Альтернативная энергетика. Солнечные элементы на основе полупроводниковых материалов

«Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»

Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций
Кафедра физической электроники

Реферат по экологии «Альтернативная энергетика.
Солнечные элементы на основе полупроводниковых материалов»
...

Оглавление

1. Предпосылки для развития альтернативной энергетики……………………………3
2. Обзор основных типов солнечных элементов на основе полупроводниковых материалов. Классификация……………………………………………………………….4
3. Преобразование солнечного света. Природа и спектральный состав света…………7
4. Строение солнечного элемента…………………………………………………………..8

5. Принцип действия солнечного элемента……………………………………………….10

Список, использованной литературы……………………………………………………..11

Альтернативная энергетика.
Солнечные элементы на основе полупроводниковых материалов
1. Предпосылки для развития альтернативной энергетики
Рост энергопотребления является одной из наиболее характерных особенностей деятельности современного человечества. До недавнего времени развитие энергетики не встречало принципиальных трудностей, поскольку увеличение производства энергии происходило в основном за счет увеличения добычи полезных ископаемых (природный газ, нефть, уголь), достаточно удобных в потреблении. К настоящему времени более 75 % электроэнергии вырабатывается за счѐт сжигания минерального и органического топлива. Однако энергетика уже сегодня столкнулась с ситуацией истощения своей традиционной сырьевой базы. Одной из причин этого явилось ограниченность ископаемых энергетических рес урсов. Кроме того, нефть, газ и уголь являются также ценнейшим сырьем для интенсивно развивающейся химической промышленности. Сохранять высокие темпы развития энергетики путем использования лишь традиционных ископаемых источников энергии становится все труднее. Атомная энергетика в последнее время также столкнулась со значительными трудностями, связанными, в первую очередь, с необходимостью резкого увеличения затрат на обеспечение безопасности работы ядерных объектов. Загрязнение окружающей среды продуктами сгорания и переработки ископаемых источников энергии, главным образом угля и ядерного топлива, является причиной ухудшения экологической обстановки на Земле. Уже при современных..

