Quyosh panellari Quyosh batareyasi

Quyosh panellari

Quyosh batareyasi

Quyosh batareyasi alternativ energiya deb ataladigan energiya ishlab chiqaruvchilardan biri bo'lib, u elektromagnit nurlanishni elektr energiyasiga aylantiradi. Bu quyosh energiyasini o'rganish (quyosh ... (yunoncha Ήλιος, Helios - quyosh). Quyosh batareyalari ishlab chiqarish turli yo'nalishlarda jadal rivojlanmoqda.

Foydalanish

Quyosh panellari juda ko'p quyoshli kunlar bo'lgan tropik va subtropik mintaqalarda juda keng qo'llaniladi. Ayniqsa O'rta er dengizi mamlakatlarida mashhur bo'lib, u erda suv isitish, elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun turar-joy binolarining tomlariga joylashtirilgan. Kelajakda ular avtomobillarni zaryad qilish uchun ishlatilishi mumkin.

Bir kvadrat metr uchun taxminan 1000 vatt quyosh energiyasi iste'mol qilinadi. Eng keng tarqalgan quyosh panellaridan foydalanib, siz ushbu energiyani 9-14% samaradorligi bilan elektr energiyasiga aylantira olasiz. Bunday holda, batareyaning narxi vatt uchun 3 dollar atrofida bo'ladi.

Ba'zi laboratoriyalarda samaradorligi 44% ga teng quyosh batareyalari olinganligi ma'lum qilindi. 2007 yilda rossiyalik olimlar (Dubna) tomonidan samaradorligi 54% bo'lgan ixtiro to'g'risida ma'lumotlar paydo bo'ldi.

Yarimo'tkazgichli fotoelektrik konvertorlar

Energiya nuqtai nazaridan quyosh energiyasini elektr energiyasiga aylantirish uchun qurilmalar eng samarali hisoblanadi yarimo'tkazgichli fotoelektrik konvertorlar (PEC), chunki bu to'g'ridan-to'g'ri, bir bosqichli energiya uzatishdir. 300-350 Kelvin va Tsunnetdan ~ 6000 K gacha bo'lgan PEC-larning muvozanat harorati xarakteristikasida ularning maksimal nazariy samaradorligi> 90% ni tashkil qiladi. Laboratoriya sharoitida 40% samaradorlikka erishildi va uning 50% ga ko'tarilishi juda real ko'rinadi.

Quyosh batareyalarining fizikaviy printsipi

Elektr energiyasini uchastkalarga o'tkazish kontsentratsiyasi quyosh nurlari ta'sirida bir xil bo'lmagan yarimo'tkazgichli tuzilmalarda yuzaga keladigan fotovoltaik ta'sirga asoslangan.

PEC tuzilishining heterojenligini bir xil yarimo'tkazgichni turli xil nopokliklar bilan doplash yoki turli xil o'tkazgichlarni teng bo'lmagan tarmoqli bo'shliqlar bilan bog'lash orqali olish mumkin - atomdan elektronni ajratish energiyasi (heterojunktsiyalar yaratish) yoki yarimo'tkazgichning kimyoviy tarkibini o'zgartirish orqali. tarmoqli bo'shliqning gradientining ko'rinishiga (gradusli bo'shliqli tuzilmalarni yaratish). Yuqoridagi usullarning turli xil kombinatsiyalari ham mumkin.

Konversiya samaradorligi bir xil bo'lmagan yarimo'tkazgich strukturasining elektrofizik xususiyatlariga, shuningdek, uchastka saylov komissiyalarining optik xususiyatlariga bog'liq bo'lib, ular orasida fotot o'tkazuvchanlik eng muhim rol o'ynaydi. Bu yarimo'tkazgichlarda ular quyosh nuri bilan nurlanganda ichki fotoelektrik effekt hodisalari bilan bog'liq.

