Каскадные солнечные батареи космического и наземного применения

Полный текст

Введение[‡‡‡] Развитие электроэнергетики в мире до недавнего времени не встречало принципиальных трудностей. Увеличение производства электроэнергии происходило в основном за счет увеличения добычи нефти и газа. Однако энергетика оказалась первой крупной отраслью мировой экономики, которая столкнулась с ситуацией видимого истощения своей традиционной сырьевой базы. Сейчас все труднее становится сохранить высокий темп развития энергетики путем использования лишь традиционных ископаемых источников энергии. Кроме того, загрязнение окружающей среды продуктами сгорания ископаемого топлива является причиной ухудшения экологии. Эти обстоятельства определяют возрастающую роль возобновляемых источников энергии и в первую очередь энергии Солнца. В последние годы в общественном сознании крепнет убежденность в том, что энергетика будущего должна базироваться на крупномасштабном использовании солнечной энергии. Солнце - это огромный, неиссякаемый, абсолютно безопасный источник энергии, в равной степени всем принадлежащий и всем доступный. Ставка на солнечную фотоэнергетику должна рассматриваться как беспроигрышный и безальтернативный выбор для человечества. Солнечные батареи обеспечивают энергопитанием космические аппараты и получают все большее применение на Земле. В 2019 году в мире были установлены солнечные батареи мощностью 117 ГВт при общей мировой мощности установленных к 2020 году батарей более 634 ГВт. В России основным производителем наземных кремниевых модулей является завод «Хевел», на котором внедрена технология, разработанная учеными ФТИ имени А.Ф. Иоффе. Объем производства на конец 2020 года составляет 350 МВт солнечных модулей в год. Решающим для увеличения темпов развития наземной солнечной фотоэнергетики является повышение КПД энергосистем и уменьшение стоимости и расхода материалов для батарей. Солнечные фотоэнергоустановки на основе каскадных фотоэлектрических преобразователей с концентраторами солнечного излучения и системами слежения за солнцем перспективны для снижения стоимости солнечного электричества [1-9]. 1. Каскадные фотоэлектрические преобразователи для космических солнечных батарей Современные космические аппараты предъявляют повышенные требования к эффективности и радиационной стойкости бортовых солнечных батарей (СБ). Наиболее перспективным путем решения этих задач является разработка технологии каскадных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) из арсенида галлия и родственных ему соединений А3В5 на германиевых подложках [3; 10]. ФТИ имени А.Ф. Иоффе имеет пятидесятилетний опыт разработок гетероструктурных ФЭП для космических солнечных батарей [1; 3; 5; 11-14]. В ФТИ была впервые в мире разработана технология гетероструктурных AlGaAs/GaAs ФЭП, с использованием которой в НПО «Квант» (Москва) было организовано крупномасштабное производство космических солнечных батарей (рис. 1). В последнее время накоплен большой опыт эксплуатации космических солнечных батарей на основе AlGaAs/GaAs, AlGaInP/GaAs/Ge и других гетероструктур на основе соединений А3В5 [5; 10]. Показано, что эти СБ обеспечивают увеличение КПД, удельного энергосъема и радиационной стойкости по сравнению с кремниевыми батареями. В однопереходных ФЭП повышение КПД достигается за счет уменьшения толщины широкозонного «окна» до нескольких сот ангстрем, улучшения параметров материала активной области, создания тыльных потенциальных барьеров и встроенных полей, создания встроенного Брэгговского зеркала. В трехпереходных каскадных ФЭП, выполненных на основе трех последовательно соединенных p-n-переходов в материалах с различной шириной запрещенной зоны, обеспечивается существенное увеличение КПД до значений более 30 % в условиях околоземного космоса (воздушная масса АМ0). За последние 10 лет накоплен значительный опыт [10; 13; 15-17] по созданию трехпереходных каскадных солнечных элементов методом МОС-гидридной эпитаксии (рис. 2). Дальнейшие перспективы увеличения КПД связываются с разработкой четырехпереходных каскадных ФЭП [10; 18-19]. Получение таких ФЭП возможно только с применением высокопроизводительных прецизионных технологических установок МОС-гидридной эпитаксии