В этой главе мы рассмотрим подходы и технологии, которые могли бы увеличивать объем выработанной энергии. В следующих главах (14 и 15) рас­сматриваются системы слежения за Солнцем и автоматические стенды со сле­жением для фотоэлектрических панелей. Известно, что эти устройства позво­ляют увеличить количество произведенной энергии на 40%. Однако здесь будут рассмотрены другие достаточно эффективные подходы.

Очень часто для увеличения эффективности солнечных энергетических установок используется концентрация солнечного излучения. Известно и опи­сано множество устройств, которые можно использовать для концентрации оптического, и солнечного в частности, излучения [68]. Концентратор с плос­кими зеркалами может быть устроен в форме лотка [30, 31] или гребня. Фото­электрическая система с концентратором типа «лоток» показана на рис. 18.61. Фотоэлектрические панели с подобным концентратором приведены на рис. 18.62. Степень концентрации (с = 2-=-2,4) для стандартного V-образного лотко­вого концентратора относительно высока и при стандартной интенсивности прямой солнечной радиации приводит к перегреванию, постепенной деграда­ции и потемнению EVA-фольги на фотоэлектрических панелях (см. главу 10). Концентрация излучения приводит и к деградации ламината. В связи с этим происходит потемнение EVA-фольги, что уменьшает ее прозрачность и, как следствие, эффективность всей системы. Кроме того, панели под воздействи­ем концентрированного излучения нагреваются больше. Этот эффект, соглас­но теории полупроводников, ведет к уменьшению коэффициента фотоэлек­трического преобразования, и как следствие, более высокой температуре фо­тоэлементов. Поэтому система, устроенная таким образом, больше подходит для эксплуатации в более высоких географических широтах с постоянно низ­кой интенсивностью солнечного излучения и с более низкой температурой ок­ружающей среды.

Эти недостатки устраняются путем применения новой конфигурации солнечной энергетической системы, использующей концентратор гребнеобраз­ного типа [2, 14, 28, 29]. Наша система объединяет относительно дешевую си­стему слежения за Солнцем типа TRAXLE™ (см. главу 15) с дополнительными зеркалами, внешние из которых полностью удалены. Внутренний ряд зеркал в форме гребня (рис. 12.1) работает как умеренный концентратор излучения с коэффициентом концентрации с =1.6-ь 1.7.

зеркал<у TRAXLE4

панель управления

подставка
крепление

прокладка

внешний вид

Рис. 12.1. Схема фотоэлектрической системы с гребнеобразным концентратором излучения

В системах слежения по одной оси с горизонтальными и полярными ося­ми зеркало должно быть продлено за пределы фотоэлектрических панелей (рис. 12.1). Это обеспечивает однородное освещение для различных сезонов, когда угол между горизонтальной плоскостью и плоскостью движения Солнца по небу изменяется. В расширении зеркал нет необходимости для систем сле­жения за Солнцем с полярной осью и приспособлением для изменения наклона оси в разные сезоны. На рис. 12.1 приведены схемы передней части системы и системы в разрезе. Угол между зеркалами должен быть выбран так, чтобы от­раженная радиация поступала на зеркало однородно по всей поверхности пане­лей, как это изображено на рисунке. Такая новая конструкция улучшает поток воздуха вокруг коллектора по сравнению с U-образным лотком. Солнечные мо­дули, таким образом, более эффективно охлаждаются и не перегреваются. Дей­ствующие гребневые концентраторы излучения показаны на рис. 18.57 — 18.60. Фотоэлектрическая система, установленная и испытанная в Чешском Универ­ситете сельского хозяйства (г. Прага), изображена на рис. 18.98. Другим пре­имуществом плоских зеркал является то, что они концентрируют не только прямую солнечную радиацию, но и диффузную составляющую солнечной ра­диации.

Новый подвижный концентратор, установленный на платформе слеже­ния, может увеличивать выработку электроэнергии на 100% по сравнению с конфигурацией, в которой те же самые панели установлены на стационарных платформах. Повышение до 100% возможно для сухого, солнечного климата (например, в Северной Африке, на Юге Испании, в Аравии, в Аризоне, в За­падной Австралии, Средней Азии и т. д.). Повышение до 70% возможно для I (ентральной Европы в период солнечных летних дней. Учитывая, что интеграл

W — fPdt, упомянутый выше, соответствует области под кривой, это повы­

ла

піение можно ясно представить себе из рассмотрения рис. 12.2. Несколько более

низкая выработка при использовании системы слежения в полдень объясняется тем фактом, что подвижные модули всегда ориентированы на Солнце, т. е. пер­пендикулярно солнечной радиации, и поэтому они нагреваются до более высо­кой температуры. Эта потеря незначительна по сравнению с повышением вы­работки вследствие использования автоматической ориентации панелей.

Средние концентраторы для фотоэлектрического применения не требуют специальных и дорогих зеркал. Однако зеркала должны противостоять влиянию погодных факторов в течение, по крайней мере, десяти лет и должны сохранять общую отражательную способность для фотонов в интервале длин волн Л = (300 — г 1400) нанометров. Для наиболее употребительных кремниевых фо­тоэлектрических модулей этот интервал уменьшается до Л = (300-И 100) нано­метров. Верхний предел длины волны задается шириной запрещенной зоны со­ответствующего полупроводника (см. главу 7), нижний предел задается про­зрачностью озонового слоя в верхних слоях атмосферы.

Зеркало может быть изготовлено из различных материалов, например:

а) листа нержавеющей стали со специальной обработкой поверхности [32];

б) алюминиевого листа, защищенного против погодных эффектов слоем

полимера (PVF) [32, 33];

в) акриловой фольги, покрытой серебром [34];

г) акриловой фольги, покрытой алюминием [32].

В настоящее время стеклянные зеркала и зеркала группы в) представляют­ся наилучшим решением с точки зрения соотношения «отражательная способ­ность-цена». Вместо слоя из PVF-лака [32] алюминиевое зеркало может быть

защищено прозрачной, самоклеющейся фольгой PVF. Производство самопод­держивающихся, гнутых зеркал из металлического листа достаточно просто.

Новый мобильный концентратор весьма компактен, прост и надежен. Мы успешно проверили это на многочисленных стендах с TRAXLE™ системой слежения. В отличие от U-образного концентратора-лотка никаких других сис­тем поддержки зеркала не требуется. Кроме того, моменты сил, вызванных вет­ром, в этом концентраторе заметно ниже. Стандартная версия подвижного кон­центратора могла быть использована для создания солнечных систем различно­го размера, от двух маленьких фотоэлектрических модулей (50 Вт) до больших систем, например, с десятью большими фотоэлектрическими модулями (200 Вт). Большая система со слежением с десятью фотоэлектрическими модулями в смысле выработки энергии в сухие солнечные дни эквивалентна стационарной системе с 18 аналогичными фотоэлектрическими модулями. Приспособить кон­центраторы гребнеобразного типа к солнечным энергетическим системам раз­личных конструкций очень просто. Они могут использоваться в одноосных сис­темах слежения с горизонтальными и полярными осями, в двухосевых системах слежения, а также в системах с вертикальной осью, с углом поворота 360°, кото­рые применимы за полярным кругом или в космосе [19].

Поверхность зеркала не должна быть яркой; матовая поверхность зеркала имеет преимущество, поскольку концентрирует излучение в непосредственной близости и не ослепляет отражением на более длинных расстояниях.

Использование двусторонних фотоэлектрических панелей в солнечных фотоэлектрических системах — другая конструктивная возможность. Конструк­ции двусторонних модулей уже обсуждались в главе 10. В настоящее время та­кие панели производятся многими изготовителями. Ценовое различие по срав­нению со стандартными модулями относительно мало и в некоторых случаях равно нулю. Эти модули в состоянии вырабатывать электроэнергию даже из радиации, поступающей на их тыльную сторону после отражения от местности или окружающей территории. Поэтому использование двусторонних фотоэлек­трических панелей выгодно, поскольку в этом случае количество про­изведенной энергии на 10 — 20% выше по сравнению со стандартными модуля­ми того же номинала и в той же самой конфигурации солнечной энергетиче­ской системы. В целом, повышение объема производимой энергии может, та­ким образом, достигать 100%, если сравнивать систему с автоматическим сле­жением, гребнеобразным концентратором излучения и двусторонними панеля­ми с системой, состоящей из стационарного неподвижного стенда, без концент­ратора излучения и стандартных модулей.

Использование автоматического стенда с солнечными модулями и с си­стемой слежения за Солнцем по полярной оси делает возможным отраженную радиацию направить на обратную сторону приемника. Использование солнеч­ной энергии, попадающей на тыльную поверхность, позволяет увеличить объем вырабатываемой энергии на 5 — 10% для типичного альбедо (коэффициента от­ражения) 0,3 по сравнению со стандартными панелями. Отражательная способ­ность окружающей среды (поверхности) в месте установки солнечной системы в этом случае влияет на количество выработанной энергии. Например, квар­цевый песок или снег имеют очень высокую отражательную способность для видимого света, тогда как у травы или почвы коэффициент отражения ниже, а скальная порода или базальт имеют очень низкие значения этого параметра.

Системы со слежением за Солнцем обычно ориентированы в западном направлении в течение ночи, так как остаются в данной ориентации с конца предыдущего вечера. Утром, после восхода Солнца, прямая радиация поступает в течение определенного периода к тыльной стороне модуля прежде, чем вся система будет переориентирована на восток. Использование этой радиации в двусторонних модулях может увеличить выработанную энергию еще на 2 — 5% в зависимости от местных условий.

Двусторонние солнечные модули прозрачны для инфракрасного излуче­ния. Модули на основе монокристаллического кремния прозрачны для фотонов с длиной волны Я>1100 нанометров. Это обстоятельство уменьшает темпера­туру двусторонних модулей в отличие от стандартных. Это особенно выгодно в солнечных системах со слежением и с концентраторами средней мощности (с = 1,6-1,7), где фотоэлектрические модули освещаются солнечными лучами более высокой интенсивности. Измерения показывают, что температура двусторонних фотоэлектрических панелей на основе монокристаллического кремния (c-Si), установленных на автоматическом стенде слежения, на 5 — 12% ниже, чем температура стандартных модулей (c-Si), встроенных в крышу. Уменьшение температуры двусторонних модулей может увеличить объем выработки энергии на 3 — 5% из-за более высокого КПД фотоэлектрического преобразования солнечной энергии при более низких температурах модулей. Уменьшение температуры, кроме того, увеличивает время жизни панелей вследствие пониженной деградации полимеров, из которых изготовлены их корпуса.

Сочетание всех трех эффектов может, таким образом,’ увеличить коли­чество выработанной энергии на упомянутые выше 10 — 20%, по сравнению с такой же фотоэлектрической системой, использующей стандартные модули, следящий стенд и концентраторы гребнеобразного типа. Рисунок 12.2 представляет результаты оценки теоретической зависимости мгновенной мощности солнечной системы как функции времени в ясный летний день (для различных конструкций). Можно заметить, что общее повышение мощности фактически составляет упомянутые выше 100% для случая системы с двусторонними модулями, системой слежения и концентратором излучения гребнеобразного типа по сравнению с системой с неподвижным стендом, без концентратора и со стандартными панелями. Маленький пик соответствует раннеутреннему преобразованию прямого солнечного излучения, попадающего на тыльную сторону модулей солнечной энергетической системы до ее переориентации в восточном направлении.

Результаты фактических измерений в течение ясного весеннего дня пред­ставлены на рис. 12.3, где сравниваются две системы, состоящие из трех после­довательно соединенных фотоэлектрических модулей. Одна была установлена

Рис. 12.3. Наши измерения временной зависимости мгновенной выходной мощности в течение солнечного дня

на платформе со слежением с мягким концентратором гребнеобразного типа, в то время как вторая была установлена на стационарной платформе без кон­центратора.

В наших измерениях мы сравнивали двусторонние фотоэлектрические панели (c-Si) со стандартными (c-Si) модулями. Тесты были сделаны летом, пе­ред полуднем, с 1,5-кратной концентрацией излучения, скорость ветра v < 1 м-с’1 и температура окружающего воздуха t = 22°С. Температура солнечных элемен­тов определялась по температурной зависимости напряжения разомкнутой цепи фотоэлектрического модуля (напряжение холостого хода) при определенном освещении. Двусторонние панели показали эксплуатационную температуру t = 41 °С, т. е. на 12°С ниже, чем эксплуатационная температура стандартных моду­лей t = 53°С. Эти измерения находятся в хорошем соответствии с результатами, представленными также в [35]. Мы сделали вывод поэтому, что лучше устано­вить эти системы на более высоком стенде так, чтобы они хорошо охлаждались воздушным потоком.

Другой способ увеличить производство энергии в случае применения слабых (с ~ 1,6) концентраторов — это использование фотоэлектрических моду­лей с низким последовательным сопротивлением. В случае использования тако­го модуля рассчитанные для работы при однократном излучении легкие концентраторы гребнеобразного типа могут обеспечить получение энергии бо­лее чем на 80% больше по сравнению с фиксированными фотоэлектрическими системами без концентратора (с использованием «теплового окна» двусто­ронние фотоэлектрические модули могут обеспечить выработку энергии даже более чем на 100%). В то время как различие напряжения между стандартными системами и системами с мягкими концентраторами обычно незначительно, ток в модулях с мягкими концентраторами на ~ 100 % (вдвое) выше. Омические потери стандартного модуля при солнечном излучении 1000 Вт/м2 с мягким концентратором вычислены из выражения Р = RI1, таким образом омические потери (при R ~ const) приблизительно в 4,0 раза выше. Если схемы с двусторонними модулями и с «тепловыми окнами» (сеть и т. д.) подобрать так, чтобы удвоить ток, потери последовательного сопротивления будут уменьшены существенно, в то время как выработка энергии фотоэлектрическими модулями будет и далее увеличиваться. Таким образом, в заключение можно отметить, что если мы объединим при проектировании использование низкого последовательного сопротивления с технологией двусторонних фото­электрических модулей, а также с использованием «мягкого» концентратора, мы может удвоить отбор энергии от фотоэлектрических панелей.

Системы с высокой концентрацией излучения, получаемого с помощью параболических зеркал или линз Френеля, выделяются как особые случаи сол­нечных энергетических систем. Они очень эффективны, но все еще спорны, особенно из-за строгих производственных требований, и таким образом, высо­кой стоимости, и из-за их более низкой надежности. Эти системы требуют вы­сокой точности ориентации (А г/? <0.1°), а также они должны быть крепкими, чтобы предотвратить деформацию параболических зеркал или любое другое ухудшение точности ориентации вследствие воздействия гравитационных сил или ветра. Параболические концентраторы фокусируют только прямое солнеч­ное излучение, в отличие от лотков или концентраторов гребнеобразного типа с плоскими зеркалами, которые концентрируют также и диффузное излучение. Поэтому параболические зеркала целесообразно использовать преимуществен­но в местах с высоким числом солнечных дней в году или же в местах с высо­ким соотношением прямой и диффузной радиации. Это отношение может уменьшаться при более высокой атмосферной влажности, особенно в прибреж­ных областях, где есть смог или туманы, имеющие тенденцию рассеивать сол­нечное излучение.

Параболоцилиндрические концентраторы с линейным фокусом в принци­пе подобны показанным на рис. 6.1, б. Они обеспечивают уровень концентра­ции солнечного излучения до с » 30, но для таких концентраторов однородность распределения освещенности в фокусе представляет серьезную проблему.

При более высоких концентрациях излучения мы должны поддерживать однородность освещения, иначе панели могут расколоться из-за неоднородного нагревания. При этом фотоэлектрические модули должны быть эффективно ох­лаждены, и поэтому они устанавливаются с ребристыми металлическими теп­лообменниками-охладителями. Конструкция этих модулей обычно отличается от конструкций модулей, используемых в системах с низкой концентрацией из­лучения. Контактная сетка обычно заглубляется непосредственно в материал полупроводника с использованием лазерной технологии.

В отличие от контактов, наносимых на поверхность элемента трафарет­ной печатью, область контакта с полупроводником (то есть область, с помощью

кристаллический полупроводник

контакт, полученный вжнганием

Рис. 12.4. Схема поверхности и вожженных контактов
на сечении через полупроводниковый материал

которой электрический заряд снимается с фотоэлемента) увеличивается, а так­же увеличивается поперечное сечение контакта для лучшей проводимости бо­лее высоких токов при высоких концентрациях солнечной радиации.

Более дорогие фотоэлектрические модули на основе кристаллического ар­сенида галлия (GaAs) обычно используются до тех пор, пока не начинает наблю­даться снижение их эффективности с увеличением температуры (см. главу 7), которое для GaAs меньше, чем для кристаллического кремния.

Модули на базе тонких пленок кремния вообще не пригодны для работы с концентраторами. Фотоэлементы и модули обычно выполняются узкими и про­долговатыми, чтобы улучшить охлаждение. Это устройство применимо также для более коротких поперечных ответвлений контактной сетки или для ребро­подобных контактов коллектора. Рис. 12.4 схематично показывает поперечное сечение поверхности и контакта, углубленного в материал полупроводника.

Сравнительная эффективность фотоэлементов с контактами, полученны­ми трафаретной печатью, и фотоэлементов с контактами, заглубленными лазе­ром (вжиганием) как функция уровня концентрации излучения приведена на рис. 12.5 [55].

Очевидно, что углубленный лазером контакт имеет максимум эффектив­ности (КПД), сдвинутый в сторону больших концентраций. С увеличением концентрации эффективность элементов уменьшается медленнее для элементов с заглубленными лазером контактами.

Материал, применяемый в параболических зеркалах, представляет суще­ственную проблему. Здесь соотношение «качество-цена» требует тщательного рассмотрения. В основном используются зеркала, выполненные из алюминия. Алюминиевые листы, покрытые лаком или анодированные с целью защиты от окисления и потускнения, более дороги, пластмассы, покрытые алюминием, обычно не столь дорогие.

Концентраторы на основе линз Френеля с линейным фокусом более про­сты, но их коэффициент концентрации ниже (с «10). Линзы Френеля обычно

Рис. 12.5. Сравнительная эффективность контактов, нанесенных трафаретной печатью, и контактов, полученных лазерным вжиганием, в зависимости от коэффициента концентрации солнечного излучения

делаются из силиконовой фольги с параллельными канавками (сегменты лин­зы), выгравированными алмазными резцами. Альтернативно они могут изго­тавливаться из рифленого стекла. Линза Френеля схематично показана на рис. 12.6, она тонкая. Толщина линзы нужна для того, чтобы обеспечить дости­жение необходимой кривизны поверхности, которая получается делением лин­зы на крошечные сегменты. У реальной линзы Френеля имеется намного боль­ше сегментов, чем это изображено на рисунке.

Рис. 18.63 иллюстрирует нашу фотоэлектрическую систему с зеркалами Френеля, имеющими линейный фокус, и следящей системой TRAXLElM, ко­торая демонстрировалась на Берлинской выставке в 2002 г. Схема этой системы показана на рис. 12.7. Высококачественные линзы Френели из силиконового полимера были изготовлены, например, американской компанией ЗМ и ус­тановлены компанией ENTECH в ее фотоэлектрических системах. В Чешской

зеркало

ось слежения зеркало Френеля

Рис. 12.7. Схема солнечной фотоэлектрической системы с зеркалами Френеля

республике в ТерПсе компания GLAVERBEL производит свернутые стеклян­ные линзы Френели, которые компанией SOLAR GLASS (Teplice) устанавли­ваются в ее собственных фотоэлектрических системах.

Параболоидные концентраторы с точечным фокусом технически наибо­лее востребованы. В принципе, они похожи на концентраторы, показанные на рис. 6.1, а. Они достигают коэффициента концентрации солнечного излучения порядка с « 900. Однако эти концентраторы требуют высокой точности ориен­тации (А(р ^ 0.1 °) относительно двух осей. Это обычно самая большая пробле­ма — и технически, и материально.

Вжигаемые лазером контакты необходимо использовать из-за высоких плотностей токов. Фотоэлемент обычно припаивается к массивной медной пла­стине, с радиаторами на тыльной стороне. На рис. 18.66 показана фотоэлектри­ческая панель, состоящая из модулей с линзами Френеля, имеющими точечные фокусы, которая была представлена в 2005 году на Шанхайской выставке. Рису­нок 18.67 — это вид через линзу Френеля. Размеры линзы — 270×270 мм2, размеры фотоэлемента — 10×10 мм2, а коэффициент концентрации х729. Пластмассовая линза подвержена деградации под воздействием ультрафиолетового излучения, вода может конденсироваться внутри панели, а фотоэлементы могут треснуть и расколоться из-за перегревания. Линзы концентрируют только прямое солнечное излучение и не чувствительны к диффузной радиации. Поэтому они пригодны только в местностях с изобилием прямой радиации. Преимуществом этой конст­рукции является ее более низкая удельная цена (на 1 Вт мощности).

Новая конструкция фотоэлектрической системы с пятикратной концен­трацией радиации показана на рис. 18.100 и 18.101. Эта конструкция была раз­работана в результате сотрудничества компании Poulek Solar Ltd с Пражским университетом сельского хозяйства (CULS), и в настоящее время испытана в CULS в Праге. Двусторонние панели установлены более эффективной стороной

вниз, откуда поступает четырехкратно сконцентрированная радиация, отражен­ная системой зеркал. Стандартное солнечное излучение попадает на тыльную сторону панели сверху. Типичные эксплуатационные температуры превышают 90°С. Для этих целей должна была быть разработана специальная панель. Кон­струкция с фольгой EVA не может рассматриваться для этих целей вследствие деградации фольги EVA при высоких температурах. Основная идея конструк­ции возникла вследствие того факта, что зеркало приблизительно в 30 раз де­шевле, чем фотоэлектрическая панель. Таким образом были использованы бо­лее дешевые зеркала для того, чтобы сделать производство энергии с помощью дорогих фотоэлектрических модулей более эффективным. Конструкция нова, но уже первые тесты показывают, что количество электроэнергии, произведен­ной в течение солнечного дня в этих установках, могло быть даже в три раза выше, чем в стандартных фотоэлектрических панелях, смонтированных на не­подвижных стендах без какой либо концентрации излучения.

Рис. 18.8 показывает систему с точечным фокусом, установленную около Финикса (штат Аризона, США). Система не является фотоэлектрической. Здесь концентрированное солнечное излучение используется для проведения фото­химических реакций метана и окиси цинка, образующих синтетический газ и цинк. В дальнейшем электрическая энергия генерируется в топливных элемен­тах, в процессе окисления цинка до окиси цинка. Процесс окисления цинка и восстановления окиси повторяется непрерывно.

Как пример большого проекта, в котором используются фотоэлектриче­ские модули, работающие в условиях высокой концентрации излучения, мы отмечаем проект Eukleides, выполняющийся в научно-исследовательском ин­ституте ITER на Тенерифе (Канарские Острова). Это система, включающая па­раболические концентраторы с линейным фокусом. Она оснащена специаль­ными фотоэлектрическими панелями на основе монокристаллического крем­ния. Эти системы можно увидеть на заднем плане рис. 18.48. На рис. 18.64 по­казана надежная конструкция. Он также иллюстрирует вопросы точности ори­ентации, в центре можно заметить, что сконцентрированная радиация не посту­пает на фотоэлектрические панели. Бракованные фотоэлектрические панели с их массивными ребристыми радиаторами показаны в деталях на рис. 18.65 (де­тали разрушенных панелей видны слева).

В предыдущих главах мы показали, что для изготовления солнечных эле­ментов используются полупроводниковые материалы, среди которых в настоя­щее время кремний занимает лидирующее положение. Большая часть произво­димых в мире солнечных элементов и модулей изготавливаются на основе кремния: монокристаплического, поликристаллического, мультикристалличе­ского, аморфного или пленочного. Это объясняется целым рядом преимуществ, которыми обладает кремний в сравнении с другими полупроводниковыми ма­териалами вследствие своих физико-химических свойств.

Надо сказать, что благодаря этим свойствам кремний незаменим в элек­тронной технике и микроэлектронике. Много лет назад, в период бурного рас­цвета микроэлектроники, кремний даже называли «королем микроэлектрони­ки». В солнечной энергетике он также занимает лидирующие позиции.

Кремний один из самых распространенных на Земле (после кислорода) химический элемент. Его содержание в земной коре составляет порядка 27% по массе, т. е. запасы кремния как сырья для фотоэнергетики практически неисчер­паемы. Он относительно дешев, доступен и не ядовит. В связи с давней востре­бованностью электронной промышленностью кремний хорошо изучен, а техно­логии его изготовления достаточно отработаны.

Кремний — элемент главной подгруппы четвертой группы третьего пе­риода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атом­ным номером 14. Обозначается символом Si (лат. silicium). В чистом виде кремний был выделен в 1811 г. французскими учеными Жозефом Луи Гей — Люссаком и Луи Жаком Тенаром. В элементарном виде кремний был получен еще в 1825 г. шведским химиком Берцелиусом путем воздействия металлическим калием на фтористый кремний SiF4 Новый элемент получил на­звание «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 г. российским химиком Германом Ивановичем Гессом (от древнегреческого кргцлудд — утес, гора).

Способ получения кремния из кварцитов в чистом виде разработан рус­ским ученым Николаем Николаевичем Бекетовым (рис. 11.1).

В природе кремний чаще всего встречается в виде кремнезема или квар­цитов — его соединений с кислородом (двуокиси кремния Si02). Это — песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень. Кремний имеет кристалли­ческую решетку типа алмаза (рис. 11.2). Он хрупок и только при температуре выше 800 °С становится пластичным. Кремний прозрачен в инфракрасной об-

ласти спектра солнечного излучения, начиная с длины волны 1,1 мкм. Ширина его запрещенной зоны Е0 = 1,1 eV. Концентрация собственных носителей заря-

Рис. 11.2. Кристаллическая решетка
монокристаллического кремния
(структура типа алмаза)

Кремний, не содержащий примесей, с идеальной кристаллической струк­турой при абсолютном нуле является изолятором. При температуре, отличной от абсолютного нуля, возникает так называемая «собственная» проводимость. Носителями электрического тока в этом случае являются как свободные элек­троны (электронный тип проводимости), так и «дырки» (дырочный тип прово­димости). Для чистого кремния при комнатной температуре удельное сопро­тивление должно составлять величину порядка 106 Ом см. При комнатной тем­пературе кремний химически инертен, однако при повышении температуры на­чинает активно реагировать со многими веществами. Особенно химически ак­тивен расплавленный кремний, что создает ряд проблем при попытке очистить его до уровня, отвечающего требованиям полупроводниковой электроники.

