Презентация на тему "Сольнечная батарея"

• 1 слайд

  Солнечные батареи
  

• 2 слайд

  Солнечная батарея
  Солнечная батарея - один из генераторов так называемых альтернативных видов энергии, превращающих солнечное электромагнитное излучение в электричество. Является объектом исследования гелиоэнергетики (гелио… (греч. Ήλιος, Helios — солнце). Производство солнечных батарей развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях.
  

• 3 слайд

  Использование
  Солнечные батареи используются очень широко в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крыши жилых зданий для нагрева воды, получения электричества. В перспективе они, вероятно, будут применятся для подзарядки автомобилей.
  На один квадратный метр приходится около 1000 ватт солнечной энергии. С помощью наиболее распространённых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с КПД 9-14%. При этом цена батареи составит около 3 долл. за Ватт.
  Сообщается, что в отдельных лабораториях получены солнечные элементы с КПД 44%. В 2007 году появилась информация, о изобретении российскими учёными (г. Дубна) элементов с КПД 54%.
  
  

• 4 слайд

  Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи
  
  Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка 300—350 Кельвинов и Тсолнца ~ 6000 К их предельный теоретический КПД >90 %. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 40 %, а его увеличение до 50 % представляется вполне реальным.
  

• 5 слайд

  Физический принцип работы солнечных батарей
  Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.
  Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны - энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.
  Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.
  
  

• 6 слайд

  Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:
  •отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
  •прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
  •рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
  •рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в объёме ФЭП,
  •внутренним сопротивлением преобразователя.
  

• 7 слайд

  Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:
  использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
  направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
  переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
  оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
  применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
  разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
  создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;
  
  

• 8 слайд

  Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.
  

• 9 слайд

  В системах преобразования энергии СЭС (солнечных электростанций) в принципе могут быть использованы любые созданные и разрабатываемые в настоящее время типы ФЭП различной структуры на базе разнообразных полупроводниковых материалов, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:
  высокая надёжность при длительном (десятки лет!) ресурсе работы;
  доступность исходных материалов в достаточном для изготовления элементов системы преобразования количестве и возможность организации их массового производства;
  приемлемые с точки зрения сроков окупаемости энергозатраты на создание системы преобразования;
  минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
  удобство техобслуживания.
  
  

• 10 слайд

  В качестве наиболее вероятных материалов для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СЭС в настоящее время рассматривается кремний и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.
  Гетероструктурные СЭ на основе GaAs имеют более высокий КПД , чем кремниевые (монокристаллические и особенно - аморфного кремния). КПД арсенид-галлиевых солнечных батарей доходит до 35-40%. Их максимальная рабочая температура - до +150 оС, в отличии от + 70С - у кремниевых батарей.
  Их теоретический КПД выше, так как ширина запрещённой зоны у них практически совпадает с оптимальной шириной запрещённой зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии 1,4 эВ. У кремниевых этот показатель 1,1 эВ.
  

• 11 слайд

  Энергетическая диаграмма n-p-гетероперехода
  Гетеропереходы представляют собой переходы, образующиеся при контакте двух различных полупроводников.
  Фотоны с энергией, меньшей Eg1, но большей Eg2, будут проходить через слой первого полупроводника, который играет роль оптического окна, и поглощается во втором полупроводнике. Носители, генерируемые излучением внутри обедненного слоя и в электронейтральном объеме полупроводника в пределах диффузионной длины от перехода, будут коллектироваться переходом подобно тому, как это имеет место в солнечных элементах с n - p-гомопереходами. Фотоны с энергией, большей Eg1, поглощаются в первом полупроводнике, и переход будет коллектировать носители, генерируемые этим излучением на расстоянии от перехода, не превышающем диффузионную длину, либо непосредственно в области пространственного заряда.
  

• 12 слайд

  Преимущества солнечных элементов с гетеропереходами перед обычными солнечными элементами с p - n-переходами состоят в следующем:
  1) в увеличении спектрального отклика в коротковолновом диапазоне при условии, что энергия Eg1 достаточно велика и фотоны с высокой энергией поглощаются в обедненном слое второго полупроводника;
  2) в понижении последовательного сопротивления при условии, что первый полупроводник можно сильно легировать, не ухудшая при этом условия прохождения света через него;
  3) в высокой радиационной стойкости, если первый слой полупроводника достаточно толстый и полупроводник имеет широкую запрещенную зону.
  

