Shotki baryeri asosidagi fotoelementlar Getero strukturali fotoelementlar

1.4 - rasm. Plyonkali quyosh elementi.

II bob Fotoelementlar samaradorligining nazariy chegaralari.

2. Fotoelementlar: muqobil qurilmalar tushunchasi
Quyosh batareyasining umumiy tushunchasi oddiy. Elektron quyosh nurlanishidan qo'zg'alishi kerak va keyin olingan energiyani butunlay yo'qotmasdan oldin uni anodga yig'ish kerak. Keyin elektron katoddan Panel ichiga EF Fermi darajasidan past energiya bilan qayta yuboriladi. Elektronning energiya farqi (uning to'plangan anoddagi energiyasi va uni qayta yuborilgan katoddagi energiya o'rtasidagi) ishni bajarish uchun ishlatiladi (elektr, kuchlanish vaqti oqim). Panel shunday loyihalashtirilgan bo'lishi kerakki, yig'ish joyi (yuqori energiya) tashuvchilarni in'ektsiya joyiga (past energiya) etkazib bera olmaydi, chunki bu g'alayonlangan elektronning energiyasini behuda sarflashga olib keladi. Kontseptsiya sxematik tarzda 2.1-rasmda keltirilgan.

2.1-rasm. Quyosh batareyasining ishlashi haqida umumiy tushuncha.
Kontseptsiyaga ko'ra, yarimo'tkazgichlar fotoelement effektni amalga oshirish uchun muhim emas, ammo ular hozirda barcha quyosh batareyalarida qo'llaniladi. Bo'yoq sezgir quyosh panellari (DSSC) da yarim o'tkazgichlar (ya'ni ZnO va TiO2) yarim o'tkazuvchanlik xususiyatlari tufayli ishlatilmaydi; ular faqat elektron tashuvchi va teshik bloker sifatida ishlatiladi. Biroq, yarimo'tkazgichlardan foydalanish hozirda g'alayonlangan elektron tomonidan olingan barcha energiyani yo'qotishning oldini olishning eng qulay usuli hisoblanadi. Amalda energiya olishni ta'minlashning ikkita mumkin bo'lgan usuli mavjud; ya'ni yarimo'tkazgichlardagi energiya bo'shlig'i (Masalan), 2.2-rasmda ko'rsatilgandek juda tez yig'ish orqali. Yarimo'tkazgichda g'alayonlangan tashuvchilar o'tkazuvchanlik va valent zonasining chetiga qaytib bo'shashadi.

2.2-rasm. Energiyani to'liq yo'qotishdan oldin olishni ta'minlashning amaliy usullari. Chapda, yarimo'tkazgichlardagi bo'shliq qo'zg'atilgan elektronning dastlabki quyi energiya holatiga qaytishiga to'sqinlik qiladi. O'ng tomonda, qo'zg'atilgan elektronni rekombinatsiya qilishdan oldin (jigarrang kavisli strelka) elektron tashuvchi qatlamga in'ektsiya yo'li bilan (yashil kavisli o'q) juda tez yig'ish mumkin. (Ushbu rasm sarlavhasidagi rangga havolalarni izohlash uchun o'quvchi ushbu maqolaning veb-versiyasiga havola qilinadi.)
Fotoelement effekt taxminan ikki asr davomida ma'lum bo'lgan. 1839 yilda Bekkerel elektrolitik Panellar ustida ishlaganda ta'sirni tasodifan kuzatdi . Birinchi qattiq Panel 1876 yilda Adams va Day tomonidan selendan foydalangan holda yaratilgan . Keyinchalik asrda FE patentlari to'plami paydo bo'ldi . Keyinchalik bu mavzu bo'yicha ko'proq harakatlar amalga oshirildi; ammo, samaradorlik juda kichik bo'lib qolmoqda. Amaliy amalga oshirishga 1950 yilda, Bell Labs da 6% Si quyosh paneli ishlab chiqarilgan va keyin kosmik ilovalar uchun ishlatilganda erishilgan. O'sha paytda ish asosan an'anaviy yarimo'tkazgichlarga asoslangan edi va asosan kontseptsiyani isbotlash edi. 1960 yilga kelib, 14% samarali Si quyosh panellari ishlab chiqarildi [30]; ammo, Bu juda qimmat va tijorat daromadli emas edi. Shunday qilib, xarajatlarni kamaytirish zarurati ikkinchi avlod quyosh batareyalariga olib keladi.
