ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ НЕТРАДИЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

Тема 4

Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии

Альпийская гостиница с солнечными батареями, обеспечивающими примерно 30% ее энергопотребления.       Первый солнечный элемент был создан Чапеном, Фуллером и Пирсоном в 1954 году на основе диффузионного p-n перехода в кристалле кремния. Впоследствии Рейнольдс и другие разработали солнечный элемент на основе сульфиде кадмия. Затем солнечные элементы были созданы на многих других полупроводниковых материалов с использованием различных конструкций и различных технологий.
     В настоящее время источники питания на основе полупроводниковых преобразователей солнечной энергии прочно заняли свое место в космических аппаратах, где их мощность достигает нескольких десятков кВт.
     Полупроводниковые солнечные панели широко применяются для обеспечения электроэнергией удаленных объектов, расположенных в труднодоступной местности. На их основе в последнее время начали создаваться солнечные электростанции, работающие параллельно с тепловыми электростанциями, например на газе или мазуте. Это дает значительную экономию топлива и улучшают экологическую обстановку вокруг станций, поскольку в солнечные дни снижается сжигание топлива.

Солнечная электростанция в Калифорнии. Снимок сделан в 1980 г. Б.И. Казанжаном

 Солнечная электростанция в Калифорнии. Снимок сделан в 1980 г. Б.И. Казанжаном

В настоящее время перед разработчиками полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей стоят следующие основные задачи:

-        снижение стоимости солнечных элементов и панелей;

-        увеличение мощности солнечных элементов и панелей;

-        повышение эффективности;

-        увеличение срока службы и надежности.

     До сих пор наиболее распространены для земных применений кремниевые элементы, изготавливаемые на основе кристаллического, поликристаллического и аморфного материала. Для космических применений предпочтение отдается более дорогим, но и более эффективным и термостойким солнечным элементам на основе арсенида галлия.
     В таблице приведены параметры типичных солнечных элементов, изготовленных из монокристаллов на основе Si и GaAs при освещенности АМ0 (в расчете на 1 см2).

Параметры СЭ Si GaAs
Ток короткого замыкания, мА/см2 40-50 20-30
Напряжение холостого хода, В 0,5-0,6 0,6-0,7
Коэффициент заполнения 0,7-0,8 0,8
КПД 15%-20% 20%-25%

Образец переносной солнечной батареи, изготовленной из поликристаллического кремния. Фото И.И. Тюхова     Стремление снизить стоимость солнечных элементов и увеличить их площадь привело к тому, что в последнее время все шире начали использоваться поликристаллические кремниевые элементы, а так же тонкопленочные солнечные элементы на основе аморфного кремния. Примерно одна треть всех кремниевых элементов в настоящее время изготавливается на основе поликристаллического и аморфного материалов, и их доля продолжает увеличиваться. К недостаткам СЭ на основе некристаллических материалов следует отнести меньший КПД, чем у кристаллических, однако этот недостаток компенсируется большей площадью элементов, при этом стоимость установочной мощности, в конечном счете, для некристаллических элементов оказывается ниже.


 

 Работа над темой