Электронный кремний имеет чистоту 9N или 99,9999999%, солнечный кремний содержит в 100—1000 раз больше примесей, т. е. имеет чистоту 6N или 99,99999, либо 7N или 99,9999999%.

Процесс изготовления солнечных элементов на кремнии, как мы это уже видели ранее, начинается с использования тонко нарезанных кремниевых пла­стин-подложек, которые в процессе изготовления кремния подвергаются цело­му ряду обработок. Цепочка технологических процессов, приводящих, в конеч­ном счете, к получению указанных пластин, схематически ранее уже была при­ведена (см. рис. 8.2).

и углерода

Держатель электродов

Электрический контакт

Углеродный электрод

Кремний

(Электрод — аглгтпка

Рис. 11.3. Принципиальная схема дуговой печи
для получения «металлургического» кремния карботермическим методом
(Electronic Materials © Prof. Dr. Helmut Foe!)

Исходным сырьем для получения элементарного кремния служит чаще всего кварцевый песок-кварцит (Si02). Он механически прочен, химически сто­ек. Мелкие зерна кварца формируют известный кварцевый песок.

Кремний технической чистоты (95 — 98 %), или так называемый «метал­лургический» кремний получают в электрических дуговых печах восстановле­нием находящихся в природе в избытке кварцитов (Si02) коксом между графи­товыми электродами при температуре около 1800 °С (карботермический ме­тод). На рис. 11.3 приводится принципиальная схема дуговой печи для получе­ния «металлургического» кремния.

Обычно в дуговых печах реализуется ряд химических реакций. Однако, рассматривая только начальные и конечные продукты, мы можем выразить суммарную реакцию так:

Si02 + С —> Si + С02.

Шихта, то есть кварцевый песок, смешанный с коксом, непрерывно пода­ется в дуговую печь. Температура увеличивается по мере продвижения к ниж­ней части печи, и на различных уровнях печи имеют место различные химиче­ские реакции. У основания печи, в зоне с температурой Т « 2000 °С, расплав­ленный кремний накапливается. Отсюда он периодически удаляется. Получае­мый «металлургический» кремний в качестве примесей содержит главным об­разом Fe, AL и С.

Для того чтобы кремний начал проявлять свои полупроводниковые свой­ства, достигаемой в этом процессе чистоты недостаточно. Требуется обеспе­чить намного более высокое качество. Необходимый уровень чистоты достига­ется на следующем этапе получения кремния как для электронной промышлен­ности, так и для солнечной энергетики.

На этом этапе получаемый материал подвергается более глубокой очист­ке. Как уже указывалось ранее, кремний обладает высокой химической актив­ностью. Поэтому для его глубокой очистки требуется применение специальных мер. Для этого могут использоваться различные технологические подходы.

Наиболее распространенным является подход, основанный на том, что сначала кремний переводится в вещества, которые при комнатной температуре являются жидкими, легкокипящими соединениями, и они подвергаются очист­ке. Главным способом очистки является ректификация этих соединений, кото­рая позволяет удалить из них большинство примесей, соединения которых по своим физико-химическим параметрам отличаются от соединений кремния. Это и позволяет их отделять и удалять. Дальнейшая задача — очищенные от примесей соединения кремния переработать до получения элементарного кремния уже достаточной чистоты.

К соединениям кремния, через которые реализуется процесс очистки, от­носятся хлориды кремния, хлорсиланы и силаны.

Очистка «металлургического» кремния в промышленности начинается с непосредственного его хлорирования или гидрохлорирования. При этом обра­зуются такие соединения как SiCl4, SiH2CI2 или SiHCl3. Эти хлориды (хлорси­ланы) различными способами очищают от примесей (как правило, ректифика­цией). Эти соединения после очистки восстанавливают до элементарного (чаще всего поликристаллического) кремния [65]. Можно указать следующие вариан­ты получения кремния из его очищенных соединений:

1) восстановление газообразного тетрахлорида кремния цинком (цинко­термический процесс). Реакция протекает в трубе из чистого плавле­ного кварца при 950°С между парами Zn и SiCl4 Образующийся крем­ний оседает на внутренних стенках реактора в виде игл-дендритов, ко­торые затем измельчают и тщательно промывают раствором НС1;

2) восстановление SiCI4 или SiHCl3 водородом (хлоридный процесс). Эта реакция осуществляется в специальных реакторах при темпера­туре 1000-1050 °С. Кремний осаждается на разогретой поверхности кремния;

3) термическое разложение Sil4. Пары Sil4 разлагаются на танталовой или молибденовой основе, до 1000°С (иодидный процесс);

4) термическое разложение моносилана SiH4 (силановый процесс).

Наибольшее распространение на практике получил метод восстановления

тетрахлорида кремния или трихлорсилана водородом. Такой процесс получения кремния, названный «Сименс-процессом» по имени компании, впервые его
реализовавшей, осуществляется в специальном реакторе. Процесс этот слож­ный, опасный и для обслуживающего персонала, и для окружающей среды. Но он достаточно хорошо отработан, так что все его негативные последствия минимизированы [66, 87, 115, 116]. Однако этот процесс по-прежнему остается достаточно дорогим.

Процесс получения кремния может быть реализован либо в стержневом реакторе, либо в реакторе с псевдоожиженным слоем.

Оборудование для водородного восстановления трихлорсилана достаточ­но сложное. Установка промышленного масштаба, разработанная для этих це­лей предприятием ОАО «Красмаш», представлена на рис. 18.126.

Схему реализации этого процесса иллюстрирует рис. 11.4.

В реакторе устанавливаются тонкие кремниевые прутки-затравки. Они разогреваются в водородной среде. После этого в реактор подается парогазовая смесь, т. е. смесь водорода и паров тетрахлорида кремния или трихлорсилана. При температуре Т « 1000°С начинается реакция восстановления этих соедине­ний водородом. Кремний оседает на прутках, постепенно увеличивая их диа­метр, а смесь продуктов реакции и непрореагировавших исходных веществ вы­водится из реактора. Процесс продолжается до достижения заданного диаметра стержней. В промышленных условиях реакторы имеют значительно большие размеры, количество кремниевых прутков намного больше и размеры они име­ют несравнимо значительнее (рис. 18.125 — 18.127).

Стержень

-затравка

Поликристалл

Графитовый

электрод

Резистивный

нагрев

Рис. 11.4. Принципиальная схема размещения стержней
с наращенным поликристаллическим кремнием в «Сименс-реакторе»
(ПГС — парогазовая смесь водород-трихлорсилан)

(Electronic Materials © Prof. Dr. Helmut Foell)

а 6

Рис. 11.5. Стержни поликристаллического кремния: а-в реакторе; 6-на столе после выгрузки [87]

В самом начале использования этого технологического процесса началь­ные порции кремния осаждали на специально приготовленную молибденовую проволоку. Но присутствие молибдена создавало ряд проблем, поскольку гото­вые стержни приходилось разрезать вдоль оси для его удаления травлением. Замена молибденовой проволоки на тонкие прутки чистого кремния дала воз­можность отказаться от этой трудоемкой процедуры. При этом, правда, возник­ла другая проблема. Дело в том, что чистый кремний при комнатной темпера­туре имеет высокое сопротивление и электрический ток не проводит. Поэтому для обеспечения нормального проведения процесса прутки надо в начале про­цесса разогреть. Тогда они начинают проводить электрический ток, и появляет­ся возможность реализовать резистивный нагрев прутков кремния до темпера­туры, необходимой для проведения реакции водородного восстановления тет­рахлорида кремния или трихлорсилана (1050 — I Ю0°С).

Готовые стержни поликристаллического кремния удаляют из реактора с большой осторожностью, с соблюдением строжайших требований вакуумной гигиены (рис. 18.127). В промышленных реакторах количество прутков значи­тельно больше. Это легко видеть из рассмотрения рис. 11.5, на котором изо­бражены стержни поликристаллического кремния на месте установки в реакто­ре после его вскрытия (рис. 11.5,а) и на специальном столе после выгрузки стержней из реактора (рис. 11.5,6).

В Советском Союзе на основе «Сименс-процесса» была разработана своя оригинальная технология получения поликристаллического кремния в металли­ческих водоохлаждаемых реакторах [86, 87]. Безусловно, собственно процессу водородного восстановления трихлорсилана предшествовал ряд традиционных операций, таких как получение трихлорсилана (SiHl3) гидрохлорированием (HCI)

з

Рис. 11.6. Принципиальная схема реактора «кипящего слоя»: 1 — вход парогазовой смеси (ПГС); 2 — газораспределительная решетка; 3 — выход прореагировавших компонентов и продуктов реакции; 4, 5- соотношение силы тяжести частицы и подъемной силы газового потока; 6 — направление потока

металлургического кремния в реакторе с кипящим слоем и ректификационная очистка полученного трихлорсилана [66, 87]. Осаждение кремния, безусловно, проводилось на кремниевые основы-затравки, нагретые до температуры поряд­ка 1050°С. Получаемые стержни представлены на рис. 11.5 и 18.127.

Другой разновидностью процесса водородного восстановления хлоридов кремния (хлоридный процесс) является осаждение вновь образующихся порций кремния не на стержни, а на мельчайшие частицы кремния, постоянно активно перемешивающиеся в «кипящем слое», образующемся за счет подачи водорода снизу под специальную решетку. Принципиальная схема реактора «кипящего» слоя показана на рис. 11.6.

Кипящий, или псевдоожиженный слой — это такое состояние слоя зерни­стого сыпучего материала, при котором под влиянием проходящего через него потока газа (или жидкости) частицы твердого материала интенсивно переме­щаются одна относительно другой, слой сыпучего материала как бы «ожижает­ся». В таком состоянии слой напоминает кипящую жидкость, приобретая неко­торые ее свойства. Его поведение может быть описано законами, применяемы­ми для описания поведения жидкостей. В кипящем слое обеспечивается тесный контакт между зернистым материалом (мелкие частицы исходного кремния) и реакционной средой. Поэтому применение реакторов с кипящим слоем особен­но эффективно для гетерогенных процессов, к которым относится процесс оса­ждения кремния из газовой фазы.

Переход неподвижного слоя в кипящий происходит при такой скорости парогазовой среды (см. рис. 11.6), когда гидродинамическое давление потока 4 уравновешивает силу тяжести, действующую на частицы 5. При дальнейшем увеличении скорости слой вначале расширяется, а при дальнейшем увеличении скорости потока (когда величина подъемной силы 4 начинает превышать вес частицы 5), последние начинают выноситься из слоя, а затем и из реактора.

В таком реакторе процесс осаждения идет быстрее в связи с хорошо раз­витой поверхностью нагретого кремния.

В силу своей природы кипящий слой обеспечивает интенсивный тепло­обмен между взвешенными частицами кремния и потоком парогазовой смеси. Развитая поверхность крайне важна для интенсификации гетерогенных процес­сов, каким является процесс осаждения кремния из газовой фазы. Реактор ки­пящего слоя отличается относительной простотой, возможностью обеспечить непрерывный режим осаждения, что просто невозможно в стержневых реакто­рах. Процесс в таком реакторе легче поддается автоматизации, а себестоимость продукта — кремния — существенно ниже. Процесс пиролитического разложе­ния моносилана в реакторах кипящего слоя реализовать значительно легче, чем процесс водородного восстановления трихлорсилана.

Однако в результате такого процесса образуются частицы кремния доста­точно мелкие, и поэтому они трудно поддаются плавлению при получении мо­нокристаллов. Впрочем, реакторы с «кипящим» слоев чаще используют в про­цессах гидрохлорирования кремния. Для осаждения кремния такое оборудова­ние используется, главным образом, в силановом процессе, т. е. в процессе тер­мического разложения моносилана.

Получаемый в качестве сырья исходный кремний подлежит последующей переработке до монокристаллических, поликристаллических со специальной столбчатой структурой или мультикристаллических слитков выращиванием по Чохральскому, либо другими методами, которые требуют значительных затрат энергии.

Кремний, получаемый для использования в электронной промышленно­сти, должен обладать хорошей кристаллической структурой и быть чрезвычай­но чистым. Поэтому он стоит очень дорого. Такие цены не устраивают произ­водителей солнечных элементов, поскольку изготовленные на таком кремнии фотоэлементы становятся дорогими. В связи с вышеизложенным, многими на­учными и производственными коллективами проведена огромная работа по по­иску новых технологических подходов и новых дешевых форм кремния. Такой формой является так называемый «солнечный кремний» (Solar Grade Silicon — SOG Si), который несколько уступает по качеству «электронному» кремнию, но вполне пригоден для изготовления солнечных элементов достаточно высокого качества.

Таким образом, солнечный кремний должен обладать такими свойствами, которые отрицательно не влияют на параметры солнечных элементов при ис­пользуемой технологии их получения. Значит, для его получения можно при­менять более простые и эффективные в смысле производительности и стоимо­сти продукции технологические процессы.

Сложившиеся к настоящему времени новые технологические подходы можно разделить на две категории.

1. Создание технологических процессов получения и очистки исходных галогенидов кремния или силанов и их последующего термического разложения до элементарного кремния как можно более дешевыми способами.

2. Разработки технологических процессов производства кремния из де­шевого природно-чистого сырья металлургическими методами, подоб­ными, например, прямому карботермическому или апюмотермическо — му восстановлению кварца.

Наиболее активно научные и технические проблемы использования тех­нологии кипящего слоя для получения дешевых форм кремния разрабатывают­ся в лаборатории дисперсных систем ИТМО им. А. В. Лыкова НАН Республики Беларусь [135]. На созданной здесь экспериментальной установке кипящего слоя для получения поликристаллического кремния из моносилана были про­демонстрированы все возможности технологии кипящего слоя. Показатели раз­работанного здесь реактора кипящего слоя значительно превосходят аналогич­ные показатели реакторов стержневого типа: его производительность при рав­ных расходах моносилана возрастает в несколько раз, а удельный расход элек­троэнергии, соотнесенный с производительностью, в 20-30 раз ниже. Выход кремния по отношению к стехиометрическому достигает 97%, что исключает необходимость введения рецикла отработанного газа [133, 134].

Тем не менее, сегодня процесс водородного восстановления трихлорси — лана, т. е. «Сименс-процесс», остается наиболее распространенным и, практиче­ски, единственным надежным способом получения поликристаллического кремния-сырья для производства монокристаллов и поликристаллических слитков для солнечных элементов.

Все предпринимаемые попытки найти альтернативные способы получе­ния солнечного кремния нельзя назвать вполне успешными, и сегодня практи­чески весь получаемый в мире поликристаллический кремний («сырец») произ­водится традиционными методами.

Общим результатом любого из перечисленных процессов является полу­чение поликристаллического кремния в самых разных формах, при этом крем­ний для изготовления солнечных элементов никак не пригоден.

Этот материал, как мы уже упоминали, необходимо переработать в моно­кристалл либо в специальные формы поликристаллического кремния.

Монокристаллический кремний можно получить, подвергая поликри­сталл зонной перекристаллизации (рис. 11.7).

В контейнер 6 загружается исходный поликристаллический материал 5, с помощью высокочастотного нагрева, который обеспечивается высокочас­тотными индукторами 1, создаются зоны расплавленного кремния 2. При пере­мещении контейнера вдоль ВЧ индукторов 1 расплавленные зоны перемещают­ся таким образом, что кремний сначала расплавляется, потом вновь кристалли­зуется. Происходит его перекристаллизация, в результате которой в соответ­ствии с коэффициентом сегрегации концентрация примеси во вновь затвер­девшем материале меняется. Если коэффициент сегрегации К<1, концентрация

Рис. 11.7. Схема реализации процесса зонной перекристаллизации: 1 — высокочастотный индуктор; 2 — граница «кристалл — расплав»; 3 — зона расплавленного кремния; 4 — конечный продукт (очищенный кремний); 5 — исходный кремний; 6 — контейнер

уменьшается. И напротив, при К>1 концентрация примеси в перекристаллизо — ванном материале должна увеличиться. Относительно кремния практически все примеси имеют К<1, т. е. при перекристаллизации происходит его очистка. Особенно велик эффект в том случае, когда К«1. Для некоторых примесей значения К близки к 1 (бор — 0,9) или имеют относительно высокие значения (фосфор — 0,35). От таких примесей кремний очистить зонной перекристалли­зацией трудно. Особенно трудно очистить кремний от бора. Поэтому в тех слу­чаях, когда в исходном кремнии содержание бора достаточно велико, для его удаления из кремния используются специальные приемы. В случае использова­ния кремния в фотоэнергетике для изготовления солнечных элементов пробле­ма очистки бора не стоит так остро, как при получении электронного кремния.

В рассмотренном процессе получить монокристалл можно при условии ис­пользования монокристаллической затравки. Но и в этом случае высокое качество получаемых монокристаллических слитков обеспечивается далеко не всегда.

Наиболее удобным и поэтому наиболее распространенным на практике для получения монокристаллов кремния является метод выращивания кристал­лов по Чохральскому. Этот метод предложен еще в 1918 г. и хорошо отработан применительно к кремнию. Схема процесса представлена на рис. 11.8. Процесс начинается с того, что кусковой кремний помещается в кварцевый тигель, ко­торый располагается в зоне нагревателя (такой кремний хорошо виден на рис. 18.10). Обычно перед использованием в процессе выращивания монокристал­лов по методу Чохральского качество кремниевого сырья проверяется путем замеров электрофизических параметров. Измерение удельного сопротивления кусочков кремния на предприятии в Jiaxing (Китай) показано на рис. 18.11.

В качестве нагревателя обычно используется графитовый стакан, боковая поверхность которого разрезана так, чтобы обеспечить равномерный разогрев стакана при пропускании через него электрического тока. В данном процессе заданное распределение температур является чрезвычайно важным. Это обес­печивается установкой специальных экранов и специальной теплозащитой. На­грев резистивный, т. е. при пропускании электрического тока через нагреватель

Рис. 11.8. Схема реализации процесса выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского (Electronic Materials © Prof. Dr. Helmut Foell)

последний разогревает кремний, находящийся в тигле, до расплавления. Тигель приводится во вращение вместе со всем пьедесталом.

Сверху на специальном вращающемся штоке к расплаву кремния подво­дят специальным образом обработанный кусочек монокристаллического крем­ния. Это затравка, которую приводят в соприкосновение с расплавленным кремнием. Затем верхний шток, вращаясь, поднимается, и затравка начинает захватывать за собой небольшие порции кремния, которые при уже небольшом удалении от расплава охлаждаются и кристаллизуются. Слиток медленно вытя­гивается из расплава и одновременно вращается вокруг продольной оси верхне­го штока. Весь процесс осуществляется в инертной атмосфере или вакууме.

Вид образующегося кристалла кремния с затравкой показан на рис. 11.9.

На рис. 18.12 представлен вращающийся слиток кремния в установке вы­ращивания по Чохральскому в Jiaxing (Китай). Готовые слитки монокристалли­ческого кремния, демонстрировавшиеся в Париже (Франция) в 2004 г., пред­ставлены на рис. 18.13, а на рис. 18.142 показан слиток монокристаллического кремния в процессе его выгрузки из печи вытягивания по Чохральскому. Метод Чохральского позволяет получать монокристаллы кремния чрезвычайно высо­кого качества, которое в случае изготовления солнечных элементов зачастую и не требуется. Однако высокая стоимость получаемого кремния сохраняется.

Рис. 11.9. Затравка с кристаллом кремния при вытягивании из расплава

С целью удешевления исходного материала для получения солнечных элементов был использован более производительный и более неприхотливый способ получения слитков кремния литьем его расплава в специальные формы (рис. I 1.10). При этом монокристалл получить, как правило, не удается, но по­лучаемый поликристаллический кремний вполне пригоден для изготовления солнечных элементов достаточно высокого качества. На рис. 18.131 представ­лен внешний вид промышленной установки получения поликристаллического кремния литьем (Германия). На этом же рисунке внизу приведена схема, иллю­стрирующая технологический процесс.

На рис. 18.132 показан внешний вид установки для литья кремния рос­сийского производства (ООО «Красмаш»). Па этом же рисунке ниже можно увидеть внешний вид получаемой продукции. Внешний вид и форма цельного извлеченного из тигля слитка кремния (отливка) представлены на рис. 11.11. Нарис. 18.14 показан слиток поликристаллического кремния, показанного на выставке в Шанхае (Китай) в 2005 г.

Легко видеть, что производство поликристаллических слитков кремния литьем значительно проще. Здесь только необходимо указать, что затвердевания кремния в форме — важный этап, при реализации которого требуется соблюдение ряда условий. Топография распределения параметров кремния (времени жизни носителей заряда) по объему отлитого блока, полученного вышеописанным спо­собом, представлена на рис. 18.133. Из рисунка видно, что этот параметр по объ­ему слитка распределен неоднородно, а значит, и параметры получаемых на ос­нове этого слитка солнечных элементов будут иметь большой разброс.

Материал расплавляется и выливается в форму, в которой обеспечивается специальный режим кристаллизации. Кремний должен медленно охлаждаться и с контролируемой скоростью кристаллизоваться. В форме создается заданный

Рис. 11.10. Тигли для получения отливок кремния на разных этапах технологического процесса: а — исходный тигель; б — отлитый блок кремния; в — тигель с частично снятой стенкой; г — тигель с блоком кремния и целой изоляцией

Рис. 11.11. Отливка мультикристаллического кремния после выгрузки из тигля

градиент температуры, чтобы создать условия для образования монокристалличе­ских зерен максимального размера. Желательно, чтобы зерна с монокристалличе­ской структурой в них были не только крупными, но и вытянутыми вдоль задан­ного направления. Тогда образуется так называемая «столбчатая» структура, ко­торая может обеспечить намного более высокие значения времени жизни неос­новных носителей заряда, образующихся при воздействии фотонов на материал.

В столбчатой структуре границы зерен и другие дефекты кристалли­ческой структуры в меньшей степени влияют на время жизни носителей заря­да. Образующиеся при воздействии фотонов солнечного излучения электроны

а б

Рис. 11.12. Фотографии разреза поликристаллического кремния со «столбчатой»
структурой (а) и с произвольно ориентированными зернами (6)

и дырки с большей вероятностью достигают р-n перехода, где разделяются и участвуют в генерации электрического тока. На рис. 11,12 приведены образцы поликристаллического кремния с элементами «столбчатой» структуры (а) и со структурой с беспорядочно ориентированными зернами (б).

Процесс получения блоков поли — или мультикристаллического кремния методом литья расплавленного кремния в специальные формы имеет несколько разновидностей. На рис. 11.13 схематически представлены используемые на практике способы получения отливок кремния.

На рис. 11.13,а представлена схема процесса литья блоков кремния, по — видимому, наиболее распространенная на практике (описано выше). В этом про­цессе исходный кремний плавится в одном тигле, а расплавленный кремний зали­вается в другой тигель, который оснащен системой поддержания по его высоте заданного градиента температуры. Благодаря наличию температурного градиента формируется столбчатая структура, которая обеспечивает наилучшие характери­стики кремния, в первую очередь диффузионную длину неосновных носителей.

На рис. 11.13,6 схематически показан другой процесс, представляющий собой комбинацию технологии Бриджмена, (модернизированную технологию вертикальной направленной кристаллизации, созданной в 1924 г. И. В. Обреи — мовым и Л. В. Шубниковым), и технологии теплообменника (НЕМ — heat exchange method), где кремний и плавится, и кристаллизуется в одном и том же тигле, в котором необходимый температурный градиент обеспечивается задан­ным и конфигурацией нагревателя.

Рисунок 11.13,в иллюстрирует вариант бестигельного процесса получе­ния слитков кремния. В этом процессе, так же как и в процессах бестигельной зонной плавки для получения и очистки монокристаллов, тигель вообще не ис­пользуется. Здесь расплавленный объем кремния удерживается между двумя

Твердый кремний

Кремний

в со столбчатой структурой

Рис. 11.13. Методы получения поликристаллического кремния литьем:
а — плавка и кристаллизация в двух различных тиглях; 6 — плавка и кристаллиза-
ция в одном и том же тигле (комбинация технологии Бриджмена и НЕМ);
в — бестигельный процесс — электромагнитное литье (ЕМС)

областями твердого кремния, а по мере продвижения всей системы по отношению нагревателя происходит перекристаллизация слитка кремния. В таком процессе можно получать слитки кремния длиной 1-2 м с размерами в сечении 350×350 мм. Получаемые слитки, как правило, отличаются малыми размерами зерен.

Рис. 11.14. Установка с концентратором и гелиостатом: 1 — концентратор; 2 — технологический узел; 3 — гелиостат

Новые технологии производства солнечного кремния в настоящее время находятся в стадии исследования и разработки. В них не используется хлор, что обеспечивает безопасность и экологическую чистоту. Этих технологий доста­точное количество, многие в настоящее время проверяются экспериментально. В случае если какие-либо из них окажутся жизнеспособными, они позволят су­щественно уменьшить энергопотребление в производстве чистого кремния и таким образом снизить цену чистого кремния.

Одним из новых вариантов получения кремния является технологический процесс, в котором для разогрева и плавления кремния используется солнечная энергия, что обеспечивает существенную экономию электроэнергии, затрачи­ваемой в традиционных процессах кристаллизации кремния. Особенность этого метода заключается в том, что слитки кремния выращиваются непосредственно на открытом воздухе, без использования какой-либо технологической камеры [147 — 155]. Схема установки для получения кремния указанным способом представлена на рис. 11.14 [147].

