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].

Источник

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.

Источник

Солнечные батареи. Создание производства солнечных батарей для космических аппаратов

Космические каскады. Трехкаскадные арсенид-галиевые фотоэлектрические преобразователи

В космических аппаратах применяют два вида солнечных батарей – кремниевые и арсенид-галлиевые на германиевой подложке. Первые производить дешевле и проще, поэтому они занимают подавляющую долю российского рынка. Для вторых требуются дефицитные материалы, они стоят значительно дороже кремниевых, но гораздо эффективнее. Поэтому, несмотря на высокую цену, заказы на арсенид-галлиевые батареи растут, а значит, в России выгодно развивать собственное производство этих солнечных модулей.

Первый искусственный спутник запустили на орбиту 4 октября 1957 года. Однако через несколько недель передача сигналов от него прекратилась – разрядились химические батареи. Дальнейшие работы по освоению космоса потребовали создания новых источников энергии, солнечные батареи как нельзя лучше подходили для этой цели. В России их впервые разработали в НПП «Квант» и установили на третьем советском ИСЗ, который проработал на орбите почти 2 года, с мая 1958 года. С тех пор космонавтика не может без них обойтись.

Фотоэлектрические преобразователи

Солнечная батарея состоит из множества фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Это небольшие пластины, сделанные из полупроводниковых материалов. Их крепят на той части панели, которая обращена к светилу, и прикрывают защитным стеклом. Работа фотоэлементов основана на фотоэлектрическом эффекте, то есть электрический ток возникает в них под действием солнечного света. Вырабатываемая электроэнергия идёт на питание аппаратуры, систем жизнеобеспечения космического аппарата, а также на зарядку аккумуляторов.

Чаще всего фотоэлементы для солнечных батарей делают из кремния. Его запасы огромны, стоимость низкая, а технология изготовления пластин из него хорошо отработана. КПД кремниевых фотоэлементов не превышает 20 процентов.

Альтернативой кремнию служат соединения А 3 В 5 , между которыми возможен полупроводниковый гетеропереход. Главным образом это соединения на основе арсенида галлия. Гетеропереход представляет собой место сочленения двух различных по химическому составу полупроводников. Современные ФЭП делают с несколькими Р-N переходами, как правило тремя, поэтому их называют трехпереходными, а также трехкаскадными. В них одиночные фотоэлементы (каскады) располагают друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на верхний элемент, который поглощает фотоны с наибольшей энергией, то есть синий свет. Пропущенный верхним элементом свет проникает на следующий уровень и т.д. Поскольку многопереходные ФЭП работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше, чем у однопереходных, и составляет около 30 процентов. При этом фотоактивная толщина трехкаскадной структуры составляет всего 5–6 мкм.

У арсенид-галлиевых фотоэлементов есть еще несколько преимуществ перед кремниевыми. Например, вдвое большая устойчивость к высоким температурам. Это позволяет применять для них концентраторы солнечного излучения – линзы, которые фокусируют солнечный свет на рабочую поверхность. Кроме того, арсенид-галлиевые батареи обладают высокой радиационной стойкостью, поэтому их применяют на спутниках, работающих внутри радиационных поясов Земли или на пересекающих их орбитах.

Солнечные выпускники

В России солнечные батареи для космических аппаратов выпускают два предприятия: НПП «Квант» в Москве и ОАО «Сатурн» в Краснодаре. Если производство кремниевых панелей налажено полностью, то арсенид-галлиевые пока собирают из импортных фотоэлементов. Сейчас примерно 80 процентов всех выпускаемых солнечных батарей составляют кремниевые, но это соотношение скоро изменится, поскольку растет спрос на арсенид-галлиевые панели. Вот почему оба предприятия нацелены на создание собственных производств трехпереходных ФЭП и почти одновременно подали в Роснанотех заявки на финансовую поддержку своих проектов.

«Квант» – одно из старейших предприятий, работающих для космической отрасли, в этом году ему исполнилось 90 лет. Здесь произведено более 2000 солнечных батарей, в то числе для орбитальных станций «Салют», «Мир» и МКС, межпланетных аппаратов «Венера», «Марс», «Фобос», для космических аппаратов «КазСат», «Экспресс-АМ», «Глонасс-К», «Монитор-Э». Еще в 1967 году на «Кванте» изготовили арсенид-галлиевые солнечные батареи для «Венеры-4», в начале 1970-х — для «Луноходов», а позже для станции «Мир». Но это оказались разовые проекты, сделать промышленной технологию изготовления гетеропереходных ФЭП тогда не удалось, т.к. она требовала больших затрат. Только к 2000 году её удалось внедрить в промышленность, но уже не в нашей стране, а в США. Сегодня для создания собственного производства «Квант» разрабатывает современные арсенид-галлиевые фотоэлементы с тремя каскадами, каждый из которых формируется несколькими слоями различных полупроводников. На предприятии уже запущено оборудование для производства новых фотоэлементов, получены первые образцы. По плану их массовый выпуск должен начаться уже в конце 2009 года.

ОАО «Сатурн» гораздо моложе «Кванта» и до года входило в его состав. Здесь выпускали различные химические и физические источники тока, датчики, электрохимические генераторы. Первую солнечную батарею здесь изготовили в 1972 году для спутника «Циклон». По данным за 2007 год, продукцией краснодарского предприятия оснащены 13 процентов всех космических аппаратов в мире. Отечественный рынок солнечных батарей «Сатурн» с «Квантом» делят примерно поровну. «Кремниевые солнечные элементы достигли предела разумного совершенствования, незначительное улучшение характеристик требует неоправданно больших затрат. С другой стороны, космическая техника совершенствуется, что предъявляет более высокие требования как к мощности, так и к ресурсу солнечных батарей. В настоящее время только арсенид-галлиевые солнечные батареи могут удовлетворить этим требованиям», – считает генеральный директор предприятия Анатолий Скурский. У «Сатурна» также есть оригинальная разработка, позволяющая изготавливать трехкаскадные арсенид-галлиевые фотоэлементы, однако наблюдательный совет Роснанотеха одобрил проект «Кванта», о чем стало известно в июле этого года.

Как изготавливают трехкаскадные гетероструктуры

Быстрое внедрение гетероструктур в солнечную энергетику произошло после изобретения в 1980-х гг. в США метода газофазной эпитаксии. Теперь можно было легко управлять наращиванием пленок различных полупроводников. В эпитаксиальном реакторе в качестве несущего газа используется водород, в котором растворяются все необходимые элементы. Далее, изменяя давление и температуру в реакторе, на тончайшие пластинки из германия слой за слоем осаждают атомные слои различных полупроводников: арсенида галлия, индия-галлия-фосфора. Толщина наиболее важных слоев составляет 15–20 нм.

Источник