ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.02.2024
Просмотров: 54
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Аналитический обзор литературы
1.1 История развития солнечные элементы
1.2 Солнечные элементы и их основные параметры
1.3 Перовскитовые солнечные элементы
1.4 Метод магнетронного напыления
1.7 Теоретические основы численного моделирования
1.8 Программа численного моделирования SCAPS-1D
2. Разработка модели перовскитного солнечного элемента
2.1 Сравнение различных материалов
2.2 Сравнение различных тыльных контактов
3. Моделирование характеристик и параметров
3.1 Численный метод моделирования
3.2 Исследование влияния толщины перовскита на эффективность солнечного элемента
4. Разработка технологии изготовления перовскитного солнечного элемента
сравнению с кремниевыми солнечными элементами, за счет использования жидкостных процессов в 1988 году.
Технологии на основе солнечной энергии быстро развиваются в последние десятилетия. Они успешно преодолевают технические трудности связанные с повышением эффективности преобразования энергии, в то время как, снижаются затраты на производство, что отвечает требованиям коммерциализации. Рисунок 1.1 показывает потребление альтернативной энергии с 2005 по 2015 год. Следовательно, доля потребления солнечной энергии увеличилась более чем в 40 раз с 2005 по 2015 г. Кроме того, стоимость электроэнергии, вырабатываемой из солнечных батарей и тепловой энергии, значительно уменьшилась в период с 2010 по 2015, как показано на Рисунке 1.2.
Рисунок 1.1 - Сравнительное потребление энергии в 2005, 2010 и 2015
Рисунок 1.2 - Тенденции глобальной стоимости возобновляемых источников энергии в 2010 и 2015
Экологическая чистота - это главный «плюс» солнечной энергии. Правда, соединения кремния наносят незначительный вред окружающей среде, но, по сравнению с последствиями сжигания природного топлива данный ущерб – слишком мал.
Долговечность - это второе, достаточно важное достоинство полупроводниковых солнечных батарей.
Пару квадратных метров солнечных батарей могут решить все энергетические проблемы маленького города. Индия, Южная часть США, Испания, Саудовская Аравия уже используют солнечные электростанции, которые достигают внушительной мощности.
На сегодняшний день ученые разрабатывают проекты строительства солнечных электростанций за пределами атмосферы - там, где солнечные лучи не теряют своей энергии. Уловленное на земной орбите излучение предлагается переводить в другой тип энергии - микроволны - и затем уже отправлять на Землю. Современная технология позволяет осуществить такой проект в самом ближайшем будущем, хотя на первый взгляд, это может показаться нереальным.
Солнечные элементы состоят из полупроводниковых материалов, которые могут генерировать электричество от солнечного света непосредственно используя фотоэлектрический эффект. Когда солнечный элемент подвергается воздействию света, часть фотонов с большей энергией, чем ширина запрещенной зоны поглощается полупроводником. Поглощающиеся фотоны с достаточной энергией возбуждения (Е> ЕG) могут вызвать перенос электронов и дырок; электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, двигающихся в разных направлениях, как показано на Рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 - Возбуждение и разделение зарядов
Носители, генерируемые вокруг P-N-перехода, достигают области пространственного заряда без рекомбинации. Из-за наличия эффекта внутреннего электрического поля, дырки диффундируют в область P-типа, а электроны текут в области N-типа. В результате, образуется избыток дырок в области Р-типа и электронов в области N-типа. Электронно-дырочный переход (р-п-переход) — это электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность п-типа, а другая р-типа.
Избыточные электроны и дырки образуют электростатическое поле вблизи P-N-перехода, который имеет противоположное направление к потенциальной энергии барьера. Как следствие, электродвижущая сила создается между этими двумя областями. Если существует замкнутая цепь, то может генерироваться ток. Процесс показан на Рисунке 1.4.
Рисунок 1.4 - Принцип работы солнечных элементов
Параметры производительности солнечного элемента в основном являются выходными характеристиками, в частности ток короткого замыкания, напряжение холостого хода, коэффициент заполнения и мощности эффективность преобразования, как показано на Рисунке 1.5.
Рисунок 1.5 - Выходные характеристики устройства
Напряжение холостого хода: Напряжение холостого хода максимальное выходное напряжение солнечного элемента. Оно может быть получено, когда значение выходного тока равно нулю. Напряжение может быть выражено согласно уравнению 1.1:
(1.1)
где,
- постоянная Больцмана, Т - температура, q - элементарный заряд, I - это сила тока, 
сила тока насыщения.
Ток короткого замыкания: При расположении солнечного элемента под стандартным источником света, когда произойдет переход в состояние короткого замыкания (значение напряжения равно 0), будет достигнут максимальный выходной ток, называемый ток короткого замыкания. Он определяется как:
(1.2)
Коэффициент заполнения: Это отношение максимальной выходной мощности к напряжения холостого хода и тока короткого замыкания. Коэффициент заполнения связан с максимальной выходной мощностью. Повышение коэффициента заполнения приводит к большей выходной мощности. Значение фактора заполнения зависит от последовательного сопротивления и напряжения. Коэффициент заполнения определяется с помощью уравнения, представленного ниже:
(1.3)
где Pm - максимальная выходная мощность, Voc - напряжение разомкнутой цепи.
