Солнечная энергетика в настоящее время является одной из наиболее быстроразвивающихся отраслей электроэнергетики. Большой потенциал роста этой ветви альтернативной энергетики обусловлен такими глобальными факторами, как необходимость обеспечения национальной энергобезопасности и повышение стоимости ископаемых источников энергии. Солнечная энергетика имеет и другие уникальные преимущества: энергия Солнца доступна всем, бесплатна, практически неисчерпаема, а процесс ее преобразования в электрическую энергию не оказывает негативного влияния на окружающую среду.
В солнечных электрогенерирующих системах, где солнечная энергия непосредственно, либо с помощью оптической системы преобразуется в электрическую энергию, конструкция солнечных элементов определяется требованием максимально эффективного преобразования солнечного спектра. Основным подходом для увеличения коэффициента полезного действия (КПД) является создание многопереходных фотоэлементов, преобразующих большую часть солнечного спектра. Менее распространенными являются термофотоэлектрические (ТФЭ) генераторыфотоэлектрические приборы, в которых фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), чувствительные в инфракрасной области спектра, преобразуют тепловое излучение нагретого тела в электрическую энергию. Преимуществом такого способа преобразования энергии перед классическими солнечными энергосистемами является возможность выбора источника нагрева: концентрированное солнечное излучение, любое сгораемое топливо, «бросовое» тепло, вырабатываемое, например, в металлургической промышленности и т. д. В отличие от классических солнечных батарей в ТФЭ генераторах возможно создание обратной связи с источником излучения за счет отражения неиспользованных фотопреобразователями «подзонных» фотонов обратно к эмиттеру, что позволяет обеспечить дополнительный нагрев эмиттера и существенно увеличить КПД всей системы.
Помимо выше перечисленных методов, в последние годы получил распространение принцип спектрального расщепления света. Применение данного метода позволяет обеспечивать свободу выбора полупроводниковых материалов и создавать каскад из элементов с различной запрещенной зоны на основе структур с одним р-п переходом, что дает возможность упростить как сами ФЭП, так и способы их коммутации. Указанные преимущества позволяют прогнозировать получение большего КПД системы со спектральным расщеплением солнечного света при увеличении количества р-п переходов, снижение стоимости концентраторных фотоэлектрических модулей за счет применения более доступных технологий изготовления ФЭП: жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) и диффузии из газовой фазы.
Цель настоящей работы заключалась в разработке технологии создания высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей на основе антимонида галлия методом жидкофазной эпитаксии, а так же в разработке и исследовании фотоэлектрических систем, преобразующих как солнечное, так и тепловое излучение.
Научная новизна и практическая значимость работы заключаются в следующем:
Исследованы зависимости подвижности носителей заряда от концентрации в антимониде галлия, полученного методом жидкофазной эпитаксии и зависимости концентрации свободных носителей заряда от содержания легирующей примеси в жидкой фазе для разных температур роста слоев. Проведенные исследования позволили разработать оптимальные условия жидкофазной эпитаксии для выращивания слоев антимонида галлия с заданным уровнем легирования.
На основе исследований легирования антимонида галлия созданы высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи, предназначенные для работы в термофотоэлектрических генераторах и в фотоэлектрических системах с расщеплением солнечного излучения. Разработаны и исследованы два варианта ТФЭ систем (конического и цилиндрического типов), работающих при нагреве эмиттера концентрированным солнечным излучением. Конструкция генератора конического типа позволяет создавать на внутренней поверхности модуля зеркальный отражатель и использовать более технологичный плоский эмиттер. Цилиндрическая ТФЭ система за счет большего количества фотопреобразователей позволяет получать большую выходную мощность по сравнению с конической ТФЭ системой. Впервые в России разработан и протестирован солнечный ТФЭ генератор на основе ОаБЬ фотопреобразователей.
Впервые в России разработан и протестирован комбинированный «солнечно-газовый» ТФЭ генератор с возможностью работы как от солнечного концентрированного излучения, так и от газовой горелки. Впервые разработан отечественный солнечный концентраторный модуль с расщеплением солнечного света на основе фотопреобразователей ваАэ, АЮаАэ и Оа8Ь. Суммарная максимальная эффективность ФЭП, предназначенных для использования в системе со спектральным расщеплением солнечного излучения, составила 39,6%.
Научные положения, выносимые на защиту: 1. На основе исследований легирования антимонида галлия, выращенного методом жидкофазной эпитаксии, получены слои с рекордными значениями подвижностей электронов ц = 4000 — 4500 см /В с при.
1 пз концентрации «= (4−5)-10 см», что позволяет создавать высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи.
2. Разработанная технология получения антимонида галлия методами жидкофазной эпитаксии и диффузии из газовой фазы позволяет создавать высокоэффективные структуры GaSb фотоэлектрических преобразователей, обеспечивающих достижение фактора заполнения нагрузочной характеристики 74% при плотности фототока 2−5 А/см2 и эффективности 23% при температуре излучателя 1800−2000 К и условии возврата 80% подзонных фотонов.
