Fotoelektrinių keitiklių fizikiniai pagrindai
Silicis ir kai kurios kitos puslaidininkinės medžiagos pasižymi viena labai naudinga savybe: patenkinus tam tikras sąlygas, kurios bus išdėstytos toliau, jos šviesos energiją verčia (konvertuoja) į nuolatinės srovės elektros energiją. Kaip yra žinoma, silicio atomas savo išorinėje elektronų orbitoje turi 4 elektronus. Šie elektronai yra vadinamojoje valentinėje juostoje, kurioje traukos ryšiais jie yra susiję su atomo branduoliu. Jeigu silicio plokštelę apšviesime pakankamos galios šviesa, tai tą plokštelę sudarančių atomų išorinėse orbitose esantys elektronai, šviesos energijos paveikti, gali nutraukti traukos ryšius su savo branduoliais ir pradėti laisvai judėti po visą plokštelę. Šiuo atveju elektronai iš valentinės juostos pereina į vadinamąją laidumo juostą. Atomai, kurie veikiant šviesai neteks elektronų, taps įelektrinti teigiamai, nes praras neigiamai įelektrintus elektronus. Tos vietos, kur trūksta elektronų (kur normaliai turėtų būti elektronai, kai plokštelė neapšviesta), fizikoje vadinamos "skylėmis". Elektronai yra vadinami neigiamaisiais krūvininkais, o skylės - teigiamaisiais krūvininkais. Skylės irgi gali judėti po visą plokštelę, nes jas gali bet kada užpildyti gretimų atomų elektronai. Tačiau, jeigu nesiimama jokių specialių priemonių, teigiamieji ir neigiamieji krūvininkai apšviestoje silicio plokštelėje juda chaotiškai ir todėl ši plokštelė dar nėra elektros energijos šaltinis.
Kad gautume elektros energijos šaltinį, laisvus elektronus apšviestoje silicio plokštelėje reikia nukreipti viena kryptimi, o skyles - priešinga kryptimi. Tuomet susidarytų elektros energijos šaltinis su teigiamuoju ir neigiamuoju poliais. Teigiamuosius ir neigiamuosius krūvininkus plokštelėje norimu būdu galėtų suvaldyti (paskirstyti) pastovus elektros laukas. Kad jis susidarytų, silicio plokštelę reikia legiruoti tokiu būdu: į vieną jos pusę reikia įterpti boro, o į kitą - fosforo. Legiravus boru, toje plokštelės pusėje susidaro "p" tipo laidumas, o kitoje plokštelės pusėje, kuri legiruojama fosforu - "n" tipo laidumas. Susidaro p-n sandūra, kuri sukuria tą reikalingą elektros lauką. Elektros srovei nuvesti viršutinėje plokštelės pusėje sudaromas metalinis tinklelis, o apatinėje - ištisinis metalinis kontaktas, prie kurių prijungiami metaliniai elektrodai ("+" ir "-"). Šviesa į silicio plokštelę patenka per to tinklelio akis. Šviesos energija čia virsta į elektros energiją. Toks reiškinys fizikoje vadinamas fotoelektriniu efektu, o įtaisas (aprašytoji plokštelė), kuriame šis procesas vyksta, vadinamas fotoelektriniu keitikliu. Taigi, fotoelektriniu keitikliu (FEK) vadinamas puslaidininkinis įtaisas, skirtas šviesos energijai versti į elektros energiją. Pirmasis šiuolaikinis FEK, dar vadinamas saulės elementu (Solar Cell), buvo pagamintas JAV Bell'o laboratorijoje (Bell Labs) 1954 metais.
FEK gamybai gali būti naudojamas monokristalinis, polikristalinis ir amorfinis silicis bei kitos puslaidininkinės medžiagos: galio arsenido (GaAs), indžio fosfato (InP), kadmio telurido (CdTe), vario indžio diselenido (tarptautinė santrumpa CIS), vario indžio galio selenido (tarptautinė santrumpa CIGS), indžio galio nitrido (InGaN) ir kitos. Šiuo metu fotoelektrinių keitiklių gamybai dažniausiai naudojamas silicis (>90%), nes kitos tinkamos puslaidininkinės medžiagos yra kur kas brangesnės (iki kelių kartų).