Эффективность преобразования энергии: эффективность преобразования энергии является существенным параметром. Она определяется как отношение максимальной выходной мощности падающего света, согласно уравнению:
η =
(1.4)
где
- это сила падающего света. Значение эффективности преобразования мощности определяется
, FF,
и .
В 2012 году Nature опубликовали статью по перовскитовым солнечным батареям с КПД более 10%. С тех пор, перовскитовые солнечные батареи привлекли много внимания из-за их высокой производительности, низкой стоимости изготовления и большого потенциала для коммерциализации. Как правило, структура перовскитовых солнечных элементов состоит из пяти слоев, которые представляют собой катод на металлизированной основе, слой дырочной проводимости, слой перовскита, слой электронной проводимости и анод. Типичные перовскитовые солнечные элементы с плоской структурой показаны на рисунке 1.6. Перовскитовый слой используется в качестве поглотителя света в устройстве, где происходит возбуждение фотона. Сформированные электроны и дырки разделены и переданы к соответственным слоям. Благодаря своей амбиполярной характеристике, перовскит имеет высокую подвижность, как электронов, так и дырок. Функция слоя электронной проводимости заключается в извлечении и передаче электронов. Для слоя дырочной проводимости, используется принцип извлечения и передачи дырок. В зависимости от расположения слоев на пути солнечного луча, перовскитные СЭ можно разделить на два типа: классический и инвертированный. В классических ячейках первый (нижний) слой — прозрачный электрод из стекла с нанесенным на него проводящим оксидом олова, за ним идет также прозрачный электрон-транспортный слой из оксида титана, за ним — активный слой перовскита. Оксид титана — тоже полупроводник, и его свойства подобраны таким образом, что в данной конфигурации он будет пропускать только электроны, но не будет пропускать «дырки» (положительные заряды).
Сверху на слой перовскита наносят слой специального полимера, который работает противоположно оксиду титана: не пропускает электроны, но пропускает «дырки». Поверх всей конструкции напыляют металлический (чаще всего золотой) катод. В итоге электроны могут двигаться только сверху вниз, в направлении, противоположном движению солнечного луча. В инвертированных ячейках все наоборот — вначале идет такой же прозрачный проводящий электрод, но дырочно-проводящий слой (также используются проводящие полимеры, но не такие, как в классической конфигурации) наносят под перовскитный слой, а электрон-проводящий слой (это могут быть производные фуллеренов или некоторые полимеры) — поверх. В итоге электроны движутся в противоположном направлении — снизу вверх.
Технологии на основе солнечной энергии быстро развиваются в последние десятилетия. Они успешно преодолевают технические трудности связанные с повышением эффективности преобразования энергии, в то время как, снижаются затраты на производство, что отвечает требованиям коммерциализации. Рисунок 1.1 показывает потребление альтернативной энергии с 2005 по 2015 год. Следовательно, доля потребления солнечной энергии увеличилась более чем в 40 раз с 2005 по 2015 г. Кроме того, стоимость электроэнергии, вырабатываемой из солнечных батарей и тепловой энергии, значительно уменьшилась в период с 2010 по 2015, как показано на Рисунке 1.2.
Рисунок 1.1 - Сравнительное потребление энергии в 2005, 2010 и 2015
Рисунок 1.2 - Тенденции глобальной стоимости возобновляемых источников энергии в 2010 и 2015
Экологическая чистота - это главный «плюс» солнечной энергии. Правда, соединения кремния наносят незначительный вред окружающей среде, но, по сравнению с последствиями сжигания природного топлива данный ущерб – слишком мал.
Долговечность - это второе, достаточно важное достоинство полупроводниковых солнечных батарей.
Пару квадратных метров солнечных батарей могут решить все энергетические проблемы маленького города. Индия, Южная часть США, Испания, Саудовская Аравия уже используют солнечные электростанции, которые достигают внушительной мощности.
На сегодняшний день ученые разрабатывают проекты строительства солнечных электростанций за пределами атмосферы - там, где солнечные лучи не теряют своей энергии. Уловленное на земной орбите излучение предлагается переводить в другой тип энергии - микроволны - и затем уже отправлять на Землю. Современная технология позволяет осуществить такой проект в самом ближайшем будущем, хотя на первый взгляд, это может показаться нереальным.
