/
КонтактыО проекте Блог
Galaktika

Вход | Регистрация


Запомнить меня
Забыли пароль?

 

  ПОИСК


 
 

 

Экономика высоких технологий /  Прогнозы на будущее /  Перспективные разработки, гипотезы, инновации /  Наземные и космические фотоэлектрические преобразователи  

Наземные и космические фотоэлектрические преобразователи

Наземные  солнечные  фотоэлектрические  установки с  концентраторами  излучения

Эффективное использование солнечной энергии в интересах широкого развития экологически чистой электроэнергетики возможно лишь в случае применения достаточно мощных солнечных фотоэлектрических установок, имеющих высокий КПД и относительно низкую стоимость.  Эти противоречивые требования могут быть успешно удовлетворены при создании установок с концентраторами солнечного излучения и высокоэффективными гетероструктурными фотопреобразователями на основе арсенида галлия. В качестве концентраторов при этом целесообразно использовать дешевые плоские линзы Френеля, объединенные в многоэлементные блоки, КПД которых может достигать 85-90%.

Оптимальная степень концентрации солнечного излучения в таких установках для наземных условий применения составляет 400-800. Это позволяет примерно в такое же количество раз уменьшить площадь полупроводниковых солнечных элементов (СЭ), необходимую для выработки заданной электрической мощности, по сравнению с плоскими солнечными батареями, преобразующими неконцентрированное солнечное  излучение, и дает возможность использовать дорогие высокоэффективные СЭ на основе арсенида галлия без увеличения стоимости установки.

Концентрирование солнечного излучения позволяет, кроме того, повысить КПД гетероструктурных СЭ до 25% и более в однопереходных элементах и до 35% - в каскадных. При таких значениях КПД и непрерывном слежении за Солнцем, необходимом при использовании концентраторов, удельный энергосъем с единицы площади лучевоспринимающей поверхности установки будет в 2-3 раза выше по сравнению с неподвижными плоскими кремниевыми солнечными батареями(СБ). Соответственно меньше будут общая площадь и масса установок с концентраторами, расход материалов и объем работ, связанных с их созданием и монтажом.
Все это в сочетании с малой требуемой площадью полупроводниковых фотопреобразователей и невысокой ценой линзовых концентраторов позволяет снизить стоимость единицы установленной электрической мощности фотоэлектрических установок с концентраторами до 1-2 $/Вт и менее, в то время как для современных плоских кремниевых СБ она достигает 4-5 $/Вт.

Указанные обстоятельства определяют целесообразность и перспективность развития работ по созданию солнечных фотоэлектрических установок с концентраторами излучения, которые успешно проводятся в настоящее время во многих странах (США, Германия и др.). Суммарная мощность таких установок изготовленных по индивидуальным  проектам, составляет уже сотни киловатт при единичной мощности от 1 до 10 кВт и более.

В ФТИ им. А.Ф.Иоффе накоплен значительный опыт исследований и разработок в области фотоэлектрических установок с концентраторами излучения на основе гетероструктурных солнечных элементов из арсенида галлия. Созданы СЭ с гетероструктурой AlGaAs/GaAs (А.С.№344781) и разработан оригинальный метод жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) для их производства (А.С.№460826), а также имеется множество "know-how". Это позволяет говорить о возможности достаточно быстрого и успешного  развития работ в этом направлении на основе имеющегося многолетнего опыта.

За последние годы в ФТИ были изготовлены однопереходные AlGaAs/GaAs СЭ с КПД около 25% (АМ1,5) и механически состыкованные каскадные СЭ на основе AlGaAs/GaAs - InP/InGaAs - (или GaSb) с КПД до 30% (АМ1,5) при стократной концентрации солнечного излучения. В результате проведенных исследований и разработок были созданы фотоэлектрические модули с 16, 24 и 48 элементными линзовыми блоками и гетероструктурными AlGaAs/GaAs солнечными элементами, которые успешно прошли все виды лабораторных и натурных испытаний в наземных условиях, подтвердившие работоспособность модулей и их проектные характеристики.

В настоящее время имеются все условия для того, чтобы приступить к промышленному освоению солнечных фотоэлектрических установок модульного типа мощностью 1-5 кВт с концентраторами на основе линз Френеля и гетеропереходными AlGaAs/GaAs солнечными элементами.

 

Образцы фотоэлектрических модулей с концентраторами излучения

Экспериментальная солнечная фотоэлектрическая установка с концентраторными модулями различной конструкции, установленными на раме следящей системы.


