1.2.2 Гетеропереход
Гетеропереходом называют контакт двух полупроводников различного вида и разного типа проводимости, например, pGe - nGaAs. Отличие гетеропереходов от обычного p-n перехода заключается в том, что в обычных p-n переходах используется один и тот же вид полупроводника, например, pSi - nSi. Поскольку в гетеропереходах используются разные материалы, необходимо, чтобы у этих материалов с высокой точностью совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения и постоянная решетки.
Количество материалов для гетеропереходов ограничено. Наиболее распространенными из них являются германий Ge, арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP, четырехкомпонентный раствор InGaAsP.
1.3 Преимущества и недостатки солнечных батарей
1.3.1 Преимущества
1) главное достоинство солнечных батарей — их предельная конструктивная простота и полное отсутствие подвижных деталей.
2) солнечные батареи не нуждаются в каком-либо топливе и способны работать на внутренних ресурсах. Владельцу не нужно волноваться о сохранности прибора и постоянно поддерживать его сохранность. Солнечные батареи практически не боятся механического износа. Да и обслуживание им никакое не нужно.
3) небольшой удельный вес, неприхотливость, максимально простой монтаж и минимальные требования к обслуживанию во время эксплуатации (обычно достаточно лишь протирать грязь с рабочей поверхности).
4) данные устройства способны прослужить не менее двадцати пяти лет.
5) не стоит забывать и об экологическом факторе. Применяемые технологии и материалы полностью соответствуют самым высоким экологическим нормам, солнечные батареи не производят выбросов вредных веществ в окружающую среду и абсолютно безопасны.
6) получения энергии с использованием солнечных батарей позволяет сэкономить немалые финансовые средства.
7) в отличие от традиционных источников, этот тип ресурсов практически неиссякаем. Получение традиционных источников энергии сегодня становится всё более дорогим удовольствием и серьёзно бьёт как по карману простых потребителей, так и по бюджетам многих государств.
1.3.2 Недостатки
1) невысокий КПД. Солнечные батареи преобразуют энергию избирательно — для рабочего возбуждения атомов требуются определённые энергии фотонов (частоты излучения), поэтому в одних полосах частот преобразование идёт очень эффективно, а другие частотные диапазоны для них бесполезны. Кроме того, энергия уловленных ими фотонов используется квантово — её «излишки», превышающие нужный уровень, идут на вредный в данном случае нагрев материала фотопреобразователя. Во многом именно этим и объясняется их невысокий КПД. Кстати, неудачно выбрав материал защитного стекла, можно заметно снизить эффективность работы батареи. Дело усугубляется тем, что обычное стекло довольно хорошо поглощает высокоэнергетическую ультрафиолетовую часть диапазона, а для некоторых типов фотоэлементов весьма актуален именно этот диапазон, — энергия инфракрасных фотонов для них слишком мала.
2) чувствительность к загрязнениям. Даже довольно тонкий слой пыли на поверхности фотоэлементов или защитного стекла может поглотить существенную долю солнечного света и заметно снизить выработку энергии. В пыльном городе это потребует частой очистки поверхности солнечных батарей, установленных горизонтально или наклонно. Безусловно, такая же процедура необходима и после каждого снегопада, и после пыльной бури.
3) уменьшение эффективности в течение срока службы. Полупроводниковые пластины, из которых обычно состоят солнечные батареи, со временем деградируют и утрачивают свои свойства, в результате и без того не слишком высокий КПД солнечных батарей становится ещё меньше. Длительное воздействие высоких температур ускоряет этот процесс. Тем не менее, современные фотопреобразователи способны сохранять свою эффективность в течение многих лет. Считается, что в среднем за 25 лет КПД солнечной батареи уменьшается на 10%. Так что обычно гораздо важнее вовремя протирать пыль.
4) Солнечные батареи невозможно использовать в большинстве районов нашей страны из-за погодных условий и недостаточного количества солнечных дней.
