Фотоэлемент конструкциясы мен типтері

Өндірістік күн элементерінің көп таралғаны жазық пластикалы кремнийлік элементтер. Осыған ұқсас элекменттердің басқа да конструкциялары мен типтері бар, олардың шығарылу мақсаты күн элементтерінің тиімділігін көтеру және элементтің толық бағасын арзандату арқылы өндірілетін энергия бағасын төмендеті. Бұл параграфта әр түрлі фотоэлементтер туралы қысқаша мәліметтер жазылған. (7.2 кесте).

 

Қатты дене құрылысының түрлері. Гомо-өткелдер. Егер жартылай өткізгіштің бір кристалында екі аймақтың әр түрлі өткізгіштік типтері бар немесе әр түрлі қоспа концентрациясы бар байланыс қалыптасса, гомо- өткелдер пайда болады. Жоғарыда айтылған кремнилік фотоэлементтер гомо-өткелді болып келеді. Бұндай фотоэлементтерде тыйым салынған аймақ ені тұрақты (7.21а сурет).

Гетеро-өткелдер. Екі химиляқ құрамы әр түрлі жартылай өткізгіштер байланысқан кезде пайда болады. Сондықтан, бөліну шекарасында тыйым салынған айлақ ені өзгеріп отырады. (7.21б сурет). Гетеро-өткелдерде 2 жиілікте де фотондар үлесі артады және фотондардың артық энергиясына қатысты шығындар азаяды. (hv-E_g). Тыйым салынған аймағы үлкен жартылай өткізгіштер фотоэлементтің беткі қабатында орналасады, ал ені аз жартылай өткізгіштер олардың астында орналасады.

 

Кристалдық торлардың ұштасуы талап ететін гетеро-өткелдердің пайда болуы, тек қана өсірілетін материалдың кристалдық торларының типі, бағыты және периоды сәйкес келгенде ғана мүмкін болады. Гетеро өткелді фотоэлементтерге масыл ретінде GaAs-дағы G_1-xAl_xAs (ПК-і шамамен 12%) және n-типті Si-дегі SnO₂ бола алады.

Қазіргі кездегі тыйым салынған аймақ ені бірқалыпты азаятын элементтер ұсынылуда. (сатылы тыйым салынған аймағы бар элементтер). Осындай фотоэлементтерді өндіру қиынға соғады. (Мысалы, G_1-xAl_xAs бар материал). Бұл жағдайда байланыстырудың потенциалдық айырмасы VВ төмен болады.

Тура және тура емес аймақ аралық өткелдер. Тасымалдаушылар энергияның (Е) квазиимпульске (k) тәуелділігін қарастырсақ (7.22 сурет). Егер жарықты өзіндік өзіндік жұтылу процессі өткізу аймағына өту кезінде көп өзгермесе, онда бұл тура өткел деп аталады. (hv=E_g шарты кезінде өті мүмкін). Егер өткізу аймағының түбі мен валенттілік аймақтың төбесі әр түрлі квазиимпульстерге сәйкес келсе (7.22 сурет) немесе электрон, фотон жұтумен қатар фотон шығарып немесе жұтылса өткел мүмкін болады. Бұл-тура емес өткел. Өткел шарты:

-фонон энергиясы.

 

Фанонның жұтылуы мен шығарылуының қажеттілігі тура емес өткендерді тура өткендерге қарағанда аз ықтималды етеді,сондықтан да тура емес өткелдерде жарықты жұту коэффиценті әлдеқайда аз.Сонымен,Si (тыйым салынған аймақ арқылы өту- тура емес) жұтылу көрсеткіші GaAs-қа(аймақаралық тура өткелдер) қарағанда төмен,осыған байланысты кремнийлік фотоэлементтерді үлкен қалыңдықта жасауғы тура келеді. Кемшіліктер мынаған негізделген: металл беткі қабаттағы шағылуы жоғары, және соған байланысты сәуленің түсуі кезінде шығын көп болады, сонымен қатар өту аймағында рекомбинациялық шығындар көп.

Барьер Шоттки, МЖ және МДЖ құрылымдары. Металл мен жартылайөткізіш қатынасы кезінде p-n- өткел түзіледі.(7-21 в –сурет). Металл жұқа пленка түрінде негізгі материалды сақталуы мүмкін болғандықтан, конструкциясының қарапайымдылығы мұндай схеманың артықшылығы болып саналады.