и современных постростовых (планарных) технологий. Несмотря на большую стоимость каскадных космических батарей по сравнению с кремниевыми, использование каскадных ФЭП обеспечивает приблизительно двухкратное снижение суммарных затрат, благодаря увеличению удельного энергосъема, уменьшению размеров и веса СБ, увеличению ресурса работы СБ и снижению расхода топлива на доставку СБ на орбиту. Методом МОС-гидридной эпитаксии в ФТИ созданы гетероструктурные ФЭП [3; 5] со встроенным Брэгговским зеркалом (рис. 3), состоящим из 20-30 слоев GaAs и AlAs толщиной 50-70 нм, в которых существенно улучшена стойкость к воздействию космической радиации, что обеспечивает увеличение срока службы солнечных батарей. Разработаны конструкции каскадных ФЭП с двухсекционными Брегговскими отражателями, характеризующимися более широким максимумом отражения, что позволило повысить их радиационную стойкость. Для создания каскадных гетероструктур в едином процессе был применен комплекс технологических разработок, включающий эпитаксиальный рост в системах полупроводников Al-Ga-As и Al-Ga-In-P на германиевой подложке, технологию создания туннельных p-n-переходов, методику согласования фотока в субэлементах каскадной структуры (рис. 4) с одновременным формированием в германиевой подложке дополнительного третьего фотоактивного p-n-перехода. Основными преимуществами замены GaAs-подложки на инородную являются: снижение стоимости ФЭП за счет меньшей стоимости Ge при толщине слоев гетероструктуры порядка 7-10 мкм; улучшение механической прочности ФЭП и, как следствие, возможность уменьшения толщины ФЭП до 120-150 мкм и увеличения удельного (на единицу веса) энергосъема в солнечных батареях (менее 1 кг/м2). AlGaAs/GaAs Рис. 1. Космическая станция «Мир» с AlGaAs/GaAs солнечной батареей, изготовленной в АО «НПП “Квант”» по технологии ФТИ имени А.Ф. Иоффе [3] [Figure 1. Space station “MIR” with AlGaAs/GaAs solar array, fabricated in NPO “Kvant” with using the technology developed at the Ioffe Institute [3]] Рис. 2. МОС-гидридная технология каскадных гетероструктур для фотоэлектрических преобразователей (ФТИ имени А.Ф.Иоффе) [Figure 2. MOCVD technology of multijunction heterostructures for solar cells (Ioffe Institute)] Рис. 3. Гетероструктуры с Брэгговским рефлектором, обеспечивающим увеличение радиационной стойкости за счет отражения и эффективное поглощение «подзонных» фотонов [5] [Figure 3. Heterostructures with Bragg reflectors, ensuring the radiation resistance increase owing to reflection and effective absorption of subbandgap photons [5]] Созданы каскадные солнечные элементы на основе гетероструктуры Ge/GaAs/GaInP (рис. 5), в которых достигнуты значения КПД, превышающие 30 % в условиях околоземного космоса (АМ0), в том числе с концентраторами солнечного излучения [5; 10-13]. Увеличение КПД каскадных фотопреобразователей достигнуто за счет «расщепления» солнечного излучения на несколько спектральных интервалов и осуществления более эффективного преобразования энергии фотонов каждого из этих интервалов в определенной части полупроводниковой структуры (рис. 4-6). Рис. 4. Структура каскадного солнечного элемента и пути увеличения его эффективности Figure 4. Structure of a multijunction solar cell and path for rising its efficiency Выбор материалов для субэлементов каскадных ФЭП является наиболее критичным при разработке их структуры. С этой точки зрения в наиболее эффективной на данный момент структуре каскадных ФЭП на основе согласованных по параметру решетки материалов Ga0.52In0.48P/ Ga0.99In0.01As/Ge ограничены возможности увеличения КПД, вследствие не оптимальности ширины запрещенной зоны этих материалов. Это выражается в большем фототоке верхнего GaInP и нижнего Ge субэлементов по сравнению с фототоком среднего (GaInAs) субэлемента. Одним из реализованных путей повышения эффективности таких ФЭП явилось увеличение ширины запрещенной зоны материала верхнего субэлемента, что позволило увеличить генерируемое им напряжение и рабочее напряжение всего ФЭП. Для твердых растворов GaInP существует возможность увеличения ширины запрещенной зоны при сохранении параметра решетки за счет снятия упорядочения этих твердых растворов. Исследования в этой области позволили разработать