Quyosh batareyalarida energiya qaytarilmaydigan asosiy yo'qotishlar quyidagilar bilan bog'liq:

• o'zgartirgich yuzasidan quyosh nurlarining aks etishi,

• nurlanishning bir qismi fotomultipient orqali unga singib ketmasdan,

• ortiqcha foton energiyasining panjarasini termal tebranish bilan sochib yuborish,

• hosil bo'lgan fotokupllarni sirt kameralarida va hajmida rekombinatsiya qilish;

• konvertorning ichki qarshiligi.

FEPda energiya yo'qotishlarining barcha turlarini kamaytirish uchun turli xil chora-tadbirlar ishlab chiqilib, muvaffaqiyatli qo'llanilmoqda. Bularga quyidagilar kiradi:

quyosh nurlari uchun tegmaslik diapazonli yarim o'tkazgichlardan foydalanish;

yarimo'tkazgich strukturasining xususiyatlarini maqbul qotishma orqali takomillashtirish va o'rnatilgan elektr maydonlarini yaratish;

bir hil holatdan heterojen va gradusli yarim o'tkazgichli tuzilmalarga o'tish;

fotomultiperning dizayn parametrlarini optimallashtirish (pn birikmasining chuqurligi, taglik qatlamining qalinligi, aloqa tarmog'ining chastotasi va boshqalar);

quyosh batareyalarini yorug'lik, termoregulyatsiya va kosmik nurlanishdan himoya qilishni ta'minlaydigan ko'p funktsiyali optik qoplamalardan foydalanish;

asosiy assimilyatsiya tasmasidan tashqarida, quyosh spektrining uzun to'lqinli mintaqasida shaffof quyosh xujayralarini yaratish;

oldingi kaskad orqali har bir kaskadda radiatsiyani aylantirish imkonini beradigan yarimo'tkazgichlardan kaskadli uchastka saylov uchastkalarini yaratish va boshqalar.;

Ikki tomonlama sezgirlik bilan konvertorlarni yaratish (mavjud bo'lgan bir tomonlama samaradorlikning + 80% gacha), lyuminestsent qayta nurlantiruvchi tuzilmalardan foydalanish va ko'p qirrali plyonka nurlarini ajratuvchi (dikroik nometall) yordamida quyosh spektrini ikki yoki undan ortiq spektral mintaqalarga oldindan parchalash natijasida fotomultiper samaradorligining sezilarli o'sishiga erishish mumkin edi. ) keyinchalik spektrning har bir qismini alohida fotomultiplayerga aylantirish va boshqalar bilan.

Ikki tomonlama sezgirlik bilan konvertorlarni yaratish (mavjud bo'lgan bir tomonlama samaradorlikning + 80% gacha), lyuminestsent qayta nurlantiruvchi tuzilmalardan foydalanish va ko'p qirrali plyonka nurlarini ajratuvchi (dikroik nometall) yordamida quyosh spektrini ikki yoki undan ortiq spektral mintaqalarga oldindan parchalash natijasida fotomultiper samaradorligining sezilarli o'sishiga erishish mumkin edi. ) keyinchalik spektrning har bir qismini alohida fotomultiplayerga aylantirish va boshqalar bilan.

SES (quyosh elektr stantsiyalari) energiyasini konversiyalash tizimlarida, asosan, turli xil yarim o'tkazgich materiallari asosida yaratilgan va hozirda ishlab chiqilayotgan har xil turdagi fotovoltaik hujayralardan foydalanish mumkin, ammo ularning barchasi ushbu tizimlarga qo'yiladigan talablarni qondira olmaydi:

uzoq (o'nlab yillar!) xizmat muddati bilan yuqori ishonchlilik;

konversiya tizimining elementlarini ishlab chiqarish uchun etarli miqdorda boshlang'ich materiallarning mavjudligi va ularning ommaviy ishlab chiqarilishini tashkil qilish imkoniyati;

konversiya tizimini yaratish uchun energiya xarajatlarini qoplash muddati nuqtai nazaridan maqbul;

energiyani konversiyalash va uzatish tizimini (kosmik) boshqarish bilan bog'liq minimal energiya va massa iste'moli, shu jumladan stantsiyaning yo'nalishi va barqarorligi;

parvarish qilish qulayligi.