Өндіру процессі кезінде металл мен жартылайөткізгіш арасында құрылатын оксидтің жұқа оқшаулағыш қабатының пайда болуын болдырмау қиынға соғады. Бұл оқшауланған қабат рекомбинация беттерін басады, сондықтан, оның қалыңдығын реттеу арқылы сипаттамалры жақсы фотоэлементтерді алуға болады. (металл-оксид-жартылай өткізгіш (МОЖ) немесе металл-диэлектрлік-жартылай өткізгіш (МДЖ) 7.21г суреті)

Поликристалдық элементтер. Қазіргі кезге дейінгі фотоэлементтің негізгі элементі болып монокристал саналған. Оларды (монокристалдар) қолдану міндетті емес және поликристаллдарды қолдансақ, онда элементтің бағасын түсіруге болады. Бірақ кристалдық дәндер арасында шекара болуы электрондар мен кемтіктердің рекомбинациясының күшеюіне әкеледі, сондықтан, монокристалдарға қарағанда поликристалдар тиімділікпен сипатталады.

Поликристалды фотоэлементтерді қатты дененің қасиеттерін өзгерте алатын жұқа пленкаларды жасауға арналған техника көмегімен алуға болады.

Аморфты элементтер. Аморфты материалды бұл жақын ретпен сипатталатын қатты заттар. Жартылай өткізгіш болып саналатын элементтер мысалға кремний, қарапайым жағдайда аморфты күйде Жартылай өткізгіш қасиеттермен иемдене алада. Олардың салыстырмалы кедергісі кристалдық элементтердегідей болуы мүмкін және қоспаларды қосу арқылы өткізгіштікті реттеу мүмкін. Бірақ құрылымның аморфты болу электрондар мен кемтіктер үшінқақпан ретінде болатын қанықпаған «бос» химиялық байланыстардың пайда болуына әкеледі. Материалдар сутегі көп жерде өндіру бұндай байланыстардың санын азайтуға мүмкіндік береді.

Аморфты фотоэлементтерді жаңарту оның пайдалы әсерін 10%-ға дейін көтеруге және арзан конструкцияларды алуға мүмкіндік береді.

Сұйық беткі кабат. Күн элементінің бастапқы беті болып электролит бола алады. Артықшылығы да болып: потенциалды жақсы электрлік байланыс және сұйықтықта энергияны жинау қолданатын химиялық өзгерістердің болу мүмкіншілігі табылады. Кемшіліктеріне қолданудағы қиыншылықтар, төмен пайдалы әсері және тез ластануы кіреді.

Органикалық материалдар. Көміртек негізіндей органикалық материалдар жартылайөткізгіштік қасиеттермен иемдене алады. Көміртегі периодтық жүйеде кремниймен бірге бір топта орналасқан, бірақ өзі жартылайөткізгіш емес. Органикалық химияның көп мәлетті болуы және органикалық материалдардың салыстармалы арзандығы бұл саладағы дамуды қызықты қылып болдырады. Органикалық материалда негізделген фотоэлементтің ПӘК-і 1%-ға тең, бірақ заманауи мәлімет бойынша бұл көрсеткіш 10%-ға дейін жеткізуі мүмкін.

Аралық өткелдерді қолдану (фосфорлар). Фотоэлементтің бастапқы беті тыйым салынған аймақтың енінен көп энергияны (hv>>E_g) жұта алатын флуоренциерлік немесе фосфорицерлік қабаттың қапталуы мүмкін. Энергиялары болатын өтірік (эмитация) фотондар активті түрде жұтылады. Бастапқы фотондар энергиясының артық мөлшері (hv₁-hv₂) беткі қабатта шашырайды. Осыған ұқсас басқа идеялар айтылған мысалы: екі активті фотонды жіберу немесе активті фотонды жұту. Өндірістік өнімдерді жасау үшін бұл иедялар әлі қолданылмайды.

Фотоэлементке арналған жабдықтар. 7.2 кестеде күн элементтеріне қажет жабдықтардың негізгі мінездемесі көрсетілген, және де фотоэлементтегі кейбір р- n ауысудың параметрлері берілген.Ең көп өндірістік қолданыста-кремний.Сонымен қатар, күн элементтерін өндіріс үшін CaAs және CdS үлкен мән бар.

Галий арсениді (СаAs). Бұл жартылай өткел материал.Оның ені =1,43 эВ. Бұндай тиым салынған аймақтың ені оптималды (1,5 эВ), күн элементінің АМ1 сәулеленуінің жағдайында жетеді.Теориялық тұрғыдан алғанда СаAs элеметінің эффективтілігі 25%-ға жетеді.Оның ПӘК-і шамамен 16%. Жұтылу көрсеткіші қабаттардың нақтылы қадағалауын талап етеді.

