Хабр Курсы для всех
РЕКЛАМА
Практикум, Хекслет, SkyPro, авторские курсы — собрали всех и попросили скидки. Осталось выбрать!
Хабр доступен 24/7 благодаря поддержке друзей
Комментарии 27
Самый главный момент, цена вопроса?
Нет, не так. Традиционно у солнечных батарей главный вопрос звучит так:
Сможет ли она за свой срок службы выработать достаточно энергии для производства себя же.
Сможет ли она за свой срок службы выработать достаточно энергии для производства себя же.
Очень важный вопрос, на мой взгляд. т.к. фотоэлементы на базе Арсенида Галия всегда были лучше по КПД чем например кремний. НО цена вопроса такого элемента была в десятки раз больше чем фотоэлемент на Si.
Кремний же несмотря на относительно низкий КПД, хорошо зарекомендовал себя в фотовольйке… т.к. его цена ничтожно мала по сравнению с GaAs… а ещё кремний второй самый распространенный элемент на планете.
Кремний же несмотря на относительно низкий КПД, хорошо зарекомендовал себя в фотовольйке… т.к. его цена ничтожно мала по сравнению с GaAs… а ещё кремний второй самый распространенный элемент на планете.
Чего то мало — солнечные батареи на AsGa теоретически могут иметь КПД до 50-60%. А цена — увы пока раза в 4 больше, чем кремниевые
Если учесть из каких редких элементов делается эта солнечная батарея, то очевидно, что снижения цены ждать неоткуда.
Дело не в редкости. В «кремниевую» технологию вложены _триллионы_ долларов — отсюда и относительная дешевизна процессоров и всего такого. А соединения A3B5 (к которым относится GaAs ), увы но при всех преимуществах — быстродействие (например можно сделать тактовую частоту до 250 Ггц), радиационная стойкость, меньше теплового шума и пр. — такого денежного потока не получали.
Вот и получался замкнутый круг — нет инвестиций — нет и приборов, а нет приборов — нет инвестиций. С другими альтернативными кремнию технологиями — с арсенидом алюминия (AlAs) или тройными растворами AlxGa1-xAs (гетероструктуры), или новомодный графен — такая же история.
Если вернуться к топику — то потери КПД в основном идут ухода солнечной энергии в нагрев пластины ( ~ 10%) и неполное поглощение солнечного спектра (как раз линза Sharp меня и смутила ) — если придумать слоистые структуры — которые поглощали бы все — от ультрафиолета до инфракрасного излучения — было бы здорово.
Но и сейчас — КПД кремниевых батарей — не превышает 14%, а GaAs — дает 40%. Т.е. в переводе на стоимость кВт — получается практически паритет — цена выше, но и КПД тоже. Плюс бонус — в 4 раза меньшая эффективная площадь — т.е. устройства можно сделать значительно компактнее
Вот и получался замкнутый круг — нет инвестиций — нет и приборов, а нет приборов — нет инвестиций. С другими альтернативными кремнию технологиями — с арсенидом алюминия (AlAs) или тройными растворами AlxGa1-xAs (гетероструктуры), или новомодный графен — такая же история.
Если вернуться к топику — то потери КПД в основном идут ухода солнечной энергии в нагрев пластины ( ~ 10%) и неполное поглощение солнечного спектра (как раз линза Sharp меня и смутила ) — если придумать слоистые структуры — которые поглощали бы все — от ультрафиолета до инфракрасного излучения — было бы здорово.
Но и сейчас — КПД кремниевых батарей — не превышает 14%, а GaAs — дает 40%. Т.е. в переводе на стоимость кВт — получается практически паритет — цена выше, но и КПД тоже. Плюс бонус — в 4 раза меньшая эффективная площадь — т.е. устройства можно сделать значительно компактнее
Кремений: Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода.
Галий: Среднее содержание галлия в земной коре 19 г/т
Проблема в редкости, все таки существует.
