Солнечная энергетика

РЕФЕРАТ

на тему:

“Солнечная энергетика”.

Содержание:

1. Введение.

2. Концепция Z.

2.1. Водород - топливо XXI века.

2.2. Солнечно-водородная энергетика.

2.3. Фотокатализ и фотосенсибилизация.

2.4. Биофотолиз воды.

2.5. Искусственные фотокаталитические системы разложения воды.

3. Основные принципы работы солнечных батарей.

4. Конструкции и материалы солнечных элементов.

5. Солнечное теплоснабжение.

5.1. Оценка солнечного теплоснабжения в России.

5.2. Разработка и внедрение первой в районе Сочи солнечно-топливной котельной.

6. Перспективы развития фотоэлектрических технологий(производство солнечных элементов).

7. Выводы.

Список литературы.

1. ВВЕДЕНИЕ.

Одним из основных факторов, определяющих уровень развития общества, является его энерговооруженность, причем потребности человечества в энергии удваиваются каждые 10-15 лет. Потребление энергии за историю развития человечества (в расчете на одного человека) выросло более чем в 100 раз. Так, например, трехкратное увеличение населения США в XX столетии сопровождалось десятикратным увеличением потребления энергии.

Современная энергетика является топливной и более чем на 90% базируется на использовании химических топлив на основе природных горючих ископаемых: нефти, газа, угля (и продуктов их переработки), запасы которых на планете ограниченны и будут в конце концов истощены. Это определяет, с одной стороны, необходимость энергосбережения и разработку высокоэффективных методов добычи и переработки всех доступных ископаемых топлив, а с другой -- поиск новых источников энергии и получение на их основе синтетических топлив. Речь идет о синтезе с затратой энергии веществ, которые можно было бы использовать в качестве удобного для потребления искусственного топлива. Более того, всевозрастающие проблемы человечества, связанные с защитой окружающей среды от химического, радиационного и теплового загрязнения, определяют ужесточение требований к экологической чистоте энергодобывающих процессов.

2.1. ВОДОРОД - ТОПЛИВО XXI ВЕКА.

По мнению некоторых специалистов, одним из наиболее перспективных видов синтетических топлив энергетики XXI века является молекулярный водород. Среди его достоинств можно выделить:

1) высокую энергоемкость; в расчете на единицу массы водород превосходит все природные топлива: природный газ в 2,6 раза, нефть в 3,3 раза, целлюлозу в 8,З раза;

2) химико-экологическую чистоту; единственным продуктом его окисления в любых режимах (при горении или электрохимическом окислении) является вода (окись азота, являющаяся побочным продуктом сгорания водорода в воздухе, образуется в ничтожных количествах);

3) практически неисчерпаемые запасы дешевого сырья -- воды, содержащей более 10% (по массе) водорода;

4) возможность использования топливных элементов, реакции окисления водорода и восстановления кислорода воздуха с образованием воды в которых протекают на электродах и приводят к генерации электрического тока, позволяют эффективно доставлять и преобразовывать энергию в удобный для потребления электрический вид. Важно, что КПД современных топливных элементов существенно больше КПД любых энергетических систем, основанных на сжигании топлива, и достигает в настоящее время -80%, тогда как КПД дизельных двигателей <30%.

Кроме того, водород -- не только высокоэффективное топливо, но и ценное сырье для химической промышленности.

Препятствием к практическому использованию водорода в качестве синтетического топлива является его высокая стоимость. К тому же хранение и использование такого топлива в больших количествах сопряжены с некоторыми трудностями. Так, при использовании водорода в качестве топлива в автомобильных двигателях его масса составит меньше 1% массы баллона, в котором он находится. Однако эти проблемы не носят принципиального характера. Вместо водорода, хранящегося в газовых баллонах, предполагается, например, использовать химически связанный сплавами некоторых металлов водород. Так, лантан-никелевые и железо-титановые сплавы могут обратимо связывать 100 объемов водорода на 1 объем сплава.

2.2. СОЛНЕЧНО-ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Несмотря на все преимущества водорода в качестве синтетического топлива, принципиальным остается вопрос об источнике энергии для получения водорода из воды. В основном рассматриваются три альтернативных источника: термоядерная, атомная и солнечная энергия. Однако возможности широкого использования внутренней (термоядерной и атомной) энергии неразрывно связаны с проблемой теплового загрязнения среды -- нарушения теплового баланса и повышения температуры Земли. На эту проблему впервые указал академик Н.Н. Семенов. Согласно его оценкам, перегрев Земли на 3-4°С может привести к глобальному негативному изменению климата. При современных темпах развития энергетики на основе внутренних источников тепла изменение климата Земли может наступить уже в ближайшие 30-50 лет. Это определяет принципиальное ограничение дальнейшего развития энергетики на основе внутренних источников энергии и стимулирует поиск новых источников, не вызывающих нарушения теплового баланса Земли. С этой точки зрения солнечная энергия является одним из наиболее экологически чистых источников энергии. В связи с этим возникает вопрос: способна ли энергетика, основанная на использовании солнечного излучения в Качестве первичного источника энергии, обеспечить энергетические потребности человечества?