3. Разработанная технология получения высокоэффективных GaSb фотоэлектрических преобразователей позволяет создать на их основе «солнечный» и комбинированный «солнечно-газовый» термофотоэлектрические генераторы. Фактор заполнения нагрузочной характеристики «солнечного» ТФЭ генератора под концентрированным солнечным излучением составил 67% при выходной электрической мощности 5,5 Вт.
4. Разработанный фотоэлектрический модуль, включающий каскад трех фотоэлектрических преобразователей на основе AlGaAs, GaAs и GaSb и систему расщепления солнечного потока на три спектральных диапазона двумя дихроичными фильтрами, позволяет достичь суммарную эффективность фотоэлектрического преобразования солнечного излучения 39,6%.
Апробация результатов работы.
Результаты диссертационной работы докладывались на 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Barcelona Spain, 2005) — 9-м международном семинаре российские технологии для индустрии (Санкт-Петербург, 2005) — 7th World Thermophotovoltaic Generation of Electricity Conference (Madrid Spain, 2006) — 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (Dresden Germany, 2006) — 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference (Milan Italy, 2007) — 23nd European Photovoltaic Solar tH.
Energy Conference (Valencia Spain, 2008) — 24 European Photovoltaic Solar Energy Conference (Hamburg Germany, 2009) — 25nd European Photovoltaic Solar Energy Conference (Valencia Spain, 2010) — 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Munich, Germany, 2011).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 20 печатных трудов, список которых приведен в конце диссертации.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 83 наименований. Общий объем работы составляет 111 страниц, включая 54 рисунка и 7 таблиц.
Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
1. V.P.Khvostikov, O.A.Khvostikova, P.Y.Gazaryan, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, A.V.Malevskaya, N.A.Kaluzhniy, M.Z.Shvarts, V.M.Andreev. Photovoltaic cells based on GaSb and Ge for solar and thermophotovoltaic applications // ASME J. Solar Energy Eng., 2007, vol. 129, N 3, pp. 291−297.
2. S. Luca, J.L.Santailler, J. Rothmana, J.P.Bell, C. Calvat, G. Basset, A. Passero, V.P.Khvostikov, N.S.Potapovich, R.V.Levin. GaSb crystals and wafers for photovoltaic devices // ASME J. Solar Energy Eng., 2007, vol. 129, N 3, pp. 304−313.
3. В. П. Хвостиков, С. В. Сорокина, Н. С. Потапович, О. А. Хвостикова, А. С. Власов, Е. П. Ракова, В. М. Андреев. Исследование свойств эпитаксиального и слиткового антимонида галлия // ФТП, 2008, т. 42, вып. 10, стр. 1198−1205.
4. В. П. Хвостиков, С. В. Сорокина, Н. С. Потапович, О. А. Хвостикова,.
A.В.Малевская, А. С. Власов, М. З. Шварц, Н. Х. Тимошина, В. М. Андреев. Термофотоэлектрические генераторы на основе антимонида галлия // ФТП, 2010, т. 44, вып. 2, стр. 270−277.
5. А. С. Власов, В. П. Хвостиков, С. В. Сорокина, Н. С. Потапович,.
B.С.Калиновский, Е. П. Ракова, В. М. Андреев, А. В. Бобыль, Г. Ф. Терещенко. Газовый термофотоэлектрический генератор на основе металлических эмиттеров и GaSb-элементов // ФТП, 2010, т. 44, вып. 9, стр. 1284−1289.
6. В. П. Хвостиков, А. С. Власов, С. В. Сорокина, Н. С. Потапович, Н. Х. Тимошина, М. З. Шварц, В. М. Андреев. Высокоэффективный (eta=39.6%, AM 1.5D) каскад фотопреобразователей в системе со спектральным расщеплением солнечного излучения // ФТП, 2011, т. 45, вып. 6, стр. 810−815.
7. А. Л. Глазов, В. С. Калиновский, Ю. Г. Лисицина, К. Л. Муратиков, Н. С. Потапович. Исследование процесса отвода тепла от полупроводниковых солнечных элементов с помощью лазерных термоволновых методов // ПЖТФ, 2011, т. 37, вып. 14, стр. 60−67.
8. V.P.Khvostikov, V.D.Rumyantsev, O.A.Khvostikova, P.Y.Gazaryan, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, M.Z.Shvarts, V.M.Andreev. Narrow bandgap GaSb and InGaAsSb/GaSb based cells for mechanically stacked tandems and TPV converters // Proc. of the 20th European Photovoltaic Solar Energy Conf., Barcelona Spain, 2005, pp. 191−194.
9. В. М. Андреев, Н. С. Потапович, В. П. Хвостиков, П. Ю. Газарян, О. А. Хвостикова, С. В. Сорокина. Солнечно-топливные термофотоэлектрические генераторы на основе фотопреобразователей из германия и антимонида галлия // Сборник тезисов 9-го международного семинара «Российские технологии для индустрии», Санкт-Петербург, 2005, стр. 15−16.
10. А. В. Каманин, В. В. Уелин, Р. В. Левин, Н. С. Потапович. Термофотоэлектрические преобразователи, полученные газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений // Сборник тезисов 9-го международного семинара «Российские технологии для индустрии», Санкт-Петербург, 2005, стр. 77−78.