• 13 слайд

  Солнечные элементы на барьерах Шоттки.
  На рис. 26 представлена диаграмма энергетических зон освещённого солнечного элемента с барьером Шоттки. При этом слой металла должен быть достаточно тонким, чтобы основная доля света достигла полупроводника. Можно выделить три компоненты фототока. Одна из них обусловлена поглощением в металле фотонов с энергией hn ® qj В (qj В - высота барьера), что вызывает возбуждение дырок через барьер в полупроводник (эта компонента на рис. 26 обозначена цифрой 1). Попадающий в полупроводник коротковолновый свет поглощается главным образом в обеднённом слое (соответствующий фототок на рис. 26 обозначен цифрой 2). Длинноволновый свет, поглощается в нейтральном объёме полупроводника, создаёт электронно-дырочные пары; затем электроны, так же как и в случае обычного р-n - перехода, диффундируют к краю обеднённого слоя, где происходит их коллектирование (этот фототок на рис. 26 обозначен цифрой 3). В условиях, типичных для работы солнечных элементов, возбуждение светом носителей из металла в полупроводник составляет менее 1% полного фототока, и поэтому этим процессом можно пренебречь.
  

• 14 слайд

  Преимущества солнечных элементов с барьерами Шоттки
  1) изготовление таких элементов при низких температурах, поскольку отпадает необходимость в проведении высоковольтной операции - диффузии;
  2) применение данной технологии при создании поликристаллических и тонкоплёночных солнечных элементов;
  3) высокая радиационная стойкость элементов, поскольку вблизи их поверхности существует сильное электрическое поле;
  4) большой выходной ток и хороший спектральный отклик, что также обусловлено непосредственным примыканием обеднённого слоя к поверхности полупроводника, вследствие чего ослабляется негативное влияние малых времен жизни и высокой скорости поверхностной рекомбинации.
  

• 15 слайд

  Две основные компоненты спектрального отклика и фототока связаны с генерацией носителей в обедненном слое и в электронейтральной базовой области.
  Сильное поле в обеднённом слое выносит из него генерируемые светом носители еще до того, как они успевают рекомбинировать, вследствие чего фототок оказывается равным
  
  Выражение для фототока базовой области:
  
  Полный фототок равен сумме этих выражений. Для увеличения фототока следует повышать коэффициент пропускания и диффузионную длину. Однако его величина при любой заданной энергии фототока оказывается несколько меньше за счет отражения и поглощения света металлической пленкой. Коэффициент пропускания света золотыми пленками (толщиной 10-100 ангстрем) с просветляющим покрытием может достигать 90-95 %.
  

• 16 слайд

  Нанокристаллические солнечные батареи
  Нанокристаллические солнечные батареи - солнечные батареи, основанные на кремниевой подложке, с покрытием из нанокристаллов.
  Пока предыдущие методы создания квантовых ячеек полагаются на дорогостоящие эпитаксиальные процессы, производство с использованием коллоидного синтеза позволило повысить ценовую эффективность. Тонкие плёнки нанокристаллов получаются в процессе, известном как «спин-покрытие». Он включает размещение квантовых ячеек в виде раствора на плоском субстрате, который затем вращается с большой скоростью. Раствор распределяется равномерно, а субстрат вращается до тех пор, пока не будет достигнута требуемая толщина слоя.
  Фотоэлектрические ячейки, основанные на цветосенсибилизированных коллоидных плёнках TiO2 были открыты в 1991году и оказались многообещающими по своей эффективности в преобразовании световой энергии в электрическую. В связи с низкой стоимостью материалов они невероятно обнадёживают в поиске коммерчески жизнеспособных возобновляемых источников энергии.
  Несмотря на то, что исследования до сих пор находятся в зачаточном состоянии, в будущем квантовые ячейки, основанные на фотоэлектричестве, могут обладать преимуществами, такими, как механическая подвижность (квантовые ячейки на основе полимерных композитов), низкая стоимость, при производстве «чистой» энергии.
  
  

