Перспективы развития фотоэлектрических генераторов

Вопреки нашим оптимистичным прогнозам простейшие фотоэлектрические генераторы по к. п. д. пока еще не превосходят системы на основе механических тепловых машин и термоионных преобразователей. Низкий к. п. д. фотоэлектрического генератора объясняется двумя основными причинами: с одной стороны, значительная часть световых фотонов обладает энергией, которая не оказывает нужного действия на электроны материала, а с другой - разность потенциалов V на нагрузке составляет лишь очень малую часть величины E₃. Весьма вероятно, что проводимые в настоящее время исследования позволят создать новые устройства, в которых указанные недостатки окажутся менее существенными. В высоколегированных полупроводниках, где ширина запрещенной зоны значительно больше, второй из названных недостатков выражен значительно слабее. В этом случае число носителей, преодолевающих p-n-переход "окольными" путями, уменьшается и величина ^V/_E3 возрастает. Теперь вместо ранее принятого значения 0,5 E₃ разность потенциалов V может достигать 0,7 E₃ и более, что способствует увеличению максимальной мощности генератора. Однако в начале гл. 8 мы показали, что при больших E₃ доля солнечного излучения, "воспринимаемая"электронами материала, оказывается меньше, чем при оптимальных значениях E₃, лежащих в диапазоне 1,0-1,4 эВ. Проводятся и другие перспективные исследования по созданию более сложных . устройств, схематически показанных на рис. 76. Идея, положенная в основу построения таких устройств, напоминает принцип каскадирования в термоэлектрическом генераторе (см. рис. 65).

Солнечная радиация сначала попадает на элемент, изготовленный из полупроводника с большой шириной запрещенной зоны, благодаря чему он обладает высоким к. п. д. в нужной нам части солнечного спектра. Фотоны с энергиями ниже E₃ не оказывают воздействия на этот элемент, материал которого для них по существу является прозрачным. Пройдя через первый каскад, эти фотоны попадают во второй, выполненный из материала с меньшей величиной E₃ (по сравнению с первым элементом). Его способность захватывать эти фотоны высока, хотя к. п. д. ниже, чем у первого элемента. Такое сочетание двух солнечных элементов позволяет получить более высокий суммарный к. п. д., чем для каждого из них в отдельности. Предположим, что граничная длина волны первого элемента составляет 0,7 мкм, а второго, как и прежде, 1,1 мкм. На основе данных табл. 4 в результате ориентировочного расчета находим, что доля поглощенной в первом элементе солнечной энергии в идеальном случае достигает 34%, а во втором - около 27%. Далее, если напряжение на выходе первого элемента V = 0,7 E₃, а ток составляет 80% от значения тока в режиме короткого замыкания, то его к. п. д. оценивается величиной 0,7*0,8*34 = 19%. Аналогично находим к. п. д. второго элемента: 0,5*0,7*27 = 9%. Таким образом, общий к. п. д. такого устройства почти вдвое превышает к. п. д. рассмотренного ранее простейшего фотоэлектрического генератора. Возможность дальнейшего совершенствования такого рода устройств открывается с применением для их изготовления интегральной технологии и созданием так называемого интегрального генератора, в котором ширина запрещенной зоны изменяется с глубиной; она велика у облучаемой поверхности, а затем уменьшается в глубь материала. Эта и другие новые разработки фотоэлектрических генераторов открывают дальнейшие перспективы повышения их к. п. д.; предполагается, что к. п. д. фотоэлектрических систем может достигнуть 50-60%, то есть превысить к. п. д. любых других систем. Особое внимание уделяется вопросу удешевления конструкций фотоэлектрических генераторов, поскольку созданные до настоящего времени устройства оказались чрезвычайно дорогостоящими.

В настоящее время цена фотоэлектрического преобразователя площадью в 1 см² составляет в среднем несколько долларов. Причины такой высокой стоимости понятны, если учитывать чрезвычайно высокие требования к чистоте полупроводниковых материалов. Мы видели, что легирование представляет собой целенаправленное введение в полупроводник примесных атомов с концентрацией не выше одной миллионной. Но этому предшествует очистка полупроводника от других примесей, в процессе которой добиваются снижения их концентрации до одной миллиардной. Едва ли где-нибудь еще предъявляются столь высокие требования к чистоте материала. Более того, совершенно недопустима какая-либо деформация структурной решетки полупроводника, так как это ведет к снижению к. п. д. генератора, вследствие этого полупроводниковые элементы необходимо вырезать из единого кристалла.

Кремний представляет собой твердый полупроводник, который получают либо из силикатов, в обилии содержащихся в горных породах, либо из кремнезема (SiO₂), составляющего основную часть некоторых песков. Таким образом, кремний является одним из наиболее распространенных элементов, занимая второе место после кислорода. Но для получения кремния высокой степени чистоты сырье должно пройти тщательную очистку, состоящую из нескольких стадий. Окончательное освобождение от примесей осуществляется в процессе так называемой зонной очистки. Слиток помещают внутрь катушки, через которую пропускают ток высокой частоты, создающий высокочастотное поле; под действием этого поля в слитке образуется небольшая зона расплава. Последняя постепенно распространяется вдоль слитка. Установлено, что примеси уносятся зоной расплава, благодаря чему в основной части слитка достигается высокая степень чистоты. Затем наиболее очищенную часть отделяют от слитка и переплавляют с соответствующим количеством легирующего элемента. Элементы фотоэлектрических преобразователей получают, разрезая единый кристалл (монокристалл) на части.

