on solar batteries are also considered.

Key words: energy, economy, energy and environment, solar cell, solar power station, photovoltaic cell, energy sources, structure of solar cells, solar panels.

Энергетика — это базовая отрасль экономики современного государства. В последнее десятилетие способы производства энергии в мире меняются в связи с соотношением используемых видов топлива. В структуре генерирующих мощностей электростанций России преобладают тепловые — 68,4 %, атомные — 10,6 % и гидравлические электростанции — 21 %, на возобновляемые источники энергии приходиться около — 0,9 % [1]. Россия, так же, как и страны мирового сообщества обеспокоена вопросами экологии и поэтому государство поддерживает технологии возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в особо благоприятных случаях такие источники рассматриваются как конкурентоспособный экономически выгодный ресурс, особенно в сфере автономного энергоснабжения, где находится более 70 % территории РФ. Например, труднодоступные регионы Крайнего Севера, Дальнего Востока и Сибири. В документе «Энергетическая стратегия России на период до 2035 года» третий раздел, посвящен развитию нетрадиционных источников энергии [2].

Теоретическая часть

История развития солнечной энергетики начинается в далёком 1839 году: Александр Эдмон Беккерель открыл фотоэлектрический эффект (преобразование энергии солнца в электричество) [3].

В 1888–1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов. В 1905 году Альберт Эйнштейн дал теоретическое объяснение всем 3-м законам фотоэффекта, за что в 1921 году он получил Нобелевскую премию [4]. В 1930-х годах физики СССР во главе с Абрамом Фёдоровичем Йоффе получили электрический ток, используя фотоэффект (на то время КПД не превышал 1 %) [5]. Уже 70-х годах КПД солнечных панелей был около 10 %, и они активнее начали использоваться на космических аппаратах, однако на Земле их использование было нерациональным, ввиду маленького (по сравнению с другими источниками энергии) КПД и дороговизны. Производство и продажа солнечных панелей была более-менее налажена лишь в начале 90-х годов. В 1991 году в США удалось создать более эффективные «ячейки Гретцеля» — фотоэлектрохимические ячейки, в которых используются фоточувствительные мезопористые (с размерами пор от 2 до 50 нм) оксидные полупроводники с широкой «запрещённой зоной» (область значений энергии, обладание которыми электроном в идеальном кристалле крайне маловероятно) [4]. Стоит отметить, что в середине 90-х годов КПД солнечной панели составлял примерно 15 %, а в начале 21 века его удалось поднять до 20 % [6, 7]. Принцип действия современных солнечных батарей сохранился, несмотря на многолетнюю историю их существования. Усовершенствованию подверглась лишь конструкция и материалы, используемые в производстве, благодаря которым производители постепенно увеличивают такой важный параметр, как коэффициент фотоэлектрического преобразования или КПД устройства. Стоит также сказать, что величина выходного тока и напряжения солнечной батареи напрямую зависит от уровня внешней освещенности, который воздействует на неё.

Рис. 1. Конструкция солнечной панели

На рис. 1 можно видеть, что верхний слой p-n перехода, который обладает избытком электронов, соединен с металлическими пластинами, выполняющими роль положительного электрода, пропускающими свет и придающими элементу дополнительную жесткость. Нижний слой в конструкции солнечной батареи имеет недостаток электронов и к нему приклеена сплошная металлическая пластина, выполняющая функцию отрицательного электрода [8]. На рис. 2 показан принцип работы солнечной батареи.

Рис. 2. Принцип работы солнечной батареи

Главная задача разработчиков солнечных панелей состоит в увеличении КПД солнечных панелей. КПД солнечных батарей зависит от различных типов полупроводниковых преобразователей. На рис. 3 представлен график эффективности полупроводниковых преобразователей. С каждым годом наблюдается рост КПД. Наибольшее значение КПД солнечных фотоэлементов было достигнуто для систем на основе материалов AIIIBV, в то время как для остальных полупроводников КПД в настоящее время не превышает 20–25 % [9].