Диаметр используемых в экспериментах зеркал 1,5 и 3 м с вертикальной оптической осью (использованы прожекторные зеркала специального назначе­ния). Форма зеркал — параболоиды вращения с апертурой 60°. Суммарный ко­эффициент отражения системы «гелиостат-концентратор» 0,64. Система сле­жения гелиостатов — азимутально-зенитальная. Основным узлом установки, представленной на рис. 11.14, является технологический узел, схематическое изображение которого представлено на рис. 11.15.

Для получения слитка кремния на пьедестал 4 в фокус концентратора ус­танавливался затравочный кристалл 3. На его поверхности образовывалась кап­ля, в которую с помощью специального устройства 1 вводился материал, под­лежащий переплавке. По мере увеличения объема расплава 2 технологический

Рис. 11.15. Схема установки кристаллизации Рис. 11.16. Разрез слитка (технологический узел): вдоль его оси, выращенного: 1 — подача исходного кремния; 2 — ванна расплава; а — без затравки; 6-е затравкой 3 — затравка; 4 — пьедестал; 5 — вращающийся столик [150]

столик опускался вниз, расплав выводился из фокуса концентратора, благодаря чему на границе «расплав-затравка» начинался процесс кристаллизации. Для получения слитков, равномерных по диаметру и совершенных по структуре, требовалось точное регулирование работы технологического блока и системы управления солнечной печью.

Получены слитки кремния длиной до 10 см и диаметром до 50 — 60 мм, ко­торые, как правило, имели крупнозернистую столбчатую структуру (рис. 11.16).

Это достигалось созданием специальных температурных полей в рабочей зоне. Зерна вытянуты вдоль оси роста, в отдельных слитках (выращенных с за­травкой) область монокристалличности составляла до 70 % от всего объема слитка. Здесь плотность дислокаций, определенная по ямкам травления, со­ставляла величину от 10 до 105 см-2.

На рис. 11.17 представлен вид поверхности пластин, вырезанных из по­лученных кристаллов кремния поперек оси роста.

На рис. 11.17,6 отчетливо видны зоны, где в полученном слитке образо­вывалась зона монокристалличности. Это было обусловлено тем фактом, что в качестве затравки использовался тщательно подготовленный монокристалл. Сравнительные спектральные характеристики фотоэлементов, изготовленных на базе различных исходных материалов, представлены на рис. 11.18.

Измеренные значения удельного сопротивления и типа проводимости по­лучаемых материалов сравнивались с аналогичными параметрами исходного кремния. Эти данные приведены в таблице 11.1, из них видно, что содержание примесей в выращенных образцах п — и p-типа коррелируют с их содержанием в исходном сырье.

Рис. 11.17. Поверхность пластины, вырезанной поперек оси роста: а — без затравки; 6-е затравкой

Рис. 11.18. Характеристики солнечных элементов, изготовленных на основе различных материалов: 1 — поликристалл на керамике; 2 — поликристалл, полученный по описанной технологии; 3 и 4- поликристалл фирмы Silso

Таблица 11.1. Удельное сопротивление образцов исходного и получаемого кремния (четырехзондовый метод, шайбы из различных частей слитков) № образ­ ца Параметры исходного кремния Пол к іученньїй ре МП ни Температура процесса кристаллизации, °С Тип прово­ димо­ сти Удельное сопротивле­ ние, Ом-см Тип прово­ димо­ сти Удельное сопротив­ ление, Ом*см 1. Р 103 N 45 2000 2. N 1(Г N 30 2000 3. Р 10J N 5 1800 4. Р 0,5 Р 3.5 2000 5. N 200 N 10 1800 6. Р 0,5 Р 3,5 2000 7. N 200 N 25 2000

Однако всегда наблюдался эффект очистки от примесей p-типа, т. е. бора. Это означает, что метод можно применить для эффективной очистки «метал­лургического» кремния до класса «солнечного». Этот результат может быть объяснен процессами, которые имеют место при получении кремния в таких условиях. Эти процессы будут рассмотрены ниже.

Содержание кислорода в получаемых слитках определялось с помощью стандартной методики по поглощению ИК-излучения в области 9,1 мкм. Спек­тры поглощения снимались на двухлучевом спектрофотометре ИКС-14А при температуре 25°С. Для исследований готовились шайбы толщиной 2 мм, кото­рые тщательно полировались с двух сторон. Результаты измерения представле­ны в таблице 11.2.

Таблица 11.2.Содержание кислорода в исходном и полученном кремнии Образец Содержание кислорода, N-1017 см"3 Исходный кремний 11,2 Начало слитка 15,85 Середина слитка 15,25 Конец слитка 15,15

Из табл. 11.2 видно, что содержание кислорода в слитках несколько пре­вышает его содержание в исходном кремнии, однако не является таким высо­ким, какое можно было ожидать, имея в виду непосредственный контакт рас­плавленного кремния с воздушной средой.

Анализ зависимостей /кзот X в области спектра 0,7—1 мкм в исследуемых фотоэлементах позволил оценить диффузионную длину /_д, которая обычно со­ставляла 60 — 65 мкм, но временами могла превышать 100 мкм. Такие парамет­ры кремния позволяют получать фотоэлементы с высоким КПД.

Вышеизложенные результаты представляются неожиданными при рас­смотрении с позиций существовавших представлений о том, что для получения чистого и совершенного в структурном отношении кремния необходима специ­альная технологическая среда (высокоочищенный водород или инертный газ) либо вакуум, а для очистки от такой примеси, как бор, металлургические мето­ды неприемлемы. Объяснения полученным результатам следует искать в спе­цифике рассматриваемого процесса, схема которого представлена на рис. 11.19.

В процессе кристаллизации свойства получаемого материала определя­ются как параметрами расплава вблизи фронта кристаллизации, так и процес­сами на границе раздела «расплав — газовая фаза», где ситуация определяется не только процессами взаимодействия расплавленного кремния и его паров в приповерхностной области газовой фазы с компонентами воздушной среды

Рис. 11.19. Схема реализации процесса получения кремния: 1 — ванна расплава; 2 — приповерхностная область на границе «газ-расплав»; 3 — приграничная область у фронта кристаллизации; 4 — слиток кремния; 5 — предметный столик

(кислород, азот, влага, углекислота), но и процессами взаимодействия поверх­ности расплавленного кремния с концентрированным солнечным излучением. Поэтому состав газовой фазы в тонком слое, прилегающем к расплаву, будет определяться не только диаграммой состояния сложной системы «кремний — азот — влага — углекислота — примеси», но и механизмом взаимодействия потока концентрированной солнечной энергии с поверхностью расплавленного крем­ния и компонентами приповерхностного слоя газовой фазы.

Полученных экспериментальных данных недостаточно для идентифика­ции процессов, имеющих место в этих условиях, а также химических соедине­ний, образующихся вследствие реализации этих процессов. Можно предполо­жить, что очистка выращиваемого кремния в данном случае происходит двумя путями:

1) за счет сегрегационных явлений на границе «твердое тело — расплав» от примесей с низким коэффициентом распределения;

2) за счет удаления примесей из ванны расплава в газовую фазу через границу раздела «расплав — газ» в виде летучих соединений.

Удаление примесей по обоим указанным путям может быть интенсифи­цировано путем активного перемешивания расплава.

Приведенные результаты имеют значение фундаментального характера. Кроме того, результаты исследований, прекращенных в свое время в связи с от­сутствие финансирования, могут оказаться весьма полезными и в практическом плане, если позволят отработать технологию очистки кремния в условиях ком­плексного воздействия концентрированного солнечного излучения и химически активной среды атмосферного воздуха, которая может быть реализована в про­

мышленных установках различного масштаба. В частности, в мощных солнеч­ных печах для получения блоков мультикристаллического кремния литьем рас­плава в специальные формы с заданным градиентом температуры для обеспе­чения заданных кристаллических параметров слитков. Такой процесс с целью повышения производительности мог бы быть реализован в Больших Солнеч­ных Печах (БСП), примером которых может служить, например, БСП Институ­та Вейцмана (г. Реховот, Израиль), БСП мощностью 1000 кВт Национального Центра Научных Исследований (г. Одейо, Франция) или аналогичная ей БСП тепловой проектной мощностью 1000 кВт Академии Наук Республики Узбеки­стан ( г. Паркент, Узбекистан).

В настоящее время на практике применяется несколько типов солнечных модулей. Наиболее распространены «классические» модули, собранные из от­дельных солнечных элементов, изготовленных по описанной в главе 8 техноло­гии на пластинах монокристаллического либо пол и кристаллического кремния. Эти элементы механически непрочны, использоваться поодиночке не могут. Поэтому их группируют в модули.

Технология сборки солнечных элементов в модули существенно зависит от типа и конструкции самого фотоэлемента. Вопросы сборки элементов в мо­дули мы рассмотрим применительно к стандартным, на сегодняшний день наи­более часто применяемым планарным солнечным элементам. Наиболее рас­пространенная конструкция фотоэлектрического модуля такого типа приведена на рис. 10.1.

Солнечный элемент

Рис. 10.1. Типовая схема солнечного модуля (www. Kesoyan. ru)

Процесс изготовления модулей состоит из нескольких этапов.

Перед соединением в группы на каждом элементе создают монтажные шины. Солнечный элемент с напаянной шиной изображен на рис. 10.2.

После присоединения монтажной шины заготовки подвергают очистке ультразвуком в нагретой до 60°С воде. После тщательной очистки и сушки эле­менты группируются в линейки (рис. 10.3,а) и полноразмерные модули (рис. 10.3,6).

Рис. 10.2. Фотоэлемент с напаянной полоской проводника (монтажная шина)

Рис. 10.3. Линейка солнечных элементов (а) и полноразмерный модуль (6) (www. Kesoyan. ru)

До сборки в модуль каждый элемент проходит тестирование, проверку основных параметров, указанных в главе 8. Элементы, не соответствующие за­данным параметрам, отбраковываются. Прошедшие тест-контроль солнечные элементы укладываются друг к другу плотно, без просветов. После установки на место элементы по заданной геометрии соединяются последовательно­параллельно, чтобы обеспечить необходимое напряжение и мощность модуля. Максимальная мощность модуля зависит, прежде всего, от общей площади фо­тоэлементов, фактически от размера модуля.

При всех операциях с элементами в процессе сборки обычно используют­ся специальные пневматические инструменты-захваты. Это обеспечивает со­хранение чистоты и целостности солнечных элементов. В процессе изготовле­ния модулей используется закаленное (упрочненное) солнечное стекло с низ­ким содержанием железа. Это стекло должно быть противоударным до такой степени, чтобы противостоять воздействиям даже граду относительно большо­го размера. Далее стекло покрывается пленкой EVA (эти лвини л ацетат), а на стекле располагаются соединенные между собой фотоэлементы. Такая панель, изготовленная в Jiaxing (Китай), показана на рис. 18.19. Некоторые детали по­следовательного соединения как с передней, так и тыльной стороны показаны на рис. 18.20 и 18.21. Металлическая полоса соединяет передние контакты од­ной ячейки с обратным полноразмерным (сплошным) контактом другого эле­мента. Другая пленка EVA укладывается поверх соединенных между собой фо­тоэлементов, а обратная сторона обычно изготавливается из композитного ла­мината PVF-PET-PVF (поливинилиденфлуорид-полиэтиленэтерофтолат- поливинилиденфлуорид). Затем объем между этими слоями вакуумируется и панель нагревается до температуры, превышающей точку плавления фольги EVA. Во время этой тепловой обработки этилвинилацетат плавится и заполняет объем вокруг фотоэлемента между передним стеклом и тыльной ламинатной стенкой модуля. Наконец, панель заключается в рамку и запечатывается сили­коновым герметиком в алюминиевую раму, оборудованную коробкой с выход­ными контактами (рис. 10.4)

фотоэлектрическая панель-сечение

Полностью смонтированные панели герметизируются с целью предот­вращения проникновения воды или других веществ. Длительность работы вы­сококачественных панелей на основе монокристаллического кремния обычно составляет 20 — 25 лет. Внешний вид законченного в изготовлении модуля можно видеть на рис. 10.5.

Стандартная фотоэлектрическая панель на основе монокристаллического кремния, установленная на вертикальной стене, показана на рис. 10.6. На рис. 18.22 показан резак фольги EVA, используемый для подгонки размеров, а рис. 18.23 представляет упомянутое выше устройство для нагревания фото­электрической панели выше точки плавления фольги.

Таким образом, формирование солнечных станций на базе классических солнечных элементов на кремнии, рассмотренных в главе 8, идет по схеме «элемент-модуль-батарея» (рис. 10.7).

Рис. 10.5. Внешний вид модуля в алюминиевом каркасе (а) с клеммной коробкой на тыльной стороне (б)

Рис. 10.6. Стандартная фотоэлектрическая панель, установленная на вертикальной стене

Модуль

Батарея Рис. 10.7. Формирование солнечной станции по схеме «элемент-модуль-батарея»

Панели на основе соединенных между собой сферических р-n переходов на монокристаллическом кремнии являются интересной новинкой. Эта техно­логия известна уже несколько лет, но только недавно началось коммерческое производство панелей на ее основе. Эти панели могут быть твердыми, со стек­лянной передней панелью, или гибкими, заключенными в капсулу обычно с тефлоном с лицевой стороны. Кремниевые сферы диаметром приблизительно 0,6 мм состоят из ядра p-типа, окруженного внешним слоем n-типного кремния таким образом, что между ними образуется сферический р-n переход ниже их поверхности. Сферы производятся путем подачи капель расплава легированно­го примесью p-типа из капилляра, таким образом, что капли затвердевают во время падения. Затем имеет место диффузия, и внешний слой сферы легируется примесью п-типа.

Сферы фиксируются в отверстиях в алюминиевой фольге. Отверстия имеют меньший диаметр, чем сферы, что не дает возможности последним про­никать через них. Каждое отверстие расположено в маленькой чаше, для каж­дой сферы чаша формирует небольшой параболический концентратор излуче­ния. Алюминиевая структура формирует отрицательный электрод. В более низ­кой части сферы область n-типа удаляется травлением, и контакты вводятся в слой p-типа, благодаря чему формируется другой, положительный электрод. Это устройство схематично показано на рис. 10.8. Весь элемент заключается в кожух, что обеспечивает изготовление твердых или гибких панелей или эле­ментов различных размеров. Гибкие элементы могут быть скатаны и использо­ваться для полевой работы. Преимущества модулей со сферическими элемен­тами заключаются в том, что они отличаются гибкостью и имеют низкий вес. Но самое большое их преимущество состоит в том, что для их производства требуется в семь раз меньше кремния по сравнению со стандартными модуля­ми. Однако в отсутствие детальных знаний этой специфической технологии мы не можем оценить, перевешивают ли их преимущества имеющиеся недостатки. При высоких углах падения света эффект фокусирования концентрированного излучения на сферу подавлен, что ведет к понижению эффективности всего мо­дуля. Поэтому было бы полезно применить автоматическое устройство слеже­ния за солнцем совместно с этими модулями. Эффективность рассмотренных модулей пока низка и составляет приблизительно 14 %. Однако разработчики полагают, что в свое время они будут в состоянии достигнуть КПД прибли­зительно 18 %, что сопоставимо со стандартными модулями. Пример гибкой панели, произведенной компанией Spheral Solar Power, который был экспони­рован на Парижской выставке в 2004 г., приведен на рис. 10.8. Собственно ячейка показана на рис. 18.25. Детальное изображение твердой ячейки про­изводства компании Фуджи, представленной на Шанхайской конференции в 2005 г., приведено на рис. 18.26. Кремниевые сферы и концентраторы видны достаточно четко.

Примеры мобильных гибких модулей на основе тонких кремниевых слоев представлены на рис. 18.27 и 18.28. Панели экспонировались в Дрезде­не в 2006 г. ив Милане в 2007 г. Гибкие модули высокого качества производят 122

солнечное излучение

и в России. Например компания Телеком СТВ (Москва) на выставке Inter — SolarEurope-2012 (Мюнхен, ФРГ) демонстрировала гибкие модули собственно­го производства.

Максимальная выработка электроэнергии с помощью фотоэлектрических модулей в 2005 г. превысила 1000 МВт (в 2012 г. 28000 МВт). Возможно, было бы полезно отметить главных производителей фотоэлектрических элементов и модулей. Диаграмма, представленная на рис. 10.10, основана на информации

Рис. 10.10. Доля основных производителей фотоэлектрических модулей в глобальном производстве (диаграмма основывается на данных журнала «Photon International»)

из журнала «Photon International». Из нее видно, что фотоэлектрические моду­ли, произведенные фирмой Sharp, составляют больше, чем одну четверть гло­бального производства. В настоящее время производство их в Китае растет стремительно.

Китайская доля на рынке увеличивается заметно, и есть верный признак того, что эта тенденция продолжится. Произведенные модули имеют обычно высокое качество и оцениваются высоко. Тот факт, что китайские фирмы все больше принимают участие в выставках, подтверждает понимание их постоян­но возрастающей значимости.

Массовое производство фотоэлектрических модулей в Чешской респуб­лике началось в 2005 г. Немецкая компании RWE-SCHOTT имеет завод в ValaSske Mezincf в Моравии. Японская компания Kyocera построила новую фабрику недалеко от населенного пункта Kadan. Вопросы, связанные с произ­водством солнечных модулей в России, уже рассматривались в главе 2, а также представлены на рис. 18.119.

Объемы производства модулей различными предприятиями достаточно интенсивно изменяются в зависимости от разных факторов. Наиболее значимые производители фотоэлектрических модулей по состоянию на 2005 г. приведены на рис. 10.10.

Разрабатываемые в последнее время новые двусторонние фотоэлектриче­ские панели имеют преимущество перед фотоэлектрическими модулями, разра­ботанными до этого времени. Было доказано, что их использование выгодно. Иногда двусторонние и односторонние модули стоят почти одинаково. Отличие в производстве двусторонних модулей от производства стандартных панелей, заключается в том, что у двусторонних элементов тыльная сторона выполнена из прозрачного ламината, а тыльные контакты изготовлены не в полноразмер­ном варианте (сплошные), как у стандартных односторонних элементов, а представляют собой контактную сетку, аналогичную располагаемой на лице­вой панели.

Модуль оптимизирован по потоку радиации, поступающей на переднюю сторону, но фотоэлектрическая эффективность радиации, поступающей на об­ратную сторону, всего лишь немного ниже. Кроме того, двусторонние модули на основе c-Si прозрачны для излучения в инфракрасной области спектра с длинами волны X > 1100 нм, то есть для энергий фотонов ниже, чем ширина за­прещенной зоны кремния. Эта радиация составляет не более чем 20 % общего потока солнечной энергии. Пропорционально меньше радиации, преобразован­ной в теплоту, будет поглощено двусторонними фотоэлементами по сравнению со стандартными. Поэтому рабочая температура модулей на основе двусторон­них элементов будет всегда ниже. Это связано с более высокой эффективно­стью фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. Указанный факт согласуется с теорией полупроводников и был подтвержден экспериментально. Собственно двусторонняя панель показана на рис. 18.24, а двусторонний сол­нечный элемент на рис. 18.113.

Распределение объемов производства солнечных панелей по странам ми­ра можно видеть на рис. 18.120. Этот рисунок иллюстрирует стремительный рост объемов их производства во всем мире, при этом отдельно следует отме­тить опережающие темпы роста производства панелей в Китайской Народной Республике. Если в начале века этот показатель был вообще незаметен, то сего­дня объем выпуска панелей в КНР вместе с Тайванем превосходит объем про­изводства ФЭМ в Европе, США и Японии вместе взятых.

Общие производственные мощности для производства солнечных бата­рей в России около 20 МВт/год, а реально производится около 5 МВт/год. По­тенциал выпуска солнечных модулей в России существенно превосходит объем выпускаемой продукции (рис. 18.119). Это означает, что при увеличении спроса на солнечные модули и элементы на рынке российская промышленность в со­стоянии оперативно отреагировать на рыночный спрос.

До настоящего времени промышленностью практически всех стран мира выпускаются солнечные модули, собранные из планарных фотоэлементов, а применяемые технологии представляются приемлемыми.

Наиболее распространенной, как уже указывалось выше, является техно­логия ламинирования с применением пленок на основе сополимера этилена с винилацетатом (EVA).

Основными недостатками этой технологии являются высокая энергоем­кость процесса, ограниченный срок эффективной эксплуатации модуля (20 лет), обусловленный недостаточной свето-, термо — и атмосферостойкостью, высокой коррозионной активностью EVA, а также невозможностью использования та­ких модулей в системах с концентрацией солнечного излучения, превышающей 1,5-кратную [76, 118].

В последние годы широкое распространение получили модули на основе тонкопленочного аморфного кремния. Эти модули характеризуются тем, что они не собираются из отдельных, заранее изготовленных солнечных элементов,

Рис. 10.11. Структура пленочных фотоэлектрических панелей на основе только
аморфного (а) и аморфного и микрокристаллического (6) кремния:
а — одинарный переход a-Si; 6 — двойной переход a-Si/ p-cSi;

1 — переднее стекло; 2 — передний контакт ZnO; 3 — задний контакт ZnO;

4 — отражатель; 5 — заднее стекло

а изготавливаются целиком на специальных стеклах большой площади. Такие модули, установленные на солнечной станции вблизи города Гота (ФРГ, Тюрин­гия), можно видеть на рис. 18.144. Панели производятся как только на аморфном (рис. lO. l 1, а), так и на аморфном и микрокристаллическом (рис. 10.11, б) крем­нии. В последнем случае панели обладают более высоким КПД.

Такие модули получили широкое распространение только в последнее время, но установленная мощность СЭС на их основе постоянно возрастает. На рис. 18.145 представлено изображение общего вида уже упоминавшейся выше солнечной станции вблизи города Гота в ФРГ, а на рис. 18.146 показано мон­тажное устройство для установки модулей в составе солнечной станции. Как мы видим, это очень простая конструкция. В значительной степени благодаря этой простоте СЭС «Гота» была смонтирована и запущена в эксплуатацию в течение всего двух месяцев.

Производство рассмотренных выше модулей представляет собой до­статочно сложный комплекс (рис. 10.12). На рис. 18.122 представлен внешний вид производственных участков на предприятии по производству пленочных модулей.

В последние годы в мировой практике получили достаточно широкое распространение так называемые ФЭТ технологии (PV Thermal Technologies) [119, 120, 122 — 124, 126, 128]. Фотоэлектрический тепловой (ФЭТ) модуль представляет собой устройство, объединяющее в себе и фотоэлектрический мо­дуль, и гелиоводонагреватель (рис. 10.13).

Таким образом, фотоэлектрические тепловые (ФЭТ) модули представ­ляют собой устройства, преобразующие солнечную энергию в электрическую с помощью фотоэлектрических (ФЭ) элементов и в тепловую с помощью теплового поглощающего элемента (абсорбера), т. е. ФЭТ устройство позволяет

Рис. 10.12. Технологический комплекс производства тонкопленочных солнечных панелей (Презентация Маздар PV)

Рис. 10.13. Схема образования ФЭТ модуля

получать не только электрический ток, но и горячую воду одновременно. ФЭТ системы имеют большие перспективы практического использования, особенно в автономных системах энергоснабжения жилых малоэтажных зданий.

ФЭТ устройства могут сильно отличаться по конструкции: домашние ФЭТ системы горячего водоснабжения [161], вентилируемые ФЭ фасады или активно охлаждаемые системы с солнечными концентраторами [119, 120].

Различные вопросы, связанные с конструкцией ФЭТ модулей и их пара­метрами в различных условиях эксплуатации, рассмотрены в ряде обзорных ра­бот, например в [158 — 160].

Некоторые примеры практического применения ФЭТ модулей приведены на рис. 18.156 (жидкостные ФЭТ системы) и на рис. 18.157 (воздушные ФЭТ системы).

Для ФЭТ модулей важно определить предельные значения распределения приходящей солнечной радиации на выработку электроэнергии, с одной сторо­ны, и горячей воды, с другой стороны. Это соотношение в первую очередь оп-

ределяется природой самого солнечного излучения (спектральный состав) [138, 139] и параметрами полупроводникового материала, на основе которого вы­полнены солнечные элементы. Специально выполненные исследования позво­лили оценить это соотношение [130].

В ВИЭСХе проведен комплекс научно-исследовательских работ по изу­чению параметров ФЭТ модулей в различных условиях. Для этого была разра­ботана специальная аппаратура [126, 157], которая обеспечивала проведение испытаний ФЭТ модулей в натурных условиях при постоянном контроле ме­теопараметров, в том числе уровня приходящей солнечной радиации.

Рассмотрены системы энергоснабжения на основе когенерационных ФЭТ модулей с тепловыми насосами [131]. Разработана математическая модель ФЭТ модуля, функционирующего в составе комбинированной системы теплоснаб­жения на основе теплового насоса [132].

Производство структур на основе монокристаллического кремния — про­цесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому в настоящее время ведется активный поиск альтернативных вариантов. В первую очередь внима­ние исследователей привлекают такие материалы, как аморфный кремний (a-Si:H), арсенид галлия (для работы с концентрирующими системами) и поли­кристаллические полупроводники. Аморфный кремний рассматривается в каче­стве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 г. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки a-Si:H толщиной 0,5-1,0 мкм вместо дорого­стоящих кремниевых подложек толщиной 200 мкм. Кроме того, благодаря су­ществующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади технология получения солнечных панелей на его основе не требует использования таких операций как резка, шлифовка и полировка крем­ниевых пластин, которые необходимы при производстве элементов из моно­кристаллического кремния.

По сравнению с элементами на основе как моно-, так и поликристалли­ческого кремния изделия на основе a-Si:H имеют ряд преимуществ: их про­изводят при более низких температурах (300°С), для их производства можно использовать дешевые стеклянные подложки и сократить расход кремния в 20 раз.

До настоящего времени максимальный КПД самых лучших эксперимен­тальных элементов на основе a-Si:H — 12% (на практике 8 — 9%), т. е. сущест­венно ниже КПД СЭ на моно — и поликристаплическом кремнии (-17%). Тем не менее, нельзя исключать того, что активные исследования в этом направлении приведут к созданию технологии производства элементов на основе a-Si:H с более высокими параметрами.