Кадмий сульфиді (CdS).Егер кадмий сульфидін пайдаланған жағдайда, онда фотоэлементтер ваккумды жұқа пленкадан құрастырылады. CdS-тің төменгі қабаты р-типті, ал S-тан n-титпті қабат- химиялық улаудан кейін пайда болады. n және р қабаттарының арасындағы шекара ол- гетеропереход.Өкінішке орай ол, CdS-тан Си ионының диффузиясы әсерінен тез сынады.

Құрастыру тәсілдері. Құрамындағы элементтер. Мұндай элементтер,тиым салынған аймақ енінің азайуына алып келетін p-n өткелінің жиынтығы.

Көп өткелді көлденең элемент.

А) жүйелі байланыс.Бір колоннан жүйелі түрде 100-ге дейін сәйкес p-n өткел байланысады.Жарық өткелдің жанынан өтеді,сондықтан шыққандағы мәнінің әр түрлілігін, өткелдің жүйелі радиациалы өткелмен анықталады.

Б) параллель байланыс. Бұл жағдайда,элемент негізіне тор түрінде дайындалады.Өткел аймағында фотон, эффективті жұтылады.(7.3 сурет, б)

 

Жұқа пленкалы эффект. Дәстүрлі кремнийлі элементтің негізгі кемшілігі, ол монокристалдарды өсірудің қымбат тұруы.Кремний, жоғары қайнау температурасына ие (2620 С) және де бу күйінде химиялық өте белсенді. Булану кезіндегі жұқа пленканың бүрку (напыление) үшін, оған жоғары ваккум қажет (р<1.3 * Па), ауаны жою үшін, кремний ең тиімді жабдық болып табылмайды. Сонда да газ тәріздес SiH4, кремний электрлі босату байланысы аморфты бүрку мүмкін.

Ваккумды бүркудің басқа да жолдары бар.

Ең көп тараған жұқа фотоэлемент болып, CdS негізіндегі элемен болып табылады.Болашақта мұндай элементтердің өндірістік құрастырылуы әбден мүмкін.

Шағылдырушы немесе текстуралық беттер. Күн элементінің алдыңғы беті, шағылған сәуле өзіне қайтып келетіндей құрастырылуы мүмкін.(7.18 сурет). Кейбір жүйелер механикалық жолмен, ал басқалары химиялық улау нәтижесінде құрастырылуы мүмкін.

 

Қосалқы жүйелер. Концентраторлар.Күн элементінің активті материалы құрылғының ең қымбат компоненті болып табылады. Оны тиімді қолдану үшін келетін сәулелерді концентраттық жүйелер арқылы беткі қабатында жинайды (7.24 сурет). Активті және пассивті суыту арқылы оның температурасы қоршаған ортаның температурасымен теңестірсе, онда радциялық отынды үлкейткен кезде оның сипаттамалары нашарлайды. Активті суыту кезінде алынатын жылуды жүйенің толық энергитикалық эффективтілігін көбейту үшін қолдануға болады.

Х-концетрация коэффициенті концентратордың кіру температурасының қабылдағыштың беткі қабатының аудадына қатынасымен табылады. Бұл геометриялық фактор контентрацияның 80-90%-на жетеді. Күнге қарамайтын Х-і аз жүйелер тура және диффузиялық сәулеленуді көреді. Х-і жоғары жүйелер тек күнге бағытталуы керек, өйткені олар бағытталған сәулелер ағыны жоғары кезде ғана жұмыс істейді. 70%-дан жоғары.

 

Линзаларда (Френельдің жалпақ линзалары), айналарда, толық ішкі шағылудың призмаларында негізделген көптеген концентрациялық жүйелер бар.

Спектрге ыдырау. Керек жиілікті алу үшін тыйым салынған аймақтың ені көбейетін күн элементін күн спектры бойымен орналастыруға болады. Бұл тәсілді қолдану арқылы фотондар энергияның тыйым салынған аймақтың еніне келмеуінен алынатын шығындарды (шамамен 50%) азайтуға болады.

Термофотоэлементтер. Күн сәулелері температураға байланысты оларды шоғырландырылған Х-і жоғары жұтатын бетте жинауы мүмкін. Лабораториялық жүйелерде ПӘК 40%-ға дейін жеткізілді.