Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
Перспективу снижения цен на кремниевые солнечные элементы можно наглядно продемонстрировать зависимостью стоимости единицы генерируемой или пиковой мощности от объема производства солнечных элементов, характеризуемого суммарной мощностью (рис. 4.28).
1960 Ш 1974 Годы I95S 1963 \№ 197!
Рис. 4.28. Зависимость стоимости единицы генерируемой пиковой мощности от объема производства солнечных элементов
1 10 10* 103 10* 105 10s 10? Объем производства, kWp
Применение солнечных элементов в электронных калькуляторах на несколько порядков снизило их стоимость (кривая с 70%-ным наклоном на рис. 4.28), однако пока не создано такого элемента, цена которого
упала бы на 6—9 порядков, т. е. до уровня, необходимого для широкого применения солнечного фотоэлектричества. Сплошной кривой на рис. 4.28 отмечены результаты, указывающие на фактическое снижение стоимости кремниевых солнечных элементов за 25-летний период, а пунктирной — перспектива снижения цен, на которую рассчитывают в результате завершения соответствующих программ, выполняемых под эгидой министерства энергетики США1. Эти программы начали финансироваться с 1972 г. и, как это следует из рис. 4.28, весьма успешно выполняются. Политика министерства энергетики США основана главным образом на стимулировании новаторских направлений, могущих привести к существенному снижению цен, и это проявляется в финансировании как фунда-метальных, так и прикладных исследований в различных областях фотоэлектрического преобразования солнечной энергии с помощью элементов как из кремния, так и из многих других, менее известных материалов. Цель зтих программ состоит в том, чтобы цена солнечных элементов обеспечила возможность широкомасштабного использования фотоэлектричества в составе общей электроэнергетической системы США на уровне около 30% к 2000 г. Это эквивалентно экономии миллиона баррелей нефти в день!
На фоне все возрастающего понимания, что энергетические и сырьевые ресурсы не неисчерпаемы, появились новые аспекты проблемы. Например, в какие сроки возвращается энергия, затрачиваемая на изготовление энергетических систем, использующих солнечные элементы (или любых других энергетических систем) [Lindmayer, 1978b]? Имеется ли достаточное количество сырья для достижения запланированного вклада в общий энергетический баланс? Ответы на эти вопросы базируются главным образом на опыте, приобретенном при производстве и использовании кремниевых солнечных элементов.
Хотя сам кремний имеется в достаточном количестве и дешев, требующиеся для очистки кремния энергия и другие сырьевые материалы приводят к его удорожанию (как это следует иэ рис. 4.2). В этой связи предприняты значительные усилия в поиске более дешевых способов очистки Si. При этом крайне важно определить ту степень очистки, которая необ-
1 Более ранние программы финансировались правительственными организациями NS1 и TRDA.
188
ходима для кремния, идущего на изготовление солнечных элементов, а именно какими примесями можно пренебречь, а какие существенно влияют на эффективность фотоэлектрического преобразования солнечной энергии [Wakefield е. а., 1975; Hill е. а., 1976; Davis е. а., 1978]. Так в результате интенсивных исследований, проведенных фирмой Dow-Corning, были выбраны 20 из 150 возможных химических реакций для производства Si [Hunt, 1975].
Цена пластин Si составляет относительно малую долю полной стоимости батареи. Поэтому другие исследования сконцентрированы на проблеме снижения себестоимости технологических процессов за счет автоматизации [Ralph, 1975], изготовления контактов методами шелкографии [Ralph, 1975; Frisson е. а., 1978] и использовании ионной имплантации с последующим лазерным отжигом для пЬлучения тонких диффузионных слоев [Kirkpatrick е. а., 1978; Muller е. а., 1978].
Из ряда исследований, посвященных выяснению влияния технологии на ценообразование, следует, что при больших масштабах производства с использованием технологий 1978-1980 гг. возможная стоимость батарей снизится [Grenon, Coleman, 1978; Carbajal, 1978]. Проведен подробный анализ ценообразования для широкомасштабного (20 МВт/год) изготовления солнечных кремниевых батарей наземного применения [Rickler е. а., 1978].
Глава 5
СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ГЕТЕРОПЕРЕХОДАМИ И ГЕТЕЮСТРУКТУРАМИ
В этой главе обсуждается критерий выбора материалов для солнечных элементов на основе гетеропереходных структур. Будет предложена количественная мера степени пригодности различных материалов для изготовления гетеропереходных пар.
Как будет показано, путем использования материалов с малым несоответствием параметров кристаллических решеток для создания изо-типного гетероперехода (т. е. гетерофазной границы раздела), в котором используется эффект окна, можно существенно снизить потери, связанные с поверхностной рекомбинацией носителей заряда в прямозонных материалах. В качестве примера подобной структуры будет рассмотрен солнечный элемент AlGaAs — GaAs, применяемый также в концентратор-ных системах. Наконец, солнечный элемент на основе структуры CdS — InP станет иллюстрацией конструкции, в которой в анизотипном переходе непосредственно используется преимущество контактирования материалов с малым несоответствием параметров решеток.