Ikkinchi avlod quyosh batareyalaridagi ish 1960-yillarning boshlarida boshlangan bo'lib, maqsad samaradorlikni pasaytirish savdosida quyosh batareyalarini ishlab chiqarish xarajatlarini kamaytirish edi. Eng ko'p o'rganilgan yo'nalishlardan biri muqobil yarimo'tkazgichli absorberlardan foydalanish edi. O'nlab yarim o'tkazgichlar o'rganildi va o'sha davrning eng ko'zga ko'ringan quyosh panellari CdTe va Cu(InGa)Se2 (CIGS) ga asoslanganlar edi. ), ular yupqa plyonkali Panellardir. Ularning joriy rekord samaradorligi CdTe uchun 20,4% va CIGS [38] uchun 20,8% ni tashkil qiladi. Xuddi shu davrda Si asosidagi Panel sezilarli darajada yaxshilandi va uning joriy samaradorligi 25% ni tashkil etdi, bu nazariy chegaradan 8% ga kamdir . Ko'proq cheklangan amaliy taxminlar bilan ba'zi puxta nazariy tahlillar chegara olingan samaradorlikdan unchalik uzoq emasligini ko'rsatdi .
Hozirda biz uchinchi avlod quyosh paneli bosqichida turibmiz. Ushbu bosqichning asosiy maqsadi Panel ishlab chiqarish xarajatlarini kamaytirish va samaradorlikni Shockley va Queisser chegarasidan yuqoriga ko'tarish orqali quyosh batareyalarining elektr energiyasini ishlab chiqarish tannarxini tijorat nuqtai nazaridan raqobatbardosh qilishdir . Rivojlanishlar ko'plab yo'nalishlarni oldi, ularni turli shakllarda tasniflash mumkin. Ushbu maqolada biz ularni qurilma tushunchasi asosida tasniflaymiz, chunki bu keyinchalik nazariy chegaralarni tahlil qilish uchun ishlatiladi. Har bir toifada ba'zi faol tadqiqot yo'nalishlari qisqacha taqdim etiladi. An'anaviy materiallarni qayta ishlashga qaratilgan tadqiqot faoliyati ko'rib chiqilmaydi.
2.1. Yagona ulanish qurilmalari
2.1.1. Muqobil noorganik materiallar
Kontseptsiyaga ko'ra, ko'plab noorganik yarim o'tkazgichlar samarali quyosh batareyalarini yaratish uchun zarur bo'lgan jismoniy xususiyatlarga ega . Biroq ularning bir nechtasi keng qamrovli tadqiq qilingan . Bu hudud 1970-yillarda juda faol boʻlgan va 1980-yillarning oxirida soʻnib ketgan. Quyosh energiyasiga qiziqish ortib borishi bilan so'nggi yillarda e'tiborni kuchaytira boshladi. Muqobil absorberlarning eng yaxshi olingan samaradorligi WSe2 va MoSe2 uchun mos ravishda 17,1% va 12,0% ni tashkil qiladi. Ularning ikkalasi uchun qurilma dizayni elektrokimyoviy Panel edi. Barcha qattiq Panellar uchun eng yaxshi samaradorlik ZnO bilan hetero-birikma hosil qiluvchi WSe2 absorberining 8,0% ni tashkil qiladi
2.1.2. Organik fotoelementlar (OFE)
Organik yarim o'tkazgichlar uzoq vaqtdan beri ma'lum bo'lgan va ular ko'plab tegishli ilovalarda ishlatilgan. Quyosh energiyasi uchun Tang 1984 yilda birinchi organik hetero-birikmali quyosh paneli haqida xabar berdi . O'shandan beri OFE maydoni ayniqsa so'nggi bir necha yil ichida juda faol bo'ldi, chunki 2009 yil (taxminan 6%) va maksimal olingan samaradorlik deyarli ikki baravar oshdi , va endi samaradorlik 11,1% ga yetdi .