В практику внедряются все новые и новые типы солнечных элементов альтернативных конструкций, проводятся работы по повышению их эффектив­ности.

На рис. 18.109 представлены статистические данные о распределении по годам объемов производства солнечных элементов разного типа, наиболее распространенные на практике. Приведены данные об объемах производства солнечных элементов (СЭ) и модулей на основе моно, мультикристаллического и ленточного кремния.

Доля СЭ на основе монокристаллического кремния последовательно снижается. Если в 1960 г. она составляла около 100%, то в период 2004-2010 гг. она снизилась до 35 — 40% за счет заметного роста выпуска СЭ на базе мультикристаллического кремния. Однако характерно то, что доля кремния всех типов в целом в промышленности солнечных элементов по-прежнему составляет значительную величину (более 65%).

Для более полного использования всего спектра солнечного излучения применяются разные подходы, основной смысл которых заключается в том, что фотоэлементы на основе различных полупроводниковых материалов вместе могут преобразовать значительно большую долю спектра солнечного излуче­ния. Для этих целей можно использовать, например, такие материалы, как кремний, германий, арсенид галлия, другие соединения А3В5, аморфный крем­ний и др. Весь вопрос в том, как разделить солнечное излучение, чтобы каждый элемент, созданный на определенном материале, смог утилизировать свою, со­ответствующую параметрам именно этого полупроводника, часть спектра сол­нечного излучения.

Созданы так называемые «каскадные» преобразователи, в которых фото­элементы различного типа располагаются последовательно один за другим. При этом каждый из них использует ту часть спектра, которая соответствует его ха­рактеристике, а именно, ширине запрещенной зоны.

Принципиальная схема такого преобразователя представлена рис. 9.1, здесь фотоэлементы расположены друг за другом. Солнечный свет сначала по­падает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом погло­щаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т. д.

Рис. 9.1. Принципиальная схема каскадного фотоэлемента

….— Концентратор света -# и тепловой радиатор Рис. 9.2. Принципиальная схема модуля спектрального разложения света для повышения степени использования спектра солнечного излучения

Весьма перспективными представляются каскадные батареи, состоящие из трех элементов с различной шириной запрещенной зоны. Верхний слой, погло­щающий коротковолновую область солнечного спектра, формируется на основе, например, аморфного кремния a-Si:H с шириной запрещенной зоны 1,8 эВ. Для серединного элемента может использоваться твердый раствор аморфного кремния и германия a-SiGe:H (1,6 эВ), который наиболее активен в зеленой области сол­нечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть спектра, для этого используется /-слой a-SiGe:H с концентрацией германия 40-50%. Непогло­щенный свет отражается от тылового контакта на основе Ag/ZnO. Все три элемен­та каскадной солнечной батареи связаны между собой сильнолегированными слоями, образующими туннельные переходы между соседними элементами.

Для решения этой же задачи можно обойтись и без использования много­слойных структур, которые необходимо формировать при создании каскадных фотоэлементов, используя устройства спектрального разложения света.

В этом случае солнечное излучение разлагается на множество узких спект­ральных полос, и излучение из каждой полосы преобразуется с помощью от­дельного элемента, ширина запрещенной зоны которого выбирается наиболее оптимальной по отношению к спектральному составу данной полосы. Принци­пиальная схема такого устройства приведена на рис. 9.2.

В модуле, представленном на рис. 9.2, разложение солнечного излучения производится с помощью дихроических зеркал. Дихроические зеркала разлага­ют падающий свет, отражая фотоны с высокой энергией в элемент 1 и пропус­кая фотоны с более низкой энергией к элементу 2 и далее к элементу 3. При 1000-кратном концентрировании солнечного излучения значение КПД при де­ление света на два спектральных диапазона может достигать ~60 %. а при деле­нии на 10 полос он может возрасти даже до ~85 %.

Решить задачу разложения света и направить заданные части спектра на заданные фотоэлементы можно и с помощью призм.

Был разработан оригинальный способ преобразования солнечной радиа­ции, основанный на разложении солнечного излучения в спектр и использова­нии для различных участков спектра фотопреобразователей (ФП), обладающих соответствующей, как это было показано выше, фоточувствительностью, с од­новременной концентрацией излучения [67].

По оценке авторов этой работы такой способ имеет ряд положительных особенностей, позволяющих повысить не только предельный теоретический, но и реальный физический КПД системы. К этим преимуществам можно отнести и независимость оптимизации отдельных СЭ для каждого участка спектра, и оп­тические покрытия, и конструкцию и геометрические размеры, а также отсут­ствие необходимости обеспечения прозрачности СЭ в нерабочей области спек­тра и более эффективное использование фотоэлементов различного типа из од­ного и того же полупроводника.

В частности, разработанный способ позволяет снизить оптические потери на отражение посредством использования просветляющих покрытий СЭ, оптими­зированных для соответствующих участков спектра, в то время как, например, в обычном элементе необходимо просветление, пригодное для всей области чувст­вительности солнечного элемента, а в каскадном — еще и в области за краем фун­даментального поглощения.

Другой очень важной особенностью рассматриваемого способа является возможность отвода от фотоэлемента теплового или ультрафиолетового излу­чения, не преобразуемого в электрическую энергию или преобразуемого с низ­кой эффективностью, что значительно улучшает тепловой режим и делает спо­соб более перспективным для преобразования концентрированного излучения, что обеспечивает повышение реального физического КПД и ресурса работы ус­тановки.

В [72] приведены результаты работы по созданию и исследованию фото­электрической системы на основе наиболее эффективных фотопреобразовате­лей (ФП), выпускаемых промышленностью, в том числе: СЭ на основе кри­сталлического арсенида галлия с гетероструктурой pGaAlAs-pGaAs-nGaAs с шириной запрещенной зоны 1,4 эВ, обладающих высокой эффективностью преобразования коротковолновой части солнечного спектра излучения; СЭ на основе кристаллического кремния со структурой nSi-pSi с шириной зоны 1,1 эВ, обладающих высокой эффективностью преобразования средневолновой части спектра в области максимума солнечного излучения; матричных ФП с «вертикальными» р-п переходами на основе кристаллических германиевых микроэлементов со структурой nGe-pGe с шириной зоны 0,68 эВ, что обеспечи-

вает максимальную эффективность в ближайшей инфракрасной области излу­чения. Предельный КПД такой системы авторы оценили на уровне 64%.

В процессе выполнения этой работы, поддержанной Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ), ее авторами была создана эксперимен­тальная солнечная батарея (СБ), включающая эти три фотопреобразователя, смон­тированная на металлизированной плате размерами 295x75x1,5 мм (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Внешний вид экспериментальной батареи с разложением солнечного света с помощью призмы

Солнечная батарея включает систему токоотводов от всех солнечных элементов и обеспечивает проведение измерений фотоэлектрических характе­ристик фотопреобразователей как в независимых электрических цепях, так и в различных системах коммутации ФП.

Внешний вид экспериментального образца аналогичной установки с ди — хроическими линзами для разложения солнечного света представлен на рис. 9.4.

Конструкция снабжена микрометрическими винтами и ширмами, позво­ляющими согласовывать геометрические параметры активных поверхностей различных ФП и параметры их размещения на освещаемой поверхности сол­нечной батареи, в том числе устанавливать и изменять границы между сосед­ними ФП на основе измерений спектральной чувствительности ФП. Получен­ные результаты показывают, что возможность создания установки для исполь­зования на практике представляется реальной. Для выполнения этого цикла ра­бот были созданы специальные лабораторные устройства. Среди них можно от­метить специально разработанную установку для проведения непрерывных изме­рений характеристик фотоэлектрических систем на основе разложения (рис. 9.5.)

Комплекс этих исследований выполнен группой специалистов ГНУ ВИЭСХ под руководством и при участии профессора В. М. Евдокимова.

Рис. 9.4. Дихроические линзы из оргстекла, смонтированные на одном держателе в измерительной установке с экспериментальной солнечной батареей

Рис. 9.5. Установка для проведения непрерывных измерений характеристик фотоэлектрических систем на основе разложения

Созданная в процессе выполнения вышеуказанной работы установка для проведения непрерывных измерений характеристик фотоэлектрических систем на основе разложения спектра солнечного излучения представлена на рис. 9.5.

В ГНУ ВИЭСХ на основе многолетних исследований под руководством академика РАСХН, профессора Стребкова Д. С. разработаны матричные сол-

107

нечные элементы (МСЭ) третьего поколения на основе кремния с КПД 20% и бо­лее при преобразовании концентрированного солнечного излучения с концентра­цией до х100 [68]. Результаты этих исследований, ставших логическим заверше­нием более чем сорокалетних ранее проведенных исследований, нашли отражение в трехтомной монографии [69, 70, 71].

Как уже упоминалось ранее, разделение генерированных солнечным излучением неосновных носителей заряда происходит в электрическом поле р-n перехода, который играет ключевую роль в работе СЭ. Было принято по­лагать, что площадь р-n перехода должна соответствовать площади СЭ. Од­нако у р-n перехода есть и отрицательные свойства. В области р-n перехода имеются рекомбинационные потери. Через р-n переход протекает темновой ток насыщения, связанный с тепловой генерацией носителей заряда, что при­водит к снижению фото-э. д.с. Легированный слой над плоскостью р-n пере­хода имеет большое сопротивление растекания, что увеличивает омические потери, особенно при преобразовании концентрированного солнечного излу­чения. Легированный слой поглощает коротковолновую часть солнечного излучения вследствие потерь на свободных носителях заряда, а его вклад в фототок очень мал из-за рекомбинации носителей заряда на дефектах кри­сталлической структуры и примесных центрах в сильно легированном полу­проводнике.

В результате выполненных исследований [69 — 71] удалось разделить пространственно освещаемую поверхность СЭ на области генерации носителей заряда и области с р-n переходом, ответственные за разделение и собирание но­сителей. При этом площадь легированного слоя и р-n перехода на поверхностях СЭ снижается в 10 раз, а 90% площади поверхности отведено для генерации электронно-дырочных пар при прямом взаимодействии квантов солнечного из­лучения с базовой областью СЭ.

Сделать это удалось за счет применения в фотоэлектрическом модуле кремниевого матричного солнечного элемента (МСЭ) с линзой Френеля в каче­стве концентратора.

МСЭ имеют напряжение 18 В на 1 см2 рабочей поверхности и равное нулю сопротивление растекания легированного слоя. Ожидаемая стоимость МСЭ при серийном производстве вследствие значительного сокращения расходов кремния в два раза снижается по сравнению со стоимостью стандартных планарных СЭ из кремния и может составлять до 0,1 долл./см2.

В результате многолетних исследований была предложена классификация матричных солнечных элементов. Матричные элементы можно разделить на V групп и 10 типов [69 — 71]. Использованы следующие признаки классифика­ции: по числу граней с р-n переходами в одном элементе; по конфигурации р-п переходов в элементе.

Типы МСЭ различаются по способу коммутации микроэлементов в матрице.

Предложенная классификация предусматривает разделение матричных элементов по типу.

Тип 1. Матричный СЭ с р-n переходами на одной грани, перпендику­лярной поверхности.

Тип 2. Матричный СЭ с р-n переходами, параллельными рабочей по­верхности.

Тип 3. Матричный р-n переход с Г-образным р-n переходом.

Тип 4. Матричный СЭ с П-образным р-n переходом с двухсторонней ра­бочей поверхностью.

Тип 5. Матричный СЭ с р-n переходом на трех гранях, перпендикуляр­ных рабочей поверхности.

Тип 6. Матричный СЭ с П-образным р-n переходом.

Тип 7. Матричный СЭ с р-n переходом на четырех гранях, перпендику­лярных рабочей поверхности.

Тип 8. Матричный СЭ с р-n переходом на четырех гранях.

Тип 9. Матричный СЭ с р-n переходом на пяти гранях с двухсторонней рабочей поверхностью.

Тип 10. Матричный СЭ с р-n переходами на пяти гранях.

Отличие матричного СЭ от планарного заключается в том, что линейные размеры микроэлементов в матрице соизмеримы с диффузионной длиной неос­новных носителей тока. Увеличение плотности «упаковки» р-n переходов в матрице увеличивает коэффициент разделения генерируемых пар, поскольку обеспечивается полное собирание носителей, движущихся из любой точки объ­ема матрицы по направлению к р-n переходу.

На рис. 9.6 представлен внешний вид поверхности фотоэлектрического преобразователя на основе многослойной матричной кремниевой структуры.

В результате проведенных работ получены солнечные элементы с пара­метрами, не имеющими аналогов в мире. Электрическая мощность составляла 1 Вт/см“ (10 кВт/м2), что в 50 раз превышает мощность СЭ с КПД 20% при стандартной освещенности 1 кВт/м2 и температуре +25°С.

Рис. 9.6. Поверхность фотоэлектрического преобразователя на основе многослойной матричной кремниевой структуры

Светлым вертикальным полосам на рис. 9.6 соответствуют выходы р-п переходов, располагаемых торцами к потоку солнечной радиации, на поверх­ность пластины. Схема получения матричных солнечных элементов с верти­кальными р-п переходами представлена на рис. 9.7.

Из рисунка видно, что для создания матричного фотоэлемента сначала надо изготовить многослойную структуру с заданным образом чередующимися слоями кремния заданного типа проводимости и удельного сопротивления (на схеме слева). При этом необходимо обеспечить электрические омические кон­такты между соседствующими р-п переходами. Это задача не простая. Но авто­рам вышеуказанных работ удалось решить ее с помощью оригинального, не­стандартного приема — пробоя всей многослойной структуры. Это позволило существенно упростить конструкцию и технологию изготовления исходной многослойной заготовки.

Полученная многослойная система разрезалась на пластины, но только не поперек оси, а вдоль, как это показано на рис. 9.7. В результате можно было получать слои (показано справа на рис. 9.7) с р-п переходами, выходившими своими торцами на поверхность пластины.

Такая структура обладала рядом преимуществ перед классической пла­нарной схемой и решала ряд проблем, рассмотренных выше.

Усовершенствованная за многие годы работы конструкция матричного солнечного элемента (МСЭ) позволила создать высокоэффективный модуль МСЭ-концентратор (линза Френеля) с высокими характеристиками.

Научно-исследовательские работы, проведенные ГНУ ВИЭСХ, показали перспективность данного направления в плане дальнейшего совершенствова­ния технологии получения МСЭ и линз Френеля с выходом на производство модулей для практического использования (рис. 18.112).

Перспективным направлением повышения эффективности и полноты ис­пользования приходящей солнечной радиации является применение двусторон­них солнечных элементов, которые способны преобразовывать в электриче­скую энергию солнечное излучение, падающее на обе стороны элементов, что приводит к увеличению их эффективности.

Рис. 9.8. Схематическое изображение двустороннего солнечного элемента п+1ТО

В последние годы были разработаны и исследованы различные конфигу­рации двусторонних солнечных элементов, конструкции которых в соответствии с числом и типом переходов могут быть разделены на структуры [80]:

а) с двумя анизотипными р-n переходами;

б) с одним анизотипным р-n переходом и одним изотопным п-п+ или р-р+ переходом;

в) с одним анизотипным п-п+ или р-р+р-п переходом.

Каждая из перечисленных конструкций имеет свои недостатки. Так, дву­сторонние солнечные элементы с конструкцией первого типа не удобны в прак­тическом использовании, так как вырабатываемая каждым переходом энергия не суммируется, а вычитается, и на выходе регистрируется их разница. Конст­рукция двусторонних элементов второго типа слишком сложна, а третьего типа не обеспечивает достаточную эффективность элемента при его тыльном осве­щении.

Проведен цикл исследований по разработке конструкции и исследованию свойств двусторонних солнечных элементов (ДСЭ) нового типа, состоящих только из изотипных переходов [81 — 87]. В этих солнечных элементах р-n пе­реход заменяется изотипной структурой полупроводник-диэлектрик — полупроводник (ПДП). Для получения таких структур был использован относи­тельно простой и более низкотемпературный метод пиролитической пульвери­зации.

Принципиальная схема двустороннего солнечного элемента с изотопны­ми переходами п ІТО представлена на рис. 9.8.

На рис. 9.9 приведена маршрутная технологическая карта изготовления двусторонних элементов, а на рис. 18.113 внешний вид такого элемента.

Проведенные исследования вольтамперных и вольтфарадных характери­стик показали, что на начальном этапе для двусторонних солнечных элементов с изотопными переходами (при AM 1,5) КПД составлял около 9,5% при фрон­тальном и около 3,7% при тыльном освещении.

Для оценки оптико-электрических характеристик двусторонних элемен­тов использовалось устройство, внешний вид которого приведен на рис. 18.114.

Рис. 9.9. Маршрутная карта изготовления двустороннего солнечного элемента

типа n+IT0/Si02/nSi/n+S

Описанный подход дает возможность получения солнечных элементов пу­тем формирования тонкого слоя из смеси оксидов индия и олова (ITO) на по­верхности пластины из кремния, являющейся базовым элементом. Пульвериза­ция замещает традиционный процесс диффузии и характеризуется более низкой температурой (450°С вместо 1100°С при диффузии). В итоге, значительно сни­жается потребление энергии и стоимость производства. Жизнеспособность экс­периментальной технологии подтверждена выпуском малых серий СЭ с актив­ной площадью до 48,6 см2 и сборкой солнечных панелей мощностью 0,5-30 Вт. Такие панели были произведены в Институте прикладной физики АН Молдовы (г. Кишинев) впервые на территории бывшего СССР. На рис. 18.137 представлен внешний вид лабораторной установки для нанесения слоев методом пульвериза­ции, разработанной и использованной в Институте прикладной физики (ИПФ) АН Молдовы для изготовления фотоэлементов с изотипными переходами. Нарис. 18.138 сотрудники ИПФ АН Молдовы и ГНУ ВИЭСХ обсуждают ре­зультаты исследований по получению и применению изотопных фотоэлементов.

Разработанная технология не требует сложного оборудования и может быть легко освоена малыми предприятиями. В этой связи работы были про­должены и оказались достаточно успешными.

После принятия специальных мер по улучшению технологии получения и совершенствованию структуры элементов [87] параметры последних были за­метно улучшены. Значительный эффект был достигнут за счет текстурирования поверхности посредством селективного химического травления, в результате которого на поверхности кремния формируются инверсные пирамиды или усе­ченные конусы с характерными микронными размерами (рис. 9.10).

В конечном счете [87] для солнечных элементов с двусторонней чувстви­тельностью суммарная эффективность выросла до 15,73% в случае нерегуляр­ного рельефа кремниевой поверхности и до 20,89% в случае регулярного рель­ефа. При структурировании поверхности кремния, как при фронтальном, так и при тыльном освещении солнечного элемента наблюдалось увеличение эффек­тивного квантового выхода.

I Ч

Рис. 9.11. Схема концентраторного фотоэлектрического модуля
с линзой Френеля и каскадным солнечным элементом

В последние годы достаточно интенсивно ведутся работы по созданию солнечных фотоэлектрических модулей, состоящих из микроконцентратора (обычно линза Френеля) и каскадного фотоэлемента [99, 100].

Схема такого модуля представлена на рис. 9.11. Изначально предполага­лось, что такие модули уже при концентрации солнечного излучения от х200 до х500 могут оказаться экономически рентабельными [99]. Опубликованы дан­ные о получении в лабораторных условиях суммарного КПД модулей до 22 — 30 % [78]. Однако сегодня принято считать, что для обеспечения рентабельно­сти концентрации должны быть повышены до уровня х800 — х 1000.

Работы по разработке, исследованию и практической реализации моду­лей такого типа получили развитие в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН (г. Санкт-Петербург), накопившем огромный опыт по созданию гетероструктур на основе соединений А3В5. На рис. 9.12 приводятся изображения некоторых изделий, разработанных и изготовленных на базе этого учреждения [129].

Рис. 9.12. Компоненты солнечной энергетической системы: а — каскадный фотоэлемент; б — элемент с линзой Френеля в качестве концентратора; в — солнечная батарея на основе концентраторных модулей

Одним из резервов повышения КПД модулей этого типа является повы­шение оптического КПД микроконцентратора. Это обусловлено тем, что, не­смотря на существенные успехи в области создания каскадных фотоэлементов (достигнуты КПД до 40%), общий КПД модуля имеет резервы повышения, в том числе за счет повышения эффективности оптической части. Это обстоя­тельство определяет необходимость более детального анализа энергетических характеристик линз Френеля (ЛФ), определения ее энергетических характери­стик (оптический КПД, концентрация, распределение концентрированного по­тока), разработки методики их расчета, учитывающей неточности изготовления и дисперсию показателя преломления ЛФ. В работе [98] сделана попытка ре­шить эту задачу.

На рис. 9.13 приведена схема линзы Френеля, использованная для расче­та. По результатам проведенных исследований были сделаны некоторые выво­ды. Так, в частности, показано, что параметр rp/f в линзе Френеля для большей части поясов можно принять равным 0,0065, для крайних поясов с целью уменьшения толщины зуба необходимы меньшие значения. В исследованной линзе Френеля возможны значения С > 900 на площади 2,8×2,8 мм. Показано также, что влияние неточностей существенно. Имеется возможность увеличе­ния потока и концентрации света за счет варьирования параметрами зубьев. Для окончательного выбора параметров линз Френеля и площади приемника необходим учет влияния дисперсии показателя преломления. Выполнена оцен­ка этого возможного влияния. При этом показано, что число поясов может со­ставлять около 30 (это существенно меньше числа поясов в линзах Френеля, выпускаемых серийно и предназначенных для создания изображения). Френе­левские потери на 5 плоских гранях составят 18,5%, потери из-за неточностей 14%, т. е. КПД линзы даже без учета дисперсии составит не более 64%.

Эти исследования показывают также, что одна из актуальнейших задач — это повышение эффективности концентраторов (повышение концентрации и оптического КПД).

В работе [79] было предложено другое решение задачи по повышению концентрации — применение вторичных концентраторов, представляющих со­бой оптические среды. Это решение основано на свойствах оптической среды

hk Рис. 9.13. Расчетная схема ЛФ: f — фокусное расстояние линзы; к — число поясов или «зубьев» ЛФ; RVi, Rni ~ верхний и нижний габаритные радиусы і-го зуба; Uo — угол раскрытия линзы; і — номер «зуба»; гр — «расчетный» радиус концентрированного пятна, по которому рассчитываются параметры зубьев; hj — толщина і-го зуба; Lj — длина рабочей грани і-го зуба

повышать яркость излучения пропорционально квадрату показателя преломления этой среды. В указанной работе рассмотрены возможности использования таких систем для получения сверхвысоких концентраций на воздухе, на выходе из опти­ческой среды. Сообщается, что для оптической среды из сапфира специальной формы была экспериментально получена концентрация более 84 000 [101].

Однако анализ полученных в этой работе результатов не проводился. В этой связи отметим, что по данным [102] максимальная концентрация сол­нечного излучения на воздухе не может превышать 58 000. Вопросы повыше­ния плотности излучения в среде и ее экспериментального исследования рас­сматривались в [103]. В этой работе для системы источник излучения (на воз­духе) — приемник (в оптической среде с плоской границей), были определены условия, при которых в среде может иметь место не только увеличение ярко­сти, но и плотности потока излучения. Эксперименты в [103] для случая жид­кой оптической среды (дистиллированная вода) показали, что эффекты увели­чения плотности излучения в среде действительно имеют место. Совпадение в [103] расчета с экспериментом позволяет применять развитую в [104] расчет­ную фотометрическую модель для исследования других концентрирующих систем, включающих оптические среды, в том числе с различной геометрией границы сред. В [105] была предложена система, которая, по мнению авторов, позволяет максимально использовать свойства оптической среды повышать плотность излучения. Схема этой системы, включающей первичный параболо­идный концентратор (К) и вторичный концентратор в виде сферической линзы (L) с центром кривизны в фокусе F параболоида, приведена на рис. 9.14 (PV — каскадный фотоэлемент).

Рис. 9.14. Система концентратор-линза (K-L): Фо — угловой радиус диска Солнца; п — показатель преломления; R — радиус кривиз­ны линзы (среды); U0 — угол раскрытия; f — фокусное расстояние; ст — среднеквад­ратическая неточность поверхности параболоидного концентратора (неточность — случайные угловые отклонения нормалей поверхности концен­тратора, распределенные по равномерному закону)

В этой работе приведены результаты теоретических исследований кон­центрирующих характеристик и оптического КПД системы K-L для случая, ко­гда приемник располагается внутри оптической среды.

Расчеты были выполнены на основе фотометрической модели в предпо­ложении постоянства показателя преломления п в рабочей области длин волн фотоэлемента. Показано теоретическими расчетами, что по сравнению с пара­болоидным концентратором повышается не только плотность потока, но и уменьшаются размеры пятна изображения Солнца.

Характерно, что эти эффекты имеют место как для точного, так и для не­точного концентратора. В указанной работе предпринимается попытка объяс­нить описываемый эффект. Здесь представляется достаточным лишь упомянуть о том, что в системе концентратор — линза (среда) с применением новых опти­ческих сред можно достигнуть повышения концентрации солнечного излучения и повышения оптической эффективности системы. Поэтому проведение иссле­дований в данном направлении представляется целесообразным.

Рис. 9.15. Фотоэлемент с рекордным КПД 41,1%, полученный в Институте Фраунхофера (Германия) на многопереходном солнечном элементе. Площадь элемента 5.09 мм2, концентрация солнечного излучения х454

Мировой рекорд по значению КПД солнечного элемента достигнут во Фраунхоферовском институте 13 января 2009 г. [113]. Здесь на солнечном эле­менте площадью 5,09 мм2 при концентрации солнечного излучения х454 был достигнут КПД 41,1% (метаморфический многопереходный солнечный элемент с составом GaO.35InO.65P/GaO.83InO.17As/Ge) (рис. 9.15).

В последние годы бурное развитие получил выпуск солнечных панелей на основе аморфного и мультикристаллического кремния. Но эти панели изго­тавливаются на стеклянных подложках большой площади, т. е. эти процессы обеспечивают получение сразу модулей, пригодных для установки в большие электрогенерирующие системы. Эти вопросы будут рассмотрены позднее.