Годовое потребление энергии человечеством за счет всех источников энергии в настоящее время составляет -1017 ккал. Сравнение этой величины с потоком поглощаемой Землей солнечной энергии (~8 * 1020 ккал/год), использование которой не превышает 2 * 10-3 % (схема 1), показывает, что резервы солнечной энергии значительно превышают не только современные, но и будущие энергетические потребности человечества.

В связи с большими резервами и экологической чистотой в последние годы все более популярной становится концепция солнечно-водородной энергетики, основанной на преобразовании солнечной энергии в химическую в результате разложения воды и сочетающей в себе все достоинства водорода в качестве топлива и солнечной энергии в качестве первичного источника. Схема такой идеальной солнечно-водородной энергетики, включающей фоторазложение воды с последующим транспортом и преобразованием водородного топлива в удобную для потребления электрическую форму энергии, представлена на схеме 2.

Следует отметить, что по сравнению с прямым преобразованием солнечной энергии в электрическую на основе полупроводниковых солнечных батарей промежуточное аккумулирование солнечной энергии в топливной форме водорода в рамках солнечно-водородной энергетики успешно решает проблему суточной и сезонной зависимости потока солнечной энергии.

В настоящее время предложено несколько основных путей для разложения воды под действием солнечного излучения. Некоторые из них являются косвенными. Например, термохимические методы, основанные на использовании тепла, полученного за счет солнечной энергии, или электролиз воды за счет электроэнергии от полупроводниковых солнечных батарей или тепловых электростанций. Однако исследование природного процесса конверсии солнечной энергии в химическую (фотосинтеза) показывает принципиальную возможность прямого фотохимического разложения воды солнечным светом. В связи с этим в последние годы весьма интенсивно развиваются фотохимические методы получения водорода из воды, основанные либо на искусственных фотохимических системах, либо на применении биологических систем (растений, микроскопических водорослей, фототропных бактерий), фотосинтетический аппарат которых может быть использован для выделения водорода - биофотолиз воды.

Из повседневного опыта известно, что чистая вода в любом агрегатном состоянии совершенно прозрачна для падающего на поверхность Земли солнечного света, основная часть которого приходится на область видимого и ближнего инфракрасного излучения (0,3-1,0 мкм). Заметное поглощение электромагнитного излучения водой, способного привести к ее фоторазложению, начинается лишь с длин волн короче 0,2 мкм, практически отсутствующих в спектре солнечного излучения, достигающего поверхности Земли. Это означает, что процессы прямого фотолиза воды с участием ее электронно-возбужденных состояний не могут быть использованы для конверсии солнечной энергии в химическую. Таким образом, как и в природном фотосинте-зе, эффективное фотохимическое разложение воды солнечным светом возможно только на основе фо-токаталитических процессов.

2.3. ФОТОКАТАЛИЗ И ФОТОСЕНСИБИЛИЗАЦИЯ

Специфической особенностью фотокаталити-ческих процессов по сравнению с обычным "темновым" катализом является, с одной стороны, чув-ствительность химической системы к действию света и, с другой - возможность осуществления ка-талитических реакций превращения субстрата в продукт с положительным изменением свободной энергии системы AG > 0. В связи с этим при разра-ботке искусственных фотокаталитических систем разложения воды солнечным светом используют явления фотосенсибилизации и фотокатализа. Фо-тосенсибилизация - это изменение спектральной области чувствительности химических соединений, происходящее вследствие процессов переноса энергии или электрона от веществ, называемых сенсибилизаторами, которые поглощают свет дру-гой спектральной области (обычно более длинно-волновой). Фотокатализ - это явление индуцирова-ния химических превращений при действии света -на системы, содержащие химические соединения -участники реакции и вещества, называемые фото-катализаторами, которые индуцируют при погло-щении света химические превращения участников реакции, многократно вступая с ними в химические взаимодействия и регенерируя свой состав после каждого цикла промежуточных взаимодействий.

Следует отметить, что в чистом виде явление как фотокатализа, так и фотосенсибилизации встреча-ется редко. В большинстве фотокаталитических процессов одни и те же вещества выполняют функ-цию и фотосенсибилизатора и фотокатализатора. Так, например, в фотокаталитическом процессе при-родного растительного фотосинтеза, приводящего в общем виде к восстановлению углекислого газа до органических соединений и окислению воды:

хлорофилл (ХЛ) выступает и фотосенсибилизато-ром и фотокатализатором. Более 90% хлорофилла растительной клетки входит в состав хлорофилл-белковых комплексов, выполняющих функцию фо-тосенсибилизатора (S) и обеспечивающих эффек-тивное поглощение солнечного излучения в резуль-тате их электронного возбуждения (S--»-S*). Такие комплексы играют роль своеобразной антенны для улавливания солнечного света, характеризующегося относительно низкой плотностью потока энергии на единицу поверхности (средняя интенсивность падающего на поверхность Земли света в южных районах России составляет -2,2 * 10^-2 ккал/(см² * с)). Энергия электронного возбуждения антенных комплексов с эффективностью, близкой к 100%, передается димеру Р хлорофилла (S* + Р--Р*), входящему в состав реакционного центра и выполняющему функцию фотокатализатора суммарного процесса переноса электронов от воды к никотина-мидадениндинуклеотид фосфату (NADP+):

()

Восстановленная форма NADPH участвует в дальнейших темновых биохимических реакциях, приводящих к образованию органических соединений из углекислого газа.