Рис. 3. Изменение эффективности (КПД) различных типов полупроводниковых преобразователей солнечной энергии

На рис. 3: 1 — кристаллический Si, 2 — аморфный Si, 3 — AIIIBV СФЭ (включая тандемные), 4 — СФЭ CIS (CdInSe), 5 — ячейки Гретцеля, 6 — органические СФЭ. Наиболее распространённые виды СЭ на основе кремния имеют КПД 18–23 % и ведутся разработки по его повышению за счёт различных материалов и конструктивных решений.

Кристаллический кремний. Монокристаллические кремниевые СЭ (c-Si-СЭ) изготавливают из пластин толщиной 300 мкм путем их легирования, создания омических контактов (сплошного тыльного и решеточного лицевого) и текстурирования для придания антиотражающих свойств. Существует несколько типов конструкции монокристаллических и тонкопленочных солнечных элементов (СЭ), отличающихся способом формирования, структурой и расположением контактов (рис. 4) [10, 11].

Рис. 4. Различные типы c-Si-СЭ

На рис. 4 представлены различные типы c-Si-СЭ: а — простой p-n-переход; b — металл-изолятор-n-p-структура (MINP); c — СЭ с пассивированным эмиттером (PESC); d — двухлицевой СЭ; e — структура с односторонним встроенным контактом (SSBS); f — структура с двухсторонним встроенным контактом (DSBS); g — структура с пассивированным эмиттером и локально-диффузионным тыльным контактом (PERL). По состоянию на 2015 г. выпуском СЭ на основе cSi занимался ряд фирм, среди которых «Siemens Solar», «Astropower», «Solec», «BP Solarex», «Sharp» — c общей мощностью производства 60 МВт при средней эффективности элементов до 23 % (рекордная эффективность составляет 25,6 %) и модулей 10–15 % [12]. С целью лучшего использования материала активно разрабатываются СЭ с поглотителем на основе тонкопленочного кремния (tf-Si-СЭ), наносимого методом CVD (химическое осаждение из газовой фазы) на подложки различных типов (кремний, сталь, SiO2 и другие). Однако в силу малого коэффициента поглощения Si пленки должны иметь значительную толщину (до 50 мкм). При этом уменьшение толщины поглощающей пленки отражается на КПД СЭ [10, 11]. Существует несколько типов конструкции для СЭ на основе тонкопленочного кремния, основные из них представлены на рисунке 5.

Рис. 5. Структура основных типов тонкопленочных кремниевых СЭ

Структура основных типов тонкоплёночных кремневых СЭ а — СЭ с пассивированным эмиттером и микроканавками; b — СЭ на пленочном TM кремнии; c — межконтактный СЭ на пленочном TM кремнии; d — СЭ на тонкопленочном TM кремнии; e — тонкопленочный многослойный СЭ с опрокинуто пирамидальной поверхностью и пассивированным эмиттером. Тонкопленочные СЭ на основе аморфного кремния. Оптимальным аморфным материалом для использования в качестве поглотителя является a-Si (аморфный кремний). Аморфный гидрогенизированный кремний (a-Si:H) является основой аморфных СЭ. Иногда помимо водорода используются также добавки германия (a-SiGe:H). В качестве рабочего перехода для a-Si СЭ могут использоваться: барьер Шоттки, МОП-структура, p-i-n-структура. На рис. 6 показаны различные варианты конструкции таких СЭ. a-Si-СЭ с p-i-n-структурой применяются в самых различных областях. Возможно их изготовление на металлической фольге, например, из нержавеющей стали, и полимерных пленках, снабженных металлическим покрытием. Использование таких подложек совместимо с технологией массового производства гибких СЭ. Поэтому СЭ данного типа относятся к наиболее перспективным преобразователям солнечной энергии [13].

Рис. 6. СЭ на основе аморфного кремния

Солнечные элементы на основе аморфного кремния: а — барьер Шоттки; b — МДП (MUS) — структура; c — р-i-n-структура; d — р-i-n-структура с буферным слоем (однопереходный элемент); e — трехпереходный элемент (3 p-i-n-структуры с последовательным соединением). В целом a-Si является достаточно перспективным материалом для СЭ с относительно высоким КПД, низкой себестоимостью и малым расходом материала за счет значительно меньшей толщины поглощающего слоя, чем у остальных СЭ на основе кремния.