Фотоэлемент — это основной компонент любой солнечной электрогенери­рующей системы. Сегодня в мировой практике находят применение солнечные элементы (фотоэлементы) и панели, полученные по разным технологиям и на базе разных полупроводниковых материалов. Классическим примером солнеч­ного элемента является прибор, созданный на пластине монокристаллического кремния по технологии изготовления классических диодов.

В предыдущей главе было показано, что солнечный элемент это большой полупроводниковый диод с р-n переходом, который ориентирован Можно за­метить, что ток короткого замыкания увеличивается с увеличением температу­ры, но напряжение разомкнутой цепи понижается. Оптимальные рабочие точки обозначены кружками на кривых. Максимальная мощность фотоэлемента при постоянном освещении и, следовательно, коэффициент полезного действия, уменьшается с увеличением температуры параллельно освещаемой поверхно­сти. Он изготавливается на пластине полупроводникового материала, главным образом, кремния. В пластине создаются области с р — и п-типом проводимости. Принципиальные схемы планарного фотоэлемента и солнечного элемента с ме- за-структурой приведены на рис. 8.1, а, б.

*

О ft ® О с® о

Рис. 8.2. Схема производства кремния — сырья для изготовления фотоэлементов

Основой СЭ является р-n переход, который выполняет функцию разделе­ния образующихся в результате воздействия фотонов солнечного излучения электронно-дырочных пар. Технологический цикл получения фотоэлемента представляет собой комплекс операций, аналогичных операциям технологиче­ского цикла изготовления полупроводниковых диодов.

Исходным сырьем для изготовления солнечных элементов является мо­нокристаллический слиток кремния, часто выращиваемый из расплава методом Чохральского. Технологическая цепочка изготовления кремния для солнечных элементов достаточно длинная. Для этого используются различные технологии. Один пример иллюстрируется схемой на рис. 8.2.

Кристаллы кремния выращиваются в специальных тиглях из нейтрально­го тугоплавкого химически стойкого материала (нитрит бора, гексоборид лан­тана, кварца и т. д.). Высота выращиваемого монокристалла кремния составляет несколько метров, диаметр чуть больше диаметра будущей подложки. Внешний вид монокристалла кремния можно видеть на рис. 18.13. Исходным сырьем для получения монокристаллов является предварительно полученный поликристал­лический кремний (см. рис. 18.10), очищенный от примесей до заданного уров-

ня. Кремний — важнейший материал солнечной фотоэнергетики, и вопросы его получения более подробно будут рассмотрены отдельно.

Далее осуществляют следующие операции.

Монокристаллические или поликристаллические слитки (рис. 18.13 и 18.14) разрезаются в поперечном направлении на пластины, которые являются основой солнечных элементов. Качество резки в последнее время заметно улучшилось. В частности, уровень и качество изготовления установок прово­лочной резки существенно возросли. Предшествующая технология позволила обеспечивать минимальную толщину пластин d = 300 pm, сегодня это уже d = 100 pm. Потери при резке были уменьшены в тех же пропорциях. Очевид­но, что это способствует сбережению кремниевого материала и энергии, необ­ходимой для производственного процесса, и, таким образом, обеспечивает реа­лизацию более эффективного производства. Нарезанные пластины, представ­ленные на Гамбургской выставке в 2009 г., показаны на рис. 18.15. Поликри­сталлические пластины видны слева, а монокристаллические справа.

Резка монокристаллического слитка на пластины — ответственная опера­ция, поскольку необходимо обеспечить высокое качество резки. Пластины должны быть достаточно механически прочными, пригодными для последую­щих операций по изготовлению солнечного элемента, с одной стороны, и быть достаточно тонкими, чтобы обеспечить экономию кремния, материала дорогого и дефицитного. Для этих целей используют специальные станки проволочной резки. Затем следует шлифовка пластин с двух сторон, травление пластин для снятия образованного при шлифовке механически нарушенного слоя (химиче­ское, электрохимическое, плазмохимическое и др.).

Теперь, после необходимой подготовки пластин, возможно проведение самой ответственной операции — создание р-n перехода, который является главным компонентом солнечного элемента.

В качестве методов создания областей р- и n-типа могут использоваться разные технологии, в том числе диффузия примесей или эпитаксиальное нара­щивание одного полупроводникового слоя на другой с противоположным ти­пом проводимости.

Диффузия — это наиболее широко применяемый метод формирования р-п перехода в солнечном элементе. Существует несколько вариаций технологиче­ского процесса проведения диффузии. Диффузию примесей в полупроводнико­вую пластину проводят в специальных диффузионных печах при температуре порядка 1000 — 1100°С. Для этого надлежащим образом подготовленные пласти­ны кремния размещают в специальных кассетах, которые вводятся в диффузион­ную печь. Процесс загрузки кассет с пластинами кремния в диффузионную печь представлен на рис. 18.118. Это один из важнейших технологических приемов. Рис. 18.16 показывает диффузионную печь чешского производителя (SVCS Ltd), установленную в Наньцзине (Китай). На рис. 18.102 показана демонстрация диффузионной печи SVCS Ltd на выставке в Гамбурге (ФРГ, 2009 г.).

Этот технологический процесс использовался с самого начала развития производства солнечных элементов. Позднее стали использовать другой техно — 96

логический прием — эпитаксиальное наращивание. Процесс этот первоначально получил развитие в электронной технике, где успешно использовался в процес­сах изготовления эпитаксиальных структур для последующего изготовления больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем. По мере усовер­шенствования и удешевления этого технологического процесса, с одной сторо­ны, и усложнения конструкций солнечных элементов нового типа эпитаксиаль­ная технология стала экономически доступной и востребованной в технологии солнечных элементов.

Эпитаксия — это процесс, в котором в отличие от диффузии сильно­легированный слой образуется не в теле кремниевой пластины, а формируется путем эпитаксиального наращивания нового слоя кремния противоположного типа проводимости на существующую поверхность кремниевой пластины. Ме­ханизм эпитаксиального наращивания легированных слоев кремния на кремний (автоэпитаксия) легко понять из расшифровки самого термина эпитаксия. Сло­во это образуется от двух греческих слов: «эпи» — на, над, а «таксис» — распо­ложение в порядке, упорядочение. Это означает, что при эпитаксиальном на­ращивании кремния на монокристаллическую пластину — подложку образуется также монокристаллический слой кремния с новыми электрофизическими свойствами.

Процесс эпитаксиального наращивания более гибок, в сравнении с про­цессом диффузии, и предоставляет больше возможностей для формирования структуры с заданными параметрами, такими как удельное сопротивление и профиль распределения легирующей примеси [106 — 109].

Технология управляемого легирования в процессе эпитаксиального на­ращивания полупроводников была отработана для решения задач электронной техники. Успешно она применяется и при решении задач получения высокоэф­фективных солнечных элементов. Существует несколько разновидностей про­цессов эпитаксиального наращивания, в том числе три вида эпитаксии: газофа­зовая эпитаксия (ГФЭ); жидкофазовая эпитаксия (ЖФЭ) и молекулярно­лучевая (МЛЭ).

После того, как структура с р-n переходом готова, формируются нижний и верхний электрические контакты, причем нижний контакт, в самом общем случае, сплошной, а верхний выполняется в виде сетки (тонкие полосы, соеди­ненные с относительно более широкой токосборной шиной (рис. 8.3,а). В ряде случаев (двусторонние элементы) и нижний контакт выполняется в виде токо­съемной сетки, чтобы обеспечить поступление света и с обратной стороны при­бора. Внешний вид типичного (планарного) солнечного элемента показан на рис. 18.17.

Фронтальная поверхность элемента обычно покрывается антиотражаю­щим слоем, чтобы минимизировать отражение и оптимально использовать по­ступающую радиацию. Поэтому элементы с самой высокой эффективностью выглядят как черные. Если требуются определенные специфические свойства, на лицевую поверхность наносится тонкий прозрачный слой специального ма­териала, что позволяет увеличить интенсивность отраженной радиации опреде-

ленной длины волны (вызванный интерференцией электромагнитных волн в этом слое). Такие элементы демонстрируют определенный цветной оттенок от­раженного света. Передний контакт обычно выполняется в форме сетки или гребней, чтобы минимизировать экранирование поверхности элемента и позво­лить падающему свету освещать как можно большую площадь поверхности элементов. Тыльный контакт в стандартных панелях обычно выполняется пол­норазмерным, т. е. сплошным на всей площади элемента. Контакты к стандарт­ным элементам обычно наносятся с применением сеткографии или вакуумным осаждением. Для специальных элементов, например предназначенных для ра­боты в условиях высоких уровней радиации, контакты вводятся непосредствен­но в материал полупроводника. Эта мера увеличивает поперечное сечение кон­такта и область между контактом и полупроводником, чтобы приспособить контакты к работе с токами высокой плотности, проходящими через фотоэле­мент. Обычная толщина полупроводниковых элементов составляет приблизи­тельно d « 0.2 мм.

Некоторые разновидности солнечных элементов показаны на рис. 8.3.

а) простой фотоэлемент б) фотоэлемент с высокой эффективностью

лицевой контакт

антпотражающее покрытие слой окисла X

Р+

слой окисла тыльный контакт-

Рис. 8.3. Различные конструкции полупроводникового солнечного элемента

Рис. 8.4. Вольтамперная характеристика солнечного элемента с реперными точками (Uxx, Ікз), соответствующими максимальной его мощности Рмакс при заданном уровне освещенности

Схема простого планарного фотоэлемента приведена на рис. 8.3, а. Пред­ставленный здесь планарный фотоэлемент работает согласно принципам, опи­санным выше, но имеет более низкую фотоэлектрическую эффективность пре­образования, особенно вследствие рекомбинационных потерь, а также потерь, связанных с отражением солнечного излучения от его фронтальной поверхности.

Солнечный элемент в первую очередь характеризует его вольтамперная характеристика (рис. 8.4).

К основным параметрам солнечного элемента можно отнести Uh — номи­нальное напряжение. В; Uxx — напряжение холостого хода. В; Ікз — ток корот­кого замыкания, A; Up — рабочее напряжение, В; 1р — рабочий ток, A; Wp.

Повышение эффективности преобразования и снижение потерь энергии в солнечных элементах (СЭ) наземного применения — важная проблема. Причем в целом решение этой проблемы сводится к решению двух задач: снижению оптических и электрических потерь.

Для снижения оптических потерь, связанных с неполным использованием падающего на поверхность солнечного элемента излучения, в настоящее время обычно применяются следующие методы: структурирование поверхности, при­водящее к снижению интегрального коэффициента отражения СЭ; нанесение на поверхность СЭ одно — или двухслойного антиотражающего покрытия; уменьшение площади контактов на лицевой поверхности для снижения потерь на затенение; нанесение на тыльную поверхность СЭ металлического слоя, для увеличения эффективности поглощения длинноволнового излучения за счет его многократного прохождения через объем полупроводника; уменьшение глуби­ны эмиттерного перехода и снижение концентрации легирующей примеси вблизи лицевой поверхности для повышения чувствительности СЭ в коротко­волновой части спектра.

Электрические потери обычно уменьшаются при помощи следующих ме­тодов: выбор оптимального шага и толщины контактных шин на лицевой по­верхности для снижения последовательного сопротивления СЭ; геттерирующие обработки для увеличения времени жизни неосновных носителей заряда; пас­сивация лицевой поверхности для снижения скорости поверхностной рекомби­нации; пассивация тыльной поверхности и создание изотипного перехода; ми­нимизация площади контактов и дополнительное легирование приконтактных областей для уменьшения рекомбинационных потерь на границе раздела ме­талл — полупроводник.

В солнечных элементах более высокого качества используется ряд конст­руктивных усовершенствований, часть из которых представлена на рис. 8.2,6. Принятые меры обеспечивают увеличение эффективности. Антиотражающий слой на лицевой стороне элемента минимизирует отражение, чтобы макси­мальное число фотонов достигло ФЭ ячейки и впоследствии проникло в об­ласть р-n перехода. Слои непроводящей окиси (Si02) делают поверхность инертной, только в определенных местах этот слой протравливается и только в этих местах электрический заряд отводится. Протравленная структура с ма­ленькими пирамидами на лицевой поверхности фотоэлемента облегчает про­никновение фотонов в солнечный элемент. В то же время фотоны, проникшие в элемент и прошедшие через всю базовую область, не вызвав фотоэлектрическое преобразование, отражаются тыловым контактом, затем лицевой поверхностью и возвращаются назад, как это подробно иллюстрируется на рис. 8.2,6. Они снова проходят через р-n переход, вследствие чего вероятность их поглощения и фотоэлектрического преобразования существенно возрастает.

Двусторонние элементы имеют такую же структуру на тыльной поверх­ности, как и на фронтальной. В этом случае фотоны могут поступать к элемен­ту одновременно с обеих сторон (например, к тыльной поверхности поступает излучение, отраженное от поверхности Земли). Таким образом, благодаря ис­пользованным усовершенствованиям может быть произведено существенно большее количество электроэнергии.

Однако для излучения, поступающего на тыльную сторону, эффектив­ность фотоэлектрического преобразования ниже, потому что фотоны более ко­ротких длин волн поглощаются более толстым слоем полупроводниковой под­ложки и неосновные носители заряда не достигают р-n перехода.

В поликристаллических материалах границы зерен ухудшают транспор­тирующие свойства полупроводника, в аморфных полупроводниках ситуация еще сложнее. Эффективность современных высококачественных фотоэлемен­тов на монокристаллическом кремнии составляет примерно 17% для выпускае­мых серийно фотоэлементов. Эффективность некоторых лабораторных образ­цов, в которых используются специальные усовершенствования, аналогичные описанным в общих чертах выше, превышает 30%. Необходимо упомянуть, что

эффективность элементов на базе других полупроводников (например, GaAs, InP) еще выше, и может составлять приблизительно 26% в выпускаемых серий­но элементах. Однако эти фотоэлементы намного дороже. Поэтому такие сол­нечные элементы используются преимущественно в космических целях, где цена не является определяющим фактором, а максимальная эффективность и радиационная устойчивость представляются более существенными. Обычно используются монокристаллические элементы на основе InP или GaAs/Ge, из­готовленные с применением эпитаксиальной технологии. GaAs, в частности, обладает более высокой радиационной стойкостью. Кроме того, снижение эф­фективности фотоэлементов с увеличением температуры для образцов на ос­нове GaAs происходит менее резко, чем на основе других полупроводников.

Фотоэлектрическое преобразование электромагнитного излучения Солн­ца в электрическую энергию происходит в полупроводниковых фотоэлектриче­ских (ФЭ) ячейках (фотоэлементах). Фотоэлектрические элементы на базе кри­сталлического кремния получили наибольшее распространение. Поэтому мы проиллюстрируем физические основы преобразования солнечной радиации именно на их примере. Фотоэлектрические элементы на основе других полу­проводниковых материалов функционируют в соответствии с точно такими же принципами.

Полупроводники могут быть классифицированы как собственные или ле­гированные, в соответствии с природой носителей заряда. Легированные полу­проводники могут быть N-типа (с электронами в качестве основных носителей заряда) или P-типа (с дырками, которые ведут себя, как положительно заряжен­ные частицы, в качестве основных носителей заряда).

Здесь приводится описание процессов, имеющих место в полупроводни­ках, и в основном это описание поведения электронов и дырок. Читателям, за­интересованным в более глубоком понимании этих вопросов, мы рекомендуем обратиться к любой монографии по физике твердого тела, например [9 — 11]. В этой главе мы представляем упрощенное объяснение в соответствии с соот­ветствующими публикациями, например [12].

Кремний (Si), атомы которого имеют на внешней, валентной оболочке че­тыре электрона, обладает кристаллической структурой типа алмаза, в которой каждый атом кремния окружен четырьмя его самыми близкими соседями. Че­тыре электрона на внешней оболочке каждого атома кремния (валентные электроны) образовывают ковалентные связи с соседями. Энергия свободного электрона, не подверженного воздействию внешних сил, может принимать лю­бые значения.

Но энергия электрона в кристалле кремния может иметь только опреде­ленные значения при его движении в периодическом потенциальном поле. Эти энергетические уровни подразделены на зоны, названные «зонами разрешенной энергии». Зоны разрешенных энергий разделены «зонами запрещенных энер­гий», которые принято называть «запрещенной зоной».

Ниже перечислены зоны, играющие важную роль: валентная зона (самая высокая зона, заполненная при наименьших температурах), самый высокий за­прещенный промежуток (запрещенная зона) и зона проводимости (самая низкая незанятая зона при самых низких температурах).

Валентная зона состоит из энергетических состояний валентных электро­нов. Вследствие того, что число этих состояний в точности соответствует числу валентных электронов во всем кристалле, при низких температурах эти зоны будут все заняты. С точки зрения роста энергии валентная зона следует за зо­ной проводимости. При повышении энергии электронов, находящихся в ва­лентной зоне, до некоторой величины они переходят в зону проводимости, уровни в которой не заняты при низких температурах. Различия между индиви­дуальными уровнями энергии являются неизмеримо малыми в зоне разрешен­ных энергий.

Самый высокий энергетический уровень валентной зоны обозначен Ev, самый низкий уровень зоны проводимости обычно обозначается Ес. Таким об­разом, ширина запрещенной зоны составит величину АЕа = Ес — Ev.

Другой важный энергетический уровень — так называемый уровень (энер­гия) Ферми Е/;. Его более детальное рассмотрение не входит в задачи настоящей книги. Читатели, которых интересует этот вопрос, могут обратиться к специаль­ной литературе, в частности к упомянутым выше монографиям [9-11].

В собственном полупроводнике (например, в чистом кремнии) уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны. При самых низких своих со­стояниях валентные электроны занимают полностью все уровни в валентной зоне и не могут участвовать в проводимости электрического тока. При поступ­лении энергии, например тепловой энергии (фононы) или света (фотоны), неко­торые электроны возбуждаются и переходят в зону проводимости, то есть они освобождаются от своих атомов. И валентная зона, и зона проводимости стано­вятся частично занятыми зонами. Эта ситуация иллюстрируется энергетической диаграммой, электроны оставляют энергетические уровни в валентной зоне и занимают уровни с более высокой энергией в зоне проводимости. Эти электро­ны облегчают проводимость электрического тока, они могут свободно двигать­ся всюду по кристаллической решетке. После ухода электронов в зону прово­димости в валентной зоне остаются свободные места. Свободные электроны могут быть захвачены в этих свободных местах, на энергетической диаграмме показан процесс возвращения электрона в это место с уровня в зоне проводи­мости. Электроны соседних атомов могут перемещаться в эти свободные места. Таким образом, образовавшиеся вакантные места, остающиеся после ухода электрона, могут передвигаться по кристаллу, этот процесс может повторяться, позволяя пустующим местам, «дыркам», перемещаться.

В электрическом поле свободные электроны перемещаются против на­правления электрического поля, так как они имеют отрицательный электриче­ский заряд. Это означает, что свободные места перемещаются по направлению электрического поля. Вакантное место, таким образом, ведет себя как частица с положительным зарядом и массой, отличающейся от массы свободного элек­трона. Эту квазичастицу так и принято называть «дыркой».

В собственном полупроводнике уход одного электрона из валентной зоны приводит к образованию одной дырки, число свободных электронов и дырок равны. Кристалл в целом остается электрически нейтральным. Если пара «элект — 80

рон — дырка» образуется падающим фотоном (то есть квантом света), то энер­гия фотона должна быть равной или больше, чем ширина запрещенной зоны. Фотоны с более низкой энергией проходят через полупроводник, а фотоны с большей или равной энергией генерируют электронно-дырочные пары. Ширина запрещенной зоны в кремнии составляет величину приблизительно АЕа «1.1 eV, т. е. кремний прозрачен для фотонов более низких энергий, кото­рые беспрепятственно проходят через материал. Длины волн, соответствующие этим энергиям, больше чем приблизительно Л > 1100 пт. Сравните с хорошо известной формулой для энергии фотона

г, he Е = hv = —, Л

где И — константа Планка; v — частота; с — скорость света).

На рис. 7.1 в графической форме представлены наиболее важные харак­теристики собственного полупроводника. Рис. 7.1, а иллюстрирует функцию g(E), характеризующую плотности состояний (число состояний в интервале единицы энергии) в валентной зоне и зоне проводимости, соответственно, как функцию энергии.

Функция j{E) (рис. 7.1, б) определяет вероятность занятия электроном со­стояния с энергией Е. Величина I — f(E) является вероятностью того, что данное состояние остается незанятым.

Вероятность того, что частица будет обладать энергией, соответствующей уровню Ферми Ef, равна 0.5. Электроны принадлежат к классу частиц, назван­ных фермионами. Их поведение соответствует теории статистики Ферми — Дирака [9, 10, 58]. Это означает, что функция разделения на рис. 7.1, б может быть математически выражена как

где к — константа Больцмана; Т — абсолютная термодинамическая температура.

На рис. 7.1, б представлена функция f(E)g(E) = п(Е) (концентрация элек­тронов в зоне проводимости). А также функция [/ — f(E)]g(E) = р(Е), (концен­трация дырок в валентной зоне при температуре, отличной от нуля).

На рис. 7.1, в представлена функция f(E)g(E) = п(Е) (концентрация элек­тронов в зоне проводимости), а также функция [I — f(E)]g(E) = р(Е), (концен­трация дырок в валентной зоне при температуре, отличной от нуля).

Пунктирные области 1, 2 под кривыми пропорциональны этим концен­трациям. В собственном полупроводнике эти области равны.

Если мы заменим атомы Si в кремниевом кристалле атомами некоторых элементов пятой группы периодической системы, имеющими пять валентных электронов (например, As, Р, Sb), то четыре из этих валентных электронов обра­зуют ковалентные связи с соседними атомами кремния. Пятый электрон будет

Рис. 7.1. Модель электронов и дырок в собственном полупроводнике

слабо связан с атомом примеси. Этот легированный полупроводник называют полупроводником n-типа («negative»). При подведении относительно неболь­шого количества энергии этот электрон «отрывается» от атома (на энергетиче­ской диаграмме это показано как переход в зону проводимости). Эти пятива­лентные атомы называют донорами, так как они поставляют свободные элект­роны. Присутствие атомов такой примеси показано на энергетической диа­грамме как формирование локальных энергетических уровней, лежащих в за­прещенной зоне близко к самому низкому уровню (дну) зоны проводимости Ес.

Рисунок 7.2 представляет функции для полупроводника n-типа, анало­гично функциям на рис. 7.1 для собственного полупроводника. Донорный энер­гетический уровень обозначается как Ер. Энергия ЛЕр. требуемая для перехода электрона с этого уровня в зону проводимости, является относительно малой величиной, порядка Л Ер « 0.01эВ. При комнатной температуре (тепловая энер-

гия, поставляемая электрону, составляет приблизительно кТ = 0.025 эВ) элек­трон может легко быть возбужден и переведен в зону проводимости. В этом случае уровень Ферми сдвигается к более высоким энергиям (рис. 7.2,6). Из-за низкой величины AEd атомы донорной примеси ионизируются при комнатной температуре (и даже при более низких температурах), формируя область поло­жительного заряда.

Рис. 7.2. Модель электронов и дырок в полупроводнике п-типа

Концентрация электронов в зоне проводимости намного выше, чем кон­центрация дырок в валентной зоне, потому что при тепловом образовании ды­рок электроны должны перепрыгнуть через всю запрещенную зону (неоснов­ные носители).

Область 2 на рис. 7.2,в больше, чем область 1 (заметим, что концентрация электронов равна сумме концентраций дырок и ионизированных доноров).

Р ТИП	N тип
а)
г
Nq
О -Л/д
X

рекомоинационныи ток электронов
тепловой ток электронов

зона проводимости

j f ооласть пространственного заряда

запрещенная зона

валентная зона

-еЛ/д

Рис. 7.3. Модель р-п перехода

При замене атомов Si в кремниевом кристалле атомами элементов треть­ей группы периодической системы (например, атомами В, Al, Ga), в кристалли­ческой решетке образуется область, содержащая атомы только с тремя валент­ными электронами. Для этих атомов одна связь не будет насыщена и не будет скомпенсирована четырьмя соседними атомами кремния.

Она будет вести себя как «дырка». Вследствие теплового движения валент­ный электрон от соседнего атома кремния может попасть в эту незанятую связь, и дырка будет перемещаться по кристаллу, как это уже описано выше. Полупровод­ник, легированный таким образом, называют полупроводником p-типа (positive). Примеси, формирующие электронные ловушки, называют акцепторами (рис. 7.3).

Такое поведение показывается на энергетической диаграмме таким же образом, как и для полупроводника n-типа на рис. 7.2.

Акцепторный энергетический уровень Еа образуется в запрещенной зоне ближе к верхнему пределу валентной зоны. При подводе относительно малого количества энергии А ЕА электроны из валентной зоны могут быть захвачены на этом уровне.

Дырка, образованная таким образом в валентной зоне, может теперь пере­мещаться свободно по кристаллу. Поэтому в полупроводнике p-типа концентрация дырок намного выше, чем концентрация свободных электронов (неосновные носи­тели) и энергетический уровень Ферми перемещается к более низким энергиям.

В кристалле может иметь место неоднородное распределение концентра­ции примеси. Например, некая область может быть легирована сильнее, чем ос­тальные. Кроме того, можно легировать некоторые области кристалла приме­сями группы 5, а некоторые элементами группы 3. В обоих случаях, свободные носители заряда (электроны и дырки) имеют тенденцию, в соответствии с зако­нами диффузии, перемещаться из области с более высокой концентрацией в об­ласти с более низкой концентрацией, таким образом устанавливая однородное распределение. Однако если свободные носители удаляются из некоторых об­ластей, твердо фиксированные заряды ионизированной примеси с противопо­ложным зарядом остаются в их первоначальном положении, формируя заря­женную область. В результате этих процессов в кристалле формируются отно­сительно сильные локальные электрические поля, даже при том, что кристалл остается в целом электрически нейтральным. Эти области предотвращают дальнейший отток свободных носителей из областей с более высокой концен­трацией, и система достигает равновесия.