2.4. БИОФОТОЛИЗ ВОДЫ

Основные фотокаталитические процессы природного фотосинтеза растений, протекающие в реакционном центре и описываемые так называемой Z-схемой (схема 3) с двумя фотосистемами ФС1 и ФС2, были подробно рассмотрены в [2]. В общем виде реакционный центр каждой фотосистемы содержит фотокатализаторы Р700 и Р680 на основе хлорофилла, первичные акцепторы А1, А2 и доноры D1, D2 электрона, цепь электронного транспорта (ЦЭТ), соединяющую две фотосистемы, а также катализаторы образования О2 и NADPH.

Первичные стадии фотосинтеза могут быть рассмотрены как своеобразный двухтактный электронный фотонасос, осуществляющий под действием двух квантов света перенос одного электрона от воды к NADP+. Это определяет необходимость использования в суммарной реакции восьми квантов света для получения одной молекулы кислорода из воды. Такая не самая оптимальная с точки зрения энергетики восьмиквантовая схема преобразования солнечной энергии в химическую является результатом эволюционного развития процесса растительного фотосинтеза, первоначально зародившегося как бактериальный . В то же время природный фотосинтез характеризуется уникальной квантовой эффективностью первичных процессов переноса электрона между донорами и акцепторами в результате быстрых (~10-10 с) реакций с участием фотокатализаторов.

Это приводит как к эффективной регенерации фотокатализатора, так и высокому (>90%) КПД разделения зарядов, возникающих на доноре и акцепторе электрона фотосистемы после поглощения кванта света.

Выделение из растительных клеток хлоропластов с сохранением их фотосинтезирующих свойств открывает возможность использования уникального природного фотосинтетического аппарата для получения водорода из воды - биофотолиза воды. Задача сводится в первую очередь к организации в ФС1 каталитического процесса восстановления не NADP+, а воды. Известно, что конечным акцептором электронов в ФС2 является железо-серный белок ферредоксин (Фд), восстановленная форма которого в присутствии специальных катализаторов способна выделять водород из воды. Разработанные к настоящему времени модельные биохимические системы фотолиза воды на основе выделенных из растительных клеток хлоропластов (схема 4) содержат два общих элемента: электронтранспортную цепь (ЦЭТ) фотосинтеза и катализатор образования водорода, в качестве которого могут быть использованы как биологические (гидрогеназа), так и неорганические (коллоидная Pt) катализаторы. В то же время в качестве восстановителя воды может выступать как непосредственно ферредоксин, так и специально введенный в систему промежуточный переносчик электрона М, способный акцептиро-вать электроны из электронтранспортной цепи хлоропластов и в дальнейшем каталитически восста-навливать воду (схема 4).

Двухстадийный процесс разложения воды в по-следнем случае позволяет осуществить разделение водорода и кислорода, поскольку выделение газов происходит на разных стадиях.

Энергетическая эффективность преобразования солнечной энергии в химическую для разработан-ных в настоящее время модельных систем биофото-лиза воды не превышает 0,2%, тогда как теоретиче-ское предельное значение составляет -17%. Второй существенной проблемой является недостаточная стабильность разработанных биосистем фотолиза воды во времени (до 30 дней). Решение этих про-блем позволит перейти к созданию практически приемлемых устройств конверсии солнечной энер-гии в химическую на основе биокаталитических си-стем фотолиза воды.

2.5. ИСКУССТВЕННЫЕ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РАЗЛОЖЕНИЯ ВОДЫ

Созданный природой в ходе эволюции уникаль-ный восьмиквантовый фотосинтетический аппа-рат, включающий две фотосистемы, объединенные сложной многоступенчатой электрон-транспортной цепью, обеспечивает не только окисление воды и восстановление NADP⁺, но и синтез энергоемких соединений аденозинтрифосфата из аденозинди-фосфата и неорганического фосфата, которые в дальнейшем выполняют роль универсального ис-точника энергии в клетке, обеспечивая протекание большинства биохимических процессов [1-3]. В связи с этим заманчивым представляется создание искусственных фотокаталитических систем, вы-полняющих узкоспециализированную функцию фоторазложение воды. При этом нет необходимос-ти моделировать весь сложный механизм фотосин-теза, а следует использовать только основные прин-ципы фотохимического преобразования солнечной энергии в химическую.

Поскольку выделение одной Молекулы кислоро-да требует разложения двух молекул воды, энергети-ческие затраты на проведение одного каталитичес-кого цикла фоторазложения воды при комнатной температуре не могут быть меньше 113,4 ккал/моль, что соответствует энергии квантов ультрафиолетового света (К -- 0,252 мкм), практически отсутствующих в спектре солнечного излучения (0,3-1,0 мкм), падающего на поверхность Земли. Это означает, что с точки зрения наиболее полного использования солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, наиболее рациональной является четырех-квантовая схема процесса разложения воды, при котором каждый квант света используется для переноса одного электрона. В этом случае пороговая длина волны света составляет 1,008 мкм, что соответствует красной границе солнечного излучения и как следствие этого обеспечивает максимальную эффективность преобразования солнечной энергии в химическую. Таким образом, в отличие от природного фотосинтеза искусственные фотокаталитические системы разложения воды могли бы работать по принципу не двухтактного (см. схему 3), а однотактного фотонасоса.

