С.В. Белан к.т.н., доцент, Н.В. Дейнеко к.т.н.

Кафедра охраны труда и техногенно-экологической безопасности Национальный университет гражданской защиты Украины

ТЕНДЕНЦИИ СНИЖЕНИЯ СТОИМОСТИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Загрязнение окружающей среды продуктами сгорания и переработки ископаемых источников энергии, главным образом угля и ядерного топлива, является причиной ухудшения экологической обстановки на Земле. Уже при современных масштабах производства энергии возможны необратимые опасные изменения климата.

Подобными обстоятельствами определяется возрастающий интерес к возобновляемым источникам энергии, широкое использование которых в будущем не приведет к нарушению экологического баланса Земли [1,2]. Когда речь заходит об энергетике, базирующейся на возобновляемых источниках энергии (альтернативной энергетике), то в первую очередь упоминают именно солнечную энергетику. Это не удивительно: интегральный поток солнечного излучения, входящего в атмосферу Земли, составляет величину около 2·10¹⁷ Вт. В то время как суммарная установленная мощность всех электростанций мира не превышает 3·10¹² Вт, т.е. почти в 100 тысяч раз меньше.

Среди основных преимуществ СЭ можно выделить следующие:

- прямое преобразование солнечной энергии в электричество;

- неограниченность запаса солнечной энергии;

- децентрализированное производство энергии, что позволяет исключить создание линий электропередач;

- отсутствие вредных выбросов в окружающую среду;

- возможность размещения на различных конструкциях строений (стены, крыши);

- высокая надѐжность;

- не имеют движущихся частей, что упрощает обслуживание, снижает стоимость и увеличивает срок службы (вероятно, он будет достигать порядка сотни лет – проблема не в самих преобразователях, а в герметизирующих материалах);

- не требуют высокой квалификации обслуживающего персонала;

- пригодны для создания установок практически любой мощности.

К основным недостаткам СЭ можно отнести:

- зависимость уровня вырабатываемой энергии от времени суток и степени освещѐнности, что требует принятия дополнительных мер для накопления электроэнергии от СЭ и ее последующего использования в темное время суток и в условиях недостаточной освещенности

- высокая себестоимость СЭ и получаемой электроэнергии.

- Исходя из перечисленных преимуществ и недостатков, можно утверждать, что уже сегодня применение солнечной энергии является экономически рентабельным в некоторых специфических областях энергетики, где необходимо производство относительно небольшого количества электроэнергии [1,3].

Однако широкое внедрение солнечной энергетики возможно лишь при существенном снижении стоимости электроэнергии, полученной за счет преобразования энергии солнечного излучения [3,4].

Наименьшую стоимость, вырабатываемой электрической энергии, демонстрируют пленочные СЭ на основе сульфида и теллурида кадмия, которые производятся в промышленных масштабах всего несколькими зарубежными компаниями. Ограничение промышленного выпуска таких СЭ, несмотря на высокую технологичность методов получения пленок сульфида и теллурида кадмия, обусловлено физико-технологическими проблемами формирования тыльных контактов к базовым слоям теллурида кадмия р-типа электропроводности. Поэтому в настоящее время максимальная эффективность экспериментальных образцов тонкопленочных поликристаллических СЭ на основе CdTe не превышает 18 %.

Эффективность работы, а также устойчивость к деградации СЭ на основе CdS/CdTe зависят от материала и способа получения тыльного контакта. При нанесении металлической пленки на поверхность слоя CdTe образуется барьер Шоттки. Поскольку электронное сродство CdTe настолько велико, то только металлы с работой выхода > 5,7 эВ образуют омические контакты. Наибольшую работу выхода имеет платина ( 5.5. эВ). Но такой материал применять экономически не целесообразно.

Поэтому традиционно в качестве тыльного контакта используется туннельный переход. Для этого на тыльной поверхности осуществляют травление CdTe для формирования избытка элементарного Te [5]. Следующим шагом является нанесение на поверхность CdTe полупроводника или полуметалла с низкой ширина запрещенной зоны в виде тонкого буферного слоя (~ 10 нм) с последующим нанесением слоя металлизации. Вся процедура повышает эффективность легирования тыльной поверхности, что способствует снижению высоты потенциального барьера контакта. Благодаря расширению акцепторного легирования уменьшается ширина барьера и происходит изменение барьера Шоттки на туннельный барьер. При этом также наблюдается снижение потенциального барьера до величины ниже 250 мВ [6].

Наиболее широко исследованными комбинациями тыльных контактов до сих пор являются Cu/Au, Cu/графит, легированный Cu ZnTe с металлизацией в виде Au или Ni, Cu/Mo. В процессе эксплуатации СЭ CdS/CdTe медь диффундирует по границам зерен в область сепарирующего барьера, что приводит к деградации СЭ.

Поэтому, с одной стороны, для получения стабильных солнечных элементов на основе CdS/CdTe необходимо избегать использования Cu в составе тыльного контакта, с другой стороны, СЭ на основе CdS/CdTe содержащие Cu остаются универсальными, поскольку, независимо от технологии формирования базового слоя они обеспечивают высокую эффективность фотоэлектрических процессов.

Список литературы

1. Sims, R.E.H. Renewable energy: a response to climate change / R.E.H. Sims // Solar Energy. – 2004. – Vol. 76, - P. 9-17.

2. Sen, Z. Solar energy in progress and future research trends / Z. Sen // Progress in Energy & Combustion Science. – 2004. – Vol. 30. – P. 367-416.

3. Gremenok, V.F. Thin film solar cells based on Cu(In,Ga)Se2 / V.F. Gremenok // Proceedings of the VI International Youth Environmental Forum “ECOBALTICA’2006”, Saint-Petersburg, 27-29 June 2006 / SPbSPU; editors: M. Fiodorov [et al]. - St.-Petersburg, 2006. - P. 24-28.

4. McNelis, B. The Photovoltaic Businees: Manufactures and Markets / B. McNelis // Series on Photoconversion of Solar Energy. - 2001. - Vol. 1. - P. 713-739.

5. Bätzner D.L. A study of the back contacts on CdTe/CdS solar cells/ D.L. Bätzner, R. Wendt, A. Romeo, H. Zogg, A.N. Tiwari // Thin Solid Films.– 2000.– V. 361-362 .– P.463-467.

6. Stollwerck G. Analysis of CdTe back contact barriers / G. Stollwerck, J. Sites // Proceedings of the 13th EU PVSEC, 1995.– P. 2020-2022.