Крутой р-n переход — специальный пример неоднородного распределения примеси (идеализированная модель, см. рис. 7.3). Такой переход образуется, ко­гда одна часть кристалла легируется как полупроводник p-типа, а смежная часть как полупроводник n-типа. В переходе градиент концентрации свободных носи­телей — это градиент N в направлении перехода (идентично направлению х на рис. 7.3,а), где /V/) — концентрация доноров, a Na — концентрация акцепторов.

Как уже упоминалось, некоторые свободные электроны переместятся из области n-типа в области p-типа, а некоторые дырки переместятся в противопо­ложном направлении. Жестко фиксированные заряды ионизированной приме­си, остающиеся на своих местах в кристалле, формируют область объемного заряда (положительного заряда в полупроводнике n-типа на рис. 7.3,в). Элект­рическое поле, образующееся между р и п областями, препятствует дальней­шему перемещению в обе стороны свободных носителей. В состоянии равнове­сия уровень Ферми должен быть уравновешен повсеместно, по всему кристаллу так, чтобы в области перехода зоны изогнулись. Идеализированная ситуация иллюстрируется на рис.7.3,6. Ширина р-n перехода задана точками хр и х„, UD — разность потенциалов между различным образом легированными областями (так называемый диффузионный потенциал).

Р-n переход функционирует как простой полупроводниковый диод. Од­нако эта система достигает скорее динамического, а не статического равнове­сия. При температурах Т> О К электроны и дырки непрерывно генерируются и рекомбинируют во всем объеме полупроводника, как показано на рис. 7.3,6. Мы проиллюстрировали только электронные потоки, отмечая, что потоки ды­рок ведут себя аналогичным способом. Некоторые электроны в полупроводни­ке n-типа могут иметь энергию выше, чем диффузионный потенциал Up — Эти

электроны могут пересечь р-n переход и проникнуть в полупроводник Р-типа, где они рекомбинируют со свободными дырками. Этот поток называют реком­бинационным потоком. В то же самое время свободные электроны и дырки ге­нерируются в полупроводнике p-типа и ускоряются в электрическом поле р-п перехода к полупроводнику n-типа. Этот поток называют тепловым или диффу­зионным потоком. Без приложения внешнего поля эти потоки в противополож­ных направлениях равны и не определимы внешне. Если приложен внешний потенциал и электрическая цепь замкнута, равновесие нарушено. Если положи­тельный потенциал приложен на стороне p-типа, кривизна зон меняется, потен­циальный барьер UD уменьшен на AV, и потоки электронов к полупроводнику p-типа (и дырок в противоположном направлении) преобладают. Р-n переход, таким образом, включен в прямом направлении.

Если положительный потенциал приложен к стороне n-типа, потенциаль­ный барьер Uо становится выше, рекомбинационный ток снижается, и тепловой ток преобладает. Тепловой ток, однако, имеет меньшую величину из-за более низкой концентрации электронов в полупроводнике р-типа. Р-n переход в этом случае сориентирован в обратном направлении.

Теперь мы переходим к принципу фотоэлектрического преобразования солнечной энергии непосредственно. Это преобразование имеет место в полу­проводниковой фотоэлектрической ячейке, где энергия падающего фотона пре­образуется в электрическую энергию. Фотоэлемент, в основном, представляет собой большой диод, где р-n переход размещается между фронтальной и тыль­ной сторонами элемента, параллельно лицевой поверхности. Если к фотоэлек­трической ячейке поступают фотоны с энергией выше, чем ширина запрещен­ной зоны, то каждый из этих фотонов образует электронно-дырочную пару. Та­ким образом, эти фотоны передают свою энергию кристаллу и поглощаются. Если энергия фотона больше ширины запрещенной зоны, имеющийся избыток энергии передается колебаниям решетки и преобразуется в тепловую энергию, которая увеличивает температуру материала полупроводника. Электронно­дырочные пары, создаваемые в области р-n перехода, разделяются электриче­ским полем Ё между фиксированными неподвижными пространственными за­рядами. Дырки ускоряются в направлении поля, а электроны в противополож­ном направлении. Между противоположными полюсами фотоэлемента образу­ется электрический потенциал. При включении фотоэлемента в электрическую схему через цепь потечет постоянный ток. Таким образом, фотоэлемент стано­вится источником электроэнергии.

Эта ситуация иллюстрируется схематически на рис. 7.4. Этот рисунок изо­бражает диаграмму энергетических уровней в полупроводниках р-типа и п-типа. Рисунок 7.4,6 иллюстрирует выравнивание значений потенциала Ферми и изгиб зон в области р-n перехода в неосвещенной фотоэлектрической ячейке.

Здесь изображены также рекомбинационные и тепловые токи в состоянии равновесия, области объемного заряда и диффузионный потенциал t/д. В тем­ноте (без освещения) фотоэлектрическая ячейка ведет себя как полупроводни­ковый диод.

Рис. 7.4,в иллюстрирует ситуацию, имеющую место после освещения фо­тоэлемента, не соединенного с электрической цепью. Поступающие фотоны нарушают изначальное равновесие и создают новое равновесие. Генерация электронов и дырок возрастает. Образующиеся электроны и дырки ускоряются в области электрического поля р-n перехода в направлении, указанном стрел­ками (фактически в направлении, обратном току от отрицательного к положи­тельному полюсу). Сторона p-типа становится положительно и n-типа отрица­тельно заряженными. Потенциальный барьер Ud уменьшается и уровни Ферми в областях p-типа и n-типа разделяются. Различие в значении потенциалов ме­жду областями эквивалентно фотоэлектрическому напряжению, обозначенному на рисунке. В пределе это напряжение может соответствовать первоначальному

изгибу зон, которое в кремниевых фотоэлементах обычно составляет приблизи­тельно Up « 0.6 V. Дальнейшее увеличение интенсивности освещения не уве­личивает напряжение разомкнутой цепи, как это показано на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Зависимость напряжения холостого хода от освещенности фотоэлектрической панели (солнечные элементы соединены последовательно-параллельно)

Это происходит потому, что фотоэлектрический потенциал и потенциал объемного заряда компенсируются в р-n переходе. Далее, в р-n переходе на­правленное движение образованных электронов и дырок прекращается, и они более не разделяются. Процесс может также интерпретироваться таким обра­зом: уменьшение потенциального барьера Up при освещении приводит к уве­личению рекомбинационного тока электронов в полупроводник p-типа и воз­растанию рекомбинационного тока дырок в противоположном направлении. Это компенсирует увеличенный диффузионный поток, вызванный разделением образованных электронов и дырок в электрическом поле Е между фиксирован­ными заряженными областями в р-n переходе. Возникшее фотоэлектрическое напряжение способствует установлению нового равновесия.

Если мы соединим освещенный фотоэлемент с электрической цепью, то соединение двух полюсов приведет к уменьшению напряжения (электродви­жущей силы источника). Это, в свою очередь, вызовет изменение в изгибе зон так, что потенциальный барьер Up увеличится снова.

Рекомбинационный поток, таким образом, будет уменьшаться, и тепло­вой поток будет преобладать из-за разделения образованных электронов и ды­рок в электрическом поле Е между неподвижными пространственными заря­дами. Сумма двух потоков не будет равна нулю, и образующийся ток будет по­ставляться в электрическую цепь фотоэлемента, который начинает функциони­ровать в данном случае как источник энергии.

е

со

р

Поскольку ширина запрещенной зоны кристаллического кремния AEg » 1.1 эВ, то кремниевые элементы будут чувствительны к фотонам види­мой и близкой инфракрасной области солнечной радиации с длинами вол­ны Я < 1100 нм.

На рис. 7.6 приведен спектр солнечного излучения после прохождения через атмосферу с обозначением длин волн и энергии фотонов. Здесь также указана ширина запрещенной зоны кремния или, другими словами, край по­глощения.

Рисунок 7.7 представляет вольтамперные характеристики освещенного фотоэлектрического элемента на основе кремния в электрической цепи. Инди­видуальные кривые соответствуют различной интенсивности освещения. Пере­сечения кривых с вертикальной осью дают токи короткого замыкания, соответ­ствующие «нулевому» сопротивлению во внешней цепи (или, другими слова­ми, к короткому замыканию обоих полюсов фотоэлемента). Если нагрузка в це­пи увеличивается, мы двигаемся от этих пунктов вдоль кривых в направлении увеличивающегося напряжения (направо).

Пересечения кривых с горизонтальной осью дают напряжение разомкнутой цепи, то есть они соответствуют «бесконечному» внешнему сопротивлению цепи, или разомкнутой цепи. Оптимальная нагрузка элемента соответствует сопро-

Рис. 7.7. Вольтамперные характеристики освещенного солнечного элемента при различных уровнях засветки и температуре t = 50°С

Рис. 7.8. Вольтамперные характеристики освещенного фотоэлемента на основе кристаллического кремния при различных температурах и постоянной интенсивности освещения I = 1000 Вт м ~2

тивлению, при котором произведение напряжения и тока максимальны, так на­зываемая рабочая точка на вольтамперной характеристике (прямоугольник, оп­ределяемый осями и рабочей точкой, имеет максимальную площадь). В этом случае фотоэлемент выдает максимально возможную мощность.

На рис. 7.8 представлены вольтамперные характеристики фотоэлементов на основе кристаллического кремния в зависимости от температуры при посто­янном освещении.

Можно заметить, что ток короткого замыкания увеличивается с увеличе­нием температуры, но напряжение разомкнутой цепи понижается. Оптималь­ные рабочие точки обозначены кружками на кривых. Максимальная мощность

фотоэлемента при постоянном освещении и, следовательно, коэффициент по­лезного действия, уменьшается с увеличением температуры.

Описанный механизм фотоэлектрического преобразования солнечного излучения может реализовываться только в полупроводниковых материалах, которые в отличие от металлов имеют некоторую запрещенную зону. Однако в отличие от диэлектриков ширина запрещенной зоны у полупроводников не столь велика, что определяет их специфические свойства.

Термин «полупроводники» часто понимают как совокупность нескольких наиболее типичных групп веществ, полупроводниковые свойства которых чет­ко выражены уже при комнатной температуре (300 К).

Полупроводники при комнатной температуре имеют значения удельного сопротивления в пределах 10”6 — 109 Ом м (промежуточное положение между металлами и диэлектриками). Ширина запрещенной зоны у полупроводников лежит в диапазоне 0,1 — 3,0 эВ.

Удельная проводимость полупроводников в сильной степени зависит от типа и концентрации содержащихся в них примесей и дефектов. Для полупро­водников характерна чувствительность к свету, электрическому и магнитному полям, радиационному воздействию, давлению и др.

В полупроводниках может наблюдаться смешанный тип химических свя­зей: ковалентно-металлический, ионно-металлический и др.

К полупроводникам можно отнести широкий круг химических элементов и химических соединений:

• элементарные полупроводники: германий, кремний, селен, теллур и др.;

• соединения типа SiC;

• соединения типа А3В5 (например, арсенид галлия GaAs);

• соединения типа А2В6 (например, ZnTe, ZnSe, CdTe, CdS и т. п);

• окислы и сульфиды ряда металлов: NiO, Cu20, CuO, CdO, PbS и др.;

• тройные соединения: CuInSe2, CuSbSr, CuFeSe2, PbBiSe3 и др.;

• твердые растворы типа GeSi, GaAsi_x Рх и др.

Полупроводники могут быть кристаллическими или аморфными. Для из­готовления фотоэлементов до настоящего времени использовались моно или поликристаллические полупроводники (кремний и в некоторой степени арсе­нид галлия), а также полупроводники в аморфном состоянии.

1. Элементы IV группы периодической системы элементов Менделеева германий и кремний наиболее полно изучены и широко применяются как в полупроводниковой электронике, так и в солнечной энергетике. Атомы этих элементов, обладая 4 валентными электронами, образуют кристаллические решетки типа алмаза с ковалентной связью атомов. Сам алмаз в некоторой степени также обладает полупроводниковыми свойствами, однако величина Eg для него значительно больше, чем у Ge и Si, и поэтому при Т = 300 К его собственная (не связанная с примеся­ми или внешними воздействиями) электропроводность весьма мала.

2. К алмазоподобным полупроводникам относятся и соединения элемен­тов III группы периодической системы (Al, Ga, In) с элементами V группы (Р, As, Sb), т. е. материалы типа А3В5 (GaAs, InSb, GaP, InP и т. п.). Атомы III группы имеют 3 валентных электрона, а V группы — 5, так что в целом число валентных электронов, приходящееся на 1 атом, в этих соединениях равно 4 (как у Ge и Si). Каждый атом образу­ет 4 валентные связи с ближайшими соседями, в результате чего полу­чается кристаллическая решетка, подобная решетке алмаза с той лишь разницей, что ближайшими соседями атома А3 являются атомы В5, а соседями атомов В5 — атомы А3. За счет частичного перераспределе­ния электронов атомы А3 и В5 в такой структуре оказываются разно­именно заряженными. Поэтому связи в этих кристаллах не полностью ковалентные, а частично ионные. Однако ковалентная связь в них пре­обладает, поэтому эти кристаллы по многим свойствам являются бли­жайшими аналогами Ge и Si.

3. Соединения элементов II и VI групп периодической системы — А2В6 (ZnTe, ZnSe, CdTe, CdS и т. п.) также имеют в среднем 4 валентных электрона на 1 атом, но ионная связь у них более сильно выражена. У некоторых из них ковалентная связь преобладает над ионной, у других она слабее, но и те, и другие обладают свойствами полупроводников.

4. В соединениях элементов VI группы с переходными или редкоземель­ными металлами (Ті, V, Mn, Fe, Ni, Sm, Ей и т. п.) преобладает ионная связь. Сочетание полупроводниковых и магнитных свойств этих со­единений и их взаимное влияние интересно как с теоретической точки зрения, так и для практического применения в фотоэнергетике.

Многие органические соединения также обладают полупроводниковыми свойствами. В настоящее время проводятся исследования по практическому их использованию в качестве исходных материалов при получении солнечных элементов.

Из электрофизических параметров полупроводниковых материалов важ­нейшими являются: удельная проводимость (или величина, обратная ей — удельное сопротивление), концентрация электронов и дырок, температурные коэффициенты удельного сопротивления, ширина запрещенной зоны, энергия активации примесей, работа выхода, коэффициенты диффузии носителей заря­да и другие. Для специального использования в некоторых случаях большое значение имеют коэффициент термо-ЭДС, а также коэффициент Холла и др.

К фундаментальным параметрам полупроводников относятся плотность, постоянная кристаллической решетки, коэффициент теплопроводности, темпе­ратура плавления и др.

В отсутствие электрического поля дырка, как и электрон, будет совершать хаотические колебания, при этом происходят и обратные переходы электронов из зоны проводимости на свободные уровни валентной зоны (рекомбинация). Механизм генерации носителей и разделения электронно-дырочных пар, возни­кающих в полупроводнике под воздействием фотонов солнечного излучения, а также возникновения Э. Д.С. в солнечном элементе рассмотрены выше.

В настоящее время основным типом используемых на практике фото­электрических преобразователей являются «планарные» солнечные элементы, создаваемые на плоских пластинах полупроводникового материала, главным образом, кремния. Эти элементы далее собираются в модули, из которых соби­рают солнечные батареи. Основным действующим лицом в такой схеме являет­ся солнечный элемент.

Производственный цикл получения фотоэлектрических панелей — основ­ной продукции, поставляемой сегодня на рынок, весьма сложен. Его можно разделить на три тоже сложных этапа.

1 этап — получения исходного полупроводника (преимущественно крем­

ния) и подготовка пластин для последующего передела;

2 этап — получение солнечных элементов;

3 этап — получение солнечных модулей (панелей) с последующей по­

ставкой их потребителю.

Многие крупные компании полагают для себя чрезвычайно выгодным объединить на своих предприятиях все три этапа, что позволяет улучшить ко­ординацию работ и обеспечить этапы получения СЭ и модулей бесперебойной поставкой сырья и полуфабрикатов.

В следующих главах мы рассмотрим каждый из этих этапов в отдельности.

Сегодня уже существуют проекты фотоэлектрических электростанций, располагаемых в космосе. Такая электростанция могла бы располагаться на геостационарной орбите. Она могла бы иметь площадь фотоэлектрических па­нелей приблизительно 50 км2 и вес порядка тысяч тонн. Эта станция могла бы преобразовывать падающую солнечную радиацию в микроволновое излучение, которое затем могло бы передаваться на Землю с помощью специальной антен­ны. Другая специальная антенна на Земле принимала бы это излучение и пре­образовывала его снова в электроэнергию.

Преимущества такой системы обеспечиваются более высокой интен­сивностью радиации над земной атмосферой и почти постоянной освещенно­стью фотоэлектрических панелей солнечным светом. Панели были бы зате­нены только в течение нескольких дней в период равноденствия и только в течение нескольких часов в день. Однако недостатки и опасности такого проекта все еще преобладают. Площадь принимающей антенны должна со­ставлять приблизительно 100 км2 и зона безопасности вокруг нее должна иметь радиус 100 км. Такая необитаемая территория может быть найдена только в пустынях, остальное неприемлемо. Дальняя передача и двойное преобразование энергии означали бы высокие потери. Микроволны над ан­тенной должны поглощаться воздухом, что неизбежно приведет к его разо­греву, как в гигантской микроволновой печи. Это вызвало бы и другие поте­ри и одновременно привело бы к изменениям воздушных потоков в атмосфе­ре. Цена на электроэнергию была бы огромна и, кроме того, приблизительно 100 запусков самых эффективных ракет были бы необходимы для установки системы на геостационарной орбите.

Люди могут работать на геостационарной орбите только в течение не­скольких дней, поскольку это место находится уже вне защитного магнитного поля Земли (см. главу 4). Необходима постоянная замена обслуживающего пер­сонала или создание роботов, способных обеспечить монтаж и эксплуатацию электростанции на орбите.

Мы еще не упоминали об опасности выхода электростанции из-под кон­троля и излучения радиации по всем направлениям, вне принимающей антенны. Поэтому мы полагаем маловероятным, чтобы такая электростанция была бы по­строена в обозримом будущем, а именно, в тот период, когда у человечества все еще есть альтернатива в виде наземных возобновляемых источников энергии. Однако следует отметить, что основы технологических процессов, способных осуществить такой проект, разрабатываются уже сегодня.

Тем не менее, солнечные станции для обслуживания самих космических объектов широко используются (рис. 18.117).

Преобразование солнечной энергии в другие формы энергии имеет длин­ную историю. Со времени древних применений и до современных удивитель­ных устройств можно отметить, в первую очередь, нагревание различных сред (обычно вода или масло). Известна также идея сконцентрировать солнечное из­лучение в центре параболического зеркала, как показано на рис. 6.1. В странах с обилием солнечного света такой способ концентрации солнечного излучения используется для приготовления пищи. В 1883 г. французы A. Mouchot и A. Pifr продемонстрировали новое устройство на Международной выставке в Париже. Их устройство, как это показано на рис. 6.1 ,а, производило пар, обеспечивав­ший работу парового двигателя для последующей работы печатного станка для выпуска газет.

Рис. 6.1. Принцип нагрева с помощью концентрированного солнечного излучения

V К *. л V — , — гелиостаты — зеркала

г — ^кй V,4 1 } ‘ сеть > <г w ш ■ ■ •• ш

, ^ ч приемник башня — 70 м /

конденсатор!

У^паровая турбина

7 .

генератор 12 МВт

Рис. 6.2. Схема солнечной станции башенного типа

Принцип концентрирования солнечного излучения применяется также на некоторых экспериментальных электростанциях. Сконцентрированное солнеч­ное излучение используется для выработки пара, который приводит в действие паровую турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие электрический генератор, присоединенный к ротору турбины. Паровые генераторы обычно ра­ботают по принципам, показанным па рис. 6.1, а.

На рис. 6.1,6 изображен параболоцилиндрический концентратор, а на рис. 6.1, в — башня с полем гелиостатов. Основные принципы работы такой электростанции похожи на принципы работы классической электростанции, за исключением первичного источника энергии. На этом принципе работает не­сколько электростанций с максимальной мощностью Ршкс= 354 МВт, главным образом в Калифорнии и Нью-Мексико (США), где в среднем 320 солнечных дней в году. Некоторые такие электростанции существуют также в Европе. Их типичная конструкция представлена на рис. 6.2. Пар может быть нагрет до 560 С, и КПД электростанции может достигать 17 % при соответствующих усовершенствованиях и оптимизации технологии.

Некоторые тепловые солнечные электростанции используют природный газ или аккумулятор тепловой энергии, чтобы обеспечить бесперебойное функ­ционирование парового генератора в течение периода после захода Солнца. Не­смотря на многообещающее начало, этот тип электростанций находится пока в экспериментальной стадии и широко не используется. Действительно, даже с со­временным компьютерным контролем, регулирование всех зеркал (гелиостатов)

с точностью А(р<0.1° является серьезной технической и финансовой проблемой. Черкала должны периодически и довольно часто очищаться. Зеркала площадью 40 м2 часто не в состоянии противостоять порывам ветра. На рис. 18.5 и 18.6 по­казана электростанция «Sun One» максимальной мощностью Рмакс = Ю МВт. Эта станция, находящаяся в эксплуатации с 1985 г., была первой эксплуатационной электростанцией башенного типа [13] с высотой башни 70 м. На рис. 18.7 пока­заны детали электростанции с параболическими концентраторами (лотками) SEGS-I1I (в Калифорнии, США) с максимальной мощностью Рмакс = 354 МВт. Здесь масло — горячая среда, тепловая энергия которой используется в паровом генераторе для производства пара и привода турбины. W — энергия, произве­денная в течение времени t, описывается формулой

W = jpdt,

Д t

і де Р— мгновенная мощность электростанции.

В настоящее время прямое преобразование солнечной энергии в полупро­водниковых фотоэлектрических панелях является самым распространенным и, возможно, самым перспективным принципом преобразования солнечного излу­чения в электроэнергию. Ежегодное производство и установка фотоэлектриче­ских панелей увеличивается чрезвычайно быстро. Фотоэлектрические солнеч­ные электростанции устанавливаются во всем мире. Их масштабы могут коле­баться от маленьких систем с мощностью порядка киловатта (или еще меньше) до электростанций с максимальной мощностью в сотни мегаватт.

Постоянный ток, вырабатываемый такими электростанциями, может ис­пользоваться для электронагревательных приборов, для зарядки аккумуляторов или для того, чтобы производить водород электролизом воды с последующим его накоплением и хранением.

Используя инверторы, постоянный ток можно преобразовать в перемен­ный, который обычно используется в традиционных электрических сетях.

Физический принцип фотоэлектрического преобразования солнечной энергии будет рассмотрен в главе 7.

Фотоэлектрические системы любого размера и любой мощности могут использоваться как в автономном режиме, вне сети (off-grid), так и с сетью (on — grid). Системы off-grid не связаны с электрическими сетями. Они обеспечивают электроэнергией только небольшие отдельно стоящие объекты, иногда даже единичные образцы оборудования. Поэтому потребление энергии такого объек — ги ограничено количеством электроэнергии, произведенной фотоэлектрической системой. В проектировании таких систем должна быть учтена средняя про­должительность светового периода на территории, где система установлена. І Іеобходимо также рассматривать общее потребление всеми приборами, кото­рые должны быть обеспечены электроэнергией от данной фотоэлектрической системы.

ФЭ СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА электрооборудование на~230 В освещение, стиральная машина, компьютер, ТВ, дрель, магнитофон и др.

Рис. 6.3. Схема фотоэлектрической системы,
не связанной с сетью (off-grid)

Напротив, on-grid система связана с сетью. Тогда в случае, если система производит избыточное количество электроэнергии, ее можно поставлять в сеть. В случае дефицита электроэнергию можно получать из сети. Надежные инверторы обеспечивают надежную фазовую совместимость с сетью. Сниже­ние напряжения в сети вынуждает инверторы отключаться автоматически из соображений безопасности. Мгновенная выходная мощность (в ваттах) и пол­ная произведенная энергия (в джоулях или кВт ч) контролируется. Принципи­альная схема автономной фотоэлектрической системы вне сети дана на рис. 6.3 [2, 14], а устройство системы, связанной с сетью, на рис. 6.4.

На рис. 6.5 приведена типичная зависимость эффективности инвертора высшего качества на номинальной выходной мощности. Рисунок показывает, что эффективность инвертора быстро возрастает с увеличением потребления энергии, превышая 90 % при 15 % от максимального потребления энергии. При потреблении энергии свыше 40% достигается максимальная эффективность,

ФЭ СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

Рис. 6.4. Схема фотоэлектрической системы, связанной с сетью (on-grid)

Рис. 6.5. Типичная зависимость качества инвертора от выбранной мощности

экран Рис. 6.6. Образование электрического напряжения в термопаре

но КПД слегка уменьшается, когда мы приближаемся к максимальному по­треблению энергии. У кривых эффективности всех типов инверторов от всех известных производителей наблюдаются схожие характеристики. От неболь­ших систем с максимальной производительностью порядка десятков ватт, ис­пользуемых, например, для изолированных сельских домиков или научных экспедиций в отдаленные области, к крупным установкам с максимальной мощностью в несколько киловатт или мегаватт для более крупных энергетиче­ских центров, кривые эффективности схожи. Рис. 18.70 демонстрирует инвер­торы компании Mastervolt, представленные на выставке в Валенсии в 2008 г. На рис. 18.71 показаны инверторы компании Fronius, представленные в Гамбурге в 2009 г. На рис. 18.72 показан детальный вид электронного инвертора SolarMax, который демонстрировался в Дрездене в 2006 г. На рис. 18.81 представлено портативное устройство для установки анкерных болтов и крепежных болтов портативных фотоэлектрических систем, показанное в Валенсии в 2008 г.

Наряду с фотоэлектрическим преобразованием энергии существует и другая возможность для производства электроэнергии, основанная на термо­электрическом эффекте [10].