11. V.P.Khvostikov, O.A.Khvostikova, P.Y.Gazaryan, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, A.V.Malevskaya, M.Z.Shvarts, N.A.Kaluzhniy, V.M.Andreev, V.D.Rumyantsev. Photoconverters for solar TPV systems // Proc. of the 4th World Conf. on Photovoltaic Energy Conversion, Hawaii, 2006, pp. 667−670.
12. V.P.Khvostikov, P.Y.Gazaryan, O.A.Khvostikova, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, A.V.Malevskaya, R.V.Levin, M.Z.Shvarts, V.M.Andreev. GaSb applications for solar thermophotovoltaic conversion // Proc. of the 7th World Thermophotovoltaic Generation of Electricity Conf., Madrid Spain, 2006, pp. 139 148.
13. V.P.Khvostikov, P.Y.Gazaryan, O.A.Khvostikova, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, A.V.Malevskaya, R.V.Levin, M.Z.Shvarts, V.M.Andreev. Narrow band gap TPV converters of radiation from the emitters heated by concentrated sunlight // Proc. of the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conf. and Exhibition, Dresden Germany, 2006, pp. 485−489.
14. V.P.Khvostikov, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, A.S.Vlasov, A.V.Malevskaya, M.Z.Shvarts, V.M.Andreev. Thermophotovoltaic cells and modules based on GaSb // Proc. of the 22rd European Photovoltaic Solar Energy Conf., Milan Italy, 2007, pp. 165−168.
15. V.M. Andreev, A.S. Vlasov, V.P. Khvostikov, O.A. Khvostikova, P.Y. Gazaryan, N.S. Potapovich. Full scale solar TPV generator // Proc. of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conf., Milan Italy, 2007, pp. 173−176.
16. V.M.Andreev, V.P.Khvostikov, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, A.S.Vlasov, M.Z.Shvarts, N.Kh.Timoshina. GaSb arrays for solar thermophotovoltaic system // Proc. of the 23nd European Photovoltaic Solar Energy Conf., Valencia Spain, 2008, pp. 616−619.
17. V.M. Andreev, A.S. Vlasov, V.P. Khvostikov, O.A. Khvostikova, N.S. Potapovich, and E.P. Rakova. Solar/fuel TPV generator based on GaSb cells // Proc. of the 23nd European Photovoltaic Solar Energy Conf., Valencia Spain, 2008, pp. 203−206.
18. V.P.Khvostikov, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, A.S.Vlasov, M.Z.Shvarts, N.Kh.Timoshina, V.M.Andreev. Powerful high efficiency GaSb TPV and PV cells // Proc. of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conf., Hamburg Germany, 2009, pp. 174−177.
19. V.P.Khvostikov, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, V.I.Vasil'ev, A.S.Vlasov, M.Z.Shvarts, N.Kh.Timoshina, V.M.Andreev. Single-junction solar cells for spectrum splitting PV system // Proc. of the 25nd European Photovoltaic Solar Energy Conf., Valencia Spain, 2010, pp. 167−171.
20. A.S.Vlasov, V.P.Khvostikov, L.B.Karlina, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, M.Z.Shvarts, N.Kh.Timoshina, V.M.Lantratov, S.A.Mintairov, N.A.Kalyuzhnyy, E.P.Rakova, V.I.Vasil'ev, V.M.Andreev. Spectral splitting CPV modules with AlGaAs/GaAs/GaSb and GaInP/GaAs/InGaAs (P) solar cells // Proc. of the 26th European Photovoltaic Solar Energy Conf., 2011, pp. 133−136.
Кроме того, по результатам проведенных исследований получен один патент:
1. «Система фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения». Андреев В. М., Потапович Н. С., Сорокина С. В., Хвостиков В. П. Заявка на патент № 2 010 109 215 от 15.03.2010. Решение о выдаче патента от 17.09.2010.
А так же по тематике диссертационной работы выиграны следующие конкурсы и субсидии для молодых ученных:
1. В составе молодежного коллектива разработчиков за представленный инновационный проект «Солнечно-водородные термофотоэлектрические генераторы» оргкомитетом молодежного инновационного конкурса «Альтернативные источники энергии» г. Москва в декабре 2008 года был присужден диплом второй степени.
2. В составе коллектива авторов присуждена первая премия за.
Стендовый доклад на 23th European Photovoltaic Conference and Exhibition, Spain, 2008 r.
3. Победитель конкурсного отбора для предоставления в 2009 году субсидий молодым ученым, молодым кандидатам наук вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга. Тема проекта: «Создание полупроводникового термофотоэлектрического генератора».
4. Победитель конкурсного отбора для предоставления в 2010 году субсидий молодым ученым, молодым кандидатам наук вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга. Тема проекта: «Разработка солнечного концентраторного модуля с расщеплением спектра на основе полупроводниковых фотоэлементов».
5. Победитель конкурсного отбора для предоставления в 2011 году субсидий молодым ученым, молодым кандидатам наук вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга. Тема проекта: «Разработка и оптимизация системы полупроводниковых фотопреобразователей для солнечного концентраторного модуля с расщеплением спектра».
Заключение
.