Fotoelektriniu moduliu (FEM) vadinamas toks FEK, kuris sukonstruotas taip, kad jo gabaritiniai matmenys ir elektriniai parametrai (galia, įtampa) atitiktų tam tikrus sutartinius dydžius. Be to, jis turi būti apsaugotas nuo atmosferos poveikio (uždengtas stiklu ar kita atsparia skaidria danga, užsandarintas), patogus montuoti ir prižiūrėti. Monokristalinio ir polikristalinio silicio FEM sudaromi iš tam tikro skaičiaus mažos galios (dažniausiai apie 1- 0,5 W) nedidelių fotoelektrinių elementų, kurie, kombinuojant nuoseklųjį ir lygiagretųjį jungimą, sujungiami taip, kad gautųsi norimų konvencinių elektrinių parametrų modulis. Dažniausiai FEM įtampa yra tarp 14,5 ir 17 V. Amorfinio silicio FEM gaminami ant metalinio pagrindo užnešant ploną silicio sluoksnį. Šie moduliai yra sudaryti ne iš atskirų mažos galios elementų (celių), o turi vieną didelio ploto ploną ištisinę fotoelektrinę dangą, užimančią visą modulio plotą. Šiuolaikinių FEM galia svyruoja nuo kelių vatų iki 300 W. Jeigu reikia gauti didesnes galias, kombinuojant lygiagretųjį ir nuoseklųjį jungimą, moduliai jungiami į modulynus.
Fotoelektrinių modulių charakteristikos
Žinant FEK veikimo principą, galima sudaryti analogiškai veikiančią jo atstojamąją elektrinę schemą. Idealaus FEK atstojamoji elektrinė schema pateikta 1 paveikslėlyje. Analogišką schemą galima sudaryti ir fotoelektriniams moduliams, sudarytiems iš FEK. Šią schemą sudaro ekvivalentinis srovės šaltinis J, kurio srovė IF priklauso nuo apšvietos Ej ir ekvivalentinis diodas D, kurio p-n sandūros varža priklauso nuo apkrovos varžos RA ir temperatūros T. Kai RA = 0, tai ir U = 0 ir FEK veikia trumpojo jungimo režimu. Per diodą D dėl didelės jo p-n sandūros varžos srovė ID tokiomis sąlygomis dar neteka.
1 pav. Idealaus FEK atstojamoji schema
Didinant apkrovos varžą RA, didėja įtampa U ir FEK arba visas FEM pradžioje veikia srovės šaltinio režimu iki tol, kol apkrovos galia pasiekia didžiausią vertę. Šiame taške apkrovos varža yra lygi FEM vidaus varžai. 2 paveikslėlyje pateikta FEM voltamperinių charakteristikų šeima. Jame šias maksimalios galios vertes žymi tiesės Pmax = f(U) ir FEM voltamperinių charakteristikų I = f(U) šeimos susikirtimo taškai 1, 2 ir 3. Didinant apkrovos varžą RA, didėja įtampa U ir mažėja diodo p-n sandūros varža. Todėl didėja diodo srovė ID . FEK (FEM) veikia įtampos šaltinio režimu.
Praktikoje FEM voltamperinės charakteristikos taškas yra labai svarbus. Norint, kad modulis elektros apkrovai atiduotų maksimalią galiai esant kiekvienai apšvietos vertei (kuri, kaip žinome, kinta plačiose ribose), reikia nuolat reguliuoti jo apkrovos varžą taip, kad ji visais atvejais būtų lygi FEM vidaus varžai, kuri kinta priklausomai nuo apšvietos. Šią funkciją automatiškai atlieka galios maksimizatoriai.
2 pav. FEM voltamperinės charakteristikos esant skirtingoms apšvietoms E
Kai RA = (begalybei), apkrovos srovė IA = 0. Šiuo atveju turime FEM tuščiosios veikos režimą, kai generuojama elektrovara Uo. FEM voltamperinių charakteristikų taškai 1,2,3 (2 pav.), kuriuose apkrovos galia pasiekia didžiausią vertę, vadinami suderintojo darbo režimo taškais. Šie taškai turi įdomią savybę: kai FEK dirba suderintuoju darbo režimu, jo vidinė varža yra lygi apkrovos varžai RA. FEM vidinė varža kinta priklausomai nuo apšvietos E.
Panagrinėję FEM voltamperines charakteristikas matome, kad jos turi tris ypatingus (charakteringus) taškus: trumpojo jungimo, suderintojo darbo režimo ir tuščiosios veikos. Šių taškų parametrai, išmatuoti, kai apšvieta lygi 1 Saulei (1000 W/m2), pateikiami FEM pasuose.
Pažymėtina, kad FEM voltamperinių charakteristikų pobūdis priklauso nuo temperatūros. Didėjant temperatūrai, FEM elektrovara kiek mažėja, o trumpojo jungimo srovė šiek tiek didėja.