Космические фотоэлектрические преобразователи
и солнечные батареи

Повышение требований к бортовым системам космических аппаратов (КА) приводит к необходимости создания солнечных батарей (СБ), обладающих более высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками с увеличенным ресурсом работы. Наиболее перспективным путем решения этих задач является создание СБ на основе гетероструктрных фотоэлектрических преобразователей из арсенида галлия и родственных ему соединений А3B5.

Солнечные фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на основе GaInP/AlGaAs/GaAs гетероструктур обеспечивают существенное увеличение КПД, удельного энергосъема и радиационной стойкости космических СБ по сравнению с батареями на основе кремния.

Преимущества гетероструктурных ФЭП и СБ

Гетероструктурные ФЭП обеспечивают:

  • Большее значение КПД, достигающее в условиях космоса величины до 25% в ФЭП с одним р-п переходом в GaAs и до 30% в каскадных ФЭП. 
  • Улучшение радиационной стойкости, обеспечивающее увеличение срока эксплуата-ции СБ до 15 лет на геостационарных орбитах.
  • Возможность работы при высоких степенях концентрирования солнечного излучения при одновременном повышении КПД до значений 30-35%.

За последние десятилетия накоплен большой отечественный и зарубежный опыт экс-плуатации космических ФЭП и СБ на основе GaAs и соединений А3B5. Показано, что GaAs-ФЭП обеспечивают увеличение КПД, удельного энергосъема, радиационной стойкости и других параметров по сравнению с кремниевыми СБ. Это достигается за счет уменьшения толщины щирокозонного "окна" до нескольких сот ангстрем, улучшения параметров мате-риала активной области, создания тыльных потенциальных барьеров и встроенных полей, создания встроенного Брэгговского зеркала.

ФЭП на инородных подложках


Весьма важными являются работы по получению соединений А3B5 на инородных подложках, в первую очередь, по изготовлению GaAs ФЭП на германиевых подложках. Основными преимуществами замены GaAs-подложки на германиевую в ФЭП являются:
- снижение стоимости ФЭП за счет меньшей стоимости Ge при толщине слоев GaAs порядка 5 мкм;
- улучшение механической прочности ФЭП и, как следствие этого, возможность уменьшения толщины структур и увеличения удельного (на единицу веса) энергосъема в солнечных батареях;
- увеличение площади единичных ФЭП и увеличение производительности технологии за счет возможности использования Ge-подложек размером до 200см2;
- возможность повышения КПД путем создания каскадных ФЭП с широкозонным эле-ментом в GaAs и узкозонным в Ge.


Тонкопленочные ФЭП


Большой коэффициент поглощения солнечного излучения в арсениде галлия позволяет сохранить высокий КПД при уменьшении толщины структуры ФЭП до величины менее 10 мкм, что обеспечивает снижение более чем на порядок расхода арсенида галлия и, как след-ствие этого, снижение в 2-3 раза веса солнечных батарей. В таких тонкопленочных ФЭП с толщиной активной области порядка 5 мкм возможно достижение высокой двусторонней чувствительности и повышение на 20-25% энергосъема в космосе за счет использования аль-бедо Земли.

Радиационная стойкость


Гетероструктурные ФЭП наряду с повышением эффективности обеспечивают также улучшение радиационной стойкости, что приблизительно в 2 раза увеличивает ресурс рабо-ты космических СБ.

Как показали многолетние исследования по деградации космических СБ под действием радиационного облучения, степень деградации существенно зависит от параметров орбиты космического аппарата (КА). Для низкоорбитальных КА (770 км) деградация СБ на основе кремния и гетероструктур GaAs-GaAlAs составляет соответственно 15% и 5% в течение 5 лет пребывания КА на орбите. Для КА на геостационарных орбитах деградация составляет 31% (Si) и 16% (GaAs) в течение 15 лет пребывания на орбите. Для радиационно-опасных орбит (7400 км при угле наклона 50°), деградация оставляет 49% (Si) и 22% (GaAs) в течение 5 лет пребывания на орбите. Поэтому применение для энергоснабжения КА батарей на основе GaAs гетероструктур дает значительный экономический эффект по сравнению с СБ на осно-ве кремния, несмотря на более высокую стоимость таких СБ.
Чрезвычайно важным преимуществом GaAs гетероструктурных ФЭП является их спо-собность эффективно преобразовывать 100-1000-кратно концентрированное солнечное излу-чение. Это позволяет снизить расход GaAs полупроводниковых материалов пропорционально степени концентрирования и, следовательно, существенно снизить стоимость "солнечной" электроэнергии. Дополнительными преимуществами при переходе к концентраторным СБ в космосе являются:

  • возможность организации защиты фотопреобразователя элементами конструкции концентрирующей системы от ионизирующих излучений; 
  • возможность выбора теплового режима ФЭП, обеспечивающего термический отжиг радиационных дефектов;
  • улучшение радиационной стойкости ФЭП, работающих при повышенной плотности фототока, за счет фотонного и инжекционного "отжига" радиационных дефектов.

