Использование альтернативных источников энергии

Отметим, что Uxx солнечных элементов с барьером Шотки на основе а-Si:Н

обычно не превышает 0,6 В.

Более высокой эффективностью обладают СЭ на основе аморфного кремния с p-i-

n-структурой (рис.7). В этом “заслуга” широкой нелегированной i-области a-

Si:H, поглощающей существенную долю света. Но возникает проблема –

диффузионная длина дырок в a-Si:H очень мала (~100 нм), поэтому в солнечных

элементах на основе a-Si:H носители заряда достигают электродов в основном

только благодаря внутреннему электрическому полю, т.е. за счет дрейфа

носителей заряда. В СЭ на основе кристаллических полупроводников носители

заряда, имея большую диффузионную длину (100 – 200 мкм), достигают

электродов и в отсутствие электрического поля. Поскольку в простом p-n-

переходе в a-Si:H область сильного электрического поля очень узка и

диффузионная длина носителей заряда мала, в большей части СЭ не происходит

эффективного разделения носителей заряда, генерируемых при поглощении

света. Следовательно, для получения эффективных СЭ на основе p-i-n-сруктуры

аморфного гидрогенизированного кремния необходимо добиться во всей i-

области однородного мощного внутреннего электрического поля, достаточного

для достижения длины дрейфа носителей, соизмеримого с размерами области

поглощения (см. рис. 7).

|[pic] |

|Рис.7. Энергетическая зонная диаграмма p-i-n-структуры (а) и расчетное |

|распределение электрического поля (б) |

| |

|Рис.8. р-i-n-Структура на стеклянной (а) и стальной (б)|

|подложке |

Данная задача решается, если при изготовлении p-i-n-структуры первым

формировать p-слой (рис.8). Для его создания необходимо небольшое

количество бора (<1018 см3), а значит, существенного загрязнения

нелегированного слоя не происходит.

В то же время, если первым осаждать n-слой, то наличие остаточного фосфора

изменяет свойства i-слоя. Формирование p-слоя на поверхности прозрачного

проводящего электрода обеспечивает с ним хороший электрический контакт.

Однако толщина p-слоя должна быть мала (10 нм), чтобы основная часть света

поглощалась в i-области.

Используется и другая p-i-n-структура СЭ на основе a-Si:H с подложкой из

металлической фольги, в частности из нержавеющей стали. Свет попадает со

стороны прозрачного электрода, контактирующего с n-областью. В результате

возрастает плотность тока короткого замыкания благодаря отражающей

способности металлической подложки и меньшему оптическому поглощению света

легированными фосфором пленками a-Si:H (n-область) по сравнению с

легированными бором р-слоями.

[pic]

|Рис.9. Солнечная батарея с поперечным |

|переходом |

Проблема с применением рассмотренных p-i-n-элементов в том, что их можно

оптимизировать только в одном измерении. Значительно больше возможностей в

этом плане предоставляет СЭ с поперечным переходом [4]: на изолирующей

подложке перпендикулярно к поверхности формируется p-i-n-структура a-Si:H

(рис. 9). Такой СЭ не требует прозрачного проводящего оксида в качестве

контакта и широкозонного p-слоя для создания прозрачного оконного слоя, его

можно изготовить посредством стандартных технологий микроэлектроники.

Один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных

солнечных батарей — арсенид галлия. Это объясняется таким его

особенностями, как:

. почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина

запрещенной зоны 1,43 эВ;

. повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется

слой толщиной всего в несколько микрон;

. высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью

делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в

космических аппаратах;

. относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;

. характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием

дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при

проектировании СЭ

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе —широкий

диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может

состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику

с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых

СЭ ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный СЭ на основе GaAs

состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления

производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках;

выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного

использования.