Hozirgi kunda kremniy va galliy arsenidi (GaAs) quyosh energiyasini SESga aylantirish uchun fotovoltaik tizimlar uchun eng mumkin bo'lgan materiallar sifatida qaraladi va ikkinchi holatda biz AlGaAs-GaAs tuzilishga ega bo'lgan heterofototranstratorlar (HFP) haqida gapiramiz.

Hozirgi kunda kremniy va galliy arsenidi (GaAs) quyosh energiyasini SESga aylantirish uchun fotovoltaik tizimlar uchun eng mumkin bo'lgan materiallar sifatida qaraladi va ikkinchi holatda biz AlGaAs-GaAs tuzilishga ega bo'lgan heterofototranstratorlar (HFP) haqida gapiramiz.

GaAs heterostrukturasi SClari silikonga nisbatan yuqori samaradorlikka ega (bitta kristall va ayniqsa amorf kremniy). Galiy arsenidi quyosh batareyalarining samaradorligi 35-40% ga etadi. Ularning maksimal ish harorati +150 ° C gacha, kremniy batareyalar uchun + 70 ° C dan farqli o'laroq.

Ularning nazariy samaradorligi yuqoriroq, chunki ularning diapazondagi bo'shliq deyarli yarimo'tkazgichli quyosh energiyasini 1,4 eV konvertorlari uchun tegmaslik diapazonga to'g'ri keladi. Silikon uchun bu raqam 1,1 eV ni tashkil qiladi.

Np heterojunction energiya diagrammasi

Heterojunktsiya - bu ikki xil yarim Supero'tkazuvchilarning kontaktida hosil bo'lgan o'tish.

Eg1dan past, ammo Eg2 dan yuqori bo'lgan fotonlar optik oynaning rolini o'ynaydigan va ikkinchi yarimo'tkazgichda so'rilgan birinchi yarimo'tkazgich qatlamidan o'tadi. Quyosh batareyalarida n - p homojunliklarga ega bo'lganidek, tushirish qatlami ichidagi va yarimo'tkazgichning elektronutral hajmidagi nurlanish natijasida hosil bo'lgan tashuvchilar, birikma tomonidan yig'iladi. Eg1 energiyasidan yuqori fotonlar birinchi yarimo'tkazgichda so'riladi va o'tish bu radiatsiya orqali hosil bo'lgan tashuvchilarni tarqalish uzunligidan oshmaydigan masofada yoki to'g'ridan-to'g'ri kosmik zaryadlangan hududda to'playdi.

Quyosh batareyalarining heterojunktsiyalari bilan p-n birikmalari bo'lgan an'anaviy quyosh xujayralaridan ustunliklari quyidagilar:

Quyosh batareyalarining heterojunktsiyalari bilan p-n birikmalari bo'lgan an'anaviy quyosh xujayralaridan ustunliklari quyidagilar:

1) qisqa to'lqin uzunligi diapazonida spektral reaktsiyani kuchaytirishda, agar Eg1 energiyasi etarlicha katta bo'lsa va ikkinchi yarimo'tkazgichning tushirish qatlamida yuqori energiyali fotonlar so'rilsa;

2) seriyali qarshilikni pasaytirishda, agar birinchi yarimo'tkazgichni u orqali yorug'lik o'tishi shartlarini yomonlashtirmasdan juda qattiq tushsa;

3) yuqori nurlanish qarshiligi sharoitida, agar yarimo'tkazgichning birinchi qatlami etarlicha qalin bo'lsa va yarimo'tkazgich keng taqiqlangan zonaga ega bo'lsa.

Schottki to'siqlaridagi quyosh xujayralari.

