Бақылау сұрақтары:
Жарықтың физикалық табиғаты қандай?
Энергия мөлшері ең үлкен және ең кіші фотондар.
3. Фотон энергиясының формуласы.
4. Электромагниттік сәулелену шкаласында көрінетін жарық жиіліктері қандай мәнге ие болады?
5. Жұтылған фотондар металдың кристалл торына қандай өзгеріс тудырады?
6. Сыртқы және ішкі фотоэффект құбылысы дегеніміз не?
10-ДӘРІС
Тақырып: Күн фотоэлементтерінің негізгі материалдары және фотомодулды жасау технологиясы. Күн фототүрлендіргішінің п.Ә.К.-і және оған әсер етуші шамалар
Жоспар:
Күн фотоэлементтерінің негізгі материалдары және фотомодулды жасау
технологиясы.
Күн фототүрлендіргішінің п.ә.к.-і және оған әсер етуші шамалар
Күн фотоэлементтерінің негізгі материалдары және фотомодульді жасау технологиясы
Монокристалды кремний негізіндегі құрылымдар өндірісі – технологиялық тұрғыдан күрделі әрі қымбат тұратын үдеріс. Сол себепті аморфты кремний (a-Si:H) негізіндегі қорытпалар, галлий арсениді және поликристалды жартылай өткізгіштер тәрізді материалдарға көңіл аударылды.
Аморфты кремний монокристалды кремнийдің арзанырақ баламасы есебінде алынды. Оның негізіндегі алғашқы күн элементі (КЭ) 1975 жылы жасалды. Аморфты кремнийдің оптикалық жұтылуы кристалды кремнийге қарағанда 20 есе жоғары.
Оған қоса, аморфты кремнийдің үлкен ауданды жұқа қабыршағын алудың қолданымдағы технологияларының арқасында монокристалды кремний негізіндегі КЭ-не қажетті қашау, қырнау және ысып жылтырату операциялары қажет етілмейді. Поликристалды кремнийлі элементтермен салыстырғанда a-Si:Н негізіндегі өнімдерді едәуір төмен температураларда (300°С) өндіреді: арзан шыны төсеніштер қолдануға болады, бұл кремний шығынын 20 есе азайтады [5,12,25].
Әзірге а-Si:Н негізіндегі тәжірибелік элементтердің максималды ПӘК-і – 12% - кристалды кремнийлі КЭ-нің ПӘК-інен біраз төменірек (~15%). Алайда технологияның дамуымен а-Si:Н негізіндегі элементтердің ПӘК-і теориялық шырқау шегі – 16%-ға жетуі ғажап емес.
Галлий арсениді – тиімділігі жоғары күн батареяларын жасауға арналған ең келешекті материалдардың бірі. Бұл оның келесідей ерекшеліктерімен түсіндіріледі:
– бірөткелді күн элементтері үшін тыйым салынған аумағының ені 1,43 эВ мүлтіксіз дерлік;
– күнмен сәулеленуді жұтуға деген жоғары қабілеттілігі;
– қалыңдығы бар-жоғы аз ғана микрон болатын қабат қажет етеді;
– радиациялық тұрақтылығы жоғары, бұл қасиеті жоғары тиімділігімен қатар материалды ғарыштық аппараттарда қолдану үшін ерекше тартымды етеді;
– GaAs негізіндегі батареялардың қызып кетуіне салыстырмалы сезгішсіздігі.
GaAs-нің алюминиймен, мышьякпен, фосформен немесе индиймен қорытпаларының сипаттамалары GaAs-нің сипаттамаларын толықтырып тұрады, бұл күн элементтерін жобалау кезінде мүмкіндіктерді кеңейтеді.
GaAs негізіндегі фотоэлемент әрқилы құрамды бірнеше қабаттардан тұруы мүмкін. Бұл жасап шығарушыға кремнийлі күн элементтеріндегі қоспалаудың мүмкін деңгейімен шектеулі заряд тасушысының генерациясын үлкен дәлдікпен басқаруға мүмкіндік береді.
GaAs негізіндегі күн элементі терезе есебінде AlGaAs-нің өте жұқа қабатынан тұрады.