В настоящее время разрабатываются два типа искусственных фотокаталитических систем: полу-проводниковая и молекулярная. В первом случае в качестве фотокатализатора используются полупро-водниковые материалы на основе халькогенидов, фосфидов и арсенидов переходных металлов. По-глощение кванта света приводит к переносу элек-трона между энергетическими уровнями твердого тела, называемыми зонами: заполненной зоной и зоной проводимости . Образующиеся за-ряды -- электрон (е~) в зоне проводимости и поло-жительно заряженная "дырка" (р⁺) в заполненной зоне -- растягиваются в разные стороны электриче-ским полем, существующим на границе полупро-водник-раствор, и участвуют в дальнейших катали-тических процессах восстановления и окисления воды в присутствии нанесенных на поверхность по-лупроводника катализаторов Pt и RuO₂. Иммобили-зация на поверхности полупроводника различных органических и неорганических красителей, вы-полняющих функцию фотосенсибилизатора S , позволяет обеспечивать -10% КПД преоб-разования солнечной энергии в химическую. Основная проблема для практического применения таких систем - предотвращение фотокоррозии по-лупроводников и повышение стабильности систем во времени. В молекулярных фотокаталитических системах разложения воды в качестве фотокатализатора, до-норов и акцепторов электрона, участвующих в реак-циях, используются индивидуальные хими-ческие соединения, удовлетворяющие некоторым требованиям. Фотокатализаторы должны обеспе-чивать интенсивное поглощение солнечного излу-чения, иметь высокоэнергетические, долгоживущие возбужденные состояния (ФК*), способные участвовать в бимолекулярных реакциях переноса электрона, обладать высокой химической и фотохимической устойчивостью и эффективно регенерировать свою форму в результате взаимодействия с промежуточ-ными акцепторами или донорами. Наряду с фотохимической и химической устойчи-востью основным требованием к промежуточным донорам и акцепторам электрона является их спо-собность участвовать в обратимых каталитических процессах выделения водорода и кислорода из воды.

В настоящее время показана возможность ис-пользования в качестве компонентов молекуляр-ных фотокаталитических систем достаточно боль-шого круга химических соединений различной природы. Так, в качестве фотокатализаторов пред-ложены системы на основе органических красите-лей, соединений переходных металлов, порфиринов, фталоцианинов и их металлокомплексов.

Основной прогресс, достигнутый в разработке молекулярных фотокаталитических систем разло-жения воды, связан с созданием так называемых жертвенных систем, моделирующих фотосистемы растительного фотосинтеза и осуществляющих выделение либо водорода, либо кислорода из воды с одновременным необратимым расходованием жерт-вы -- специально добавленного донора или акцепто-ра электрона. Примером такой жертвенной системы фотокаталитического восстановления воды являет-ся система, содержащая трисбипиридильные ком-плексы рутения и родия [Ru(bpy)₃]²⁺, [Rh(bpy)₃]³⁺ в качестве фотокатализатора и промежуточного ак-цептора электрона. Фотовозбуждение такой систе-мы приводит к фотостимулированному переносу электрона:

и последующему каталитическому выделению во-дорода из воды на платиновом катализаторе:

В качестве необратимо расходуемой жертвы, обес-печивающей регенерацию фотокатализатора, ис-пользуется триэтаноламин.

Осуществить замкнутый, не требующий введе-ния дополнительно расходуемых веществ цикл фо-торазложения воды солнечным светом в молеку-лярных фотокаталитических системах пока еще не удается. Основной задачей является разработка методов предотвращения реакции рекомбинации первичных продуктов фоторазделения зарядов, которая протекает намного быстрее, чем сложные каталитические реакции окисления и восста-новления воды. Предполагается, что такая зада-ча может быть решена при переходе к молекулярно-организованным системам, позволяющим (по ана-логии с природным фотосинтезом) получать прост-ранственно разделенные продукты фоторазделения зарядов. Исследования в этом направлении интен-сивно развиваются в последнее время.

3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) - прибора для преобразования энергии солнечного излучения - на основе монокристаллического кремния. На малой глубине от поверхности кремниевой плас-тины р-типа сформирован р-п-переход с тонким металличес-ким контактом. На тыльную сто-рону пластины нанесен сплошной металлический кон-такт.

Когда СЭ освещается, погло-щенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в р-слое вблизи р-n-перехода, подходят к p-n-переходу и сущест-вующим в нем электрическим полем выносятся в n-область. Анало-гично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично перено-сятся в р-слой (рис. 2 а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а р-слой - положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между р- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. 2 6). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а р-слой - положительному.

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ):

где I_s- ток насыщения, a I_ph фототoк.

ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис. 4), включающая источник тока /ph=SqN0Q, где S - площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q- безразмерный множитель (<1), показывающий, какая доля всех созданных светом электронно-дырочных пар (5%) собирается р-n-переходом. Параллельно источнику тока включен р-n-переход, ток через который равен I_s[e4u/kT-1]. р-n-Переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток /.

Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока I_рh. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режи-ме, отмеченном точкой а.

Максимальная мощность, снимаемая с 1 см², равна

где Ј - коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт амперной характеристики, I_КЗ - ток короткого замыкания, Uxx -напряжение холостого хода.

