Что такое солнечная батарея? В Википедии (ее англоязычном варианте) указывается, что это устройство, превращающее энергию солнечного света непосредственно в электрическую, действие которого основано на фотоэффекте. Еще в 19 веке А.Э.Беккерель - французский физик - публиковал работы по солнечному излучению, проводил связанные с этим исследования в области химии, электричества, гальваники (рисунок 1). Первая солнечная батарея появилась в 1883 году в виде селеновой подложки покрытой золотом. Ее КПД составил около 1%, а изобретатель - Чарльз Фриттс - был американским исследователем. Немецкий же ученый Генрих Герц (рисунок 2), работая с открытым резонатором, обнаружил, что при освещении цинковых разрядников прохождение искры заметно облегчается. Систематически изучил фотоэффект русский ученый Александр Столетов. Им был выведен и первый закон фотоэффекта, который гласит, что количество эмитируемых в результате фотоэффекта электронов пропорционально интенсивности излучения, а не его частоте. От частоты падающего света зависит энергия фотоэлектронов. Это уже постулировал Эйнштейн, добавив, что энергия поглощается квантами и энергия самого кванта идет как на ионизацию (разрыв связей), отрыв электрона от атома, так и на сообщение ему кинетической энергии (рисунок 3).
Возвращаясь из прошлого в наши дни, первым, что приходит в голову при упоминании о солнечных батареях, является кремний. Именно кремнию суждено было стать материалом солнечной энергетики. Широкое распространение в природе, легкость, подходящая ширина запрещенной зоны для поглощения энергии солнечного спектра.
В упрощенном виде солнечную батарею можно представить в виде "бутерброда": она состоит из слоев кремния, легированных для получения p-n перехода (см.рис.4). Как известно, контакт полупроводников с различными типами проводимости (электронной в n-типа и дырочной в p-типа) создает потенциальный барьер - зону объемного заряда, образующуюся в результате диффузионного проникновения носителей. В результате световой генерации неравновесных носителей заряда электроны вблизи перехода, сделавшие переход в зону проводимости в p-материале, завлекаются полем объемного заряда в n-область. Точно также и дырки, оставшиеся после перехода электрона в зону проводимости в n-материале, завлекаются в р-область. В результате появляется дополнительный отрицательный заряд в n-области и положительный - в p-области. Снижается потенциальный барьер и во внешней цепи появляется напряжение. Существуют многокаскадные солнечные батареи, которые захватывают бОльшую часть спектра за счет использования материалов с различными запрещенными зонами.
В современной солнечной технологии используется кристаллический кремний. Всего существует три производственных вида такого кремния.
Монокристаллический выращивается методом Чохральского (рисунок 5). Исходный материал - измельченный поликристаллический кремний, полученный Сименс-методом (CVD, chemical vapor deposition, процесс химического осаждения поликремния из газовой фазы), о котором расскажем ниже, - погружается в тигель и нагревается до образования расплава. Затем в расплав погружают затравочный кремниевый стержень (рисунок 6) и начинают его вращение, при этом тигель вращается в противоположную сторону для перемешивания расплава и выравнивания температуры. Скорость вращения и температура определяют величину диаметра кристалла. Фронт кристаллизации расположен над поверхностью расплава, т.е. кристалл растет сверху-вниз. Готовый брусок разрезается на круглые пластинки (рисунок 7,8).
В России производство поликристаллического кремния представлено компанией NITOL SOLAR в Иркутской области (рисунок 9). А началось все со строительства нескольких цехов в городе Усолье-Сибирское Иркутской области в середине 30-х годов прошлого века. Первой выпущенной продукцией предприятия стала этиловая жидкость, затем - хлор, перекись водорода, поливинилхлорид и многое другое. Сегодня производственная деятельность NITOL SOLAR осуществляется на базе двух дивизионов – «Химия» и «Поликристаллический кремний». Дивизионы компании интегрированы в единую производственную цепочку. Дивизион "Химия" производит хлороводород и вспомогательные продукты, используемые в производстве трихлорсилана дивизиона «Поликристаллический кремний». Трихлорсилан является, в свою очередь, сырьем для производства поликремния (ПКК).
Основой для получения поликристаллического кремния является кремнезем (диоксид кремния). Методом карботермического восстановления при Т=1800 С получают технический кремний, который впоследствии подвергается дополнительной химической очистке. Карботермическое восстановление (рисунок 10) включает в себя несколько химических процессов:
1) получение карбида кремния
SiO2 + 3C = SiC + 2CO
2) получение кремния (конечная стадия)
SiO2 + 2SiC = 3Si + 2CO.
Суммарная реакция такова:
SiO2 + 2С = Si + 2CO.
Полученный кремний необходимо дополнительно очистить. После обработки сухим хлористым водородом, под давлением, в реакторах кипящего слоя при температуре около 300 С – металлургический кремний превращается в трихлорсилан SiHCl3 (рисунок 11). При прохождении через реактор ТХС разлагается на поверхности нагретых стержней-затравок с образованием поликремния. В этом и заключается Сименс-процесс, обеспечивающий еще бОльшую чистоту получаемого поликремния. Чистый поликремний разрезается на пластины, используемые в дальнейшем для производства солнечных батарей.
По данным сайта компании NITOL SOLAR в настоящее время более 80% производимых в мире солнечных фотоэлементов (ФЭП) изготавливается на основе кристаллического кремния. В 2009 г. 34% ФЭП были изготовлены на основе монокристаллического кремния, 47% - на основе поли- или мультикристаллического кремния, 1,5% - в виде микрокристаллических кремниевых лент.
Солнечная энергетика продолжает развиваться во многом благодаря кремнию. В разных странах мира существуют программы, поддерживающие использование солнечных панелей для бытовых нужд. Солнечные батареи используются на космических станциях. Даже опытные образцы летательных аппаратов, о которых уже писал Нанометр, снабжаются солнечными батареями на кремнии. Кремний дал имя всемирно известной Кремниевой долине. Это материал, без которого невозможно представить себе современный мир.
Список использованных источников
1 Беккерель, Александр Эдмон - Словари и энциклопедии на Академике
2 Фотоэффект - Свободная русская энциклопедия "Традиция"
5 Electronic Materials © Prof. Dr. Helmut Föll
http://www.nanometer.ru/2010/08/19/kremnij_solnechnaa_energetika_216700.html