Галлий арсенидінің негізгі кемшілігі – жоғары құны. Өндірісті арзандату үшін КЭ-ін арзанырақ төсеніштерде құру; GaAs қабаттарын алынатын төсеніштерде немесе көпретті қолдануға болатын төсеніштерде жетілдіру ұсынылады.
Поликристалды жұқа қабыршақтар да күн энергетикасы үшін келешегі жоғары. Мыс пен индидің диселенидінің күнмен сәулеленуді жұтуға қабілеттілігі өте жоғары – жарықтың 99%-ы бұл материалдың бірінші микронында жұтылады (тыйым салынған аумақтың ені – 1,0 эВ). CuInSe2 негізіндегі күн батареясының терезесін даярлауға арналған ең кең таралған материал болып CdS табылады. Кей кездері террезенің мөлдірлігін жақсарту үшін кадмий сульфидіне мырыш қосады. CuInSe2 қабатындағы біраз галлий тыйым салынған аумақтың енін үлкейтеді, бұл бос жүрістің кернеуінің өсуіне, демек құрылғының тиімділігін арттыруға алып келеді.
Кадмий теллуриді (CdTe) – фотовольтаикаға арналған тағы бір келешекті материал. Оның тыйым салынған аумағының ені (1,44 эВ) мүлтіксіз дерлік және сәулеленуді жұтуға қабілеттілігі өте жоғары. CdTe қабыршақтарын даярлау айтарлықтай арзан. Оған қоса, тағайындалған қасиеттері бар қабаттар жасау үшін CdTe-нің Zn, Hg және басқа элементтермен әртүрлі қорытпаларын алу технологиялық тұрғыдан қиын емес.
10.2-суретте Фототүрлендіргішті жасау технологиясының сызбанұсқасы көрсетілген.
10.2-сурет. Фототүрлендіргішті жасау технологиясы
CdTe қабыршақтары заряд тасушыларының жоғары қозғалмалылығына ие, ал олардың негізіндегі күн элементтері – ПӘК-нің жоғары мәндеріне ие, 10-нан 16%-ға дейінгі. Күн элементтерінің ішінде органикалық материалдарды пайдаланатын батареялар ерекше орын алады. Органикалық бояғышпен қапталған титан диоксиді негізіндегі күн элементтерінің пайдалы әсер коэффициенті өте жоғары – ~11 %.
Күн фототүрлендіргішінің п.ә.к-і
Тәжірибе
жүзінде
п.ә.к. деп фототүрлендіргіштің ауданының
бірлігінен алуға болатын Рмакс
–
максималды қуаттың, түрлендіргіштің
жұмыстық бетінің бірлігіне перпендикуляр
түсетін күнмен сәулеленудің жалпы
қуатына
W
қатынасын білдіреді:
(10.1)
Жартылай өткізгіште фотонмен электрон-саңылау жұбын құру үшін белгілі бір энергия қажет. Кремнийде, айтылып өткендей, ол 1,12 эв құрайды, бұл 1,2 мк толқын ұзындығына сәйкес келеді [5, 12, 25].
Толқын ұзындығы ұзынырақ фотондардың (спектрдің инфрақызыл облысынан тыс) энергиясы аз болады, сондықтан олар толықтай пайдасыз. Толқын ұзындығы қысқарақ фотондар да электрон-саңылау жұбын генерациялай алады, бірақ есептеулер көрсететіндей, бұл жағдайда п.ә.к. азаяды, себебі 1,12 эв шамасынан артылған фотон энергиясы жылу түрінде тарқап кетеді.
Кремнийлі элементтің теориялық п.ә.к-і күн спектрі үшін шамамен 22-23% болуы тиіс екенін көрсетуге болады. Бұл жағдайда ішкі шығындар ескерілмейді және материалдағы жарықтың әсерінен пайда болған барлық электрон-саңылау жұбы пайдаланылады деп жорамалданады.
Нақты фототүрлендіргіштер едәуір төмен п.ә.к.-не ие, себебі кейбір факторлар бұл цифрды төмендетеді. Мұндай факторлар сансыз көп және оларды екі топқа бөлуге болады. Олардың біреуіне аспаптардың жетіспеушіліктеріне байланысты факторларды, ал келесісіне пайдалану жағдайларынан туатын факторларды жатқызуға болады.