GaAs, GaAlAs, GaInAsP, InAs, InSb, InP, привлекательны для создания СЭ. Единственным ограничением их применения в качестве поглотителя является высокая себестоимость. На основе этого класса материалов формируют как однопереходные, так и многопереходные СЭ (рис. 7). Поглощающие слои АIIIBV обычно выращивают химическим осаждением металлоорганических паров (MOCVD), обеспечивающим хорошую управляемость и воспроизводимость для производства высокоэффективных СЭ большой площади. Предпринимаются попытки нанесения пленок АIIIBV методом эпитаксии молекулярных пучков (MBE) [14].

Рис. 7. Типы конструкций СЭ на основе АIIIBV — полупроводников

Типы конструкций СЭ на основе АIIIBV — полупроводников: а — с одним p-n-переходом; b — двухпереходный с двумя выводами; c — двухпереходный с тремя выводами; d — двухпереходный с четырьмя выводами; e — гетерогенный с GaAs/GaInP-переходом. Несмотря на достаточно высокий КПД, АIIIBV-СЭ не нашли широкого применения в наземных условиях, так как они не выдерживают конкуренции с кристаллическими и аморфными кремниевыми СЭ из-за высокой цены.

Исследование CdTe с позиций его дальнейшего использования в фотовольтаике началось с 60-х годов ХХ-го века. Наилучшими с точки зрения дальнейшего использования и усовершенствования оказались СЭ n-CdS/p-CdTe (рис. 8) [14].

Рис. 8. Структура тонкопленочных CdTe-СЭ с гетеропереходом CdS/CdTe

CdTe-СЭ достаточно перспективны, имеют широкие возможности для усовершенствования и оптимизации технологии производства и, следовательно, для снижения себестоимости [15, 16]. Это выгодно отличает их от СЭ на основе a-Si, c-Si и АIIIBV-полупроводников. Однако в производстве CdTe СЭ задействованы Cd и Te, являющиеся токсичными элементами, что затрудняет внедрение CdTe-СЭ. В будущем мировое сообщество планирует отказаться от использования Cd в промышленности. Поэтому при выборе CdTe в качестве поглощающего материала возникает проблема утилизации отработавших СЭ. Последнее приводит к увеличению себестоимости CdTe-СЭ [16]. Подложка необходима для придания механической прочности СЭ. Основным материалом подложки для тонкопленочных СЭ является оксидное неорганическое стекло, которое по типу стеклообразующего оксида может быть боратным, фосфатным, германатным и т. д. Стекло отличается малой прочностью при растяжении и достаточно большой прочностью на сжатие. Его механическая прочность повышается при увеличении содержания оксида кремния, оксидов кальция, бария, бора и уменьшается при увеличении содержания оксидов свинца, натрия и калия. Влияние на КПД СЭ со стороны подложки оказывают примеси щелочных металлов, содержащихся в стекле, особенно натрий [11, 14]. Вместо стекла в качестве подложки СЭ возможно применение ряда различных материалов, таких как кремний, германий, оксиды титана, магния, бериллия, алюминия, фарфор, стеклокерамика, титановая керамика и другие [17–18]. Тыльный контакт для СЭ на основе CIS или родственных материалов традиционно представляет собой тонкий (0,5 мкм) слой Mo, нанесенный ионноплазменным напылением. Обычно Mo наносят в два слоя: нижний слой толщиной около 0,1 мкм с повышенным удельным сопротивлением (≈ 60 мкОм/см) и хорошей адгезией к стеклу и верхний слой с низким удельным сопротивлением (≈ 10 мкОм/см) [19]. Технология нанесения Mo достаточно хорошо отработана. Поэтому значительное улучшение параметров СЭ со стороны тыльного контакта может быть достигнуто только за счет исследования новых материалов с хорошим омическим контактом к поглощающему слою [18]. Использование солнечных панелей на крыше здания не всегда вписывается в его архитектурный образ. Компания Tegolasolare первая в мире создала черепицу со встроенными солнечными батареями. В черепицу встраиваются фотоэлектрические модули, а каждая секция этой крыши содержит фотоэлектрическую солнечную батарею [20]. Она выглядит весьма современно, практично и красиво. (Рис. 9)