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной

энергетики.

|[pic] |

|Рис.10. Структура солнечного элемента на основе|

|CdTe |

чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у

диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне

этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ) [2,5]. Наиболее

распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на

основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в

сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает

ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и,

следовательно, повышению эффективности устройства. Один из основных

способов получения CuInSe2 — электрохимическое осаждение из растворов

CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов

Cu:In:Se как 1:5:3 и pH »1,2–2,0.

Еще один перспективный материал для фотовольтаики — теллурид кадмия (CdTe).

У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая

способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в

изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные

сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными

свойствами.

Подобно CuInSe2, 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 p-CdTe, что приводит к большим внутренним

потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe (рис.

10).

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 CdTe,

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 CuInSe2.

Слои CuGaSe2 формируют путем последовательного осаждения термическим

испарением тонких слоев Ga, Se и Cu на поверхность стеклянной подложки,

покрытой слоем молибдена толщиной 1 мкм (рис.11). Далее из полученной

структуры в установке быстрого термического отжига в течение пяти минут при

температуре 550°С получают соединение CuGaSe2.

|[pic] |

|Рис.11. Получение пленок |

|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 TiO2, покрытый

монослоем органического красителя, как правило – цис-(NCS)2бис(4,4’-

дикарбокси-2,2’бипиридин)-рутением (II) (рис.12). Фотоэлектрод такого

устройства представляет собой нанопористую пленку TiO2 толщиной 1 мкм,

осажденную на ТСО на стекле. Отражающим электродом служит тонкий слой Pt,

осажденный на TCO на стекле. Пространство между двумя электродами заполняют

электролитом, обычно содержащим иодид/трииодид

(I-/I3-).

Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой

инжекции электрона в зону проводимости TiO2. 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 p-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.

|[pic] |

|Рис.12. Солнечная батарея на основе органических |

|материалов |

Фуллерены (С60) также весьма перспективны для органических солнечных

батарей на основе гетероструктур С60/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 GaxIny на

позолоченной подложке.

|[pic] |

|Рис.13. Схема термофотоэлектрического солнечного |

|элемента |

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 (рис.13) 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 InxGa1-xAs, поскольку он

позволяет добиться необходимой ширины запрещенной зоны.

Каскадные солнечные элементы

Большинство современных СЭ обладают одним p-n-переходом. В таком элементе

свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых

больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами,

фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью

солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны

меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позвляют

многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной

зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными

. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра,

эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше.

В типичном многопереходном солнечном элементе (рис.14) 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.

|[pic] |

|Рис.14. Принцип построения многопереходного солнечного |

|элемента |

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 CuInSe2.

|[pic] |

|Рис.15. Каскадный элемент |

На рис.15 изображена каскадная батарея, в которой верхним элементом служит

структура на основе GaInP c n-AlInP в качестве окна, далее следует

туннельный диод на GaAs для прохождения носителей между элементами и нижний

элемент из GaAs.

|[pic] |

|Рис.16. Трехкаскадный солнечный элемент на основе сплавов |

|a-SiGe:H |

Весьма перспективны каскадные батареи, состоящие из трех элементов с

различной шириной запрещенной зоны (рис.16) . 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 используетсяi-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.

Другие альтренативные источники энергии

«Экомобиль» - воздух вместо бензина.

В 2000 году многочисленные СМИ, в том числе ВВС, пророчили, что в начале

2002 года начнётся массовое производство автомобилей, использующих воздух

вместо топлива.

Поводом для такого смелого заявления послужила презентация автомобиля под

названием e.Volution на выставке Auto Africa Expo2000, которая состоялась в

Йоханнесбурге.

Изумлённой общественности сообщили, что e.Volution может без дозаправки

проехать около 200 километров, развивая при этом скорость до 130 км/час.

Или же в течение 10 часов со средней скоростью 80 км/час. Было заявлено,

что стоимость такой поездки обойдётся владельцу e.Volution в 30 центов. При

этом весит машина всего 700 кг, а двигатель — 35 кг.Революционную новинку

представила французская фирма MDI (Motor Development International),

которая тут же объявила о намерении начать серийный выпуск автомобилей,

оборудованных двигателем на сжатом воздухе.