Shaklda 26 - Schottky to'sig'i bo'lgan yoritilgan quyosh batareyasining energiya zonalari diagrammasi. Bunday holda, metall qatlami etarlicha nozik bo'lishi kerak, shunda yorug'likning katta qismi yarimo'tkazgichga etib boradi. Fotosuratning uchta tarkibiy qismini ajratish mumkin. Ulardan biri energiya hn ® qj V bo'lgan fotonlarning metalga singishi bilan bog'liq (qj V - to'siq balandligi), bu to'siq orqali teshiklarni yarimo'tkazgichga qo'zg'atishga olib keladi (ushbu komponent 26-rasmda 1 raqam bilan ko'rsatilgan). Yarimo'tkazgichdagi qisqa to'lqinli yorug'lik hodisasi, asosan, so'ngan qatlamda so'riladi (26-rasmdagi tegishli fotosurat 2 raqam bilan ko'rsatilgan). Yarimo'tkazgichning neytral hajmiga singib ketgan uzun to'lqinli yorug'lik elektron teshik juftlarini hosil qiladi; keyin odatdagi pn birikmasida bo'lganidek, elektronlar to'plangan qavatning chetiga tarqaladi (26-rasmdagi bu fotosurat 3 raqami bilan ko'rsatilgan). Quyosh batareyalari ishlashiga xos bo'lgan sharoitda, metalldan yarimo'tkazgichga tashuvchi nurlar orqali qo'zg'alish umumiy fotokurrentning 1% dan kamni tashkil qiladi, shuning uchun bu jarayonni e'tiborsiz qoldirish mumkin.

Schottky to'sig'i quyosh xujayralarining afzalliklari

1) bunday elementlarni past haroratlarda ishlab chiqarish, chunki yuqori voltli ishlashga hojat yo'q - diffuziya;

2) polikristalli va yupqa qatlamli quyosh batareyalarini yaratish uchun ushbu texnologiyani qo'llash;

3) elementlarning yuqori nurlanish qarshiligi, chunki ularning yuzasi yaqinida kuchli elektr maydoni mavjud;

4) katta chiqish oqimi va yaxshi spektral reaktsiya, bu amortizatsiyalangan qatlamni yarimo'tkazgich yuzasiga to'g'ridan-to'g'ri bog'lash bilan bog'liq, buning natijasida qisqa umr va salbiy yuqori rekombinatsiya tezligining salbiy ta'siri susayadi.

Spektral reaktsiyaning va fotokurrentning ikkita asosiy komponenti cho'kish qatlamida va elektr neytral tayanch mintaqada tashuvchini yaratish bilan bog'liq. Tükenmiş qatlamdagi kuchli maydon, yorug'lik hosil bo'lgan tashuvchilarni rekombinatsiya qilish uchun vaqt topmasdan oldin olib tashlaydi va natijada fotokurrent tenglashadi

Asosiy mintaqaning fotokamerasi uchun ibora:

To'liq fotosurat ushbu ifodalarning yig'indisiga teng. Fotosuratni oshirish uchun o'tkazuvchanlik va diffuziya uzunligini oshirish kerak. Shu bilan birga, har qanday fotokurrent energiyasida uning qiymati metall plyonkada nurning aks etishi va so'rilishi tufayli biroz kamroq bo'ladi. Antireflektsiya qoplamasi bilan oltin plyonkali (qalinligi 10-100 angstrom) nurning o'tkazuvchanligi 90-95% ga yetishi mumkin.

Nanokristalli quyosh panellari

Nanokristal quyosh xujayralari - nanokristallar bilan qoplangan silikon substratga asoslangan quyosh xujayralari.

Kvant hujayralarini yaratishning oldingi usullari qimmat epitaksial jarayonlarga ishongan bo'lsa-da, kolloid sintez yordamida ishlab chiqarish iqtisodiy samaradorlikni oshirdi. Nanokristallarning yupqa plyonkalari spin qoplamasi deb nomlanuvchi jarayonda olinadi. Bu kvant hujayralarini eritma shaklida tekis substratda joylashtirishni o'z ichiga oladi, keyinchalik u yuqori tezlikda aylanadi. Eritma teng ravishda taqsimlanadi va pastki qatlam kerakli qatlam qalinligiga erishguncha aylanadi.

