ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ НЕТРАДИЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

НОВЫЕ ПОКОЛЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

     Для того чтобы солнечная энергетика стала конкурентоспособной с традиционной, использующей биотопливо, необходимо, чтобы солнечные панели превзошли предел в 32% установленный для однокаскадных СЭ. В настоящее время лучшие СЭ с одним переходом достигают кпд 20–25%. Новые концепции собирания фотонов и преобразования их энергии без потерь на термализацию принципиально позволяют достигнуть эффективности более 50%.
     Совершенные технологии преобразования энергии оперируют вблизи максимума термодинамической эффективности. Для солнечной энергетики этот предел находится между 66% и 87%, в зависимости от концентрации и спектрального состава излучения. Задача, стоящая пред разработчиками современных преобразователей солнечной энергии - достичь этого предела при обеспечении низких технологических затрат. Традиционные СЭ за последние 50 лет значительно улучшили параметры, и их эффективность составляет примерно 3/4 от 32% (предел Shockley-Queisser). Разработка новых технологий, процессов и материалов, позволяющих фотоэлектрическим преобразователям значительно превзойти этот предел - актуальная задача разработчиков.
     Вероятность решить эту задачу значительно увеличилась в последние годы благодаря достижениям теоретической физики и материаловедения и благодаря появлению новых концепций, связанных с малоразмерными структурами. Report on the Basic Energy Sciences Workshop
on Solar Energy Utilization. Chmn. S. LewisК новым концепциям следует отнести тандемные переходы, сдвиг оптического спектра, многократную электрон/экситонную генерацию, солнечные элементы на горячих носителях. Правый рисунок демонстрирует основные тенденции в области повышения эффективности солнечных преобразователей и барьер, который предстоит взять разработчикам в ближайшие годы.
СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК
     Среди современных коммерческих применений доминируют, в основном солнечные батарей "первого поколения" созданные либо на базе монокристаллов кремния (подобно микросхемам) либо на основе поликристаллических пластин. Стремление создать эффективные дешевые солнечные элементы стимулировало разработку принципиально новых идей в области конструирования и технологии солнечных элементов.
На левом рисунке показана концептуальная конструкция двухкаскадного солнечного элемента на базе кремниевых квантовых точек (КТ), находящихся в другом кремний содержащем материале. Если плотность КТ высока, то их волновые функции перекрываются, что приводит к появлению сверхрешетки (СР) и росту энергии зон. Одна из основных задач при создании СЭ этого типа заключается в обеспечении высокой подвижности фотоносителей и соответственно больших значений фототока. Для решения этой задачи используются КТ в СР. Управление транспортными свойствами в таких структурах осуществляется за счет изменения расстояний, разделяющих КТ или СР. Другая задача заключается в создании барьера, в котором имеет место разделение носителей заряда. Эта задача решается с помощью создания pn или pin переходов c КТ

Транспортные свойства материала такого типа зависят от свойств матрицы, в которую внедрены КТ. На правом рисунке показаны барьеры, возникающие в различных кремний содержащих матрицах.
Как видно из рисунка, различные материалы создают барьеры различной высоты между кремниевой КТ и матрицей. Вероятность тунелирования носителя сильно зависит от высоты и ширины барьера между КТ и матрицей. Si3N4 и SiC имеют меньшие барьеры, чем SiO22.

 

 

 

Эта формула показывает влияние высоты и ширины барьера на его прозрачность (вероятность тунелирования через него). В формуле m* - эффективная масса носителя в разрешенной зоне, ΔE разность энергий между зоной, в которой находятся свободные носители и первой минизоной суперрешетки из квантовых точек. На нижнем рисунке показаны фотографии, полученные с помощью электронного микроскопа при низком (120 кВ) и высоком разрешении (300 кВ).