Изобретателем двигателя является французский инженер-моторостроитель Гай

Негр (Guy Negre), известный, как разработчик пусковых устройств для болидов

"Формулы 1" и авиационных двигателей.

Негр заявил, что ему удалось создать двигатель, работающий исключительно на

сжатом воздухе без каких бы то ни было примесей традиционного топлива. Своё

детище француз назвал Zero Pollution, что означает нулевой выброс вредных

веществ в атмосферу.

Девизом Zero Pollution стало "Простой, экономичный и чистый", то есть упор

был сделан на его безопасность и безвредность для экологии.

Принцип работы двигателя, по словам изобретателя, таков: "Воздух

засасывается в малый цилиндр и сжимается поршнем до уровня давления в 20

бар. При этом воздух разогревается до 400 градусов. Затем горячий воздух

выталкивается в сферическую камеру.

В "камеру сгорания", хотя в ней уже ничего не сгорает, под давлением

подаётся и холодный сжатый воздух из баллонов, он сразу же нагревается,

расширяется, давление резко возрастает, поршень большого цилиндра

возвращается и передаёт рабочее усилие на коленчатый вал.

Можно даже сказать, что "воздушный" двигатель работает так же, как и

обычный двигатель внутреннего сгорания, но только никакого сгорания тут

нет".

Было заявлено, что выбросы автомобиля не опаснее углекислого газа,

выделяемого при дыхании человека, двигатель можно смазывать растительным

маслом, а электрическая система состоит всего лишь из двух проводов.

На заправку такого воздухомобиля требуется около 3 минут.

Представители Zero Pollution заявили, что для заправки "воздухомобиля"

достаточно наполнить воздушные резервуары, расположенных под днищем

автомобиля, что занимает около четырёх часов.

Впрочем, в будущем планировалось построить "воздухозаправочные" станции,

способные наполнить 300-литровые баллоны всего за 3 минуты.

Предполагалось, что продажи "воздухомобилей" начнутся в Южной Африке по

цене около $10 тысяч. Также говорилось о строительстве пяти фабрик в

Мексике и Испании и трёх — в Австралии. Лицензию на производство автомобиля

якобы уже получили больше дюжины стран, а южноафриканская компания вроде бы

получила заказ на производство 3000 автомобилей, вместо запланированной

экспериментальной партии в 500 штук.

Биомассовая энергетика.

При гниении биомассы ( навоз, умершие организмы, растения ) выделяется

биогаз с высоким содержанием метана, который и используется для обогрева,

выработки электроэнергии и пр.

Иногда по телевизору показывают свинарники и коровники, которым сами

обеспечивают себя электроэнергией и теплом за счёт того, что имеют

несколько больших "чанов", куда сбрасывают большие массы навоза от

животных. В этих герметичных баках навоз гниёт, а выделившийся газ идёт на

нужды фермы. Кстати, в конце-концов от навоза остаётся сухой остаток -

являющийся прекрасным удобрением для полей.

Много идей посвящено выращиванию быстрорастущих водорослей и загрузке их в

такие же биореакторы, а также подобному использованию других органических

отходов ( стеблей кукурузы, тростника и пр).

Биомасса весьма эффективно может использоваться для локального производства

энергии. К примеру, частная компания Британские энергетические ресурсы в

скором времени собирается запустить наиболее мощную электростанцию,

работающую на соломе, следующую в серии станций, использующих биомассу.

Станция будет использовать 200,000 тонн соломы, собранной с местных ферм и

сможет обеспечить выработку 283,000 мегаватт в час за год.

Остальные альтернативные источники энергии (основнная на эффекте

запоминания формы энергетика, энергия градиента солености и градиента

температур и т.д.) на данный момент не достаточно разработаны и являются

только теорией, которая врядли станет реальностью

Вывод

Большинство источников восстанавливаемой энергии зависит от географических

и природных факторов, которые различны в каждой стране. К примеру, энергия

солнца и ветра больше представлена в Испании, чем в Австрии. В свою

очередь, многочисленные реки и горы на территории Австрии больше подходят

для строительства гидроэлектростанций.