Rangli sezgir kolloid TiO2 plyonkalariga asoslangan fotovoltaik hujayralar 1991 yilda kashf etilgan va ular yorug'lik energiyasini elektr energiyasiga aylantirishda ularning samaradorligidan umidvor ekanligi isbotlangan. Materiallarning arzonligi tufayli ular tijoriy jihatdan qayta tiklanadigan energiya manbalarini izlashda g'oyat rag'batlantiradi.

Tadqiqotlar hali go'dakligidayoq bo'lishiga qaramay, kelajakda fotoelektriklikka asoslangan kvant hujayralari "toza" energiya ishlab chiqarishda mexanik harakatchanlik (polimer kompozitlariga asoslangan kvant hujayralari), arzon narxlar kabi afzalliklarga ega bo'lishi mumkin. .

Polimer quyosh panellari

Polimer quyosh panellari - bu quyosh panelining bir turi; quyosh nurlaridan elektr energiyasini ishlab chiqaradi. Nisbatan yangi texnologiya dunyodagi universitetlar, milliy laboratoriyalar va bir qator kompaniyalar tomonidan faol ravishda o'rganilmoqda. Energiya konversiyalash samaradorligi 5% ga teng namoyish qilingan prototipli qurilmalar.

Silikon texnologiyasiga asoslangan qurilmalar bilan taqqoslaganda, polimerli quyosh batareyalari engil (bu alohida kichik sensorlar uchun muhim), arzon, ishlab chiqarish arzon, moslashuvchan, atrof-muhitga kam ta'sir ko'rsatadi, ammo energiya chiqishi oddiy silikonning 1/4 qismiga etadi. quyosh panellari. Polimer quyosh xujayralari ham sezilarli darajada buzilish ta'siriga duchor bo'lishadi: ularning samaradorligi atrof-muhit ta'siri ostida pasayadi. Yaxshi himoya qoplamalari hali ishlab chiqilmagan.

Ochiq savol kremniy quyosh batareyalari bilan tijorat raqobatining darajasi bo'lib qolmoqda. Polimer hujayralari ishlab chiqarish nisbatan arzon bo'lishiga qaramay, kremniy quyosh batareyalari sanoati kompyuter sanoatida ishlab chiqilgan kremniy infratuzilmasidan foydalangan holda muhim sanoat afzalliklariga ega. Biroq, quyosh batareyalari ishlab chiqaruvchilari noqulay ahvolga tushib qolishmoqda, chunki ular yuqori sifatli kremniyni etkazib berish uchun (kattaroq) kompyuter sanoatida raqobatlashishlari kerak.

Ushbu turdagi texnologiya uchun samaradorlik qiyin vazifa bo'lib qolmoqda. An'anaviy silikon batareyalar 15% samaradorlikka erishadi. Kosmik yo'ldoshlarni quvvatlantirish uchun ishlatiladigan quyosh panellari uchun eng yuqori samaraga erishildi. Bunday batareyalar 40% gacha samaradorlikni namoyish etadi, ammo mos ravishda ikkita buyurtma silikon batareyalarga qaraganda kattaroq kattaroqdir.

Rangli sezgir quyosh panellari

Rangga sezgir quyosh batareyalari - bu fotosensitlangan mezopor oksidi yarim o'tkazgichlarni keng taqiqlangan zonadan foydalanadigan fotoelektrik kimyoviy hujayralar. Ushbu hujayralar 1991 yilda M. Graetsel va boshqalar tomonidan ochilgan bo'lib, ular tomonidan Grettsel hujayralari nomlari olingan.