Температурный градиент в материале приводит к образованию носителей тока в областях с более высокой температурой, имеющих более высокие значе­ния энергии. В частности, для полупроводниковых материалов температурный градиент вызывает также рост концентрации носителей заряда. Вследствие это­го возникает поток свободных носителей, которые пытаются скомпенсировать температурный градиент, устанавливая новое равновесие. Эффект Зеебека (Seeback) наблюдается в неоднородных проводниках при наличии температур­ного градиента, как показано на рис. 6.6. В схеме, составленной из различных материалов (в нашем примере медь — константан), с контактами, находящимися при различных температурах, на зажимах возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур U ~ АТ или U ~ Т, — Т2. Существует

і шоке обратный эффект, так называемый «эффект Пельтье» (Peltier). Он прояв — пмется в том случае, когда электрический ток, проходящий через электриче — I кую цепь, вызывает образование температурного градиента в цепи.

Рассматривая устройство, представленное на рис. 6.6, предположим, что мы соединяем несколько термопар последовательно, как батарею. Если горячие концы нагреты концентрированным солнечным излучением, то батарея может поставлять электрический ток в сеть, соединенную с зажимами. Отметим, од­нако, что такая термоэлектрическая система преобразования солнечной энергии и земных условиях пока не используется. Важность такой технологии возраста­ет в случае применения на спутниках с ядерным источником тепла, на больших расстояниях от Солнца, где фотоэлектрические системы не могут быть исполь — юваны.

Термоэлектрическое преобразование солнечной энергии в наземных ус — повиях сегодня не представляется эффективным и пригодным для широкомас­штабного внедрения. Однако никогда нельзя категорически отвергать те или иные идеи. Поэтому нельзя исключать такую возможность, когда термоэлект­рические станции найдут более широкое применение.

В [74] показано, что фотоэлектрические солнечные электростанции (СЭС) привлекательны для инвесторов, так как они могут создаваться по модульному принципу и поэтому не требуют больших начальных капитальных вложений, а при пуске станции в эксплуатацию мощности могут вводиться поблочно и та­ким образом, немедленно после монтажа уже первого блока начинают выраба — н. шать и поставлять электроэнергию, т. е. возвращать инвестиции. Поэтому воз­врат инвестиций можно ожидать уже после пуска первой очереди станции, а за- Iсм планировать увеличение темпов возврата капитальных затрат в течение всего периода строительства СЭС.

К преимуществам солнечных станций можно отнести также низкие экс — ннуатационные расходы. Кроме того, они могут функционировать в необслужи­ваемом режиме, создаваться в самых разных местах, недоступных для реализа­ции проектов, основанных на других принципах выработки электроэнергии. Это и пустынные или малообитаемые территории, горная местность, крыши и фаса­ды зданий, просто заброшенные, не используемые пустыри и т. д.

Использование концентраторов позволяет повысить эффективность фото — шектрического преобразования солнечного излучения, а также существенно понизить потребление кремния, весьма дефицитного материала, а также доста­точно дорогостоящего. Однако применение таких станций связано с необходи­мостью разрешения ряда проблем.

При использовании в СЭС концентраторов необходимо наличие прямой солнечной радиации. Нужно обеспечить в процессе эксплуатации слежение за движением Солнца в течение светового дня. В условиях, близких к условиям средней полосы России, равно как и в условиях Чешской Республики, в случае применения концентраторов может быть полезно использовано не более поло­вины суммарной солнечной радиации. При использовании фотоэлементов с од­ним и тем же коэффициентом полезного действия в системах с концентратора-

ГмаГб^Т* ЭЛеКТр0ЭНеРгии может оказаться существенно меньше, чем в сис — онцентраторов. Поэтому в реализованных на практике СЭС в на стоящее время преобладают системы без концентоатоппк R т L следует отрицать полностью возможность использования СЭС с ГнцТнгоаГ ™ электростанции будут достаточно эффе™^^ нах, где прямая солнечная радиация преобладает.

являютсяЖНЫМИ ФаКТОраМИ расширения использования новых мощностей СЭС

повышение КПД солнечных элементов (тенденции роста КПД фото­элементов приведены на рис. 18. 127); ^ ^

• снижение затрат на используемые Материалы, в первую очередь на кремнии, а также на опорные конструкции, зеркальны* отражав щ си­стемы охлаждения и др. Для планарных солнечных элементов на осно — напныМ»НИЯ МОЖН° ПРИМ6НЯТЬ к°нЦентраторы (в том числе и стацио — ронними СЭ ШИМ К°ЭффиЦИеНТ0М концентрации 2,5 — 4 с двухсто-

Концентраторы в пределах апертурного угла не требуют строгого слеже ния за Солнцем, они могут фокусировать как прямую, так и рассеянную сїл вечную радиацию. Для этих целей можно использовать концентраторы самых р зных конструкции (u-образные и w-образные зеркальные отражатели фоко ны, фоклины и некоторые типы призменных концентраторов (ХМ ’ Ф

тпапия (Ьп* °СН0ВЄ гетеРостРУктУР, где требуется концеп­

тов в себе Х И ГЖе Х,00°- В ЭТИХ СЛуЧаЯХ вклад стоимости фотоэлемен — в себестоимость 1 киловатта установленной мощности может быть снижен

ДО уровня планарных элементов на основе кремния. В то же время эффектив

ТГ™:СТеМ М0ЖеТ бЫТЬ достаточно вь, с°кой. даже при условии, что они требуют применения концентраторов точного слежения по двум осям Некого

и каск^ымиЫэлееНИЯ Эффе™°СТИ работы модулей с микроконцентраторами и каскадными элементами будут рассмотрены ниже.

В предисловии было отмечено, что ежегодное производство и установка ф«„,ле„р„,,ских панелей а полненных элыаростаннплх еДетленно Гр"“

не™7панТей Гя° Г°Ла’ В Т° “ Ч*" Г”™ "Р°ш. одств. еол-

чных панелей для электростанций разного типа различаются Опережаюши

~.И В МИРЄ РаЗВИВаеТСЯ "Р0ИЗВ0ДСТВ0 панелей для СЭС, присоединен-

На рис. 6.7 приводятся сведения о росте мощностей выпускаемых сол ных панелей (кривая 1), в том числе используемых в автономных (кривая 3) и сетевых (кривая 2) СЭС до 2008 г. Следует отметить, что указанная тенден

"оРлГч^^°ДНаК° ДЛЯ/°ССИИ ХаРаКТЄРНа ДРУГаЯ — туапия зГесь мощ­ность солнечных станции, работающих в автономном режиме, возрастает более

г„~у=.чем мощность ~ сэс’— — в — ии Ш:Р:

Рис. 6.7. Рост мощностей введенных СЭС разного типа в мире

Концентрированное солнечное излучение (см. рис. 6.1,а) также использу­ется в солнечных энергетических системах на основе двигателя Стирлинга [54]. І Іринцип двигателя был описан его изобретателем Робертом Стирлингом еще и 1816 г. Идея не была востребована много лет, но ее время настало в конце XX столетия. В улучшенной форме это изобретение нашло свою нишу среди новых методов производства энергии. У двигателя Стирлинга есть определен­ные преимущества, особенно относительно высокая производительность и низ­кий шум. Он может использовать любой источник высокой температуры. Его низкая шумовая характеристика сделала этот двигатель привлекательным в ка­честве двигателя для подводных лодок.

В упомянутых выше солнечных энергетических системах концентриро­ванное солнечное излучение попадает на теплообменник, который служит на­гревателем. В двигателе Стирлинга энергия высокой температуры преобразует­ся в механическую энергию. Двигатель вращает электрогенератор, в котором механическая энергия преобразуется в электричество. Общая эффективность такой системы может превышать 30 %.

В дополнение к требованию точного слежения за положением Солнца не­удобством этих систем является и то, что концентраторы с параболическим зер­калом концентрируют только прямое солнечное излучение и не концентрируют диффузную радиацию. Поэтому такие системы являются удобными для местно­сти, где преобладают солнечные дни с высоким уровнем прямой радиации. На рис. 18.8 показаны две такие системы, установленные в Аризоне (США).

Солнечная система мощностью 10 кВт с двигателем Стирлинга и генера­тором электроэнергии, установленная во Франции, представлена на рис. 18.9. Ее технические параметры даны в таблице 6.1.

Большая солнечная электростанция, работающая на этом принципе, в на­стоящее время находится в стадии строительства в Южной Калифорнии. Она имеет максимальную проектную мощность 500 МВт с возможностью увели­чить мощность до 850 МВт (если электростанция окажется эффективной). Электростанция состоит из блоков с максимальной мощностью 25 кВт, с пара­болическими зеркалами диаметром больше 10 м.

Таблица 6.1. Технические параметры солнечной системы выработки электроэнергии типа SBP 10 кВт с двигателем Стирлинга (рабочая среда — гелий) Диаметр параболического зеркала, м 8,5 Эффективная поверхность (без теней) м2 55 Длина фокуса, м 4,7 Температура поверхности теплообменника °С 820 Максимальная температура газовой спелы °С 650 Рабочий объем цилиндров, см3 160 Общий объем цилиндров, см3 250 Максимальная мощность, кВт 13 Максимальный КПД, % 32

В таблице 6.2 представлены характеристики фотоэлектрических станций, введенных в эксплуатацию в Чешской республике в течение 2006-2009 гг., а в таблице 6.3 приводятся примеры некоторых крупных фотоэлектрических стан­ций, действующих в мире в настоящее время.

К концу 2012 г. в Чешской республике вырабатывалось приблизительно 1,8 ГВт общей мощности фотоэлектрических электростанций. В начале 2008 г. эта мощность составляла только 3,4 МВт, а в конце 2007 г. всего 1,5 МВт. Рез­кое увеличение мощности введенных в эксплуатацию СЭС в Чешской респуб­лике очевидно. 1

Таблица 6.2. Примеры наиболее крупных фотоэлектрических станций, запущенных в эксплуатацию в Чешской Республике в течение 2006-2009 гг. Расположение Максимальная мощность. кВт Г од пуска в эксплуатацию Opatov 60 2006 Busanovice возле Volyne I 660 2006 Dubnany в Hodonin области 515 2007 Ostrofeka Lhota возле Uherske HradiStc 1 702 2007 Ustek — Habriny в Litomerice области 507 2007 Busanovice возле Volyne II (раширенная ФЭ система) 1360 в целом 2008 Jaroslavice near Znoimo 900 2008 Ostrozska Lhota II (расширенная ФЭ система! 1622 в целом 2008 Dubnany в Hodonin области (расширенная ФЭ система) 2100 в целом 2008 Hodonice возле Znoimo 2150 2009 Moravsky Krumlov (система слежения с гребневым концентратором излучения! 432 2009 ZeSov возле Prostejov 604 2009 Sudomerice в Hodonin области 3500 2009

Таблица 6.3. Примеры крупных фотоэлектрических станций, введенных в эксплуатацию в мире в течение 2008 — 2009 гг. Расположение Максимальная мощность, МВт Г од пуска в эксплуатацию Parque fotovoltaica Olmedilla de Alarcon, Olmedilla, Испания 60 2008 Chotebuz, Германия 53 2009 Parque fotovoltaica Puertollano, Puertollano, Испания 47 2008 Moura photovoltaic power plant, Moura, Португалия 46 2008 Solarpark «Waldpolenz», Brandis, Германия 40 2008 Planta Solar Arendo, Arendo, Испания 34 2008

Рис. 6.8. Ежегодное производство электроэнергии в первом блоке фотоэлектрической электростанции в Ostrozska Lhota (Южная Моравия) в течение 2007-2008 гг.

Рисунок 6.8 иллюстрирует ежегодное производство электроэнергии в первом блоке фотоэлектрической станции в Ostrozska Lhota (Южная Моравия) [57]. Там была установлена пиковая мощность 702 кВт. Ежегодное производст­во электроэнергии, в пересчете на 1 кВт установленных фотоэлектрических па­нелей, составляет 1012,8 кВт час/кВт год.

На рис. 6.9 показаны некоторые результаты измерений, выполненных на ма­ленькой фотоэлектрической системе с неподвижной платформой (стендом) и с тре­мя стандартными фотоэлектрическими панелями общей номинальной выходной мощностью 0,51 кВт. Эта фотоэлектрическая система была изготовлена и установ­лена в Чешском Университете сельского хозяйства в Праге (Прага 6 — Suchdol, 50° северной широты). Эта система представлена на рис. 18.98, где она расположена на переднем плане (система со следящей платформой видна на заднем плане).

ни {кВт. час/год произведено всего 46S. S1 кВт. час/год

I расчнталная энергня (кВт. час/год г 1 всего ио расчету 919,24 кВт. час. кВт. год

Рис 6^гР*егодн0е производство электроэнергии фотоэлектрической системой установленной в Чешском Университете сельского хозяйства в Праге ‘ (Прага 6 — Suchdol 50° северной широты) в 2008 г.

Три солнечные панели (китайского производства) были соединены по­следовательно и подключены к инвертору фирмы Sunny Boy типа SB 700 (Гер­мания). Их номинальная выходная мощность — 170 Вт а номинальная эффек­тивность фотоэлектрического преобразования составляет 16 %. Наклон — 40° ориентация на юг. Система была непосредственно связана с сетью 230 V пе­ременного тока через вышеупомянутый инвертор. Сведения о выработке си­стемы через регистрирующее устройство заносились на карту памяти Электри­ческая связь осуществлялась с применением кабелей и водостойких контактов фирмы Tyco.

В течение 2008 г. ежегодное производство электроэнергии, пересчитан­ное на I кВт мощности установленных панелей, составило в этом случае 919.24 кВт час/кВт-год. Как и ожидалось, пересчитанный объем произведенной энер­гии в Праге ниже, чем объем произведенной энергии в Южной Моравии Если бы примыкающее здание не затеняло панели в течение короткого периода до заката, различие могло быть меньшим. Кроме того, фотоэлектрические панели были установлены с наклоном 40°, в то время как оптимальный наклон для

з“ГзГ, ЄЖЄГОДНОГО пР°изводства Сергии в Праге — составляет прибли­зительно 35 . Этот наклон соответствует летнему положению функционирова­ния системы, поскольку во время летнего периода объем произведенной энер­гии является самым высоким. н

Например на рис. 6.10 показаны зависимости мгновенной мощности во времени в течение двух выбранных весенних солнечный дней. Существует спе­циальное летнее время в Чешской республике, когда полдень соответствует. 0 часам. В этом случае объем произведенной электроэнергии W описывается 74

Рис. 6.10. Зависимость мгновенной мощности от времени в течение двух выбранных весенних солнечных дней

интегралом W = ^Pdt, где Р — мгновенная мощность; t — время. Энергия W со­

д,

ответствует области ниже кривой. В мае максимальный угол падения ближе к перпендикуляру, чем в июне, потому что панели имели наклон 40°. Это об — I і оятельство является причиной того, что максимальная мощность выше в мае. Но I0 мая 2008 г. день был только наполовину солнечным. Это заметно на рис. 6.10. Поэтому дневное производство электроэнергии — почти одно и то же (2.85^2.86 кВт ч). Максимальная мощность ниже, чем номинальная выходная мощность, потому что параметры фотоэлектрических панелей были измерены мри температуре 25°С, но реально температура панелей выше в течение сол­нечного дня. Согласно теории, чем выше температура солнечного элемента, тем ниже его коэффициент фотоэлектрического преобразования солнечной энергии.

Японская электротехническая компания Kyocera объявила о строительст­ве электростанции мощностью 70 МВт на юге страны в Кагосиме. Это будет самая крупная фотоэлектрическая станция в стране. Этот проект, в котором бу­дут участвовать корпорации IHI и Mizuho Corporate Bank Ltd., направлен на решение проблемы дефицита электроэнергии в стране, вызванного катастрофой на АЭС Фукусима. Ежегодно производимая энергия может покрыть потребле­ние электроэнергии 22000 домов. Его объем составит 40% от всего объема электроэнергии, производимой в стране. Предполагаемая стоимость проекта составляет 310 млн. долл. США. Внешний вид электростанции представлен на рис. 18.129.

Для сравнения отметим, что в России ситуация выглядит скромнее. Здесь в Белгородской области впервые в России введена в эксплуатацию солнечная электростанция мощностью 100 кВт. Также впервые решен вопрос о том, что энергия, вырабатываемая этой электростанцией, будет поставляться в сеть по

ТЗРИфУ " ! РУб — За 1 кВт’4 (таРи,1)ь| указаны на период строитель­ства). Электроэнергия с ближайшей Курской АЭС обошлась бы в 2,3 -4 руб за

I кВт ч. Тем не менее, построить солнечную электростанцию и покупать элект­роэнергии по высокому тарифу оказалось дешевле, чем строить новьюТни„ нЖЗ: раСПр! ДеЛИТельные подстанции для подачи электроэнергию

пивеїкие Лвопы ЯЩЄИ ЭЛеКТрОСТаНЦИИ- Эга СЭС построена на хуторе Кра-

из дв^Т” СИСТеМа’ вырабатывающая электроэнергию, wuu из двух частей. Первая скомпонована с использованием батарей собранных из фотоэлементов на основе полиметаллического кремния, вторая — из панелей а основе аморфного кремния. Каждая из этих частей имеет мощность 50 кВт асчетаая производительность данной станции — 133,4 тыс. кВт-ч в год

(ВенгриТГняп ПЗНеЛИ Н3 °СН0Ве амоРФного кремния закупались в Европе ( енгрия), а на основе поликристаллического кремния изготовлены на Рязан­ском заводе металлокерамических приборов (РЗМП), предприятии солнеч­ные модули которого сертифицированы для продажи в страны ЕС Конечная цена панели, произведенной „а заводе, составляла порядка $3 за 1 Вт Для

с™,“Т«зТ гстк 1 Вт г""т"ой ■ — д^нов

S 5, в угольной — более $3, в газовой — порядка $2 Стоимость ка питальных вложений при строительстве тепловой электростанции^ (сегодня о вырабатываемой в России электроэнергии) €1,5 — 2,5/Вт а капитальные замТрать^а строительство солнечной электростанции при MeVaB”X

Солнечная электростанция практически не требует обслуживания и не расходует топливо, а также не останавливается на ремонт и профилактику обо­рудования. Ставить тепловую станцию можно не везде, а солнечную — почти повсеместно, конечно, при наличии потенциала солнечной энергии. По гаран­ти производителя у поликристаллических солнечных модулей выработка со­храняется на уровне не менее 80% в течение 25 лет, у аморфных панелей в те­чение 20 лет. Станция введена в эксплуатацию 18 октября 2010 г. Вырабаты­ваемая электроэнергия поступает в сеть «Белгородэнерго» и далее по сети рас­пределяется конечным потребителям. Ожидаемый срок окупаемости проекта — чуть более 5 лет — при тарифе 9 руб. / кВт ч, хотя стоимость электроэнергии с ближайшей Курской АЭС — 2,3 — 4 руб. за 1 кВт-ч. Однако в Белгородской об­ласти две существующие теплоэлектростанции покрывают примерно 10% спроса. Остальной спрос потребности области покрывается Курской и Новово­ронежской АЭС. С учетом роста энергопотребления оказалось, что построить солнечную электростанцию и покупать электроэнергию по 9 руб. за 1 кВт ч вы­годнее, чем строить новые линии электропередачи и распределительные под­станции.

Наше Солнце — довольно типичная звезда. Во Вселенной есть чрезвычай­но большое количество звезд точно таких же, как оно.

Солнце возникало медленно, приблизительно пять миллиардов лет назад из туманности разреженных газов и пыли. Вследствие наличия гравитацион­ных сил эта туманность постепенно сжималась, а ее температура увеличива­лась. Когда температура в ее ядре достигла предела (около Т ~ Ю7К), началась термоядерная реакция синтеза водородных ядер (см. главу 4), и в ядре Солнца начала выделяться ядерная энергия. Солнце стало гигантским естественным термоядерным реактором. Постепенно стало устанавливаться равновесие меж­ду энергией, выделяемой в ядре Солнца, и энергией, излучаемой с ее поверх­ности. Однако ничто не вечно, и однажды Солнце исчерпает свою энергию и прекратит свое существование. Но где-нибудь в другом месте возникнут но — ные звезды.

Планетарные системы часто формируются вместе со звездой. Существо­вание планетарных систем вокруг многих отдаленных звезд было подтвержде­но физическими методами, основанными на эффекте Допплера (Doppler-effect).

Эффект Допплера хорошо известен всем нам из акустики. Если источник волн движется к наблюдателю, то наблюдатель воспринимает частоту волн как более высокую, чем на самом деле испускается источником. Если источ­ник волны удаляется, наблюдатель ощущает более низкую частоту. В третьей главе было показано, что свет — это также электромагнитное излучение. Если большая планета, размером, как Юпитер или более, вращается вокруг звезды, звезда движется с некоторой периодичностью, потому что оба тела переме­щаются вокруг одного общего центра тяжести. Если плоскость движения звез­ды и планеты проходит близко к Земле, мы можем видеть обе орбиты в боко­вой проекции. Если планета движется по направлению к нам, то звезда дви­жется от нас, и ее спектр излучения демонстрирует доплеровский сдвиг к красному краю видимой области. Если планета удаляется, а звезда движется к нам, ее спектр излучения демонстрирует доплеровское смещение к фиолето­вому краю спектра.

Этот эффект схематично иллюстрируется на рис. 5.1. Кроме того, если планета частично экранирует звезду во время движения по своей орбите, то яр­кость звезды временно уменьшается. Регулярная периодичность этих эффектов с постоянной частотой является косвенным доказательством существования больших планет.

Рис. 5.1. Доказательство существования планет, вращающихся вокруг удаленной звезды, с помощью Допплер-эффекта

Солнце — самый большой источник энергии в солнечной системе, и вся энергия на Земле, за исключением ядерной энергии, поступает от него. В ископаемом топливе и биомассе солнечная энергия накопилась в результате преобразования зелеными растениями с помощью фотосинтеза неорганических веществ в органические. Однако только приблизительно одна десятая процента падающей солнечной энергии используется для фотосинтеза. Образование глю­козы может служить примером формирования органических веществ в расте­ниях:

6 С02 + 6 Н20 + энергия солнечного излучения = С6Н)206 + 6 02.

Со временем органические вещества в биомассе могут быть преобразо­ваны в уголь, нефть или природный газ. При соответствующих условиях это преобразование происходит через геофизические процессы на больших глуби­нах, при высоком давлении и высоких температурах, в отсутствие воздуха.

Гидроэнергия — это следствие испарения воды, главным образом с по­верхности океана, и последующей ее конденсации на возвышенностях различ­ных континентов, где вода обладает более высокой потенциальной энергией.

Ветер приобретает свою кинетическую энергию вследствие неоднородно­го нагревания различных участков земной поверхности. Энергия солнечного излучения достигает поверхности Земли непрерывно, но она неоднородно рас­пределена относительно местоположения и времени. Основные параметры Солнца приведены в таблице 5.1.

Параметр	Значение
Радиус Солнца	Гцх 6.96 X 108 м
Масса Солнца	ms — 1.99 х Ю30 кг
Мощность излучения Солнца	Л-я 3.91 х 1026 Вт
Эффективная температура фотосферы	Ts * 5800 К
Г равитационное ускорение на поверхности	gs = 274 мх-2
Расстояние между Солнцем и Землей	R. vz* 1.49 x 10" m
Солнечная постоянная (константа)	1= 1367 Вт M-2

Чтобы поддерживать жизнь, мы нуждаемся в энергии. Чтобы дать неко­торое представление о том, какое количество энергии требуется, отметим, что для взрослого человека требуется приблизительно 100 W для метаболизма и приблизительно 150 W всего. Метаболическое выделение энергии в животных происходит, например, в реакции глюкозы с кислородом:

С6Н1206 + 602 — 6С02 + 6Н20 + энергия.

В течение 80 лет человек потребляет 105 000 кВт-ч энергии. Это — полная энергия, потребляемая только непосредственно человеческим телом, без учета энергии, используемой из других источников (например, из угля или нефти), чтобы сделать жизнь более приятной и управлять окружающей средой. Для сравнения отметим, что 105 000 кВт ч соответствуют энергии, выделяемой 1 г водорода при термоядерном процессе превращения в гелий.

В ядре Солнца энергия выделяется в результате термоядерного синтеза ядер гелия из водородных ядер. Проходит период порядка нескольких сотен тысяч лет, прежде чем эта энергия достигает поверхности Солнца. С поверхно­сти энергия излучается в форме электромагнитного излучения и потока заря­женных частиц, известных как «солнечный ветер». Излучаемая Солнцем энер­гия относительно устойчива, изменяясь только немного в зависимости от сол­нечной активности по приблизительно 11-летнему циклу. Максимальная длина волны X, излучаемой с поверхности Солнца при заданной температуре, состав­ляет X* я 550 нм. В условиях приближения солнечного излучения к излучению черного тела закон Вина (Wien’s law) X*TS =6 дает температуру на поверхности Солнца, равную Тх ~ 5800К, где b — константа Вина. Излучение Мчерного тела зависит от его температуры согласно соотношению Ме = аТ4, где а — постоян-

ная Стефана-Больцмана. Для температуры Ts ~ 5800 К мы получаем Ме «6,42×10.

Мощность излучения с поверхности Солнца, составляет Ps = Ме 4жг* I где rs «6.96×10*м это радиус Солнца, а значение Г~ 3.91 х 1026 Вт. Только ма­лая часть этой радиации достигает поверхности Земли.

Если мы примем значение расстояния от Земли до Солнца ^s: ®1.49х10пм и радиус Земли ~ 6.37×106м, мы получим

тг

М =—— «1.79х10пЛи.

• 4 nR]z 4

Солнечная радиация, поступающая за день на Землю, составляет величину WL = АД. I «1.79 х 1017 Дж. с’ . 86400 с = 1.55 х 1022 Дж.

Мощность солнечного излучения на единицу площади в космосе, выше земной атмосферы, составляет

АР

1=—у « 1367 Вт м~2.

