2.3.1. Диффузионный ток

Обусловленный инжекцией дырок из p-области в n-область и электро­нов из n-области в p-область диффузионный ток может быть найден с по­мощью известной формулы Шокли, характеризующей вольт-амперную ха­рактеристику идеального диода.

При вычислении вольт-амперной характеристики используются сле­дующие допущения [13]:

1) контактная разность потенциалов и приложенное напряжение урав­новешены двойным заряженным слоем с резкими границами, вне которых полупроводник считается нейтральным;

2) в обедненной области справедливы распределения Больцмана;

3) плотность инжектированных неосновных носителей мала по срав­нению с концентрацией основных носителей;

4) в обедненном слое отсутствуют токи генерации (через него проте­кают постоянные электронный и дырочный токи).

Согласно соотношению Больцмана в состоянии равновесия

где у, ф — потенциалы, соответствующие середине запрещенной зоны и уровню Ферми (у = — Ei /е; ф = — EF /е).

Поскольку в состоянии теплового равновесия справедливы выражения

(2.1) и (2.2), то произведение рп равно n2. При подаче на переход напряже­ния по обеим его сторонам происходит изменение концентрации неоснов­ных носителей и произведение рп уже не равно п2 . При наличии внешнего

источника напряжения определим

(2.3)

(2.3) где фП, фр — квазиуровни Ферми для электронов и дырок соответственно (рис. 2.4).

Тогда

Рис. 2.4. Зонная диаграмма р-п-перехода: а — прямое смещение;
б — обратное смещение

2

При прямом смещении (фр — фп) > 0 и pn > щ, а при обратном смеще­нии (фр — фп) < 0 и pn < пі.

Уравнения для плотности электронного и дырочного токов в полупро­воднике в общем виде имеют полевую и диффузионные (обусловленную градиентом концентрации) составляющие:

Зп = ерппЕ + eDnVn; (2.6)

Аналогично для дырочного тока

J p — —epppVфp.

Таким образом, плотности электронного и дырочного токов пропор­циональны градиентам квазиуровней Ферми для электронов и дырок соот­ветственно. В состоянии теплового равновесия фп = фр = const и Jn = Jp = 0.

Из выражения (2.5) можно получить концентрацию электронов на границе обедненного слоя в р-области перехода х = —р (см. рис. 2.4):

где pno — равновесная концентрация дырок в п-области.

Уравнения (2.7) и (2.8) являются граничными условиями для вычисле­ния вольт-амперной характеристики.

В стационарном состоянии уравнения непрерывности записываются в виде

где R — результирующая скорость рекомбинации.

Поскольку в первом приближении соблюдается зарядовая нейтраль­ность, то пп — nno ~ pn — рпо. Умножая уравнение (2.9) на Mppn и уравнение

(2.10) на Мппп и учитывая соотношение Эйнштейна D = (kT/q)p, получим

В случае малого уровня инжекции (т. е. при рп << пп « пп§ в полупро­воднике n-типа) уравнение (2.11) упрощается:

где Lp — ^Dpт p.

В результате при х = хп плотность дырочного тока

(2.14)

Общий ток через переход равен сумме токов Jp и Jn (см. (2.14) и (2.15)). Принимая во внимание, что разность электростатических потенциалов на p-n-переходе определяется величиной V = фp — фп, получаем для общего диффузионного тока

где ток насыщения

eDppn0 eDnnp 0 J 01 = +

n

( e ^

_ ZS

кТ J

Большинство фотовольтаических систем представляют собой плоские солнечные преобразователи, в которых солнечная энергия собирается непо­средственно модулями. Такие системы являются, как правило, статичными с фиксированной ориентацией, но может использоваться и система слежения за солнцем.

В целом фотовольтаические системы состоят из модулей, т. е. соеди­нения отдельных солнечных элементов, генерирующих электричество, так называемого баланса системы (balance-of-system — BOS), т. е. части фото­вольтаической системы за исключением солнечных элементов, включаю­щей кабельное соединение, опорные конструкции, аккумуляторы, контро­лер заряда, электронную часть, преобразователь постоянного в перемен­ный ток и др. Некоторые из компонент баланса системы не являются обяза­тельными для фотовольтаических систем. Например, в состав большинства автономных фотовольтаических систем входят аккумуляторы, которые за­ряжаются в дневное время суток, в то время как солнечные элементы рабо­тают и снабжают потребителей электроэнергией в темное время суток. При этом аккумуляторы могут отсутствовать в системах, подключенных к цен­тральной энергетической сети, которая в данном случае является «вирту­альным аккумулятором».

