Подобно CulnSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как позрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe - высокое сопротивление слоя р-СоТе, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CoTe/ZnTe (рис. 9).
Наиболее ответственный этап формирования СЭ на основе CdS/CdTe - осаждение поглощающего слоя CdTe толщиной 1,5-6 мкм. Для этого используют различные способы: сублимацию/конденсацию, электрохимическое осаждение, трафаретную печать, химическое осаждение из газовой фазы и распыление. Пленки СdТе, полученные данными методами, обладают высокой подвижностью носителей заряда, а СЭ на их основе - высокими значениями КПД, от 10 до 16%.
CuGaSe2 также весьма интересен как тонкопленочный элемент солнечных батарей. Благодаря запрещенной зоне шириной 1,68 эВ он используется как верхний элемент тандемной солнечной батареи с нижним элементом из CulnSe2. Слои CuGaSe2 формируют путем последовательного осаждения термическим испарением тонких слоев Ga, Se и Си на поверхность стеклянной подложки, покрытой слоем молибдена толщиной 1 мкм . Далее из полученной структуры в установке быстрого термического отжига в течение пяти минут при температуре 550°С получают соединение CuGaSe2.
Одним из перспективных материалов для дешевых солнечных батарей благодаря приемлемой ширине запрещенной зоны (1,4-1,5 эВ) и большому коэффициенту поглощения 104 см-1 является Cu2ZnSnS4. Его главное достоинство в том, что входящие в него компоненты широко распространены в природе и нетоксичны. Однако пока достигнута эффективность преобразования всего в 2,3% при использовании гетероперехода Cu2ZnSnS4 и CdS/ZnO.
Среди СЭ особое место занимают батареи, использующие органические материалы, В частности, КПД СЭ на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок --11%. Немаловажно, что подложками в таких элементах могут выступать полимерные пленки.
Основа СЭ данного типа - широкозонный полупроводник, обычно ТiO2, покрытый монослоем органического красителя, как правило - цис-(NСS)2бис(4,4''ДИкарбокси-2,2'бипиридин)-рутением (II) (рис.12). Фотоэлектрод такого устройства представляет собой на-нопористую пленку ТiO2 толщиной 1 мкм, осажденную на ТСО на стекле. Отражающим электродом служит тонкий слой Pt, осажденный на ТСО на стекле. Пространство между двумя электродами заполняют электролитом, обычно содержащим иодид/трииодид
(I-/Iз). рис. 10
Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости ТiO2. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.
Для солнечной батареи на эффекте Шотки используют фталоцианин - органический полупроводник р-типа. В нем наиболее привлекают высокая фотопроводимость в видимой области спектра и термическая стабильность . Основной недостаток - низкое время жизни носителей вследствие большого числа ловушек. Для повышения времени жизни фталоцианин легируют фуллеренами или 2-, 4-, 7-тринитрофлуореноном, создающими акцепторные уровни.
Фуллерены (С60) также весьма перспективны для органических солнечных батарей на основе гетероструктур C60/p-Si в связи с их способностью к сильному поглощению в коротковолновой области солнечного спектра. Поликристаллический фуллерен С60 толщиной ~1 мкм осаждают на кремниевую подложку в глубоком вакууме. Далее на слой С60 наносят алюминиевые контакты. В качестве заднего контакта используется сплав Gaxlny на позолоченной подложке.
Термофотовольтаическое производство электроэнергии, т.е. преобразование длинноволнового (теплового) излучения посредством фотовольтаических ячеек было открыто в 1960 году и вызывает все больший интерес, особенно в связи с современными достижениями в области создания узкозонных полупроводников. В термофотовольтаической ячейке тепло преобразуется в электроэнергию посредством селективных эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов -эрбия и иттербия. Эти вещества поглощают инфракрасное излучение и вновь излучают его в узком энергетическом диапазоне. Излучение может быть эффективно преобразовано с помощью фотовольтаической ячейки с соответствующей шириной запрещенной зоны. В качестве материала для фотоэлектрической ячейки более всего подходит lnxGa1-xAs,поскольку он позволяет добиться необходимой ширины запрещенной зоны.
В типичном многопереходном солнечном элементе одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что 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.
Основное направление исследований в области каскадных элементов связано с использованием арсенида галлия в качестве одного или нескольких компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35 %. Кроме того, в каскадных элементах широко применяются аморфный кремний, сплавы на его основе (a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), а также CulnSe2.
Каскадная батарея, в которой верхним элементом служит структура на основе GalnP с n-AllnP в качестве окна, далее следует туннельный диод на GaAs для прохождения носителей между элементами и нижний элемент из GaAs.
