ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.1. Классификация фотоэлектрических преобразователей энергии

Солнечные элементы можно разделить на элементы без концентрации солнечного излучения и с концентрацией излучения на малой площади с помощью оптических систем. Применение высокоэффективных СЭ малой площади с оптическими концентраторами в виде различных линз и отра­жателей большой площади являются альтернативным путем развития СЭ для снижения их стоимости. В системах с концентраторами дорогие СЭ заменяются относительно дешевыми оптическими системами. Дополни­тельные расходы на систему слежения за солнцем и охлаждения должны компенсироваться повышением КПД.

По принципу, используемому для преобразования солнечной энергии в электрическую, солнечные элементы можно разделить на элементы ди­одного типа, элементы, в которых используется сенсибилизация органиче­скими красителями (так называемые фотоэлектрические ячейки) и термо­фотовольтаические преобразователи.

Термофотовольтаическое производство электроэнергии — это преоб­разование длинноволнового (теплового) излучения, которое после разогре­ва материала эмиттера (радиатора) до высокой температуры (с помощью концентрированного солнечного излучения, сжигания природного газа, пропана, бензина, водорода и др.), преобразуется в электричество фотоэле­ментом. В настоящее время КПД подобных систем не высоко и не превы­шает 5 %, но они могут работать круглосуточно, в то время как наземные солнечные элементы работают обычно менее 40 % времени.

Для изготовления СЭ диодного типа применяется целый ряд материа­лов: 1) элементарные полупроводники (Si, Ge); 2) полупроводники типа AIIIBV (например, GaAs); 3) полупроводники типа AIIBVI (например, CdS); 4) органические материалы.

В зависимости от структуры используемого полупроводника солнечные элементы подразделяются на СЭ на основе кристаллических, поликристал­лических, микрокристаллических, аморфных материалов. На рис. 2.1 пред­ставлена классификация СЭ в зависимости от применяемого материала.

В зависимости от используемой технологии СЭ диодного типа могут быть разделены на три больших класса: 1) на основе объемных кристал­лических подложек (кремниевых, GaAs, Ge); 2) на основе тонких пленок

кристаллического, аморфного и микрокристаллического кремния, CdTe, CuInSe2 (CIS), Cu(Ini_xGax)Se2 (CIGS); 3) фотоэлектрические ячейки, в ко­торых используется сенсибилизация красителями.

Основным материалом для изготовления солнечных элементов в на­стоящее время является кристаллический кремний. На рынке фотовольтаи - ки доля солнечных элементов и модулей, произведенных на основе кри­сталлического кремния, сейчас превышает 90 %, из которых примерно 2/3 приходится на поликристаллический кремний и 1/3 — на монокристалличе­ский. Столь широкое применение кристаллического кремния в фотовольтаи - ке обусловлено развитой кремниевой технологией вообще и возможностью изготовления на его основе солнечных элементов наземного использования с наиболее приемлемым отношением эффективность/стоимость. Остальная часть рынка фотовольтаики приходится на пленочные элементы на основе других материалов, в том числе более 5 % составляют СЭ на основе тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния.

Солнечные элементы на основе объемных монокристаллических и по­ликристаллических материалов обладают высоким КПД, стабильностью, но имеют высокую стоимость.

При тонкопленочной технологии на основе материалов с высоким коэф­фициентом поглощения, таких как CdTe, Cu (In, Ga) Se2, которые применяются в виде поликристаллических пленок, аморфный гидрогенизированный крем­ний (a-Si: H) позволяет значительно снизить расход и стоимость используемого материала. Подобная технология является высокоэффективной при использо­вании таких материалов, менее энергозатратной и дешевой. К недостаткам та­ких СЭ можно отнести более низкие КПД и стабильность параметров.

10

Достоинствами тонкопленочных ФЭПов на основе a-Si: H является бо­лее высокая проработанность технологии, отсутствие экологических про­блем, как в случае CdTe (Cd - токсичный материал), и использование доро­гих материалов, как в случае Cu (In, Ga) Se2. Кроме того, следует отметить, что ФЭПы на основе a-Si: H благодаря характеристикам аморфного кремния (температурный коэффициент и спектральная зависимость коэффициента поглощения) обеспечивают более высокую эффективность преобразования солнечной энергии при температурах 40-60 °С и в условиях облачности.