Ushbu turdagi quyosh batareyalari istiqbolli, chunki ular arzon materiallardan tayyorlanadi va ishlab chiqarishda murakkab uskunalarni talab qilmaydi. Hujayralar oddiy tuzilishga ega, ikkita elektrod va yod o'z ichiga olgan elektrolitdan iborat. Bitta elektrod shaffof elektr o'tkazuvchan substratda to'plangan yuqori gözenekli bo'yoq bilan to'yingan nanokristall titan dioksididan (nc-TiO2) iborat. Boshqa elektrod shunchaki shaffof elektr o'tkazuvchan substratdir. Hujayraning ishi ko'pincha fotosintez bilan taqqoslanadi, chunki har ikkala jarayon ham elektrolitda hosil bo'lgan redoks reaktsiyasidan foydalanadi. Hujayrada energiya aylantirish samaradorligi hali ham kremniy quyosh batareyalari darajasiga etib bormagan. Hozirgi paytda bu taxminan 10% ni tashkil qiladi. Nazariy jihatdan 33% darajasiga erishish mumkin.

Faoliyat printsipi

Quyosh nuri bo'yoq bilan to'yingan o'tkazuvchan shisha elektrod orqali kiradi, u erda u so'riladi. Bo'yoq nurni yutganda, uning molekulasidagi elektronlardan biri qo'zg'alish holatiga o'tadi. Ushbu hodisa "fotoseksiya" deb nomlanadi. Hayajonlangan elektron bo'yoqdan TiO2 ning o'tkazuvchan tasmasiga o'tadi. O'tish juda tez; Bu atigi 10-15 soniya vaqtni oladi. TiO2da elektron TiO2 plyonkasida tarqaladi, shisha elektrodga etib boradi va keyin o'tkazgichdan ikkinchi elektrodga tushadi. Elektron yo'qolgan bo'yoq molekulasi oksidlanadi. Bo'yoq molekulasi yodid ionidan elektron qabul qilib, yod molekulasiga aylanib, u o'z navbatida qarama-qarshi elektrodga tarqalib, undan elektron oladi va yana yodid ioniga aylanadi. Ushbu printsipga ko'ra, rangni sezadigan quyosh batareyasi quyosh energiyasini tashqi o'tkazgich orqali oqib o'tadigan elektr tokiga aylantiradi.

Yangi yutuqlar (2006 yil avgust)

An'anaviy noorganik fotovoltaikalarga alternativa sifatida, rangga sezgir quyosh batareyalari yuqori o'tkazuvchan ionli suyuqlik bilan birgalikda kapsüllenmiş nanopartikullardan foydalanadilar. Afsuski, ushbu yangi quyosh batareyalarida ishlatilganda yuqori konversiya samaradorligini ko'rsatadigan ionli suyuqliklar termal va kimyoviy jihatdan beqaror bo'lib, o'z samaradorligini yo'qotishi mumkin. Ammo Ecole Politexnika Federale de Lozanna (Lozanna, Shveytsariya) tadqiqotchilari 1-etil-3-metilimidazolin tetrasiyanoborati (EMIB (CN) 4) yordamida yangi barqaror ionli suyuqlik bo'lib, 7% energiya konversiyasining samaradorligi darajasiga erishdilar. issiqlik yoki engil qarishdan keyin.

Quyosh panellarining kimyoviy va termal barqarorligini tasdiqlash uchun tadqiqotchilar qurilmani zulmatda 1000 soat davomida 80 ° C gacha qizdirishgan, so'ngra 60 ° S da shu 1000 soat davomida nurda ushlab turishgan. Qorong'ida va nurda isitilgandan so'ng, dastlabki fotoelektrik samaradorlikning 90% saqlanib qoldi - birinchi marta bunday konversiya samaradorligi yuqori bo'lgan suyuq ion elektrolitida bunday ajoyib termal barqarorlik kuzatildi. Harorat oshishi bilan pasayadigan silikon quyosh batareyalaridan farqli o'laroq, rangga ta'sir qiluvchi quyosh xujayralari ularning harorati xona haroratidan 60 ° C ga ko'tarilganda biroz o'zgarishni boshdan kechiradi.