В каскадных ФЭП может быть достигнуто существенное увеличение КПД до 25-27% (АМО, 1 солнце) и до значений порядка 30-35% при концентрированном облучении. При этом наиболее перспективными являются следующие комбинации:

  • арсенид галлия в качестве материала узкозонного элемента и твердые растворы AlgGaAs или GаInР в качестве материала широкознного элемента (двухкаскадные элементы);
  • германий в качестве узкозонного элемента, GaAs и Ga InAs в качестве материалов второго и третьего каскадов (трехкаскадные элементы).

Указанные комбинации материалов необходимой толщины в монолитной гетероструктуре могут быть выращены в настоящее время только методом газофазной эпитаксии из ме-талло-органических и гидридных соединений (метод фотопреобразователей на основе мате-риалов с малой шириной запрещенной зоны Е =0.6-0.75 эВ) и созданию эффективных излучателей с рабочей температурой 1000-1500°С. Наиболее перспективными для этой цели яв-ляются гетероструктуры на основе антимонида галлия (Е =0.7эВ), твердых растворов галлий-индий-сурьма-мышьяк (Е =0.5-0.6 эВ) и галлий-индий-мышьяк (Е =0.75 эВ). ФЭП на основе данных материалов обеспечивают эффективность термофотоэлектрического преобразования, превышающую 20% при температурах излучателя 1300-1500°С.

За последние годы в ФТИ им.А.Ф.Иоффе созданы AlGaAs/GaAs солнечные элементы, в которых благодаря улучшенной фоточувствительности в "фиолетовой" области спектра достигнуты значения КПД 23-25% (АМО, Кд=20-100 "солнц"), близкие к теоретическому пределу для ФЭП с одним р-п переходом. Добавление к этим ФЭП узкозонных материалов на основе InP/InGaAs и AlGaSb/GaSb гетероструктур позволило создать механически стыко-ванные каскадные ФЭП с КПД до 28% при 20-100 "солнцах".

Были разработаны ФЭП в системе GaAs/AlGaAs со встроенным Брэгговским зерка-лом, которое используется как оптический отражатель излучения длинноволновой области спектра и как встроенный потенциальный барьер. На основе структур с Брэгговским зекралом и тонким базовым слоем n-GaAs были изготовлены солнечные элементы для преобразования концентрированного солнечного излучения с эффективностью 23.4% (АМО) и 27.2% (AM 1.5). Наличие Брэгговского отражателя в структуре обеспечило значительное увеличение радиационной стойкости ФЭП. Часть длинноволнового излучения, оптически отражаясь от Брэгговского зеркала, поглощается вблизи области объемного заряда р-п перехода. Поэтому большинство носителей заряда генерируется при поглощении длинноволновых фотонов вблизи области объемного заряда и разделяется полем р-п перехода. Снижение диффузионной длины в слое n-GaAs при облучении высокоэнергетическими частицами компенсируется за счет поглощения переотраженной части длинноволнового света вблизи области р-п перехода. В структурах ФЭП с Брэгговским зеркалом деградация тока короткого замыкания при облучении быстрыми электронами приблизительно в 1.5 раза меньше, чем в обычных структурах ФЭП. Методом МОС-гидридной эпитаксии в ФТИ были созданы ФЭП с Брегговским зеркалом, имеющие не только высокую эффективность, но и повышенную радиационную стойкость, что позволит создавать на их основе космические СБ с повышенным ресурсом работы.


« Назад

Хиты

В России начались испытания аппарата «Луна-25»
В России начались испытания аппарата «Луна-25»
Российские специалисты начали испытания аппарата «Луна-25» («Луна-Глоб»), который в 2019 году должен приступить к изучению спутника Земли. Об этом в ходе выставки Paris Air Show-2015 в Ле-Бурже РИА Новости сообщил представитель «Объединения имени Лавочкина», представившего там макет аппарата. 
Первый в истории частный спутник на солнечном парусе вышел на орбиту
Первый в истории частный спутник на солнечном парусе вышел на орбиту
Разработан и построен он был на деньги некоммерческого Планетарного общества США, объединяющего энтузиастов исследования дальнего космоса. 
Роскосмос отложил оглашение результатов расследования аварии «Прогресса»
Роскосмос отложил оглашение результатов расследования аварии «Прогресса»
Роскосмос продлил на неопределенный срок работу комиссии по расследованию причин произошедшей 28 апреля 2015 года аварии транспортного грузового корабля (ТГК) «Прогресс М-27М».