Применение фотонных кристаллов в солнечных элементах. Основные идеи реализации

 

Содержание

Введение	3
Применение фотонных кристаллов в солнечных элементах. Основные идеи реализации.	4
Пример реализации	7
Выводы	12
Список литературы	13

 

 

Введение

 

Фотонный кристалл — это  материал, структура которого характеризуется  периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях . Фотонные кристаллы, благодаря  периодическому изменению коэффициента преломления, позволяют получить разрешённые  и запрещённые зоны для энергий  фотонов, аналогично полупроводниковым  материалам, в которых наблюдаются  разрешённые и запрещённые зоны для энергий носителей заряда . Практически, это значит, что если на фотонный кристалл падает фотон, обладающий энергией (длиной волны, частотой), которая  соответствует запрещённой зоне данного фотонного кристалла, то он не может распространяться в фотонном кристалле и отражается обратно. И наоборот, это значит, что если на фотонный кристалл падает фотон, обладающий энергией (длиной волны, частотой), которая  соответствует разрешённой зоне данного фотонного кристалла, то он может распространяться в фотонном кристалле. [1].

Солнечные элементы являются компонентами, которые составляют основу солнечных модулей. Еще одно название солнечных элементов, которое можно  часто встретить в литературе — селлы (от англ. cell — ячейка, элемент) [2].

При изготовлении солнечных  элементов используются кристаллы  кремния. Для получения солнечных  элементов требуемого размера, кристаллы  кремния нарезают тонкими пластинами и потом придают требуемую  форму[2].

Солнечные батареи пока являются альтернативным источником энергии, и  одной из проблем стоящих на пути массового внедрения солнечных  элементов пока остается себестоимость  получаемой энергии. Одним из выходов  из создавшегося положения видится  именно снижения себестоимости “солнечной”  энергии путем повышения эффективности  работы солнечных батарей. И здесь  особое внимание исследователи уделяют  фотонным кристаллам[3].

 

 

Применение фотонных кристаллов в солнечных элементах. Основные идеи реализации

В настоящее время в  связи с резким подъемом цен на нефть и непрекращающейся полемикой  о ее исчерпаемости, актуальным стал вопрос использования альтернативных источников энергии, то есть тех, которые  так или иначе способны заменить доминирующие на сегодняшний день нефтепродукты. Одну из ведущих позиций в борьбе за энергетическое пространство занимают солнечные батареи. Солнце – неисчерпаемый  источник энергии. Только по приблизительным  подсчетам ядерные реакции внутри него будут длиться как минимум  еще 5 млрд. лет, а это значит что  использование солнечной энергии  – наиболее верная альтернатива нефти. Приведем один из примеров потрясающих  возможностей солнца, которые в купе с технологическими достижениями способны обеспечить мир энергоносителями на долгие годы: только лишь при покрытии солнечными батареями пустыни Сахара ежедневно будет производиться  суточная потребность всего земного  шара в электроэнергии. Одной из основных проблем, стоящих на пути массового внедрения солнечных элементов пока остается себестоимость получаемой энергии. Сейчас стоимость 1 кВт/час солнечной энергии составляет $0,5, что в 8 раз больше обычной.

Новая технология была разработана  в институте Кембридж. Солнечная  батарея на ее основе способна улавливать и использовать солнечные лучи, которые  ранее проходили через кремниевые ячейки солнечной батареи без  преобразования энергии. Компания StarSolar, запатентовавшая новую технологию утверждает, что технология изготовления позволит снизить стоимость данных солнечных батарей вдвое при  постоянно высокой эффективности  работы. Новая разработка опирается  на свойства структуры под названием  фотонные кристаллы, позволяющей придать  солнечной батарее уникальные свойства. Фотонные кристаллы, благодаря периодическому изменению коэффициента преломления, позволяют получить разрешенные  и запрещенные зоны для энергий  фотонов, аналогично полупроводниковым  материалам, в которых наблюдаются  разрешенные и запрещенные зоны для энергий носителей заряда. Практически, это значит, что если на фотонный кристалл падает фотон, обладающий энергией (длиной волны, частотой), которая  соответствует запрещенной зоне данного фотонного кристалла, то он не может распространяться в фотонном кристалле и отражается обратно. И наоборот, если на фотонный кристалл падает фотон, обладающий энергией (длиной волны, частотой), которая соответствует  разрешенной зоне данного фотонного  кристалла, то он может распространяться в фотонном кристалле. Другими словами, фотонный кристалл выполняет функцию  оптического фильтра. Фотонные кристаллы, разработанные для отражения  и дифракции света определенной длины волны, изначально применялись  в оптической связи, где использовались для создания и передачи данных. Однако, разработка новых технологий производства поможет использовать их для более широкого круга устройств, например, фотогальванических элементов.