4. КОНСТРУКЦИИ И МАТЕРИАЛЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблю-дение ряда условий:

оптический коэффициент поглощения (а) активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;

генерируемые при освещении электроны и дырки должны эф-фективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;

солнечный элемент должен обладать значительной высотой ба-рьера в полупроводниковом переходе;

полное сопротивление, включенное последовательно с солнеч-ным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;

структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачива-ние и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.

Производство структур на основе монокристаллического крем-ния, удовлетворяющих данным требованиям, - процесс технологи-чески сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обраще-но на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники [4].

Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой аль-тернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе бы-ли созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного крем-ния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существен-ного поглощения видимого света достаточно пленки a-Si:H толщи-ной 0,5-1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм под-ложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получе-ния тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на осно-ве a-Si:H производят при более низких температурах (300°С): мож-но использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит рас-ход кремния в 20 раз.

Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на ос-нове a-Si:H - 12% - несколько ниже КПД кристаллических кремни-евых СЭ (-15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе a-Si:H достигнет теоретического потолка -16%.

Наиболее простые конструкции СЭ из a-Si:H были созданы на основе структуры металл - полупроводник (диод Шотки) (рис. 5).

Несмотря на видимую простоту, их реализация достаточно про-блематична - металлический электрод должен быть прозрач-ным и равномерным по толщи-не, а все состояния на границе металл/a-SiiH - стабильными во времени. Чаще всего солнечные элементы на основе a-Si:H фор-мируют на ленте из нержавею-щей стали или на стеклянных подложках, покрытых проводя-щим слоем. При использовании стеклянных подложек на них наносят прозрачную для света проводящую ок-сидную пленку (ТСО) из Sn0₂, In₂0₃ или Sn0₂+ln₂0₃ (ITO), что позво-ляет освещать элемент через стекло. Поскольку у нелегированного слоя электронная проводимость выражена слабо, барьер Шотки со-здается за счет осаждения металлических пленок с высокой работой выхода (Rt, Rh, Pd), которая обуславливает образование области по-ложительного объемного заряда (обедненного слоя) в a-Si:H.

При нанесении аморфного кремния на металлическую подложку образуется нежелательный потенциальный барьер а-Si:H/металли-ческая подложка, высоту которого необходимо уменьшать. Для это-го используют подложки из металлов с малой работой выхода (Мо, Ni, Nb). Перед нанесением аморфного кремния желательно осадить на металлической подложке тонкий слой (10-30 нм) a-Si:H, легиро-ванный фосфором. Не рекомендуется использовать в качестве ма-териалов электродов легко диффундирующие в аморфный кремний металлы (например, Аи и AI), а также Сu и Аg, поскольку a-Si:H об-ладает плохой адгезией к ним. Отметим, что U_xx солнечных элемен-тов с барьером Шотки на основе a-Si:H обычно не превышает 0,6 В.

Более высокой эффективностью обладают СЭ на основе аморф-ного кремния с р-i-n-структурой (рис.6). В этом "заслуга" рис. 6 широкой нелегированной i-области a-Si:H, поглощающей существенную до-лю света. Но возникает проблема - диффузионная длина дырок в a-Si:H очень мала (-100 нм), поэтому в солнечных элементах на ос-нове 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 полу-проводников носители заряда, имея большую диффузионную дли ну (100 - 200 мкм), достигают электродов и в отсутствие элек-трического поля. Поскольку в простом p-n-переходе в a-Si:H область сильного электрическо-го поля очень узка и диффузи-онная длина носителей заряда мала, в большей части СЭ не происходит эффективного раз-деления носителей заряда, ге-нерируемых при поглощении света. Следовательно, для полу-чения эффективных СЭ на осно-ве р-i-n-сруктуры аморфного ги-дрогенизированного кремния необходимо добиться во всей А области однородного мощного внутреннего электрического по-ля, достаточного для достижения длины дрейфа носителей, соизмеримого с размерами области по-глощения (см. рис. 6).

Данная задача решается, если при изготовлении р-i-n-структуры первым формировать р-слой (рис.7). 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 из-меняет свойства i-слоя. Формирование p-слоя на поверхности прозрачного проводящего электрода обеспечивает с ним хороший эле-ктрический контакт. Однако толщина р-слоя должна быть мала (10 нм), чтобы основная часть света поглощалась в i-области.

Используется и другая р-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, контакти-рующего с n-областью. В результате возрастает плотность тока ко-роткого замыкания благодаря отражающей способности металли-ческой подложки и меньшему оптическому поглощению света леги-рованными фосфором пленками a-Si:H (n-область) по сравнению с легированными бором р-слоями.

Проблема с применением рассмотренных р-i-n-элементов в том, что их можно оптимизировать только в одном измерении. Значительно больше возможностей в этом плане предоставляет СЭ с поперечным переходом: на изолирующей подложке перпен-дикулярно к поверхности фор-мируется р-i-n-структура a-Si:H (рис. 8). Такой СЭ не требует прозрачного проводящего окси-да в качестве контакта и широкозонного р-слоя для создания прозрачного оконного слоя, его можно изготовить посредством стандартных технологий микроэле-ктроники.

Один из наиболее перспективных материалов для создания вы-сокоэффективных солнечных батарей - арсенид галлия.