1.2 Солнечные элементы и их основные параметры
Солнечные элементы состоят из полупроводниковых материалов, которые могут генерировать электричество от солнечного света непосредственно используя фотоэлектрический эффект. Когда солнечный элемент подвергается воздействию света, часть фотонов с большей энергией, чем ширина запрещенной зоны поглощается полупроводником. Поглощающиеся фотоны с достаточной энергией возбуждения (Е> ЕG) могут вызвать перенос электронов и дырок; электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, двигающихся в разных направлениях, как показано на Рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 - Возбуждение и разделение зарядов
Носители, генерируемые вокруг P-N-перехода, достигают области пространственного заряда без рекомбинации. Из-за наличия эффекта внутреннего электрического поля, дырки диффундируют в область P-типа, а электроны текут в области N-типа. В результате, образуется избыток дырок в области Р-типа и электронов в области N-типа. Электронно-дырочный переход (р-п-переход) — это электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность п-типа, а другая р-типа.
Избыточные электроны и дырки образуют электростатическое поле вблизи P-N-перехода, который имеет противоположное направление к потенциальной энергии барьера. Как следствие, электродвижущая сила создается между этими двумя областями. Если существует замкнутая цепь, то может генерироваться ток. Процесс показан на Рисунке 1.4.
Рисунок 1.4 - Принцип работы солнечных элементов
Параметры производительности солнечного элемента в основном являются выходными характеристиками, в частности ток короткого замыкания, напряжение холостого хода, коэффициент заполнения и мощности эффективность преобразования, как показано на Рисунке 1.5.
Рисунок 1.5 - Выходные характеристики устройства
Напряжение холостого хода: Напряжение холостого хода максимальное выходное напряжение солнечного элемента. Оно может быть получено, когда значение выходного тока равно нулю. Напряжение может быть выражено согласно уравнению 1.1:
(1.1)где,
- постоянная Больцмана, Т - температура, q - элементарный заряд, I - это сила тока, сила тока насыщения.Ток короткого замыкания: При расположении солнечного элемента под стандартным источником света, когда произойдет переход в состояние короткого замыкания (значение напряжения равно 0), будет достигнут максимальный выходной ток, называемый ток короткого замыкания. Он определяется как:
(1.2)Коэффициент заполнения: Это отношение максимальной выходной мощности к напряжения холостого хода и тока короткого замыкания. Коэффициент заполнения связан с максимальной выходной мощностью. Повышение коэффициента заполнения приводит к большей выходной мощности. Значение фактора заполнения зависит от последовательного сопротивления и напряжения. Коэффициент заполнения определяется с помощью уравнения, представленного ниже:
(1.3)где Pm - максимальная выходная мощность, Voc - напряжение разомкнутой цепи.
Эффективность преобразования энергии: эффективность преобразования энергии является существенным параметром. Она определяется как отношение максимальной выходной мощности падающего света, согласно уравнению:
η =
(1.4)где
- это сила падающего света. Значение эффективности преобразования мощности определяется
, FF,
и .1.3 Перовскитовые солнечные элементы
В 2012 году Nature опубликовали статью по перовскитовым солнечным батареям с КПД более 10%. С тех пор, перовскитовые солнечные батареи привлекли много внимания из-за их высокой производительности, низкой стоимости изготовления и большого потенциала для коммерциализации. Как правило, структура перовскитовых солнечных элементов состоит из пяти слоев, которые представляют собой катод на металлизированной основе, слой дырочной проводимости, слой перовскита, слой электронной проводимости и анод. Типичные перовскитовые солнечные элементы с плоской структурой показаны на рисунке 1.6. Перовскитовый слой используется в качестве поглотителя света в устройстве, где происходит возбуждение фотона. Сформированные электроны и дырки разделены и переданы к соответственным слоям. Благодаря своей амбиполярной характеристике, перовскит имеет высокую подвижность, как электронов, так и дырок. Функция слоя электронной проводимости заключается в извлечении и передаче электронов. Для слоя дырочной проводимости, используется принцип извлечения и передачи дырок. В зависимости от расположения слоев на пути солнечного луча, перовскитные СЭ можно разделить на два типа: классический и инвертированный. В классических ячейках первый (нижний) слой — прозрачный электрод из стекла с нанесенным на него проводящим оксидом олова, за ним идет также прозрачный электрон-транспортный слой из оксида титана, за ним — активный слой перовскита. Оксид титана — тоже полупроводник, и его свойства подобраны таким образом, что в данной конфигурации он будет пропускать только электроны, но не будет пропускать «дырки» (положительные заряды).
Сверху на слой перовскита наносят слой специального полимера, который работает противоположно оксиду титана: не пропускает электроны, но пропускает «дырки». Поверх всей конструкции напыляют металлический (чаще всего золотой) катод. В итоге электроны могут двигаться только сверху вниз, в направлении, противоположном движению солнечного луча. В инвертированных ячейках все наоборот — вначале идет такой же прозрачный проводящий электрод, но дырочно-проводящий слой (также используются проводящие полимеры, но не такие, как в классической конфигурации) наносят под перовскитный слой, а электрон-проводящий слой (это могут быть производные фуллеренов или некоторые полимеры) — поверх. В итоге электроны движутся в противоположном направлении — снизу вверх.