Монокристаллы кремния шириной до нескольких сантиметров также "выращивают" путем постепенной кристаллизации материала на зерне кристалла, которое закрепляют на зонде и опускают в тигель с расплавленным элементом. Затем зонд очень медленно вынимают, извлекая вместе с ним и выросшую колонку материала, имеющего структуру монокристалла. Последний для получения элементов фотопреобразователя распиливают на очень тонкие пластины. Затем с помощью диффузии атомов легирующего элемента через поверхность преобразователей (которые выдерживают в "атмосфере" этого элемента при высокой температуре) получают p-n-переход. Диффузный слой должен быть очень тонким (несколько мкм), иначе свет не сможет проникнуть к переходу. Наконец на преобразователь наносят металлические пленки, к которым припаиваются электрические контакты так, чтобы их сопротивление было минимальным.

Не удивительно, что полупроводниковые материалы, используемые в термоэлектрических генераторах, оказались намного дешевле по сравнению с материалами для фотоэлектрических генераторов. Это объясняется отчасти тем, что в материале с хорошими термоэлектрическими свойствами концентрация легирующих примесей должна быть порядка одной тысячной. Соответственно в нелегированном материале допускается концентрация естественных примесей до одной миллионной. (Напомним, что в материале фотоэлектрического генератора этот показатель должен быть в тысячу раз ниже.) Более того, элементы термоэлектрического генератора не нужно вырезать из монокристалла. Их можно отлить или получить путем спекания. В последнем случае материал сначала измельчают, а затем спрессовывают при высокой температуре (но ниже температуры плавления), в результате получается однородный блок.

Совершенно ясно, что получение высокого к. п. д. фотоэлектрических преобразователей значительно осложняется большой стоимостью производства. Одним из путей повышения их эффективности является использование фокусирующего коллектора солнечного излучения с фотоэлектрическим элементом малых размеров. Выходная мощность такого устройства пропорциональна интенсивности освещения без признаков насыщения при значениях коэффициентов концентрации вплоть до 10. С повышением выходного тока возрастают джоулевы потери, которые, как видно из уравнения (7.2), определяются произведением сопротивления на квадрат тока. Для уменьшения сопротивления фотоэлектрического элемента его контакты делают из металлической сетки, тем не менее использование высоких коэффициентов концентрации на практике жестко ограничивается как джоулевыми потерями, так и обычной проблемой охлаждения элементов.

Выход из этого затруднительного положения можно найти, применяя легированный кремний и другие полупроводники в поликристаллической форме. Это позволяет избежать продолжительной и дорогостоящей стадии выращивания монокристалла. Размер кристалла в слитке контролируется путем регулирования скорости охлаждения, в результате число границ между смежными кристаллами в пластине фотоэлектрического преобразователя сокращается до минимума. Как известно, искажение структуры полупроводника вблизи таких границ приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны и, следовательно, уменьшению к. п. д. фотоэлектрического элемента. К. п. д. элементов из поликристаллического кремния снижается примерно на 4%, но при этом их стоимость уменьшается в 2-3 раза, так что стоимость 1 кВт полезной мощности оказывается примерно той же. С того времени, как в 1877 г. Адамс и Дэй впервые сообщили о фотоэлектрическом эффекте, обнаружено много других веществ, у которых проявляются подобные свойства. Например, хорошо известно устройство с использованием пленки окиси меди на меди. Однако сейчас особый интерес проявляется к сульфиду кадмия, который широко применяется в фотоэкспонометрах. Указанные вещества, как и кремний, можно получить в виде монокристалла, но в отличие от него ширина запрещенной зоны в них, к сожалению, далека от оптимальной. Однако при тонкопленочном исполнении кристалла CdS удается уменьшить ширину запрещенной зоны и приблизить ее к оптимальной величине. Тонкие пленки получают методом вакуумного напыления. Для этого материал нагревают в отдельном сосуде так, чтобы началось его испарение, а затем "испарившиеся" молекулы напыляют на нужную поверхность. К. п. .д. фотоэлектрического преобразователя, изготовленного путем нанесения на медь пленки CdS, составляет около 3,5%. Тонкопленочные фотоэлектрические элементы монокристаллического типа еще не получили широкого распространения, поскольку фотоэлектрические преобразователи в настоящее время используются преимущественно в космических аппаратах, где требования высокого к. п. д. и минимального веса являются определяющими, даже в ущерб стоимости. Значение тонкопленочных фотоэлектрических элементов в области преобразования солнечной энергии могло бы быть значительно больше. Применение таких элементов пока еще ограничено, однако считают, что при серийном производстве стоимость тонкопленочных элементов из сульфида кадмия может измеряться в долларах, но не за 1 см², а за 1 м². Если бы так оказалось в действительности, то положение в области создания мощных фотоэлектрических генераторов, вероятно, существенно бы изменилось.

Высокий к. п. д. фотоэлектрического генератора обусловлен тем, что энергия фотонов солнечного излучения непосредственно передается электронам устройства. Получаемую энергию необходимо либо непосредственно использовать, либо запасать в другом устройстве, например в электрохимической батарее. В следующей главе мы коротко рассмотрим возможности использования химических и биологических систем для накопления энергии. Поскольку процессы в них происходят на квантовом уровне, то их эффективность, по-видимому, достаточно высока.