Кремний – материал, который  используется для большинства солнечных  батарей, на сегодняшний день выполняет  двойную работу – он собирает пришедший  свет и преобразует его в электричество. И естественно, чем меньше кремния  мы будем использовать в солнечных  батареях, тем дешевле они будут. Если уменьшить толщину слоя кремния, то он также буден способен собирать солнечную энергию и преобразовывать  ее в электричество, но некоторые  фотоны определенной энергии будут  уменьшать эффективность солнечного элемента.

Исследователи Массачусетского  технологического института разработали  сложную моделирующую программу, показывающую, как осажденные фотонные кристаллы могут собирать и повторно использовать солнечный свет, который проходит через тонкие слои кремния без преобразования энергии. Кремний слабо собирает голубой свет и совсем не собирает красный и инфракрасный. То есть эти цвета не участвуют в генерации электронно-дырочных пар. Ученые обнаружили, что если создать под тонким слоем кремниевых элементов структуры, состоящие из слоя фотонных кристаллов и тонких микроскопических стеклянных сфер, то весь не поглощенный свет будет перенаправляться обратно в кремний. Таким образом, даже если свет пройдет через первый слой фотонных кристаллов, то он не поглотится, а вернется назад в кремний, отразившись от стеклянных сфер.

Хотя современные солнечные  батареи уже способны возвращать часть солнечного света в кремний, фотонные кристаллы обладают явными преимуществами. Обычные солнечные элементы для повторной «переработки» света используют отражение от слоев алюминия. В отличие от них, фотонные кристаллы отражают намного больше солнечного света, кроме того, они преломляют солнечный свет и возвращают его в кремний под очень малыми углами. Это предотвращает выход излучения из кремния и обеспечивает его многократное отражение внутри системы, что увеличивает его шансы на поглощение и преобразование в электрическую энергию.

 «Как результат фотонные  кристаллы могут увеличить эффективность  солнечных батарей на 37%», - заявил  Питер Бермел (Peter Bermel), главный технический  директор компании StarSolar. Новая технология  позволит использовать намного  меньше кремния, что снизит  себестоимость 1 кВт электричества.  Это актуально особенно сейчас, когда нехватка высокочистого  кремния привела к резкому  увеличению цены на солнечные  элементы, и как следствие, падению  их покупательной способности.  Компания планирует сотрудничать  с действующими производителями  солнечных батарей, внедрив в  их производство технологию нанесения  фотонных кристаллов. Для этих  целей в сборочное производство  планируется добавить дополнительную технологическую операцию. Однако, для крупносерийного производства StarSolar необходимы изменения в технологии производства и нанесения фотонных кристаллов, которые позволят уменьшить затраты при массовости выпуска. В настоящее время фотонные кристаллы размещаются внутри кремния методом электроннолучевой литографии. Но для крупносерийного производства этот метод слишком медленный. Приведенные ниже 3 технологических метода решают эти проблемы:

1) Шон-Ю Лин (Shawn-Yu Lin), профессор  политехнического института Rensselaer изобрел технологию производства 8-и дюймовых дисков фотонных  кристаллов. Это намного больше  существующих на сегодняшний  день размеров. Данная технология  использует метод фотолитографии, который применяется в полупроводниковой  индустрии и обеспечивает улучшенную  концентрацию света в малых  объемах полупроводникового материала.  Устройства, выполненные по данной  технологии, требуют относительно  небольшого числа фотонных кристаллов, помещенных в солнечные ячейки. [3]

2) Другой, относительно дешевый  метод интерферентной литографии, был предложен профессором Массачусетского  Технологического Института Генри  Смитом (Henry Smith). Он заключается в  создании трафарета для нанесения  фотонных кристаллов в необходимые  области солнечного элемента. Этот  метод быстрее предыдущего и  использует оборудование, которое  на порядок дешевле применяемого  в фотолитографии. [3]

3) И последний метод  – метод самоорганизации, в  котором химические и физические  свойства материала влияют на  упорядочение структур, образуя  матрицы элементов в результате  сближения кристаллов и удержания  их короткодействующими.[3]

 

Пример реализации

Рассмотрим один из примеров реализации солнечных элементов на фотонных кристаллах. Захват света в тонкопленочных солнечных ячейках с помощью текстурированного фотонного кристалла.

Изобретение относится к  области солнечных элементов, в  частности, фотонные микроструктуры используются в сочетании с солнечными батареями.