Это объ-ясняется таким его особенностями, как:

почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ши-рина 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 эф-фективностью делает этот материал чрезвычайно привлекатель-ным для использования в космических аппаратах;

относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе
GaAs;

характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфо-ром или индием дополняют характеристики GaAs, что расширя-ет 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 соста-ва. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять ге-нерацией носителей заряда, что в кремниевых СЭ ограничено до-пустимым уровнем легирования. Типичный СЭ на основе GaAs со-стоит из очень тонкого слоя AIGaAs в качестве окна.

Основной недостаток арсенида галлия - высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подлож-ках или подложках многократного использования.

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перс-пективны для солнечной энергетики.

Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного из-лучения у диселенида меди и индия (CulnSe₂) - 99 % света погло-щается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны - 1,0 эВ) [4]. Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CulnSe₂ является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CulnSe₂ увеличивает шири-ну запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства. Один из основных способов получения CulnSe₂ - электрохимиче-ское осаждение из растворов CuS0₄, ln₂(S0₄)₃ и Se0₂ в деионизо-ванной воде при соотношении компонентов Cu:ln:Se как 1:5:3 и рН =1,2-2,0.

Еще один перспективный материал для фотовольтаики - теллу-рид кадмия (СdТе). У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излуче-ния. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe с Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.

Подобно CulnSe₂, наилучшие элементы на основе CdTe включа-ют гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова ис-пользуется как позрачный контакт и просветляющее покрытие. Се-рьезная проблема на пути применения CdTe - высокое сопротив-ление 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 осно-ве CdS/CdTe - осаждение по-глощающего слоя CdTe толщи-ной 1,5-6 мкм. Для этого ис-пользуют различные способы: сублимацию/конденсацию, электрохимическое осаждение, трафаретную печать, химичес-кое осаждение из газовой фазы и распыление. Пленки СdТе, по-лученные данными методами, обладают высокой подвижностью носителей заряда, а СЭ на их ос-нове - 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 бата-реи с нижним элементом из CulnSe₂. Слои CuGaSe₂ формируют пу-тем последовательного осаждения термическим испарением тон-ких слоев Ga, Se и Си на поверхность стеклянной подложки, покры-той слоем молибдена толщиной 1 мкм . Далее из получен-ной 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 явля-ется Cu₂ZnSnS₄. Его главное достоинство в том, что входящие в не-го 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 орга-нические материалы, В частности, КПД СЭ на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок --11%. Немаловажно, что подложками в таких элементах могут вы-ступать полимерные пленки.

Основа СЭ данного типа - широкозонный полупроводник, обыч-но ТiO₂, покрытый монослоем органического красителя, как прави-ло - 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, осажден-ный на ТСО на стекле. Пространство между двумя электродами заполняют электролитом, обычно содержащим иодид/трииодид

(I-/Iз). рис. 10

Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении краси-теля и быстрой инжекции электрона в зону проводимости ТiO₂. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электри-ческий 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 спект-ра 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 толщи-ной ~1 мкм осаждают на кремниевую подложку в глубоком вакууме. Далее на слой С₆₀ наносят алюминиевые контакты. В качестве зад-него контакта используется сплав Ga_xln_y на позолоченной подложке.

Термофотовольтаическое производство электроэнергии, т.е. преобразование длинноволнового (теплового) излучения посредством фотовольтаических ячеек было открыто в 1960 году и вызыва-ет все больший интерес, особенно в связи с современными дости-жениями в области создания узкозонных полупроводников. В термофотовольтаической ячейке тепло преобразуется в электроэнергию посредством селек-тивных эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов -эрбия и иттербия. Эти вещества поглощают инфракрасное излу-чение и вновь излучают его в уз-ком энергетическом диапазоне. Излучение может быть эффек-тивно преобразовано с помо-щью фотовольтаической ячейки с соответствующей шириной за-прещенной зоны. В качестве ма-териала для фотоэлектрической ячейки более всего подходит ln_xGa_1-xAs,поскольку он позволя-ет добиться необходимой шири-ны запрещенной зоны.

В типичном многопереход-ном солнечном элементе одиночные фотоэле-менты расположены друг за дру-гом таким образом, что солнеч-ный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наиболь-шей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проника-ют в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д.

Основное направление исследований в области каскадных эле-ментов связано с использованием арсенида галлия в качестве од-ного или нескольких компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35 %. Кроме того, в каскадных элементах широко применяются аморфный кремний, сплавы на его основе (a-Si_1-xC_x:H, a-Si_1-xGe_x: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 но-сителей 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 сол-нечного спектра, сформирован из сплава на основе a-Si:H с шири-ной оптической щели 1,8 эВ. Для серединного элемента в качест-ве слоя i-типа использован сплав a-SiGe:H с содержанием германия 10-15%. Ширина оптической щели данного слоя (1,6 эВ) иде-альна для поглощения зеленой области солнечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть спектра, для этого используется i-слой a-SiGe:H с концентрацией гер-мания 40-50%. Непоглощенный свет отражается от заднего кон-такта на основе Ag/ZnO. Все три элемента каскадной солнечной батареи связаны между собой сильнолегированными слоями, образующими туннельные пере-ходы между соседними элемен-тами.

5.1. Оценка солнечного теплоснабжения в России.