5) Чувствительность к высокой температуре. С повышением температуры эффективность работы солнечных батарей, как и большинства других полупроводниковых приборов, снижается. При температурах выше 100..150°С они могут временно стать неработоспособными, а ещё больший нагрев может привести к их необратимому повреждению. Поэтому необходимо принимать все меры для снижения нагрева, неизбежного под палящими прямыми солнечными лучами. Дополнительно осложняет ситуацию то, что чувствительная поверхность довольно хрупких фотоэлементов часто закрывается защитным стеклом или прозрачным пластиком. В результате образуется своеобразный «парник», усугубляющий перегрев. Правда, увеличив расстояние между защитным стеклом и поверхностью фотоэлемента и соединив сверху и снизу эту полость с атмосферой, можно организовать конвекционный поток воздуха, естественным образом охлаждающий фотоэлементы. Однако на ярком солнце и при высокой температуре наружного воздуха этого может оказаться недостаточно. Поэтому солнечная батарея даже не очень больших размеров может потребовать специальной системы охлаждения. Справедливости ради надо заметить, что подобные системы обычно легко автоматизируются, а привод вентилятора или помпы потребляет лишь малую долю вырабатываемой энергии. При отсутствии яркого солнца такого большого нагрева нет и охлаждение вообще не требуется, так что энергия, сэкономленная на приводе системы охлаждения, может быть использована для других целей.
Таблица 1.1- Максимальные значения КПД фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях
| Тип | Коэффициент фотоэлектрического преобразования, % | |
| 1 | 2 | |
| Кремниевые | ||
| Si (кристаллический) | 24,7 | |
| Si (поликристаллический) | 20,3 | |
| Si (тонкопленочная передача) | 16,6 | |
| Si (тонкопленочный субмодуль) | 10,4 | |
| III-V | ||
| GaAs (кристаллический) | 25,1 | |
| GaAs (тонкопленочный) | 24,5 | |
| GaAs (поликристаллический) | 18,2 | |
| InP (кристаллический) | 21,9 | |
| Тонкие пленки халькогенидов | ||
| CIGS (фотоэлемент) | 19,9 | |
| CIGS (субмодуль) | 16,6 | |
| CdTe (фотоэлемент) | 16,5 | |
| Аморфный/Нанокристаллический кремний | ||
| Si (аморфный) | 9,5 | |
| Si (нанокристаллический) | 10,1 | |
| Фотохимические | ||
| На базе органических красителей | 10,4 | |
| На базе органических красителей (субмодуль) | 7,9 | |
| GaInP/GaAs/Ge | 32,0 | |
| GaInP/GaAs | 30,3 | |
1.4 Погодные условия и количество солнечного излучения города Владивостока
Солнечные батареи, в том числе аккумуляторы чувствительны к перепадам температуры. Для определения целесообразности использования солнечных батарей в Приморском крае нужно знать:
· Температурный режим, а именно определение средних минимумов и абсолютного минимума.
· Количество солнечного излучения.
1.4.1 Погодные условия
Какой же температурный фон на территории нашего края в ночные часы возможен в середине зимы. Этот фон можно охарактеризовать такими основными параметрами, как средний минимум, абсолютный и средний из абсолютных минимумов температуры воздуха.
Средний минимум температуры воздуха – это величина, полученная путем осреднения ежедневного отсчета по минимальному термометру, установленному в психрометрической будке[3]. Естественно, что такая температура может существенно отличаться от той, которую пытаются измерить за окном на балконе или еще где-то на открытом воздухе и при этом обычным, а не метеорологическим термометром. Средний минимум температуры воздуха дает представление о преобладающей температуре в течение месяца в наиболее холодную часть суток и, как показывает суточный ход, такая температура держится зимой в среднем несколько часов в конце ночи и утром. На эту температуру местные условия влияют в гораздо большей степени, чем на среднесуточную. При одной и той же высоте станции над уровнем моря в низинах, котловинах и узких долинах, куда стекает и где застаивается холодный воздух, минимальная температура может быть ниже, чем на склонах или вершинах сопок.