Фотоэлектрические элементы, широко известные как солнечные батареи, которые преобразуют световую энергию в электричество. Солнечные батареи обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с традиционными источниками энергии. Например, солнечные элементы производят электричество без загрязнения и не используют исчерпаемые источники энергии

Кремний является одним из самых популярных материалов для изготовления солнечных элементов. Фотоэлемент кремния условно создан путем легирования кремния в форме n-слоя и р-слоя p-n-перехода в кремнии. Когда свет попадает на солнечный элемент, некоторые фотоны могут возбудить электроны из валентной зоны в зону проводимости для производства электронно-дырочных пар. Электроны перешли в слой n-типа, а дырка перешла в слой р-типа. Из-за присутствия p-n -перехода, большинство из этих электронно-дырочных пар не могут рекомбинировать, тем самым оставляя их для получения электрического тока во внешней цепи.

Изобретение использует фотонные микроструктуры, в сочетании с тонкими кремниевыми солнечными элементами в целях повышения эффективности ячейки.

В целях улучшения эффективности тонкопленочных солнечных ячеек, изобретение использует схему захвата света, которая может чрезвычайно повысить длину оптического пути и почти полностью поглотить свет, используя новые фотонные структуры на задней части отражателя.

Изобретение использует фотонные структуры для улавливания света. Это согласование позволит сильно изгибать свет так, что отраженный свет будет распространяться почти в параллельном направлении поглощающего слоя.

Фиг. 1 иллюстрирует структуру  солнечной ячейки 2, которая включает структуру на задней части отражателя 6. [4] Фотоэлемент 2 предпочтительно должен быть тонкой кремниевой солнечной ячейкой. Фотоэлемент 2 имеет фотоактивные области 4 с волнистой задней частью отражателя 6. Любое попадание волны в диапазон частот, приходящих на заднюю часть отражателя 6 будет отраженно на большой угол почти в параллельном направлении.

Задняя часть отражателя 6, одномерный фотонный кристалл, который действует как "идеальное" зеркало, отражение которого можно контролировать более чем на 99,96%.

Фиг. 2 показывает структуру колебания на задней части отражателя 10, которая используется для улавливания света. [4] Волнистая задняя часть рефлектора состоит из 1D всенаправленного фотонного кристалла 10 сформированного колеблющимся распределяющим брэгговским отражателем (РБО) на основе кремния 12. Фотонные кристаллы являются периодическими диэлектрическими структурами, которые обладают фотонной запрещенной зоной (РБО), которая препятствует распространению в определенном диапазоне частот света.

Способ работы волнистой задней части отражателя 10, заключается в том, что когда падающий свет  контактирует со структурой 10, свет отражается на  угол α. Количество энергии, которая все еще сохраняется после отражения вычисляется коэффициентом полезного действия. Чем выше КПД, тем больше эффективность, и больше энергии света сохраняется при отражении.

Фиг. 3 Таблица демонстрирует соотношение между длиной волны падающего света, углом, и эффективностью. [4] Обратите внимание на постепенное увеличение эффективности и угла отражения, что соответствует длине волны падающей волны. Но если падающие волны имеют длину волн 1560 нм и выше, эффективность падает и падающий угол также уменьшается.

Фиг. 4 иллюстрирует колеблющийся распределенный брэгговский отражатель (РБО) решеток 14, используемый для формирования фотонных структур. [4] РБО, который используется в соответствии с этой модификацией, является кремниевый РБО, однако другие РБО можно также использовать, если он имеют аналогичные свойства с кремниевым РБО. В фиг. 4, РБО решетки использует сочетание Si/Si₃N₄ 16. Такое размещение создает отражение в 99,6%, в то время, как при Si/SiO₂ расположение пар может произвести к отражению в 99,98%.

 Фиг. 5 иллюстрирует моделирования  и измерения отражательной способности Si/Si₃N₄ РБО. [4]

Дизайн изобретенной задней части сочетает в себе отражатель распределенного брэгговского отражателя (РБО) с отражением решетки. Это сильно отклоняет падающий свет, и отражает почти параллельно поверхности поглощающего слоя, следовательно, длина оптического пути может быть повышена в десятки тысяч раз, более чем на два порядка больше, чем при обычных схемах захвата света.

Кроме того, она обеспечивает чрезвычайно высокую отражательную способность с большой всенаправленной запрещенной зоной размером в несколько сотен нанометров в солнечном диапазоне спектра. Таким образом, падающий свет может быть почти полностью поглощенным. В свою очередь, квантовая эффективность солнечных элементов на основе фотонных структур ,должна быть существенно улучшена.