Одной из наиболее технически подготовленных к внедрению технологий использования солнечной энер-гии является технология производства низкопотенци-ального тепла для отопления и горячего водоснабже-ния. Системы солнечного теплоснабжения (CCT) полу-чили достаточно широкое распространение во многих странах мира с благоприятными климатическими усло-виями (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 техни-ко-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 эко-номическая эффективность CCT и их неконкурентоспо-собность с традиционными системами теплоснабжения [13]. B России эта проблема стоит особенно остро в связи с более суровыми (по сравнению со странами, внедряю-щими CCT) климатическими условиями и относитель-ной дешевизной органического топлива.

B ряде работ [13,15,16] приведены расчетные показа-тели CCT (удельная выработка энергии, коэффициент замещения нагрузки) для климатических условий Рос-сии, однако вопросам экономической конкурентоспо-собности уделено недостаточное внимание. Цель на-стоящей работы -- оценка экономической и экологиче-ской эффективности CCT в условиях конкуренпии с традиционными энергоисточниками в широком ин-тервале изменения наиболее важных параметров: кли-матических условий и цен на органическое топливо. Поскольку эффективность CCT часто весьма сущест-венно зависит от местной специфики, сделана попытка установить лишь наиболее общие закономерности и выявить условия, при которых CCT, хотя бы в прин-ципе, могут найти применение в настоящее время и в перспективе. Поэтому рассмотрены лучшие солнеч-ные коллекторы (максимальная тепловая эффектив-ность и минимальная цена), варианты тепловой схемы с минимальными потерями, а также перспективные (на период до 2010 г.) цены на органическое топливо.

Основной энергетической характеристикой солнеч-ного коллектора является его КПД, равный отношению вырабатываемой (полезной) энергии к приходящей на его поверхность энергии солнечного излучения [17]

где F_R -- коэффициент отвода тепла из коллектора; - поглощательная способность пластины коллектора; - пропускная способность прозрачных покрытий; U_L - полный коэффициент тепловых потерь коллекто-ра, Вт/(м²*⁰C); T₁ , - температура жидкости на входе в коллектор, ⁰C; T_a - температура окружающей среды, ⁰C; I - плотность потока суммарной солнечной радиа-ции 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 Забайка-лья) и зависит в основном от годового прихода солнеч-ной радиации в данной местности на горизонтальную поверхность Q и в меньшей степени -- от распределения интенсивности радиации и температуры воздуха по ме-сяцам, 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 вы-рабатываемой энергии (отношение суммарных дискон-тированных затрат к суммарному дисконтированному отпуску энергии) [18]

,

где k -- удельные капиталовложения, дол/м²; - ко-эффициент дисконтирования; - отношение годовых эксплуатационных затрат к капиталовложению; T_L - срок службы.

Стоимость энергии представляет собой минималь-ную цену энергии CCT, при которой проект окупается к концу срока службы T_L, который составляет 10--15 лет. Такой срок окупаемости достаточно велик, особенно для частного инвестора.

Следует отметить, что поскольку CCT вырабатыва-ет энергию существенно неравномерно во времени, то для надежного и бесперебойного энергоснабжения по-требителя практически всегда должны применяться дублирующие энергоисточники, например, на органи-ческом топливе. Поэтому при сопоставлении конкури-рующих вариантов (система теплоснабжения с исполь-зованием солнечной энергии и без нее) стоимость выра-батываемой энергии нужно сравнивать с топливной составляющей Sf стоимости энергии энергоисточника на органическом топливе, т.е. критерий экономической эффективности CCT имеет следующий вид: S < Sp

Анализ удельной стоимости разрабатываемых и про-изводимых в настоящее время коллекторов [13] пока-зывает, что для зарубежных изделий она находится в ин-тервале 290...500, а отечественных -- 100...250 дол/м² . Для всей системы солнечного теплоснабжения (с учетом затрат в другие ее элементы -- трубопроводы, насосы, теплоноситель, теплообменники, бак-аккумулятор) удельные капиталовложения, приведенные к единице площади коллектора, увеличиваются, как правило, в 1,5-2раза.

Принимая достаточно оптимистическую оценку стоимости CCT k = l50 дол/м2 , а также долю эксплуата-ционных затрат д = 0,05, коэффициент дисконтирова-ния у = 0,07 1/год (для перспективных условий, предпо-лагающих экономическую стабилизацию и доступ-ность финансовых средств для инвестирования проек-та), можно определить стоимость тепловой энергии CCT, которая для климатических условий Рос-сии при сроке окупаемости проекта T0 = 3-15 лет на-ходится в диапазоне S = 2,6...9,8 цент/(кВт* ч).

При сопоставлении стоимости энергии S с топлив-ной составляющей стоимости энергии альтернативных энергоисточников SF нецелесообразно пользоваться фактическими российскими данными по стоимости то-плива вследствие их недостаточной стабильности в на-стоящее время. Более надежной и объективной их оценкой являются значения, полученные на основе оп-тимизации перспективных топливно-энергетических балансов страны для различных сценариев развития энергетики. B настоящей работе использован широкий интервал изменения цен (от цен самофинансирования до мировых) по регионам России для периода 2006- 2010гг.[19].