Галий: Среднее содержание галлия в земной коре 19 г/т
Проблема в редкости, все таки существует.
Не сказал бы, что в GaAs недостаточно денег вкладывают. Вполне достаточно, и используют, везде, где это нужно. Дороже он — за счет более сложных процессов обработки (т.к. например слой изолятора не вырастить из самого полупроводника, как в случае кремния).
Обычные CMOS цифровые микросхемы из GaAs не делают, потому что у него мобильность дырок хуже, чем у кремния. Т.е. хорошо получаются только транзисторы n-типа, а p-типа плохо.
Обычные CMOS цифровые микросхемы из GaAs не делают, потому что у него мобильность дырок хуже, чем у кремния. Т.е. хорошо получаются только транзисторы n-типа, а p-типа плохо.
Так необязательно делать цифру. Из GaAs прекрасно получаются СВЧ — транзисторы (бескорпусные, малошумящие, большой и средней мощности), усилители (МШУ, буферные, с выходной мощностью до 10Вт), СВЧ ИС для приемопередатчиков, частотные делители и умножители, фазовращатели, коммутаторы, цифровые аттенюаторы, генераторы…
не, все не так просто, нельзя заменить кремний на арсенид галлия и сразу увеличить кпд в 3 раза. проблема гораздо хитрее.
У солнечного излучения существует некий спект (примерно вот такой khd2.narod.ru/gratis/solar_sp.gif). При этом «напряжение» которое можно получить поглатив фотон на определенной длинне волны обратно пропорционально длине волны. т.е для красного и инфракрасного оно меньше чем для синего и ультрофиолетового. Для самой синей длины волны (около 400 нм) и красной (800 нм, хотя это уже практически ближний инфракрасный) это напряжение отличается в два раза.
Основной проблемой является то, что захватить все фотоны мы не можем. Мы создаем в солнечном элементе переход как в транзисторе или диоде. И этот переход имеет такую физическую величину как напряжение перехода. Если прилетает фотон с «напряжением» (на самом деле энергией) больше напряжения перехода — он поглащается, а на переходе выделяется 1 электрон с напряжением ПЕРЕХОДА. Если прилетает фотон с энергией меньше необходимой — он не поглащается.
Таким образом, если мы выбираем напряжение перехода слишком низким — мы собираем большую часть спектра, но теряем энергию из-за низкого напряжения перехода. И наоборот — выбрав напряжение слишком большим — теряем значительную часть энергии спектра.
Есть несколько стандартных подходов для решения этой проблемы (хотя в промышленности мы все еще имеет обычные монокристаллические кремниевые фотопластины).
1. Ввести слой с «квантовыми точками» — некими неоднородностями которые могут поглатить фотон высокой энергии и высветить его в виде нескольких фотонов меньшей энергии. которые в свою очередь будут уже поглащены непосредственно солнечной батареей.
2. сделать несколько переходов один над другим (ведь переход прозрачен для энергий фотонов меньше энергии перехода). Проблемой является значительное удорожание техпроцесса, решением — использование концентратора.
собственно, если смотреть на вот этот график www.greentechmedia.com/content/images/articles/NREL-PV-eff-3-13.jpg
видно, что на 2012 год уже достигнуто КПД в 44% для трех-переходного солнечного элемента с концентратором.
У солнечного излучения существует некий спект (примерно вот такой khd2.narod.ru/gratis/solar_sp.gif). При этом «напряжение» которое можно получить поглатив фотон на определенной длинне волны обратно пропорционально длине волны. т.е для красного и инфракрасного оно меньше чем для синего и ультрофиолетового. Для самой синей длины волны (около 400 нм) и красной (800 нм, хотя это уже практически ближний инфракрасный) это напряжение отличается в два раза.
