Арсенид галлиевые солнечные панели

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

Гибкие солнечные панели. Выбор из 6 лучших вариантов

Среди альтернативных источников энергии для частного использования одним из наиболее перспективных вариантов признаны солнечные панели. Это обусловлено разнообразием предложений на рынке, практичностью, простотой построения автономных систем электроснабжения для частных и даже многоквартирных домов.

Гибкие солнечные батареи и жесткие конструкции – разница в технологиях и характеристиках

В сфере солнечных панелей наметилась жесткая конкуренция между:

С одной стороны – традиционными поликристаллическими и монокристаллическими батареями в исполнении на жесткой раме;
С другой – гибкими панелями на базе аморфного кремния, полиморфными и полимерными солнечными элементами.

У каждой из групп есть собственные достоинства и недостатки.

Жесткие моно- и поликристаллические кремниевые батареи с 30% и 53% рынка соответственно, пока, безусловно, лидируют. Для такого положения дел есть веские основания:

Именно по этой причине спрос на моно-/поликристаллические солнечные батареи продолжает расти, заинтересованность в них частных покупателей уже практически достигла уровня покупок предприятиями.

Взрывной рост этого спроса сдерживают несколько факторов:

Свои особенности есть и у каждой из разновидностей гибких панелей.

Виды и свойства гибких солнечных панелей

Сегодня разрабатываются и выпускаются несколько принципиально разных видов гибких солнечных батарей. Они отличаются используемыми материалами и технологиями, что, в свою очередь определяет как характеристики, так и особенности монтажа и эксплуатации.

Аморфные панели (элементы из аморфного кремния)

Аморфные гибкие солнечные панели создаются на базе элементов из аморфного кремния (a-Si). Такое название получил гидрид кремния, образующийся в результате распада силана или кремневодорода (SiH4) под воздействием электрического разряда.

Соединение превосходит кристаллический кремний по коэффициенту поглощения – для полного поглощения солнечного излучения достаточно слоя толщиной 0.5-1 мкм по сравнению со 100-300 мкм для кремниевых кристаллов.

Кроме того, достаточно низкая температура осаждения (порядка 150 о С) позволяет формировать пленки необходимой для фотовольтатики толщины не только на металлической или стеклянной, но и на полимерной основе, причем сделать этот процесс непрерывным.

Еще одно достоинство технологии – дешевизна сырья, поскольку для получения кремневодорода не требуется высокая степень очистки кремния. Это позволяет использовать в производстве отходы предприятий металлургической отрасли, поступающие на утилизацию кремниевые солнечные батареи и другие дешевые источники.

Из серьезных недостатков технологии следует выделить:

Ускоренную деградацию пленок под воздействием ультрафиолета и высокой температуры, что снижает срок службы панелей до 3-5 лет. Бороться с ним можно применением защищающих от УФИ ламинирующих пленок и применение в конструкции эффективных теплоотводов.
Относительно низкий по сравнению с кристаллическим кремнием коэффициент конверсии, что снижает КПД батареи в целом и требует значительного увеличения площади панелей для обеспечения необходимой потребителям мощности генерации. В настоящий момент единственный путь повышения эффективности – совершенствование технологий.

Поколения аморфных солнечных панелей

Сегодня на рынке можно найти устройства уже трех поколений аморфных солнечных модулей.

1 поколение создавалось сразу после разработки технологий. Панели характеризовались невысоким коэффициентом преобразования менее 5% и сроком службы порядка 3-5 лет.
2 поколение представлено максимально широко (более 70% продаваемых аморфных панелей относятся именно к нему). Их КПД вырос до 8-9%, а срок эксплуатации продлен до 10 лет.
3 поколение – наиболее совершенные аморфные батареи. Значительные средства, инвестированные в разработку, позволили получить панели со сроком службы свыше 15 лет и коэффициентом конверсии на уровне 12%, что всего на 20-30% уступает серийным образцам поликристаллических батарей.

Источник