Достаточно распространенный способ учета эколо-гического эффекта НВИЭ -- включение в стоимость энергии, производимой альтернативным энергоисточ-ником на органическом топливе, составляющих, учи-тывающих ее «внешнюю» стоимость (ущерб, наноси-мый окружающей среде, здоровью людей, отраслям экономики и т.п.). Получаемые таким образом оценки, лежат, как правило, в очень широком интерва-ле, что затрудняет получение на их основе конкретных выводов. Другой способ - учет затрат, требуемых для обеспечения определенного уровня выбросов вредных веществ в окружающую среду. Расчеты, выпол-ненные с применением десятирегиональной модели мировой энергетической системы GEM-IOR [14], пока-зывают, что для стабилизации выбросов тепличных га-зов на уровне 1990 г. необходимы дополнительные за-траты, которые в 2025 г. изменятся (в зависимости от сценариев внешних условий развития энергетики) от 60 до 200 дол/т углерода, выбрасываемого в окру-жающую среду в виде CO2. Ориентируясь на эти значе-ния, можно приближенно оценить изменение эффек-тивности CCT при введении соответствующего налога на органическое топливо для стабилизации выбросо-тепличных газов.

B таблице представлены результаты сопоставления стоимости тепловой энергии, вырабатываемой CCT, (срок окупаемости 3-15 лет) в пяти регионах России (для последних трех рассмотрена только их южна» часть) и конкурирующими энергоисточниками -- мелкими и средними котельными или индивидуальными отопительными установками на угле, газе или мазуте, а также системами электроотопления (электроэнергию вырабатывает крупная ТЭС на угле). Цены на топливо [19] увеличены на 20 % для учета затрат на внутрире-гиональный транспорт. Интервал стоимости тепловой энергии определен без учета налога на выбросы, кроме этого установлен минимальный налог на эмиссию дву-окиси углерода, при котором CCT становятся конку-рентоспособными.

B таблице представлены результаты сопоставления стоимости тепловой энергии, вырабатываемой CCT, (срок окупаемости 3-15 лет) в пяти регионах России (для последних трех рассмотрена только их южная часть) и конкурирующими энергоисточниками -- мелкими и средними котельными или индивидуальными отопительными установками на угле, газе или мазуте, а также системами электроотопления (электроэнергию вырабатывает крупная ТЭС на угле). Цены на топливо [19] увеличены на 20 % для учета затрат на внутрире-гиональный транспорт. Интервал стоимости тепловой энергии определен без учета налога на выбросы, кроме этого установлен минимальный налог на эмиссию дву-окиси углерода, при котором CCT становятся конку-рентоспособными.



Регион	Q. МВт*ч/м2	S, цент/кВт*ч	Энергоноситель	Стоимость топ-лива, дол/т у.т.	Кпд, %	SF цент/кВт*ч	Минимальный налог, дол/т С
Центр и Северо-Запад	1,0... 1,2	3,3... 9,8	Уголь	58...84	60...70	1,0...1,7	89
			Мазут	61... 120	60...70	1,1... 2,5	69
			Газ	66...120	60...75	1,1... 2,5	92
			Электрическая	--	34...36	2,0...3,O	8
			энергия
Северный Кавказ и Нижнее Поволжье	1,2...1,4	2,6... 8,8	Уголь	49...92	60.. 70	0,9.. .1,9	40
			Мазут	55...127	60.. 70	1,0.. .2,8	0
			Газ	60...127	60.. 75	1,0... 2,6	0
			Электрическая	--	34...36	1,7.. .3,3	0
			энергия
Урал и Западная Си-бирь	1,0...1,2	3,3...9,8	Уголь	22...67	60...70	0,4...1,4	109
			Мазут	48... 106	60...70	0,8...2,2	92
			Газ	53. .. 106	60...75	0,9...2,2	125
			Электрическая	--	34...36	0,8...2,4	28
			энергия
Восточная Сибирь	1,4...1,4	2,6... 9,8	Уголь	19.. .42	60...70	0,3... 0,9	98
			Мазут	67.. .96	60...70	1,2... 2,0	51
			Газ	72... 96	60...75	1,2... 2,0	69
			Электрическая	--	34.. .36	0,6...1,5	34
			энергия
Дальний Восток	1,0...1,4	2,6... 9,8	Уголь	66... 79	60...70	1,2... 1,6	55
			Мазут	115. .. 168	60...70	2,0...3,4	0
			Газ	120.. .168	60...75	2,0...3,4	0
			Электрическая	--	34...36	2,3... 2,9	0
			энергия

5.2.Разработка и внедрение первой в районе Сочи солнечно-топливной котельной.

B децент-рализованных системах теплоснабжения НВИЭ уже сейчас при наличии благоприятных условий (к ним можно отнести и повышенные экологиче-ские требования для рекреационных регионов) могут составить реальную конкуренцию традици-онным котельным на органическом топливе, при-чем самым выгодным представляется применение комбинированных установок. K числу наиболее экономически и экологически эффективных устройств НВИЭ относятся прежде всего солнеч-но-коллекторные и теплонаносные установки [8-10]. При этом среди энергоустановок, в кото-рых выгодно использование энергии солнца, сле-дует выделить комплексы, создаваемые на базе отопительных котельных, работающих на органи-ческом топливе. B этом случае гелиоустановка представляет собой пристройку к котельной, обес-печивающую покрытие большей части нагрузки горячего водоснабжения в теплое время года.