Кроме того, альтернативные источники энергии остаются крайне дорогими и

потому - пока невыгодными. Атомный реактор или угольный завод в Германии

производит киловатт в час электричества за 1,5 цента. Энергия ветра стоит

10 центов, воды до 20 центов, а солнца - вплоть до 1 доллара. И хотя мы

движемся в сторону использования альтернативных источников энергии, до

этого еще далеко.

Тем не менее, сегодня активно проводятся исследования всех возможных

восстанавливаемых источников энергии. В некоторых случаях результаты даже

выглядят весьма оптимистично и позволяют надеяться на определенные

изменения.

Солнечная энергия - как панели для нагрева воды, так и преобразующие

батареи (энергию солнца в электроэнергию) - имеет высокий потенциал для

массового использования в странах с теплым климатом и преобладающим

количеством солнечных дней в календаре. На сегодняшний день наиболее

эффективной технологией использования солнечной энергии являются

преобразующие батареи. Единственный их недостаток - высокая стоимость.

Наиболее перспективным альтернативным источником энергии является водород,

который присутствует практически в неограниченных количествах и может

использоваться в топливных элементах (fuel cell) для выработки чистой

энергии путем обратного электролиза. Водород может стать реальным решением

проблем с окружающей средой. На сегодняшний день большинство исследований с

возможным использованием водорода сосредоточено в сфере транспортных

средств. В конце нынешнего года Исландия должна запустить в действие

несколько автобусов на водороде, разработанных совместно компаниями Shell,

Daimler-Chrysler и норвежской Norsk Hydro.

В Калифорнии автомобилестроители и энергетические компании интенсивно

работают над разработкой топливных элементов. Толчком к такому

сотрудничеству послужил государственный закон, согласно которому к 2004

году 10% всех машин должны иметь нулевой выхлоп в атмосферу.

Французская компания Gas de France работает над созданием топливных

элементов, которые позволят вырабатывать электроэнергию для отдельных

жилищ. Основной недостаток такой технологии: топливные элементы содержат

платину, что резко увеличивает их стоимость, а водород сегодня производится

преимущественно из топлива. В будущем технологический прогресс может

сократить размеры стоимости и способствовать широкомасштабному выделению

водорода из воды.

Помимо гидроэлектрической энергии, которая широко применяется в Европе и,

пожалуй, уже близка к своей максимальной мощности, остальные источники

восстанавливаемой энергии в ближайшем будущем останутся немногочисленными и

будут охватывать небольшие географические территории. По словам одного

французского ученого, это еще не означает, что такой "локальный" характер

альтернативных источников энергии является недостатком, поскольку в

открытых рынках наблюдается тенденция к децентрализации и использованию

многочисленных источников энергии, с большей долей восстанавливаемых.

К сожалению, это не такое простое и универсальное решение энергетических

проблем Европы, и даже Брюссель не может развернуть масштабный план в этом

направлении (кроме того, он не имеет такой юрисдикции). В конечном итоге,

каждой стране придется разрабатывать собственные программы разработки и

использования альтернативных источников энергии, в соответствии со своими

географическими и политическими особенностями. То есть вопрос выбора нового

источника для Земной энергетики остается открытым, чему способствуют

«старания» монополистов нефтевой промышлености и нынешней энергетики

Список литературы

1) Интернет издание «Мембарана.Ру». (www.membrana.ru)

2) Солнечная энергетика и солнечные батареи (http://solar-

battery.narod.ru)

3) «Не панацея и не блажь» Борис Тарнижевский

4) Интернет версия журнала «Наука и жизнь»

5) Светлана Грановская «Энергетическое будущее Европы»

(http://www.wdi.ru/default.php?art=2833874)

-----------------------

[pic]

[pic]

[pic]

Страницы: 1, 2, 3