• 17 слайд

  Полимерные солнечные батареи
  Полимерные солнечные батареи - разновидность солнечных батарей; которые производят электричество из солнечного света. Относительно новая технология, активно исследуемая в университетах, национальных лаборатироиях и нескольких компаниях по всему миру. Демонстрируются устройства-прототипы с эффективностью конверсии энергии 5%.
  В сравнении с устройствами, основанными на кремниевой технологии, полимерные солнечные батареи легки, (что важно для автономных датчиков малых размеров), доступны, недороги в производстве, гибки, оказывают незначительное влияние на окружающую среду, однако энергетический выход едва достигает 1/4 обычных кремниевых солнечных батарей. Полимерные солнечные батареи также страдают значительным эффектом деградации: их эффективность снижается под воздействием окружающей среды. Хорошие защитные покрытия до сих пор не разработаны.
  Открытым вопросом остаётся степень коммерческой конкуренции с кремниевыми солнечными батареями. Несмотря на то, что полимерные ячейки относительно дёшевы в производстве, индустрия кремниевых солнечных батарей имеет важное промышленное преимущество, будучи способной использовать кремниевую инфраструктуру, развитую для компьютерной индустрии. Однако, производители солнечных батерей находятся в невыгодном проложении, поскольку вынуждены конкурировать с (более крупной) компьютерной индустрией в снабжении высококачественным кремнием.
  Эффективность остаётся проблемой для этого типа технологии. Традиционные кремниевые батареи достигают эффективности 15%. Наивысшая эффективность достигнута для солнечных батарей, используемых для питания космических спутников. Такие батареи демонстрируют эффективность до 40% однако, соответственно, на два порядка выше по магнитуде кремниевых батарей.
  

• 18 слайд

  Цветосенсибилизированные солнечные батареи
  Цветосенсибилизированные солнечные батареи - фотоэлектрохимические ячейки, в которых используются фотосенсибилизированные мезопористые оксидные полупроводники с широкой запрещённой зоной. Эти ячейки открыты в 1991 году М.Гретцелем (Michael Graetzel) и др., по имени которого и получили название ячеек Гретцеля.
  Солнечные батареи этого типа многообещающи, поскольку изготавливаются из дешёвых материалов и не требуют сложной аппаратуры при производстве. Ячейки имеют простую структуру, состоят из двух электродов и йодсодержащего электролита. Один электрод состоит из высокопористого насыщенного красителем нанокристаллического диоксида титана (nc-TiO2), нанесённого на прозрачную электропроводящую подложку. Другим электродом является просто прозрачная электропроводящая подложка. Работа ячейки часто сравнивается с фотосинтезом, поскольку оба процесса используют окислительно-восстановительную реакцию, протекающую в электролите. Эффективность преобразования энергии в ячейке ещё не достигла уровня кремниевых солнечных батарей. В настоящее время она составляет около 10%. Теоретически возможно достичь уровня в 33%.
  
  

• 19 слайд

  Принцип действия
  Солнечный свет поступает сквозь электропроводящий стеклянный электрод, насыщенный красителем, где поглощается. Когда краситель поглощает свет, один из электронов его молекулы переходит из основного состояния в возбуждённое состояние. Это явление называется «фотовозбуждение». Возбуждённый электрон перемещается от красителя в зону проводимости TiO2. Переход происходит очень быстро; он занимает только 10-15секунды. В TiO2 электрон дуффундирует через TiO2-плёнку, достигает стеклянного электрода и далее по проводнику стекает во второй электрод. Молекула красителя с потерей электрона окисляется. Восстановление молекулы красителя в первоначальное состояние происходит путём получение электрона от йодид-иона, превращая его в молекулу йода, которая в свою очередь диффундирует к противоположному электроду, получает от него электрон и снова становится йодид-ионом. По такому принципу цветосенсибилизированная солнечная батарея преобразует солнечную энергию в электрический ток, протекающий по внешнему проводнику.
  

• 20 слайд

  Новые достижения (август 2006)
  В качестве альтернативы традиционной неорганической фотоэлектроэнергетике, цветосенсибилизированные солнечные батареи используют слой инкапсулированных наночастиц в сочетании с высокопроводящей ионной жидкостью. К сожалению, ионные жидкости, показывающие высокую эффективность конверсии при использованиии в этих новых солнечных батареях, термически и химически не стабильны и способны терять эффективность. Но исследователи из Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (Лозанна, Швейцария) достигли успеха, используя в качестве новой устойчивой ионной жидкости - 1-этил-3-метилимидазолинтетрацианоборат (EMIB(CN)4), достигли уровня эффективности преобразования энергии 7% при полной освещённости даже после термического или светового старения.
  Для подтверждения химической и термической стабильности их солнечных батарей исследователи подвергали устройство нагреванию до 80°C в темноте на протяжении 1000 часов, а затем на свету при 60°C в течение тех же 1000 часов. После нагревания в темноте и на свету 90% исходной фотоэлектрической эффективности сохранилось - впервые такая превосходная термическая стабильность наблюдалась для жидкого ионного электролита с высокой эффективностью конверсии. В противоположность кремниевым солнечным батареям, чья производительность падает с ростом температуры, цветосенсибилизированные солнечные батареи испытывают лишь незначительное изменение, когда их температура возрастает от комнатной до 60°C.