2.1.3. Sensibilizatsiyalangan quyosh panellari
1988 yilda Gratzel suyuq elektrolitlar bilan bo'yoqqa sezgir quyosh batareyasi (DSSC) tushunchasini qayta kiritdi . O'shandan beri u katta e'tiborni tortdi. kontseptsiya birinchi marta Gerischer tomonidan kiritilgan va Fujihira , Weller va boshqalar tomonidan takomillashtirilgan. Amalda, DSSC bir qatlamli quyosh batareyasidir, chunki bo'yoqlar orasidagi transport juda kichik va bir nechta bo'yoq qatlamlariga ega bo'lish juda ko'p amaliy qiyinchiliklarni keltirib chiqaradi. Shunga qaramay, qurilma kontseptsiyasi juda samarali va oxirgi olingan samaradorlik 13,4% ni tashkil qiladi . Bundan tashqari, bo'yoqlarning juda ko'p turlari o'rganilgan. Eng qiziqarli ishlanmalardan biri qattiq asosli elektrolitlar mavjudligidir. Bundan tashqari, noorganik nanozarralar bo'yoqni sezgirlashtiruvchi sifatida almashtirishi mumkinligi ko'rsatildi.

2.1.4. Gibrid perovskitlar

So'nggi paytlarda gibrid perovskit quyosh paneli ((CH3NH3) PbI3) favqulodda e'tiborni tortdi , chunki uning samaradorligi taxminan 4 yil ichida 17,9% ga ko'tarildi.. Yutuvchi perovskitlar AMX3 perovskit tuzilishiga ega gibrid organik-noorganik kristalli materiallarning maxsus oilasi bo'lib, bu erda A - organik joy, M - metall va X - galogen . Kimyoviy jihatdan murakkab koʻrinadigan struktura nihoyatda boy boʻlib, yuqori sifat bilan nisbatan oson oʻstirilishi va boshqarilishi mumkin . U ko'plab ilovalar uchun ishlatilgan va uning quyosh panellari uchun qo'llanilishi juda erta kutilgan edi . Biroq, ulardan quyosh panellari yasash uchun haqiqiy harakat juda yaqinda paydo bo'lgan . Ushbu qisqa vaqt ichida 17,9% samaradorlik haqida xabar berilgan va bir necha yil ichida 20% dan yuqori samaradorlikka erishish mumkin.
2.1.5. Nanostrukturali quyosh panellari
So'nggi yigirma yil ichida nanotexnologiyadagi o'zgarishlar quyosh panellarida ommaviy shaklda bo'lishi mumkin bo'lmagan tuzilmalar, materiallar va mexanizmlarni joriy etishga katta hissa qo'shdi . Ta'sirlar orasida energiya bo'shlig'i, masalan, sozlanishi, yutilish va transport yo'nalishini ajratish va uch o'lchovli struktura mavjud. Biroq, o'lcham bilan bog'liq muammolar tufayli, olingan samaradorlik hali ham kichik. Amalda nanostruktura asosan irqlararo nuqsonlar tufayli transportning yomonlashishiga olib keladi ., ayniqsa, ko'p ulanishli Panellar kabi qiyin tuzilmalar uchun muammosiz joylashtirish imkonini berdi. Bunday tizimlarda turli xil Eg Panellarining bir nechta qatlamlari ketma-ket joylashtirilgan bo'lib, bu erda bufer qatlamlari qatlamlar orasidagi foto-hosil bo'lgan tashuvchilarni tashishga imkon beradi. Tizim 3-rasmda ko'rsatilganidek, ikki terminalli qurilmadir. Biroq, uni cheklaydigan ko'plab texnologik muammolar mavjud, masalan, joriy uzluksizlikning muhimligi, panjara mosligi va foto-hosil qilingan tashuvchilarni tunnel qilish. Tijorat nuqtai nazaridan, uni ishlab chiqarish juda qimmat va bu fakt uni bir nechta ilovalar bilan cheklaydi. Uni ko'p Panelli qurilmalarning boshqa tushunchalaridan farqlash uchun 2. 3-rasmda sxematik tarzda tasvirlangan va ko'rsatilganidek, u kontseptual jihatdan ikki darajali katakchalarning ketma-ket stekiga ega bo'lgan ikki terminalli tizimdir.

2.3-rasm. Ko'p ulanishli (chapda), oraliq diapazonli (markazda) va ajratilgan spektrli (o'ngda) quyosh batareyalari tizimlari tushunchalari. Nuqtalar yig'ish (in'ektsiya) nuqtalari.
