Нанотехнологии и наноматериалы в фотоэлектрических ячейках (солнечная энергетика).

Самой актуальной проблемой современной энергетики является поиск новых альтернативных возобновляемых источников электроэнергии. На сегодняшний день в обществе крепнет убежденность в том, что энергетика будущего должна базироваться на крупномасштабном использовании солнечной энергии. Одним из основных направлением в данной области является фотоэлектричество. Это тесно связанно с такими факторами, как неограниченность запаса солнечной энергии и повышение экологической безопасности.
Хотя ископаемое топливо по-прежнему остается доминирующим источником энергии, все больше внимания уделяется технологиям сбора возобновляемой энергии, чтобы попытаться бороться с изменением климата и глобальным потеплением. Ученные считают, что к середине 21-го века запасы нефти и газа и других невозобновляемых источников энергии будут близки к истощению, а солнечная энергия способна компенсировать сокращение этих объемов. В связи с этим, выбросы в атмосферу углекислого газа существенно снизятся, что должно ускорить процесс развития экологически чистой солнечной фотоэнергетики, а это в свою очередь, приведет к снижению загрязнения среды и возможности глобального потепления.
Солнечные элементы – одна из крупнейших областей возобновляемой энергетики, где нанотехнологии оказали влияние. Наноматериалы используются для улучшения характеристик поглощения, разделения зарядов, транспорта электронов и эффективности преобразования энергии солнечных элементов. Наноматериалы также используются в качестве покрытий для защиты различных солнечных модулей от скопления пыли и мусора на обращенной к солнцу поверхности.
Превосходные электронные свойства и свойства переносчиков заряда ряда наноматериалов были использованы для улучшения полупроводниковых фотоэлектрических переходов солнечных элементов. Аналогичным образом, несмотря на свой размер, многие наноматериалы (особенно неорганические) обладают высокой устойчивостью к термическому, фото- и химическому разложению, поэтому из них получаются отличные барьерные покрытия для защиты солнечных элементов.
Наноматериалы также лежат в основе многих тонкопленочных солнечных элементов, появившихся в последние годы, включая печатные, свертываемые и гибкие солнечные элементы. Наноматериалы единственный класс материалов, которые достаточно прочны, чтобы их можно было добавлять в гибкие полимеры и сгибать, но при этом обладают электронными свойствами, достаточно хорошими для функционирования устройств.
Есть много областей, где нанотехнологии создают инновационные солнечные элементы, и не только на академическом уровне. Количество используемых типов ежегодно увеличивается с точки зрения используемых материалов. Сюда входят квантовые точки, нанопроволоки, наноструктурированные поверхности на более объемных материалах, графен и 2D-материалы, а в последнее время – тонкопленочные перовскитные материалы.













1. Фотоэлектрические преобразователи

Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) являются наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для трансформации солнечной энергии в электрическую. Принцип их работы базируется на том, что при падении на поверхность некоторых тел световые лучи передают долю своей энергии электронам, переводя их с одних электронных уровней на другие. В результате электроны выходят на поверхность или переходят в свободное состояние.
Предельный теоретический КПД ФЭП более 90 %, при температуре порядка 300-350 К. Это означает, что, вполне реально удастся поднять практический КПД до 50% и более, в результате оптимизации структуры и параметров, направленной на снижение необратимых потерь энергии [1].
Теоретические исследования и практические разработки, подтверждают возможность получения высоких значений КПД для фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии.
Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Специальные структурные характеристики ФЭП могут быть получены легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n-переходов) или созданием гетеропереходов, путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны, или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны. Также неоднородность структуры в полупроводниках может достигаться с помощью различных комбинаций перечисленных способов. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость, характеризующаяся явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом [2]
Фотоэлектронные преобразователи с p-n- переходом широко применяются в современной солнечной и космической энергетике. Рассмотрим принцип их работы. Электронно-дырочный переход создаётся путём легирования пластинки монокристаллического полупроводникового материала с определённым типом проводимости примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Концентрация легирующей примеси в этом слое должна значительно превышать, концентрацию примеси в базовом материале, чтобы нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного знака. У границы n-и p- слоёв образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным положительным зарядом в n-слое и отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход. Возникшая на переходе контактная разность потенциалов препятствует прохождению основных носителей заряда. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность возникновения фото-ЭДС при взаимодействии с солнечным светом.
Созданные светом в обоих слоях ФЭП неравновесные носители заряда разделяются на неосновные и основные. Неосновные носители свободно проходят через переход , а основные задерживаются. Таким образом, под действием солнечного излучения через p-n-переход в обоих направлениях будет протекать ток неравновесных неосновных носителей заряда- фотоэлектронов и фотодырок, что как раз и нужно для работы ФЭП. Если теперь замкнуть внешнюю цепь, то электроны из n-слоя, совершив работу при нагрузке, будут возвращаться в p-слой и там рекомбинировать с дырками, движущимися внутри ФЭП в противоположном направлении (Рисунок 1)[1].

Рисунок 1 - Зонная модель p-n-перехода: а) - в начальный момент освещения; б) - изменение зонной модели под действием постоянного освещения и возникновение фото-ЭДС.

Максимальное значение фото-ЭДС определяется, в основном, шириной запрещенной зоны ???????? того или иного полупроводникового вещества: величина фото-ЭДС тем больше, чем больше ????????. Максимальное значение фото-ЭДС не может быть больше ????????.

2. Классификация фотоэлементов

Наиболее совершенными из существующих в настоящее время фотоэлектрических преобразователей являются кремниевые. Выбор кремния в качестве исходного материала обусловлен рядом факторов. Во-первых, кремний является распространенным элементом на Земле и производство его относительно хорошо освоено. Во-вторых, как показывает теория, для солнечного спектра наибольшая выходная электрическая мощность получается у фотопреобразователей, изготовленных из тех полупроводников, ширина запрещенной зоны которых лежит в пределах 1 -1,5 Эв. В-третьих, кремниевые фотопреобразователи весьма подходят, для использования солнечного излучения по своей спектральной чувствительности. В-четвертых, по сравнению, например, с германиевыми приборами, кремниевые менее чувствительны к температурным колебаниям. Наконец, кремний позволяет достигнуть минимальных потерь на отражение [2, 3].
По типу рабочего фотоэлектрического слоя солнечные батареи разделяются на такие разновидности:

2.1. Солнечные элементы на основе монокристаллического кремния

Монокристаллические кремниевые солнечные элементы производятся из кремниевых пластин 0,3 мм толщины путём их легирования донорными и акцепторными примесями. Путем направленного химического травления поверхностям придают антиотражающие свойства. По внешнему виду монокристаллический солнечный элемент представляет собой однородную поверхность тёмного цвета со скруглёнными краями (Рисунок 2). Скруглённые углы связаны с тем, что при выращивании монокристаллического кремния були имеют цилиндрические формы. Поверхность пластин является однородной по причине того, что такой элемент состоит из одного выращенного цельного кристалла кремния [4].


Рисунок 2 – Фотоэлемент на основе монокристаллического кремния
Существует несколько типов конструкции монокристаллических солнечных элементов, отличающихся способом формирования, структурой и расположением контактов (Рисунок 3).


Рисунок 3– Различные типы солнечных элементов на основе монокристаллического кремния: а) простой p-n переход, б) металл-изолятор-n-p-структура (MINP), в) солнечный элемент с пассированным эмиттером (PESC), г) двухлицевой солнечный элемент, д) ст