В состав фотовольтаических систем с концентрацией излучения входят системы точного слежения за Солнцем. Причем точность слежения должна повышаться с увеличением концентрации излучения. В этом случае требу­ется создание специальных опорно-поворотных устройств, оснащенных датчиками положения Солнца и электроприводами. В таких фотовольтаиче­ских системах требуется принудительное охлаждение, для чего при невысо­ких концентрациях излучений используются медные радиаторы. В случае

высоких концентраций требуется уже водяное охлаждение.

11

1.1. Классификация фотоэлектрических преобразователей энергии

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

10

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

Характерной особенностью технической деятельности человечества во второй половине ХХ и в начале XXI веков является быстрый рост энергопо­требления. По оценкам [1], [2] потребности человечества в энергии по срав­нению с существующим уровнем потребления (~ 13 ТВт) к середине XXI в. более чем удвоятся (~ 30 ТВт), а к концу XXI в. — более чем утроятся (~ 46 ТВт). Это связано, во-первых, с ростом мировой экономики в целом (до 4 раз к 2050 г.), и резким экономическим ростом развивающихся стран, та­ких как Китай и Индия, население которых составляет 2/3 от численности на­селения планеты [3]. Во-вторых, связано с заметным ростом населения пла­неты. К 2050 г. численность населения Земли достигнет 10-11 млрд. человек.

Увеличение производства энергии до сих пор происходило в основном за счет использования ископаемых источников энергии — нефти, природного га­за, угля, ядерного топлива. Однако удовлетворить дальнейший рост энергопо­требления только за счет использования ископаемых источников невозможно.

В то же время происходит исчерпаемость традиционных источников энергии. Геофизик Кинг Хуберт одним из первых построил модель истоще­ния мировых запасов нефти и на ее основе предсказал пик добычи нефти в США (примерно на 1970 г.). Предсказал он и пик мировой добычи нефти (примерно на 1995 г.), однако этот прогноз не сбылся. Тем не менее, боль­шинство экспертов уверены, что это лишь вопрос времени, и увеличение глобальных потребностей в энергии исчерпает традиционные энергетиче­ские ресурсы к середине этого столетия. Технический прогресс, освоение новых труднодоступных месторождений (глубоководных и полярных ме­сторождений, битумных песков) только отодвигают исчерпание ресурсов. При этом надо понимать, что даже если запасы традиционных энергетиче­ских ресурсов не будут полностью истощены, будет наблюдаться их ост­рый дефицит и резкий рост цен.

Проблему нельзя решить также и за счет атомной энергетики, так как запасы урана ограничены.

Следующая проблема связана с экологическим и тепловым загрязнени­ем Земли, что может привести к необратимому изменению климата [4], [5].

Происходит загрязнение атмосферы в результате сжигания топлива, океана и суши нефтью, радиоактивными элементами в результате аварий, имеющих катастрофические глобальные последствия. Последний пример — авария на нефтедобывающей платформе в Мексиканском заливе в 2010 г. Уголь, залежи которого довольно велики, как энергоноситель не удовле­творяет современным экологическим требованиям. Активно разрабатыва­ются «чистые» способы его использования, однако это ведет к удорожанию стоимости получаемой энергии. Также существует серьезная проблема утилизации радиоактивных отходов.

Тепловое загрязнение Земли происходит при сжигании любого вида топ­лива: увеличивается концентрация CO2 в атмосфере, что способствует возник­новению «парникового эффекта». При увеличении роста производства энергии за счет сжигания топлива, включая ядерную энергетику, безопасный предел повышения температуры на Земле может быть достигнут уже в XXI веке.

Наконец, существует серьезная проблема — это энергобезопасность, ко­торая побуждает к диверсифицированию используемых источников энергии.

Необходимость борьбы с этими проблемами потребует от многих стран и, прежде всего, от индустриально развитых, значительных затрат и радикально­го снижения уровня использования углеводородного сырья. В результате, по оценкам эти причины не позволят удовлетворять растущие потребности миро­вой энергетики за счет ископаемых источников энергии уже через 10-15 лет.

Таким образом, в начале XXI века мировая энергетика столкнулась с необходимостью резкого изменения структуры источников потребляемой энергии.