2.2.2. Oraliq tarmoqli Panellar
Bunday Panellarda ko'p fotonli yutilish bir material qatlamida sodir bo'ladi va 3-rasmda ko'rsatilganidek, ko'p darajali tizim kerakligi aniq. Kontseptsiya nisbatan yangi va etuklikdan uzoqdir, chunki u 1997 yilda Luque va Marti tomonidan kiritilgan. Kontseptsiya ishonchli bo'lsa-da, hal qilinishi kerak bo'lgan ko'plab muammolar mavjud [95] va bu kontseptsiya asosida olingan samaralar kichikdir. Amalda, bunday tizimni amalga oshirishning ikkita asosiy tendentsiyasi mavjud. Birinchisi bo'shliqda kengaytirilgan nuqsonli chiziqlar yaratish uchun katta Eg materiallarini dopingga asoslangan . Ikkinchi tendentsiya super panjaralar va uyushgan kvant nuqtalariga bog'liq bo'lib, ularda kvant o'lchamlari effektlari tufayli ko'plab ajratilgan holatlar yaratilishi mumkin
2.2.3. Split spektrli quyosh paneli tizimi
Ushbu tizimning asosiy g'oyasi quyosh nurlanishini oldindan optik sozlash orqali ajratish va keyin bo'lingan spektrning har birini mos keladigan masalani bo'lgan Panelga yo'naltirishdir . Shunday qilib, tizim ikki qismdan iborat. Birinchisi, spektrni ajratuvchi va yorug'likni to'playdigan optik tizimdir. Ikkinchi qism - 3-rasmda ko'rsatilganidek, ajratilgan spektrlardan energiya yig'ish uchun ishlatiladigan SClar to'plami. Bu ko'p tarmoqli va oraliq tarmoqli quyosh batareyalari duch keladigan ikkita asosiy qiyinchiliklardan qochadi; ya'ni ko'p birikmali Panellar holatida oqim uzluksizligi va panjara mosligi va oraliq tarmoqli Panellardagi oqim uzluksizligi. Bu g'oya yangi emas va u 1955 yilda taklif qilingan va 1960 yilda Jekson tomonidan patentlangan. Ba'zi dastlabki qurilmalar 1970-yillarda ishlab chiqilgan. Moon va boshqalar. 1978 yilda 28,5% ikki Panelli tizimni ko'rsatdi . Rekord 5 Panelli tizim yordamida 43,5% samaradorlikka erishgan Green va Xo-Bailli tomonidan o'rnatildi . So'nggi paytlarda zamonaviy texnologiyalar yordamida 50% dan yuqori samaradorlikka erishish mumkinligi ko'rsatildi.
2.3. Termalizatsiyani boshqarishga asoslangan qurilmalar
2.3.1. Tashuvchini ko'paytirish qurilmalari
Ma'lumki - va ko'rsatilishi kerakki, termalizatsiya quyosh panellarida eng ko'p yo'qotishlarga olib keladi. Ortiqcha so'rilgan foton energiyasi (masalan, yuqorida) issiq tashuvchi tarmoqli chetiga bo'shashganda yo'qoladi. Tashuvchining ko'payishi (CM) tushunchasi energetik fotonni bo'shashmasdan oldin bir nechta elektron-teshik juftlarini hosil qilish uchun foydalanishga asoslangan. Eksperimental ravishda, CM ham ommaviy, ham kvant o'lchamli yarimo'tkazgich tizimlari uchun ko'rsatildi. Shunisi e'tiborga loyiqki, Schaller va Klimov guruhi PbSe va PbS kvant nuqtalarida (QD) etti marta ko'paytirishga erishdilar. Biroq, deyarli barcha CM tajribalari quyosh panellari uchun amaliy bo'lmagan sharoitlarda amalga oshiriladi. Bu fakt va boshqa ko'plab muammolar qayta-qayta ta'kidlangan .
2.3.2. Issiq tashuvchi to'plami
Bunday Panel kontseptsiyasi g'oyasi qo'zg'atilgan elektronni to'liq bo'shashmasdan oldin issiq yig'ishdir . Aslida, bunga juda tez foto-oqim yig'ishni yoqish, tanlangan kontaktlardan foydalanish yoki bo'shashishni sekinlashtirish orqali erishish mumkin. So'nggi paytlarda grafen kabi ba'zi nanomateriallar issiq tashuvchini tashish imkonini berishi ko'rsatildi .