Рис. 9. Солнечная черепица

Буквально три года назад на рынке солнечных технологий появилась новая разработка американских конструкторов из «Pythagorus Solar Windows». Суть инновации в том, чтобы использовать оконное стекло в качестве панели, добывающей солнечную энергию. Подобные панели по полной используют в высотках европейских городов. Это позволяет существенно экономить электроэнергию. Технология солнечных окон представляет собой использование фотоэлементов в виде кремниевых полос, встроенных между стеклами. Помимо того, что окна будут вырабатывать дополнительную электроэнергию, в дополнение окно будет защищать комнату от перегрева, задерживая солнечный свет. Внешне солнечные окна похожи на привычные жалюзи [21]. (Рис. 10)

Рис. 10. Солнечное окно

В России, так же как и в других странах имеются действующие промышленные объекты солнечной энергетики. Самым крупным промышленным из них в настоящий момент является введенная в 2010 году солнечная электростанция в Белгородской области мощностью 100 кВт. Среди недостатков солнечной энергетики специалисты отмечают сильную зависимость выработки энергии от погодных условий, сезона, времени суток и дороговизна оборудования и установки.

Рис. 11. Ресурсы возобновляемой энергетики России

Как видно из рис. 11 у солнечной энергии в России неплохие показатели [22]. Вопрос состоит в том, как правильно развивать солнечную энергетику в условиях территориального климата страны. В России развитие солнечной генерации происходит медленно [23,24]. Основную долю в энергобалансе страны занимают нефть, уголь и газ. Тем не менее, по прогнозу Международного энергетического агентства, доля углеводородного сырья в РФ постепенно снижается, и к 2040 году достигнет 66 %, уступив место альтернативным источникам энергии [25]. Сегодня доля солнечной генерации в энергобалансе страны составляет всего 0,001 %. В сравнении со значением энергобаланса мировой энергетики этот процент довольно мал. Например, Германия имеет самую высокую долю солнечной энергии (21,58 %) в энергетическом балансе, что в несколько десятков тысяч раз превышает российский показатель [26]. Наиболее развитыми регионами нашей страны в отрасли солнечной генерации можно назвать Республику Алтай, Краснодарскую и Белгородскую области [27]. Самая крупная на сегодняшний день отечественная станция мощностью 5 МВт была запущена в 2014 году в Республике Алтай — Кош-Агачская СЭС. Не уступают ей и крымские СЭС. В связи с геополитическими проблемами и отсутствием необходимой инфраструктуры Крымский полуостров вынужден опираться на альтернативные источники энергии. «Перово» — самая крупная солнечная электростанция Крыма мощностью 105 МВт [27].

Рис. 12. Солнечная электростанция в Крыму

«Солнечная энергетика стоит того, чтобы получить государственную поддержку, материальную и законодательную» — этой главной мысли было посвящено совещание Межфракционного депутатского объединения «Наука и высокие технологии», прошедшее в стенах Государственной Думы и посвященное теме «Законодательное обеспечение развития фотоэнергетики России». Совещание провел академик Жорес Алферов, вице-президент Российской академии наук, лауреат Нобелевской премии.

Заключение

Подводя итоги статьи, хотелось бы отметить, что наиболее распространённые виды СЭ на основе кремния имеют КПД 18–23 % и ведутся разработки по его повышению за счёт различных материалов и конструктивных решений с использованием GaAs, GaAlAs, GaInAsP, InAs, InSb, InP, а также использования оксидного неорганического стекла в качестве подложки тонкокопленочного СЭ. Наиболее перспективными преобразователями солнечной энергии являются тонкопленочные СЭ на основе аморфного кремния. Их изготавливают на металлической фольге, например, из нержавеющей стали, и полимерных пленках, снабженных металлическим покрытием. Поэтому использование таких подложек совместимо с технологией массового производства гибких СЭ. Новейшие конструкции, такие как солнечная черепица и солнечное окно, позволяют не только пользоваться доступной электроэнергией, но и лаконично встроить солнечные панели в дизайн фасадов. Все разработки учёных ведут к бурному развитию солнечной энергетики в мире, а также доступности применения солнечных батарей в быту каждому человек.