По образному определению главного экономиста Международного энер­гетического агентства (МЭА) Фатиха Бироля при сохранении нынешних тем­пов роста энергопотребления к 2030 г. нужно будет либо найти «шесть новых Саудовских Аравий», либо сделать ставку на другие источники энергии.

Большинство аналитических исследований академических ученых и уче­ных компаний ТЭК предполагает значительное (до 30 %) увеличение доли не­традиционных возобновляемых источников в течение следующих 20-30 лет.

Возобновляемые источники энергии — это источники на основе посто­янно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии.

По классификации ООН (1978 г.), к нетрадиционным и возобновляе­мым источникам энергии относятся следующие:

1) торф;

2) энергия биомассы, которую получают из различных отходов: сельско­хозяйственных, лесного комплекса, коммунально-бытовых и промышленных;

3) энергетические плантации. К ним относятся сельскохозяйственные культуры, древесно-кустарниковая и травянистая растительность;

4) энергия ветра;

5) энергия солнца;

6) энергия водных потоков на суше, используемая на мини — и микро — ГЭС — гидроэлектростанциях мощностью менее 1 МВт;

7) средне и высокопотенциальная геотермальная энергия (гидротер­мальные и парогидротермальные источники);

8) энергия морей и океанов — приливы и отливы, течения, волны, тем­пературный градиент, градиент солености;

9) низкопотенциальная тепловая энергия земли, воздуха и воды, про­мышленных и бытовых стоков.

Развитые страны на протяжении многих лет ежегодно вкладывают в раз­витие альтернативных источников энергии миллиарды долларов. Существуют государственные программы поддержки развития возобновляемых источни­ков энергии. Однако в настоящее время возобновляемые (альтернативные) источники энергии пока не могут конкурировать с традиционными. Суммар­ная их доля в общем объеме потребляемой энергии составляет 8-10 % про­центов, но к 2020 году она существенно возрастет, как показано на рисунке.

Структура мирового энергопотребления в 2020 г.

Основная причина неконкурентоспособности — экономическая — до­роговизна вырабатываемой энергии [1].

Кроме того, все возобновляемые источники энергии имеют ограниче­ния, связанные, например, с расположением объекта, наличием определен­ных климатических условий, характеризуются либо ограниченным потен­циалом, либо значительными трудностями широкого использования [6].

Одним из самых привлекательных и перспективных возобновляемых источников энергии всегда считалась фотовольтаика, т. е. прямое преобра­зование солнечной энергии в электрическую. Солнце может обеспечить растущие потребности в энергии в течение многих сотен лет. Общее коли­чество солнечной энергии, поступающей на Землю в течение часа, превы­шает количество потребляемой человечеством энергии в течение года.

За последние 20-30 лет темпы роста солнечной энергетики составляли в среднем примерно 25 %. Согласно прогнозам в XXI веке развитие солнечной энергетики будет оставаться основным среди всех альтернативных источников. По оценкам к 2050 г. солнечная энергия может обеспечить 20-25 % мирового производства энергии, а к концу XXI века солнечная энергетика должна стать доминирующим источником энергии с долей, достигающей 60 % [7]-[10].

Несмотря на значительные темпы роста и впечатляющие оценки пер­спектив солнечной энергетики, объем вырабатываемой в настоящее время фотовольтаикой электроэнергии мал по сравнению с другими возобновляе­мыми источниками энергии. Основным барьером, препятствующим тттиро — кому внедрению солнечных элементов, является высокая стоимость выраба­тываемой ими электроэнергии [11]. На сегодня это самый дорогой вид элек­троэнергии, практически полностью дотируемый государствами.

Цена на электроэнергию, вырабатываемую фотовольтаикой, составляет от 20 до 65 евроцентов/кВт-ч. Цена на электроэнергию, вырабатываемую тради­ционными источниками энергии, составляет в настоящее время от 2 до 3,5 евро — цента/кВт-ч и по прогнозам к 2020 г. возрастет до 5-6 евроцентов/кВт-ч.

Таким образом, для того, чтобы фотовольтаика могла конкурировать с ископаемыми источниками энергии, цена на вырабатываемую ею электро­энергию должна быть снижена примерно в 5-10 раз. Для этого необходимо разработать эффективные, дешевые технологии и конструкции фотоэлек­трических преобразователей (ФЭП). Перспективным направлением сниже­ния стоимости вырабатываемой фотовольтаикой электроэнергии является разработка технологии тонкопленочных солнечных элементов (СЭ) на осно­ве аморфного гидрогенизированного и микрокристаллического кремния [7].