Весьма перспективны каскадные батареи, состоящие из трех элементов с различной шириной запрещенной зоны (рис.13). Верхний слой, поглощающий коротковолновую область солнечного спектра, сформирован из сплава на основе a-Si:H с шириной оптической щели 1,8 эВ. Для серединного элемента в качестве слоя i-типа использован сплав a-SiGe:H с содержанием германия 10-15%. Ширина оптической щели данного слоя (1,6 эВ) идеальна для поглощения зеленой области солнечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть спектра, для этого используется i-слой a-SiGe:H с концентрацией германия 40-50%. Непоглощенный свет отражается от заднего контакта на основе Ag/ZnO. Все три элемента каскадной солнечной батареи связаны между собой сильнолегированными слоями, образующими туннельные переходы между соседними элементами.
5.1. Оценка солнечного теплоснабжения в России.
Одной из наиболее технически подготовленных к внедрению технологий использования солнечной энергии является технология производства низкопотенциального тепла для отопления и горячего водоснабжения. Системы солнечного теплоснабжения (CCT) получили достаточно широкое распространение во многих странах мира с благоприятными климатическими условиями (США, Австралия, Израиль и др.). Их суммарная мощность в мире в 1997 г. достигла 3 000 МВт [13].
B России масштабы внедрения CCT относительно невелики, несмотря на то что к настоящему времени разработаны и подготовлены к серийному производству солнечные коллекторы, не уступающие по своим технико-экономическим показателям лучшим зарубежным аналогам [14]. Это объясняется целым рядом причин и в первую очередь отсутствием финансовых средств у потенциальных потребителей. Кроме этого, во многих случаях важной причиной является недостаточная экономическая эффективность CCT и их неконкурентоспособность с традиционными системами теплоснабжения [13]. B России эта проблема стоит особенно остро в связи с более суровыми (по сравнению со странами, внедряющими CCT) климатическими условиями и относительной дешевизной органического топлива.
B ряде работ [13,15,16] приведены расчетные показатели CCT (удельная выработка энергии, коэффициент замещения нагрузки) для климатических условий России, однако вопросам экономической конкурентоспособности уделено недостаточное внимание. Цель настоящей работы — оценка экономической и экологической эффективности CCT в условиях конкуренпии с традиционными энергоисточниками в широком интервале изменения наиболее важных параметров: климатических условий и цен на органическое топливо. Поскольку эффективность CCT часто весьма существенно зависит от местной специфики, сделана попытка установить лишь наиболее общие закономерности и выявить условия, при которых CCT, хотя бы в принципе, могут найти применение в настоящее время и в перспективе. Поэтому рассмотрены лучшие солнечные коллекторы (максимальная тепловая эффективность и минимальная цена), варианты тепловой схемы с минимальными потерями, а также перспективные (на период до 2010 г.) цены на органическое топливо.
Основной энергетической характеристикой солнечного коллектора является его КПД, равный отношению вырабатываемой (полезной) энергии к приходящей на его поверхность энергии солнечного излучения [17]
где FR — коэффициент отвода тепла из коллектора; - поглощательная способность пластины коллектора; - пропускная способность прозрачных покрытий; UL - полный коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/(м2•0C); T1 , - температура жидкости на входе в коллектор, 0C; Ta - температура окружающей среды, 0C; I - плотность потока суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора, Вт/м2 .показывает, что удельная теплопроизводительность q для лучшего коллектора находится в интервале 650...900 кВт•ч/м2 в год (Санкт-Петербург - Сочи; Якутск - юг Забайкалья) и зависит в основном от годового прихода солнечной радиации в данной местности на горизонтальную поверхность Q и в меньшей степени — от распределения интенсивности радиации и температуры воздуха по месяцам, которые обусловливают лишь небольшой разброс точек относительно аппроксимирующих зависимостей q(Q). B дальнейших расчетах применялась зависимость для лучшего коллектора (тип 2). Следует отметить, что полученные значения q примерно на 20 % превышают теплопроизводительность [15], определенную с учетом потерь CCT из-за неполного использования тепла.
Основной экономической характеристикой CCT, как и любого энергоисточника, является стоимость вырабатываемой энергии (отношение суммарных дисконтированных затрат к суммарному дисконтированному отпуску энергии) [18]
,
где k — удельные капиталовложения, дол/м2; - коэффициент дисконтирования; - отношение годовых эксплуатационных затрат к капиталовложению; TL - срок службы.
Стоимость энергии представляет собой минимальную цену энергии CCT, при которой проект окупается к концу срока службы TL, который составляет 10—15 лет. Такой срок окупаемости достаточно велик, особенно для частного инвестора.