Концентраторные солнечные элементы имеют специальные концентрирующие световые устройства (линзы или зеркала), которые позволяют увеличивать плотность светового потока на поверхности элементов в несколько раз. Как правило, концентраторные элементы изготовляются из дорогих светопоглощающих материалов с наилучшими показателями фотовольтаического преобразования света. В обозначении таких солнечных элементов обязательно указывается коэффициент собирания света, измеряемый в солнцах (suns). Коэффициент собирания показывает, во сколько раз увеличится плотность потока падающего на СЭ излучения после его оптического собирания концентрирующими системами.По кристаллическому составу поглощающего материала СЭ подразделяются на монокристаллические, мультикристалличекие, поликристаллические, микрокристаллические, нанокристаллические. Монокристаллические солнечные элементы представляют собой солнечные элементы с поглотителем в виде цельного кристалла полупроводникового вещества. Мульти-, поли-, микро- и нанокристаллические СЭ имеют в качестве поглощающего вещества смесь полупроводниковых кристаллитов с различной ориентацией, структурой и формой, размер которых и определяет тип солнечного элемента при размерах кристаллитов от 1 до 100 мм вещество называют мультикристаллическим, от 1 до 1000 мкм – поликристаллическим, менее 1 мкм – микрокристаллическим, менее 1 нм – нанокристаллическим.Таблица 1. Сравнение основыных характеристик моно-, поликристаллического и аморфного солнечных модулейТехнологияКристаллический кремнийТонкопленочные модулиРазновидности технологииМонокристаллический кремний (c-Si)Поликристаллический кремний(pc-Si/ mc-Si)String RibbonАморфный кремний (a-Si)Теллурид кадмия (CdTe)Copper Indium Gallium Selenide (CIG/ CIGS)Органические фотоэлементы (OPV/ DSC/ DYSC)Отношение напряжения в рабочей точке к напряжению холостого хода (Vmp/ Voc)(выше — лучше, т.к. меньше разница между Voc и Vmp)80%-85%72%-78%Температурные коэффициенты (низкий температурный коэффициент лучше при работе при высоких температурах окружающей среды)выше (-0,4-0,5%/градус)ниже (-0,1-0,2%/градус)Заполнение вольт-амперной характеристики(идеальный элемент имеет 100% заполнение)73%-82%60%-68%Конструкция модуляв раме из анодированного алюминиябез рамы, между 2 стеклами — цена ниже, вес большена гибком основании — легче, дешевлеКПД модуля13%-21%4%- 14%Совместимость с инверторамиЧем меньше температурный коэффициент, тем лучше. Можно использовать бестрансформаторные инверторыПроектировщик должен учитывать такие факторы, как температурный коэффициент, отношение Voc/Vmp, сопротивление изоляции и т.п. Обычно для тонкопленочных модулей требуется инвертор с гальванической развязкойМонтажные конструкцииТиповыеТиповые, но может потребоваться специальные зажимы или крепеж. Во многих случаях стоимость установки намного меньшеСоединения постоянного токаТиповыеТиповые, иногда может потребоваться больше разветвителей и предохранителейТиповое применениеЖилые дома/Коммерческие объекты/Генерация в сетьЖилые дома/Коммерческие объекты/Генерация в сетьТребуемая площадьоколо 150 Вт/м2может потребоваться до 50% больше площади для той же мощности СБВ зависимости от толщины светопоглощающего материала солнечные элементы подразделяются на тонкоплѐночные и толстоплѐночные. Тонкоплѐночные солнечные элементы имеют толщину в несколько мкм, толстоплѐночные – в десятки или сотни мкм.В зависимости от состава поглощающего материала солнечные элементы подразделяются на кремниевые, на основе АIIIBV полупроводников, на основе АIIBVI (в основном CdTe), на основе АIВIIICVI2 полупроводников и смешанные. Как правило, для удобства конструкции и повышения КПД СЭ стремятся добиться поглощения света в одном из его слоѐв. Этот слой называют поглощающим (поглотителем). Второй полупроводник служит лишь для создания потенциального барьера и собирания генерированных светом носителей заряда. Классификация солнечных элементов по материалу поглощающего слояявляется наиболее распространенной и наиболее полно охватывает физико-химические аспекты их получения, поэтому целесообразно выбрать еѐ в качестве базовой для дальнейшего обзора солнечных элементов.Рис. 2 - Фотоэлементы из моно-, поликристаллического и аморфного кремнияОбщая тенденция в производстве фотоэлектрических модулей – увеличение доли тонкопленочных модулей. Если до 2004 года модули из кристаллического кремния составляли 94.2 % от общего производства модулей, в 2005 году их доля начала уменьшаться и составила 93.5 %. 3. Преобразование солнечного света. Природа и спектральный состав светаБольшинство возобновляемых видов энергии – гидроэнергия, механическая и тепловая энергия мирового океана, ветровая и геотермальная энергия – характеризуются либо ограниченным потенциалом, либо значительными трудностями широкого использования. Суммарный потенциал большинства ныне используемых возобновляемых источников энергии позволит увеличить потребление энергии с нынешнего уровня всего лишь на порядок. Но существует еще один источник энергии – Солнце. Солнце, звезда спектрального класса 2, желтый карлик. Интенсивность солнечного света на уровне моря в южных широтах, когда Солнце в зените, составляет порядка 1 кВт/м2. При разработке высокоэффективных методов преобразования солнечной энергии Солнце может обеспечить бурно растущие потребности в энергии в течение многих лет. Внешне Солнце представляет собой газообразный шар радиуса 6955000 км с массой 1.98·1030 кг. Таким образом, плотность солнечного вещества составляет 1.4 г/см3, что ненамного больше плотности воды. Самые распространѐнные элементы на Солнце водород (около 70% всей массы Солнца) и гелий (более 28%), всего же спектральный анализ солнечного излучения установил наличие на Солнце более 70 различных химических элементов. Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция:, которая возможна благодаря огромному давлению, под которым находится водород внутри Солнца. Общая мощность, излучаемая Солнцем во всех диапазонах длин волн в окружающее пространство, составляет 3.8 1026 Вт. Однако в окружающем пространстве лучистая энергия Солнца рассеивается обратно пропорционально квадрату расстояния до объекта L. Для Земли примерное расстояние до Солнца составляет 149500000 км ( 1.5·1011 м), и средняя плотность лучистой энергии на земной орбите равняется 1370 Вт/м2, эта величина называется солнечной постоянной. Солнечный спектр делят на три области ультрафиолетовую, на которую приходится 9% от всей излучаемой энергии; видимую− 47% всей энергии и инфракрасную – 44%. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном благодаря поглощению инфракрасного излучения парами воды, поглощению ультрафиолетового излучения озоном и рассеянию излучения находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, определяется “атмосферной массой” (АМ). “Атмосферная масса” для любого уровня земной поверхности в любой момент дня определяется по формуле:lefttop где y– атмосферное давление, y0– нормальное атмосферное давление (101.3 кПа), – угол высоты Солнца над горизонтом земного шара (рисунок 2). Рис. 3 - Расстояние, проходимое в атмосфере солнечными лучами при различных положениях Солнца над горизонтом.Плотность светового потока у поверхности Земли задается следующей формулой:где – коэффициент поглощения в атмосфере, зависящий от длины волны, m – расстояние, проходимое солнечными лучами в атмосфере, h – высота атмосферы, – коэффициент прозрачности, характеризующий атмосферное поглощение.В средних широтах поток солнечной энергии на поверхности Земли варьируется в течение дня от восхода (заката) до полудня от 32.88 Вт/м2 до 1233 Вт/м2 в ясный день и от 19.2 мкВт/м2 до 822 Вт/м2 в пасмурный день/4. Строение солнечного элементаРис. 4 - Строение солнечного элементаНа изображении, показанном выше, можно видеть, что верхний слой p-n перехода, который имеет избыток электронов, соединен с металлическими пластинами, которые выполняют роль положительного электрода, пропуская свет и добавляя элементу дополнительную жесткость. Нижний слой в конструкции солнечного элемента имеет недостаток электронов, к нему приклеена сплошная металлическая пластина, выполняющая функцию отрицательного электрода.