Цена производимой электроэнергии определяется, прежде всего, стоимостью материала, из которого изготовлен СЭ, и затратами технологи­ческого процесса производства СЭ. Основным материалом для изготовле­ния солнечных элементов в настоящее время является кристаллический кремний, так как он является основным материалом всей твердотельной

электроники, и его производство отлажено.

7

Основным недостатком СЭ на основе кристаллического кремния явля­ется их высокая стоимость, так как 50 % от общей стоимости данных эле­ментов составляет стоимость Si-подложки. При изготовлении СЭ данного вида используется высококачественное сырье, производство которого в на­стоящее время является очень энергозатратным. Велики общие потери кремния в результате его обработки и резки. В связи с тем, что монокри­сталлический и поликристаллический кремний непрямозонные полупро­водники и их коэффициент поглощения невысок, для эффективного погло­щения солнечного света толщина изготавливаемых из них ФЭПов должна составлять сотни микрон. Это приводит к значительным расходам кремния и высокой стоимости солнечных элементов.

Таким образом, перспективным представляется создание тонкопленоч­ных солнечных элементов на основе аморфного гидрогенизированного и микрокристаллического кремния вместо дорогостоящего кристаллического кремния. Тонкопленочная технология имеет большие потенциальные воз­можности для снижения стоимости солнечных модулей. Темпы снижения стоимости производства тонкопленочных солнечных модулей значительно выше, чем модулей на основе кристаллического кремния.

Кроме того, тонкопленочная технология имеет ряд специфических применений, невозможных или затрудненных при использовании кристал­лических полупроводников (гибкие модули, полупрозрачные модули и т. д.). Одним из достоинств тонкопленочной технологии является получение слоев аморфного гидрогенизированного и микрокристаллического кремния при низкой температуре. Это дает возможность создавать полупроводниковые структуры на гибких подложках. СЭ на гибкой основе имеют малый вес, монтируются на любой поверхности и могут использоваться для изготовле­ния сумок, чехлов, встраиваться в одежду и т. д. Полупрозрачные модули различного цвета находят применение, например, для украшения зданий. Наконец, существенным достоинством тонкопленочной технологии является возможность создания приборных структур на очень больших площадях.

По прогнозам, производство тонкопленочных фотоэлектрических пре­образователей уже после 2010 г. значительно возрастет.

В начале XXI века человечество столкнулось с необходимостью реше­ния долгосрочных энергетических проблем, связанных с близкой перспек­тивой исчерпания традиционных источников энергии и ухудшением эколо­гического состояния Земли. В промышленно развитых странах уделяется большое внимание разработке систем на основе возобновляемых источни­ков энергии, в том числе энергии Солнца.

Солнце обеспечивает Землю огромным количеством энергии, которое многократно превышает потребности человечества. Использование этого источника затруднено, потому что солнечное излучение на Земле — это сильно рассеянный небольшой поток энергии. Для массового применения солнечного излучения необходимо обеспечить очень эффективное его ис­пользование и значительно улучшить экономические характеристики сол­нечных элементов. Перспективным подходом в направлении решения про­блемы изготовления дешевых преобразователей солнечной энергии являет­ся разработка технологии тонкопленочных солнечных элементов на основе аморфного гидрогенизированного и микрокристаллического кремния.

В России в последнее время уделяется большое внимание развитию сол­нечной энергетики. Свидетельством этому является крупнейший проект строительства завода по производству тонкопленочных солнечных модулей в г. Новочебоксарске. Объем финансирования его составляет более 20,1 млрд. рублей. Пуск завода в эксплуатацию запланирован на декабрь 2011 г. Про­ект должен стать качественным прорывом в российской солнечной энерге­тике. При этом предполагается развитие в России современного производства солнечных модулей с применением тонкопленочных технологий, разработан­ных швейцарской компанией «Oerlikon Solar». В настоящее время для кадро­вого обеспечения проекта разрабатывается совместная с РОСНАНО про­грамма обучения на базе СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), ФТИ им. Иоффе и «Oerlikon Solar».

Изложенный в монографии материал позволит специалистам сформи­ровать научно обоснованный подход к совершенствованию технологии ма­териалов и конструированию новых эффективных фотоэлектрических пре­образователей энергии.