2.4. Spektrni manipulyatsiya qilishga asoslangan qurilmalar
2.4.1. Yuqoriga va pastga aylantiruvchi Panellar
Quyosh radiatsiyasi uzoq infraqizildan ultrabinafshagacha (taxminan 4 eV) gacha bo'lgan juda keng spektrga ega. Shunday qilib, barcha mumkin bo'lgan energiyani ishlatadigan qurilmani loyihalash juda qiyin. Yuqoriga va pastga aylantiruvchi Panellar g'oyasi spektrni turli xil optik chiziqli bo'lmagan tizimlar yordamida manipulyatsiya qilish, natijada olingan spektrning kengligini kamaytirish va keyin energiya yig'ish uchun tegishli Paneldan foydalanishdir . Spektrning bunday manipulyatsiyasi issiqlik bilan bog'liq yo'qotishlarni sezilarli darajada kamaytirishi mumkin. Biroq, chiziqli bo'lmagan konvertatsiya o'z-o'zidan qiyinchilik tug'diradi.
2.4.2. Termofotoelementlar (TFE)
Bunday qurilmaning g'oyasi ishlab chiqarilgan issiqlikdan (fotoelement yo'qotishlar orqali) fotoelement quvvatdan tashqari qo'shimcha elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun foydalanishdir Shunday qilib, u asosan termal emitent va fotoelementdan iborat. Termal emitent uchun va ko'proq issiqlik farqini yaratish uchun tizim bilan optik kontsentratsiyadan foydalanish odatiy holdir. Nazariy chegara quyosh panellari chegarasidan ancha yuqori va ko'plab tahlillar chegara 80% dan biroz yuqoriroq ekanligini ko'rsatadi (bu quyosh batareyasi chegaralaridan ancha yuqori). Hudud boy va ko'plab qurilmalar dizayni va materiallari o'rganilgan. Biroq, hisobot qilingan samaradorlik hali ham kichik
3. Har xil FE qurilmalari tushunchalari uchun energiya konvertatsiyasining nazariy chegaralari
Nazariy jihatdan, quyosh batareyalarining maksimal mumkin bo'lgan samaradorligini baholash uchun ko'plab modellar ishlatilgan. Ularni ikkita umumiy oilaga bo'lish mumkin. Birinchi toifadagi tahlillar fenomenologik jihatdan ikki darajali tizim o'rtasidagi radiatsiyalarning batafsil muvozanatiga asoslangan. Bu qo'zg'alish va radiatsiyaviy rekombinatsiyani hisobga oladi. Dastlab, bu 1961 yilda Shokli va Queisser tomonidan kiritilgan , keyin esa boshqa ko'plab olimlar . Ushbu sharhda biz ushbu toifadagi modeldan foydalanamiz U keyinroq taqdim etiladi. Ikkinchi toifa ko'proq fundamental va u to'liq termodinamikdir. Bu modellar energiya va entropiya oqimlarining muvozanatini saqlashga asoslangan .
Amalda va oldingi bo'limda aytib o'tilganidek, quyosh panellari bilan ishlashning ko'plab mumkin bo'lgan tushunchalari mavjud. Har bir qurilma kontseptsiyasining yuqori chegarasini baholash uchun turli xil taxminlar amalga oshiriladi. Quyida e'tiborga olinadigan asosiy taxminlar keltirilgan:
Quyosh nurlanishining kuchi va spektri joylashuvi va tizim dizayniga qarab farq qiladi. Misol uchun, sun'iy yo'ldoshlardagi spektr yer yuzasidagidan farq qiladi, chunki ba'zi spektr chiziqlari atmosferadagi gazlar tomonidan so'riladi. Bundan tashqari, quvvat va spektrni konsentrator va spektrni manipulyatsiya qilish kabi oldindan optik tizimlar yordamida o'zgartirish mumkin. Buni asosiy quyosh radiatsiyasidan hisoblash mumkin. Ushbu sharhda biz AM1.5G foton oqimini (ɸ_1.5) deb hisoblaymiz, bu erda ASTMG -173-03 (Amerika Sinov va Materiallar Jamiyati) mos yozuvlar quyosh spektrlari ishlatiladi.
Ishlatilgan Panelning energiya bo'shlig'idan yuqori bo'lgan har qanday foton so'riladi.
Har qanday foton (E energiya bilan) elektronlar hosil qilishi kerak, bu erda g ko'payish omilidir. Aksariyat hollarda, . Shunga qaramay, agar tashuvchini ko'paytirish mumkin bo'lsa, u yuqori qiymatlarni olishi mumkin. Bu tahlilga kiritiladi.