лг2

Эту величину называют солнечной постоянной. Часть этой энергии отра­жается атмосферой Земли, часть поглощается. Количество энергии, достигаю­щей поверхности Земли, является функцией географической широты, метеоро­логических условий, времени дня и времени года. Максимальная мощность солнечного излучения на поверхности Земли составляет приблизительно 1„тс=ШВтм~2.

Энергия солнечного излучения может быть преобразована тепловым кол­лектором в тепловую энергию или фотоэлектрическим (PV) модулем в элек­трическую энергию.

Энергия высвобождается в ядре Солнца в результате термоядерного син­теза, особенно синтеза ядер гелия из водородных ядер. Солнечное ядро имеет радиус г «1.5 х 10* м и температуру порядка Т «1.4 — ь 1.5 х 107 К.

Высвобождаемая энергия частично преобразуется в кинетическую энер­гию продуктов реакции, частично в энергию жестких фотонов гамма-лучей. В столкновениях частицы с более высокой кинетической энергией передают часть своей энергии частицам с более низкой энергией. Фотоны гамма-лучей также сталкиваются с другими частицами в очень плотном веществе ядра Солнца. В этих столкновениях они исчезают, но образуются другие фотоны с более низкой энергии и большей длинной волны. В этих столкновениях скоро­сти и направления движения электрически заряженных частиц изменяются, и ускоряющиеся электрические заряды генерируют электромагнитные волны. Процессы, описанные выше, поддерживают и высокую температуру ядра Солнца, и передачу энергии от ядра к поверхности.

Вне ядра есть слой радиационного равновесия. Он имеет толщину (/ я 3.5х 10Н м. Здесь фотоны непрерывно поглощаются и вновь излучаются та­ким образом, что каждый фотон с высокой энергией преобразуется в большое количество фотонов более низких энергий. Столкновения облегчают передачу энергии к поверхности посредством теплопроводности. Поэтому этот слой ино­гда называют проводящим слоем. Вне проводящего слоя находится конвектив­ный слой. Он имеет толщину d и 2 х 10“ л/ и демонстрирует поднимающиеся и погружающиеся потоки плазмы. Поднимающиеся потоки более горячие, чем те, которые опускаются, и поэтому легче. С помощью сильного телескопа можно наблюдать неоднородности на солнечной поверхности, что иллюстрируется рис. 18.2.

Поверхность конвективного слоя (то есть фактическая солнечная поверх­ность) не является твердой и поэтому определяется не точно.

По мере увеличения расстояния от Солнца его атмосфера может быть разделена на фотосферу, хромосферу и корону. Толщина фотосферы к 5х 105 м и температура Т «5800 К. Это — источник самого интенсивного излучения в космос. Хромосфера (толщина <7»2-нЗх106м) контролирует ре­зультирующий эмиссионный спектр солнечного излучения. Корона, внешняя атмосфера Солнца, распространяется на дистанцию нескольких солнечных диаметров. Корона может наблюдаться во время солнечного затмения.

На рис. 5.2 приведен спектр электромагнитного излучения, испускаемого Солнцем. Кривая 1 соответствует радиации вне атмосферы Земли, а кривая 2 — спектру солнечного излучения после прохождения через атмосферу Земли пер­пендикулярно ее поверхности [7]. Для сравнения отметим, что кривая 3 соот­ветствует излучению черного тела при температуре Т = 5800 К в соответствии с законом Планка. Линии поглощения, соответствующие поглощению содержа­щимися в земной атмосфере газами, ясно заметны на кривой 2. Фотоны с дли­нами волн короче, чем X < 290 нм, отфильтрованы озоновым слоем в верхних слоях атмосферы, что защищает Землю от опасных для жизни компонентов спектра солнечного излучения.

На рис. 5.3 показан спектр солнечного излучения (после прохождения че­рез атмосферу при ясной погоде) в зависимости от толщины воздушного слоя, то есть от угла падения. Кривая 1 соответствует мощности излучения выше ат­мосферы Земли.

Кривая 2 соответствует углу падения а = 0, то есть перпендикулярному поступлению излучения, другие кривые соответствуют увеличивающемуся уг­лу падения с шагом Да = 15°, так, что кривая 6 соответствует углу падения 60°, то есть положению Солнца под углом 30° к горизонту [8].

Сдвиг к красному краю спектра очевиден, особенно из сдвига коротко­волнового края спектра при более высоких углах падения.

После прохождения через атмосферу Земли солнечное излучение может быть разделено на три компонента согласно направлениям. Существенная часть — это прямая радиация от диска Солнца, что соответствует его угловому

Рис. 5.3. Спектр солнечного излучения в зависимости от толщины слоя воздуха атмосферы Земли

размеру. Другая часть соответствует так называемой диффузионной околосол­нечной радиации, которая из-за рассеивания направлена не только от солнечно­го диска. Эта радиация распространяется в намного большем секторе, чем пря­мая радиация. Наименьшая часть солнечного излучения соответствует диффу­зионной, изотропической радиации, которая рассеяна атмосферой до такой сте­пени, что имеет одинаковую интенсивность во всех направлениях. Крайний ва­риант этого случая соответствует ситуации, когда небо полностью закрыто об­лаками. Несколько ниже мы рассмотрим этот вопрос в увязке совместно с дан­ными метеорологических измерений.

Рис. 5.4. Изолинии интенсивности падающей солнечной радиации в ясный день как функция различных направлений положения Солнца в позиции 30 ° выше горизонта (пунктирные линии соответствуют околосолнечной радиации)

На рис. 5.4 представлена контурная карта радиационной интенсивности (в ясный день) с различных направлений излучения Солнца при его расположении иод углом 30° к горизонту. Рисунок показывает, что вследствие большой дис­персии направлений солнечного излучения радиационная интенсивность на стороне, противоположной Солнцу, является постоянной. Увеличенная радиа­ционная интенсивность с направлений, более близких к горизонту, связана с отражением от поверхности Земли. Это явление является функцией природы материала поверхности Земли и различается от места к месту.

Вместе с электромагнитным излучением Солнце также испускает микро­частицы, которые обычно электрически заряжены, например электроны, прото­ны или ядра легких элементов. Оно также испускает нейтроны, которые элек­трически нейтральны.

Частицы вещества перемещаются со скоростями ниже, чем скорость све­та. Этот поток частиц называют солнечным ветром. Действительно, мы можем иногда наблюдать протуберанцы, то есть выбросы плазменных потоков с сол­нечной поверхности. Рассматривая результаты наблюдений за солнечной по­верхностью в ускоренном темпе, мы можем видеть нерегулярности в выбросах плазмы, вызванные, с одной стороны электронными взаимодействиями заря­женных частиц и, с другой стороны взаимодействиями заряженных частиц с сильными магнитными полями на солнечной поверхности.

Солнечный ветер мог бы серьезно угрожать жизни на Земле, но к счастью поверхность Земли защищена ее магнитным полем. Поступающие заряженные частицы не могут пройти перпендикулярно через магнитное поле. Скорее всего, согласно силе Лоренца они совершают круговое движение вокруг линии силы, которая перпендикулярна и к направлению скорости частицы, и к магнитному нолю.

Т’-. 3

ЛИНИЯ ПОЛЯ В

Рис. 5.5. Солнечный ветер и плазмосфера Математически это выражается следующим образом F = Q(E + v* В),

где Q — заряд частицы; v — скорость частицы; Ё — напряженность электрическо­го поля; В — магнитная индукция.

При нулевой интенсивности электрического поля вектор Q (v х В) описы­вает силу, направление которой перпендикулярно и направлению скорости час­тицы, и магнитному полю. Траектория заряженных частиц поэтому — это спи­раль вокруг силовых линий магнитного поля. Только в областях, близких к магнитным полюсам, заряженные частицы могут проникать близко к поверхно­сти Земли. В этих областях более плотное магнитное поле формирует «магнит­ное зеркало», которое направляет частицы вдоль линий поля. В окрестностях магнитных полюсов заряженные частицы проникают близко к поверхности Земли, увеличиваясь в концентрации и формируя тонкую плазму.

Время от времени эта плазма создает атмосферные оптические эффекты, называемые «полярным сиянием». В периоды повышенной солнечной активно­сти, сопровождающиеся большими солнечными выбросами, в атмосфере Земли могут возникать магнитные штормы, вызывающие прерывания телекоммуни­кационных сигналов. Области, демонстрирующие увеличенные концентрации захваченных заряженных частиц, называют плазмосферой, или радиационными поясами, как это показано на рис. 5.5.

В направлении от Солнца солнечный ветер сжимает магнитное поле Земли, тогда как в противоположном направлении магнитное поле Земли расширяется.

К сожалению, часто при рассмотрении эффективности работы устройств на основе фотопреобразователей недостаточно внимания уделяется учету упомяну­той ранее рассеянной солнечной радиации. Однако это абсолютно ошибочный подход и оценка эффективности систем фотоэлектрического преобразования сол­нечного излучения без учета этого обстоятельства чревата серьезными ошибками.

D/Q %

/ luc 5.6. Изменение доли рассеянной интегральной радиации в суммарной (D/Q %)
в течение года при средних условиях облачности (1) и при безоблачном небе (2)

Рассмотрим для примера результаты исследования метеопараметров мос­ковского региона [112]. В монографии, посвященной оценке климатических ре­сурсов солнечной радиации Московского региона, приводится ряд результатов, представляющих значительный интерес с точки зрения рассматриваемой нами проблемы.

В ней, в частности, показано, что одним из основных параметров, опреде­ляющих особенности радиационного режима любого района земного шара, яв­ляются месячные суммы солнечной радиации EMQ„P. Они претерпевают значи — ісльньїе изменения в течение года и из года в год. XMQHp изменяются от 39 МДж/м2 в декабре до 609 МДж/м2 в июне. Их отличия от средних месячных сумм за 1991-2007 гг. в марте — октябре не превышают 2,5%. С ноября по фев­раль приход суммарной радиации в конце XX — начале XX века был на 5 — 10% меньше, чем в среднем за период 1958 — 2007 гг. Коэффициент вариации (V) месячных сумм суммарной интегральной радиации, отражающий изменчивость Омр от года к году, меньше V суточных сумм. Он изменяется от 10% в июне — августе до 22% в ноябре. Несмотря на то, что изменчивость месячных и суточ­ных значений в общем определяется одними и теми же циркуляционными фак — трами, полного совпадения между ними нет в силу разного масштаба процес­сов, определяющих эти виды изменчивости.

Особый интерес для нас представляет вывод авторов о том, что при сред­них условиях облачности, в отличие от безоблачного неба, главную роль в об­щем приходе солнечной радиации играет рассеянная радиация D, ip. Вклад годо­вой суммы D„p в годовую сумму Q„p составляет 56%, в то время как при безоб­лачном небе только 27%. В течение года доля месячных сумм Оир в EMQ„P изме­няется от 50 до 87%, достигая наибольшего значения в декабре (рис. 5.6). При безоблачном небе она изменяется от 23% в июне-июле до 43% в январе.

Статистические характеристики сезонных сумм суммарной интегральной радиации за рассматриваемый период представлены в таблице 5.2.

Таблица 5.2. Статистические характеристики сезонных сумм суммарной интегральной радиации при средних условиях облачности, МДж/м2 (МО МГУ, 1958 — 2007 гг.) Сезон Среднее Мини­ мальное Год Макси­ мальное Год <1 V% А Е Зима 230 155 1990 303 1969 33 14 0,13 -0,57 Весна 1260 1082 1974 1509 1963 90 7 0,42 -0,48 Лето 1676 1501 1976 1881 1972 101 6 0,21 -0,85 Осень 496 395 1997 640 1967 49 10 0,36 0,41

Примечание: а — среднее квадратическое отклонение; V% — коэффициент вариации: А — коэффициент асимметрии; Е — коэффициент эксцесса.

Несмотря на то, что почти вся масса во Вселенной существует в состоя­нии плазмы, в земных условиях с плазмой мы сталкиваемся чрезвычайно редко, например в таких случаях, как разряд молнии или разряд радиационного источ­ника. Однако вся масса звезд, включая наше Солнце (за исключением нейтрон­ных звезд) и большая часть межзвездной массы находятся в плазменном со­стоянии, в сравнении с которым вся остающаяся масса вселенной — «мусор». Все планеты, астероиды, луны, кометы и даже наша собственная Земля — части (того «мусора». Плазма — источник электромагнитных волн и, в особенности, видимого света. В высокотемпературной плазме электрически заряженные час­тицы перемещаются с огромными скоростями, взаимодействуя друг с другом и быстро изменяя скорости и направления движения. Спектр такой радиации не­прерывен. В низкотемпературной плазме присутствуют атомы с электронами, связанными в электронных оболочках. Их взаимодействия приводят к перехо­дам электронов между различными энергетическими уровнями в электронных оболочках. Энергия, высвобождаемая в результате таких переходов на более низкие уровни, также испускается в форме электромагнитных волн. Спектр этого излучения имеет линейчатую или полосчатую картину.

Свойства плазмы отличаются весьма существенно от свойств твердых тел, жидкостей и газов. Поэтому плазму принято считать четвертым состояни­ем вещества.

Что такое плазма? В принципе, плазма это вещество в высокоионизиро­ванном состоянии, соответствующем некоторым другим условиям (так как ве­щество всегда до некоторой степени ионизовано). Не только в газах, но также и в твердых телах множество свободных электронов (движущихся на фоне поло­жительно заряженных ионов, твердо зафиксированных в кристаллической ре­шетке), могут наблюдаться как плазма. По определению, плазма — квазинейт­ральный газ заряженных и нейтральных частиц, ведущих себя коллективно. Что это означает?

Нейтральные молекулы взаимодействуют только путем взаимных столк­новений таким образом, чтобы их поведение зависело только от поведения ближайших соседних молекул. Однако движение электрически заряженных частиц может создавать области с более высокой или более низкой концентра­цией положительного или отрицательного заряда и, следовательно, электриче­ских полей. Через электромагнитное взаимодействие эти области влияют на движение других заряженных частиц на больших расстояниях, поскольку

Кулоновские (электростатические) силы намного сильнее и продолжительнее, чем сила взаимодействия между атомами и молекулами.

Плотность электрически заряженных частиц в плазме должна быть доста­точно высокой, чтобы электромагнитные взаимодействия доминировали над столкновениями между нейтральными атомами и молекулами. Отсюда специ­фическое движение плазмы. Под коллективным поведением мы понимаем дви­жение, которое зависит не только от условий в непосредственной близости, но также и от плазменных условий на больших расстояниях. Таким образом, плаз­ма оказывает воздействие на себя. Это движение может ясно наблюдаться, на­пример, в солнечных извержениях (протуберанцах).

Плотность электрически заряженных частиц в плазме должна быть высо­кой еще и для того, чтобы электромагнитные взаимодействия доминировали над столкновениями между нейтральными атомами и молекулами. В этих условиях ионизированный газ способен экранировать внешние электрические поля, фор­мируя объемные заряды. Эти объемные заряды препятствуют тем изменениям, которые создали их, действуют против них и устанавливают новое равновесие. Экранирующий объемный заряд заряженных частиц с противоположным заря­дом образуется вокруг внешнего электрического заряда, который встроен в плазму и поддерживается там внешней силой, как это показано на рис. 4.1.

Ширина этого слоя увеличивается с температурой и уменьшается с увели­чением плотности частиц. Это и понятно. Кинетическая энергия заряженных час­тиц вызывает недостаточное экранирование, так что вне объемного заряда элект­рическое поле не равно нулю, но приближается к нулю, как показано на рис. 4.2.

По этой причине у частиц вблизи экранирующего слоя кинетической энер­гии достаточно для того, чтобы покинуть потенциальную яму, созданную элект­ростатическими силами. Более высокая температура заряженных частиц приво­дит к большей диффузности экранирующего слоя и к большей его ширине.

Рис. 4.2. Форма потенциала в экранирующем слое в плазме

С другой стороны, чем выше концентрация заряженных частиц, тем выше электростатические силы. Следовательно, объемный заряд имеет более резкую границу. Трудности с определением точной границы слоя экранирования при­водят к необходимости введения новой величины, названной длиной Дебая, ко­торая является мерой экранирующей способности плазмы. Математика дает экспоненциальную зависимость для электрического потенциала (р от расстоя­ния d, и длина Дебая XD определяется как расстояние, на котором электрический

Ф

потенциал (р() уменьшается до —, где е — известная математическая константа —

е

основа натуральных логарифмов.

Квазинейтральность означает, что с точки зрения макроскопической пер­спективы плотность электронов фактически равна плотности ионов даже в ма­лых объемах плазмы; это называют плазменной плотностью. Плазма, таким об­разом, внешне электрически нейтральна, но с микроскопической точки зрения электромагнитные взаимодействия свободных электронов и ионов придают плазме ее некоторые особенности. Например, возможность того, что у электро­нов и ионов имеют место различные температуры в одной и той же плазме; дрейф или смещение частиц в магнитном поле; нагрев плазмы многоступенча­тым адиабатным сжатием в магнитных зеркалах (или так называемый пинч — эффект); плазменные волны (например, плазменные колебания, свист, ударные волны и т. д.); нелинейные эффекты (такие как существование стенного слоя); плазменный край (а именно, граница между частотами переданных и отражен­ных фотонов, то есть, электромагнитные волны) и т. д. Более детальное описа­ние этих эффектов не является предметом рассмотрения этой главы. Те, кто ин-

тересуется этими вопросами, могут найти дополнительную информацию в спе­циальной литературе, например в [6].

Чтобы соответствовать определению плазмы, данной выше, должны быть также выполнены и другие условия. Объем плазмы по размеру должен быть намного большим (по крайней мере, на один порядок величины), чем длина Де­бая. Только тогда, когда все внешние потенциалы будут экранированы на рас­стояниях, меньших, чем размер плазмы, квазинейтральность будет сохраняться. Более того, дебаевское экранирование будет иметь статистический характер, если число заряженных частиц будет достаточно большим. Небольшое количе­ство электронно-ионных пар не могут рассматриваться как плазма.

Температура — результат движения частиц. Однако температура плазмы требует несколько другой интерпретации, чем обычно. В плазме высокая тем­пература не связана с высокой тепловой энергией. Например во флуоресцент­ной трубе дуговой разряд низкого давления «горит» в смеси паров Аг и Hg. Различные температуры существуют в одной и той же плазме, поскольку элек­троны и ионы имеют различные массы и по-разному ускоряются в электриче­ском поле. Поэтому они имеют различные средние энергии. Электронная тем­пература имеет порядок Т *104К. Но давление газа низко, концентрация час­тиц относительно мала и теплоемкость низка. Тепловая энергия передается стеклянной трубе путем воздействия частиц, испускаемых в окружающую сре­ду. Температура задается статистическим распределением энергии индивиду­альных частиц [58]. Согласно соотношению Е = кТ, где к — постоянная Больц­мана, а температура Т = 11 600 К соответствует энергии Е = 1 eV. Это явление наблюдается также и в атмосфере Земли. На высотах, больших, чем h = 10 000 м от поверхности Земли, атмосфера более сильно ионизована под воздействием космического излучения. Температура плазмы достигает величины выше, чем Т> 10 000 К, в то время как температура воздуха очень мала. Следует подчерк­нуть, что при такой низкой температуре плазмы кратность ионизации обычно очень низка. Большинство атомов находится в нейтральном состоянии и только некоторые ионизованы. Процент ионизованных атомов — малая величина.

На рис. 4.3 представлены типичные области некоторых типов плазмы в за­висимости от ее плотности и энергии электрона. Для некоторых областей также даны порядки величины дебаевских длин в метрах. Очевидно, что у плазмы есть действительно очень широкие пределы. Она может существовать при концентра­циях заряженных частиц от я«106м~3 в межзвездном пространстве до ««Юм в ядрах звезд. При взрывах сверхновой звезды плотность может быть еще более высокой. Точно так же энергии заряженных частиц могут составлять величины около Е « 10 2 eV в межзвездном пространстве, около £ « 10 2 eV в ионно-электронном газе в твердом теле и до Е * 104 еV в ядрах самых горячих звезд. Но с какой плазмой мы можем обычно сталкиваться на Земле?

Степень ионизации в плазме пламени в классических процессах горения или быстрого окисления очень мала. При обычном горении температура в пла­мени составляет величину приблизительно Г = 1000 К, а в специально сконст­руированных горелках она достигает максимума — Т = 4500 К.

10

m

ю

тлеющий разряд I. д] (низкое давление) I J I

ГуП освещение ‘ jl 0-1 —1 плазма в твердом лотовой разряд , г г, СОСТОЯНИИ (атм. давление) —————

10

пламя ^ ионосфера

10’1

полупроводники “

■ открытый космос

 

С точки зрения плазмы эти температуры очень малы, но этот вид плазмы представляет собой наиболее распространенный тип плазмы в земных условиях.

Существенно более высокие температуры могут быть достигнуты в плаз­ме электрического разряда. Молния, видимо, единственная форма более высо­котемпературной плазмы, с более высокими степенями ионизации, которая возникает спонтанно в природе. Вспышка молнии — это гигантский искровой разряд, в котором плазма с температурой Т = 3×104 К образуется в проводя­щем канале диаметром приблизительно г = 0,1 м на период порядка / = 10"6 с. Мгновенно нагретый газ расширяется, создавая акустические волны, то есть гром. Искусственно созданная в электрическом разряде плазма широко исполь­зуется в различных технологиях, описание которых находится вне области рас­смотрения настоящего издания.

Плазма электрического разряда принадлежит к категории низкотемпера­турной плазмы, хотя в ней достигаются температуры порядка Т « 104 К. Под высокотемпературной плазмой мы понимаем полностью ионизированную плазму, в которой не существует никаких нейтральных атомов. Это состояние формируется при температурах 7’>105К. В случае водородной плазмы даль­нейшее возбуждение может происходить только с увеличением температуры. В плазме более тяжелых элементов подаваемая энергия используется для мно­гократной ионизации, то есть образования большего числа электронов. В плаз-

ме тяжелых элементов ядра становятся полностью «очищенными» при темпе­ратурах около Т «10е К. При таких температурах у ядер атомов водорода (про­тонов) имеется достаточная кинетическая энергия, чтобы преодолеть отталки­вающие силы идентичных электрических зарядов, и приблизиться к каждому настолько близко (^ = 1(Г|5м), чтобы вызвать ядерные реакции. Такая плазма существует, например, в ядрах звезд и в недрах нашего Солнца в частности. Для «очистки» еще более тяжелых ядер необходимы еще более высокие темпе­ратуры, так как ядерные электрические заряды более высоки, и поэтому оттал­кивающие электростатические силы между ядрами больше. При температурах приблизительно Т = 10й К, достижимых в течение коротких периодов во время взрыва сверхновой звезды, ядра расщепляются полностью, образуя плазму, в которой могут существовать только свободные ядра водорода (протоны) и сво­бодные электроны.

Далее обратимся к физике ядерного энерговыделения. Ядра атомов со­стоят из протонов и нейтронов. Однако ядерная масса покоя ниже, чем сумма масс покоя свободных протонов и нейтронов, из которого ядро состоит. Этот дефект массы преобразуется в ядерную энергию связи, которая скрепляет ядро.

Это выражено известной формулой Е — Ате2 Эйнштейна. Рисунок 4.4 пояс­няет зависимость энергии связи от массового числа ядра. Очевидно, что энер­гия может быть получена или слиянием легких ядер в более тяжелые ядра, на­ходящиеся в состоянии стабильных ядер, или расщеплением более тяжелых ядер также в стабильные ядра. Слияние легких ядер называют термоядерной

реакцией, или ядерным синтезом и имеет место в ядрах звезд. Масса Солнца сформирована, главным образом, из водородных ядер и свободных электронов, небольшой доли ядер гелия и следов литиевых ядер, а также, возможно, более тяжелых элементов. В табл. 4.1 [13] приводятся примеры некоторых реакций, происходящих в ядре Солнца. Показано также количество энергии, выделяю­щееся в результате различных реакций.

Таблица 4.1. Примеры ядерных реакций в солнечном ядре

Процесс деления тяжелых ядер может проходить управляемым способом и ядерных реакторах расщепления либо как неуправляемая реакция ядерного взрыва. Высокотемпературная плазма может быть искусственно создана либо ядерным взрывом, либо в очень сложных устройствах [6], работающих обычно в импульсном режиме с длительностью импульса в интервале от микросекунды до миллисекунды.

К этим устройствам относятся так называемые закрытые торы (токамаки), магнитные ловушки. Магнитные ловушки — это устройства, работающие с пинч-эффектом, использующие лазерное нагревание, и т. д. Однако практиче­ская значимость таких устройств для производства энергии с помощью термо­ядерных реакций в настоящее время существенно ограничена, несмотря на ин­тенсивные усилия по их техническому усовершенствованию и использованию для выработки электроэнергии. Собственно ядерный взрыв всегда минимально полезен для мирных целей.

Высокотемпературная плазма с полностью «очищенными» ядрами обра­зуется тогда, когда все электроны удалены от атомных ядер в результате мно­жественной ионизации. Такая плазма не может испускать линейчатый спектр, поскольку электроны полностью свободны и не могут демонстрировать пере-

мещения между энергетическими уровнями в электронных оболочках атомов. Поэтому испускаются только фотоны с отличительным признаком шума, воз­никающего в результате столкновений электрически заряженных частиц, у ко­торых направление движения внезапно меняется, что сопровождается испуска­нием электромагнитной волны (фотон). Спектр испускания такой плазмы очень широк и непрерывен. Он распространяется через высокоэнергетичную ультра­фиолетовую область до рентгеновских лучей. Эта энергия фотона испускается, то есть она удаляется из плазмы. Без ее восполнения температура плазмы начи­нала бы уменьшаться, а электроны и ионы начали бы рекомбинировать, т. е. плазма просто исчезла бы. В звездах излучаемая наружу энергия восполняется энергией, выделяемой в результате термоядерных реакций, происходящих в их ядрах. В случае искусственной плазмы (в отсутствие ядерных реакций) для ее поддержания энергия должна, так или иначе, поставляться извне непрерывно, например в форме электроэнергии, высокочастотной энергии электрического поля или лазерного излучения