Литература:

1. Министерство энергетики РФ //. URL: (дата обращения: 3.04.2017).
2. Энергетическая стратегия России на период до 2035 года // Официальный сайт Министерства энергетики Российской Федерации. Раздел № 3. URL: https://minenergo.gov.ru/node/1920 (дата обращения: 3.04.2017).
3. Акимов И. А. // Фотоэффект. URL: https://ency.info/materiya-i-dvigenie/fotometriya/388-fotoeffekt (дата обращения: 3.04.2017).
4. Иоффе А. Ф. // Фотоэффект. URL: https://ency.info/materiya-i-dvigenie/fotometriya/388-fotoeffekt (дата обращения: 3.04.2017).
5. Центр исследований энергетики // Возобновляемые источники энергии. URL: https://solnce-generator.ru/vozobnovljaemye-istochniki-ehnergii-solnechnaja-ehnergija (дата обращения: 5.04.2017).
6. Энергоэффективность и энергоснабжение. // История создания солнечных батарей. URL: https://energosberejenie.org/stati/istoriya-sozdaniya-solnechnykh-batarej (дата обращения: 5.04.2017).
7. Powered //. URL: https://alternativnaya-energetika.ru/solnechnye-batarei (дата обращения: 5.04.2017).
8. Принцип работы и устройство солнечной батареи //. URL: www.sun-batery.biz/stat/princip_raboty_i_ustrijstvo_solnechnoj_batarei.php (дата обращения: 5.04.2017).
9. Паращук Д. Ю., Кокорин А. И. Современные фотоэлектрические и фотохимические методы преобразования солнечной энергии //. — 2008. — № 6. — С.
10. Green M. A. Crystalline and thin film silicon solar cells: state of the art and future potential // Solar Energy. — 2003. — № 74. — С. 181–198.
11. Kazmerski L. L. Photovoltaics: A review of cell and module technologies // Renewable and Sustainable Energy Reviews. — 1997. — № 1. — С. 71–170.
12. Green M. A. et al. Solar cell efficiency tables // Prog. Photovolt.: Res. and Appl. — 2015. — №. — С..
13. Meier J. Potential of amorphous and microcrystalline silicon solar cells // Thin Solid Films. — 2004. — №. — С. 518–524.
14. Фонаш C. и др. Современные проблемы полупроводниковой фотоэнергетики. —: Мир, 1988. — с.
15. Tiwari A. N. et al. CdTe solar cell in a novel configuration // Prog. Photovolt.: Res. and Appl. — 2004. — № 12. — С. 33–38.
16. Morales-Acevedo A. Thin film CdS/CdTe solar cells: Research perspectives // Solar Energy. 2006. № 6. С 675–681.
17. Luque, S. Hegedus. John Wiley & Sons. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. 2003. 1168 с.
18. Майселл Л., Глэнг Р. Советское радио // Технология тонких пленок: справочник: в 2 т. М. справочник: в 2 т. Москва: справочник: в 2 т, 1977.
19. Rau U., Schock H. W. Electronic properties of Cu (In,Ga)Se2 heterojunction solar cells — recent achievements, current understanding and future challenges // Materials Science & Processing. 1999. С. 131–147.
20. Солнечные батареи в виде черепицы //. URL: https://t193.yaprofy.ru (дата обращения: 3.05.2017).
21. Солнечные батареи: описание различных видов и материалов нового поколения //. URL: https://teplo.guru/eko/solnechnyie-batarei-novogo-pokoleniya.html (дата обращения: 3.05.2017).
22. Центр стратегических коммуникаций, МЭИ Альтернативное энергоснабжение сельских поселений в режиме распределенной генерации //. URL: https://www.energy-fresh.ru/analitics/?id=9674 (дата обращения: 3.05.2017).
23. Лучков Б. Солнечный дом — солнечный город. // Наука и жизнь.. — 2016. — № 11.
24. Кто тормозит развитие солнечной энергетики в России // Газета.RU. URL: https://www.gazeta.ru/business/2016/06/25/8326097.shtml (дата обращения: 3.05.2017).
25. Международное энергетическое агентство. URL: https://www.iea.org (дата обращения: 3.05.2017).
26. Германия поставила рекорд по солнечной энергии: 22 ГВтч //. URL: https://geektimes.ru/post/144636/ (дата обращения: 3.05.2017).