Fotoelektrinių modulių parinkimas
Fotoelektrinio modulio (FEM) naudinggo veikimo koeficientas (efektyvumas) ženkliai skiriasi priklausomai nuo modulio tipo. To paties tipo FEM naudingumo koeficientai taip pat ženkliai skiriasi priklausomai nuo jų gamybos būdo. Mokslinėse laboratorijose iš įvairių medžiagų jau yra pavykę pagaminti vienetinius įvairių tipų nedidelio ploto (dažniausiai jų plotas yra mažesnis už 1 cm2) fotoelektrinius keitiklius, kurių naudingumo koeficientai yra kur kas didesni negu tų pačių tipų serijiniu būdu gaminamų fotoelektrinių modulių (viršija 30%). Šiuo metu rinkoje esančių FEM naudingumo koeficientai, priklausomai nuo modulio tipo yra tokie:
monokristalinio silicio - iki 20%, polikristalinio silicio - apie13%, amorfinio silicio - apie 8%, vario indžio diselenido (tarptautinė santrumpa - CIS) - apie 11%.
Gamyklose gaminami fotoelektriniai keitikliai, iš kurių gaminami FEM, palaipsniui tobulėja: didėja jų naudingumo koeficientas, mažėja savikaina. Kalifornijos kompanija SunPower 2003 m. paskelbė, kad JAV nacionalinė atsinaujinančiosios energijos laboratorija (NREL - National Renewable Energy Laboratory) patvirtino saulės elemento (fotoelektrinio keitiklio), pagaminto jų laboratorijoje iš monokristalinio silicio, naudingumo koeficientą 20,4%. Tokio efektyvumo FEM ribotais kiekiais jau buvo galima įsigyti 2003 metais, o jų serijinė gamyba prasidėjo 2004 m.
Lietuvos mokslininkai, dalyvaujantys EC FP5 programos projekte "First Step", tikisi sukurti monokristalinio silicio FEM, turinčius panašaus dydžio naudingumo koeficientą. Sukūrę ir panaudoję savaiminio formavimosi technologiją FEM gamybai, jie siekia gauti didelį modulių efektyvumą (>20%) ir kur kas mažesnę savikainą.
Sparčiai vystosi ir plonaplėvių fotoelektrinių modulių technologijos. Apie 2000 metus Vokietijos mokslinio tyrimo centras ZSW (Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung, Stuttgart) sukūrė plonaplėvių CIGS modulių gamybos technologiją, kurią naudojant labai ženkliai sumažėja šio tipo FEM gamybos kaštai ir beveik dvigubai padidėja energijos konversijos efektyvumas. Marbache prie Nekaro (Marbach am Neckar) veikia FEM gamykla, kuri šiuo metu serijiniu būdu gamina 30 x 30 cm ploto vario indžio galio selenido (tarptautinė santrumpa - CIGS) modulius. Jų vidutinis efektyvumas - 11,3% o maksimalus - 12,8%, bendroji FEM galia - 1,2 MW. Laikui bėgant, gamyba plėsis ir bendroji per metus pagamintų FEM galia pasieks 10 MW, o po to ir 50 MW ribą. Tikimasi, kad masinė CIGS modulių gamyba prasidės apie 2006 metus. Tuomet plonaplėvio sluoksnio gamybos kaina pasieks labai laukiamą numatytą 0,6 EURO/Wp ribą.
Naujausi mokslo atradimai rodo, kad FEM naudingumo koeficientas jau netolimoje ateityje gali būti dar didesnis ir siekti bent jau 50%. Saulės elementų efektyvumas priklauso nuo daugelio priežasčių, iš kurių viena svarbiausių yra kuo didesnis saulės šviesos spektro panaudojimas. Neseniai JAV Nacionalinėje Lawrence Berkeley laboratorijoje grupė mokslininkų atrado medžiagą, kuri duoda žymiai didesnį saulės elementų efektyvumą. Ta medžiaga - indžio galio nitridas (InGaN). Keičiant indžio ir galio koncentraciją atskiruose saulės elemento sluoksniuose galima labai tiksliai sureguliuoti sugeriamos fotonų energijos kiekį. Naujoji medžiaga idealiai tinka saulės elementų gamybai. Iš šios medžiagos pagaminti FEM su keliais skirtingais sluoksniais turėtų sugerti visų šviesos spektro bangų energiją, todėl manoma, kad jų efektyvumas turėtų būti apie 50% ar netgi didesnis.
Nors amorfinio silicio pagrindu pagaminti FEK moduliai yra kur kas pigesni, tačiau jie greičiau sensta ir jų naudingumo koeficientas yra mažesnis. Tą reikia įvertinti parenkant FEM.