Основной проблемой является то, что захватить все фотоны мы не можем. Мы создаем в солнечном элементе переход как в транзисторе или диоде. И этот переход имеет такую физическую величину как напряжение перехода. Если прилетает фотон с «напряжением» (на самом деле энергией) больше напряжения перехода — он поглащается, а на переходе выделяется 1 электрон с напряжением ПЕРЕХОДА. Если прилетает фотон с энергией меньше необходимой — он не поглащается.
Таким образом, если мы выбираем напряжение перехода слишком низким — мы собираем большую часть спектра, но теряем энергию из-за низкого напряжения перехода. И наоборот — выбрав напряжение слишком большим — теряем значительную часть энергии спектра.
Есть несколько стандартных подходов для решения этой проблемы (хотя в промышленности мы все еще имеет обычные монокристаллические кремниевые фотопластины).
1. Ввести слой с «квантовыми точками» — некими неоднородностями которые могут поглатить фотон высокой энергии и высветить его в виде нескольких фотонов меньшей энергии. которые в свою очередь будут уже поглащены непосредственно солнечной батареей.
2. сделать несколько переходов один над другим (ведь переход прозрачен для энергий фотонов меньше энергии перехода). Проблемой является значительное удорожание техпроцесса, решением — использование концентратора.
собственно, если смотреть на вот этот график www.greentechmedia.com/content/images/articles/NREL-PV-eff-3-13.jpg
видно, что на 2012 год уже достигнуто КПД в 44% для трех-переходного солнечного элемента с концентратором.
Судя по рисунку, ожидается снижение цены за счет использования линзы.
Википедия говорит, что у тех солнечных батарей, что сейчас в продакшине, КПД 9-24%. Интересно.
это и есть классические монокристаллический-кремний и поликристаллический кремний (обычно эти батареи ярко-синего цвета). Есть еще на аморфном кремнии и гибкие (пленочные)
Для интереса — посмотрите — какого цвета «штуковина», которая тоже живет за счет солнечного цвета — хлорофилл. Сразу понятно — какую часть спектра поглощает она, а какую батареи.
Для интереса — посмотрите — какого цвета «штуковина», которая тоже живет за счет солнечного цвета — хлорофилл. Сразу понятно — какую часть спектра поглощает она, а какую батареи.
И какую часть спектра поглощает хлорофилл?
Ту, которую не отразил. То есть синюю, красную.
Ту, это отлично расчитывается по закону абсолютно черного тела (Закон Вина). Для Солнца — это 470нм (Т=6160К)
А поскольку там параболическое распределение ( от T^4) — есть еще хвосты в ИК и УФ диапазон — это описано в уравнении Планка для спектральной плотности энергетической светимости АЧТ.
А поскольку там параболическое распределение ( от T^4) — есть еще хвосты в ИК и УФ диапазон — это описано в уравнении Планка для спектральной плотности энергетической светимости АЧТ.
Мне интересно другое КПД выше на единицу площади кристала или на единицу площади фотоэллемента?
Думается что первое. Т.е. на туже площадь фотоээлемента выход мощности останется таким же если не меньше.
Думается что первое. Т.е. на туже площадь фотоээлемента выход мощности останется таким же если не меньше.
Какое-то предприятие в Днепропетровске, приближенное к космическим технологиям, еще лет 10 назад делало опытные образцы солнечных батарей на арсениде галлия и на антимониде галлия (AlAsGa). КПД заявлялся тот же: 40+%
Такая большая компания, и не нашли никого, кто бы мог правильно написать слово «buttom».
При этом размер самой линзы не превышает размер фотоэлемента.
Бред какой-то.
Линза для того там и нужна, чтобы собирать энергию с большей площади на меньшую, да и на первом рисунке это и проиллюстрировано. А френелева линза от обычной только толщиной и наличием кучи зазубрин отличается.
Зарегистрируйтесь на Хабре, чтобы оставить комментарий
В Sharp разработали «концентрирующий» фотоэлемент с КПД 44,4%