технологию, обеспечивающую снижение упорядочения в GaInP. Создание структур с квантоворазмерными поглощающими средами (квантовыми точками и квантовыми ямами) позволило сдвинуть оптический край поглощения среднего субэлемента на основе GaInAs в длинноволновую область, что обеспечило повышение тока, генерируемого этим субэлементом, и увеличение тока каскадного ФЭП на основе GaInP/GaInAs/Ge [14]. Wave length (λ), nm External quantum efficiency, % Рис. 5. Гетероструктура каскадного солнечного элемента [Figure 5. Heterostructure of a multijunction solar cell] Рис. 6. Спектр фотоответа трехпереходного солнечного элемента на основе гетероструктуры GaInP/GaAs/Ge [Figure 6. Photoresponce spectrum of a triple-junction solar cell based on GaInP/GaAs/Ge heterostructure] Рис. 7. Зависимость КПД каскадного солнечного элемента от температуры при различных кратностях (50X, 100X, 300X) концентрирования «наземного» солнечного излучения [Figure 7. Temperature dependence in the triple-junction solar cells at the different sunlight concentration ratio (50X, 100X, 300X)] Разработанные структуры каскадных ФЭП включают: - квантово-размерные (20-30 нм) фронтальные широкозонные «окна» AlGaInP, обеспечивающее фоточувствительность до ультрафиолетовой области спектра; - квантово-размерные (10-50 нм) слои туннельных р+-n+-переходов, соединяющих фотоактивные области трех каскадов в гетероструктуре; - встроенные в гетероструктуру Брегговские отражатели (на основе периодических структур, образованных слоями с толщинами 50-70 нм), обеспечивающие отражение в фотоактивную область «подзонных» фотонов; - короткопериодные сверхрешетки для создания структур с градиентом ширины запрещенной зоны и для получения новых материалов; - структуры с квантовыми точками в активных областях каскадных элементов. Таким образом, для повышения КПД разработаны ФЭП нового поколения с использованием квантово-размерных слоев и новых материалов как в активных областях, так и в коммутирующих их туннельных диодах. Созданы ФЭП для космических солнечных батарей с КПД более 30 % в условиях околоземного космического пространства, в том числе ФЭП с КПД более 33 % за счет промежуточного концентрирования солнечного излучения. Разработаны солнечные элементы [13], оптимизированные как для работы в условиях околоземного космоса, так и для работы на космических аппаратах, запускаемых в глубокий космос (в сторону от Солнца), например, в условиях околомарсианских орбит и на Марсе, характеризующихся меньшей рабочей температурой солнечных батарей по сравнению с рабочей температурой околоземных космических батарей. КПД таких ФЭП достигает величины 46 % при рабочей температуре -50 °С в условиях облучения концентрированным наземным солнечным излучением (рис. 7). В космических условиях КПД таких элементов составляет порядка 38 % при температуре -50 °С и кратности концентрирования 100-300 солнц. Рис. 8. Фрагмент панели (площадью 600 см2) космической солнечной батареи с линейками каскадных солнечных элементов и линзовыми линейными концентраторами солнечного излучения (ФТИ имени А.Ф. Иоффе) [Figure 8. Photovoltaic module (square of 600 cm2) of space array based on multijunction solar cells and sunlight concentrators made of linear lenses (Ioffe Institute)] На основе каскадных ФЭП и концентраторов (линз Френеля) разработаны и созданы [12] космические концентраторные модули (рис. 8), обеспечивающие повышение удельного энергосъема, снижение стоимости солнечных батарей и улучшение радиационной стойкости. Достигнуто уменьшение в 10 раз расхода полупроводниковых материалов в разработанных модулях с промежуточным десятикратным концентрированием солнечного излучения и, как следствие, обеспечено снижение стоимости солнечных батарей. В концентраторных батареях улучшена радиационная стойкость за счет защиты фотопреобразователей концентратором и теплоотводящим основанием, а также за счет фотонного и инжекционного «отжига» концентраторных солнечных элементов, работающих при повышенных интенсивностях светового потока. Разработанные технологии космических каскадных ФЭП внедрены в серийное производство космических батарей ПАО «Сатурн» (Краснодар). Выполненные в ФТИ разработки каскадных ФЭП способствовали развитию отечественного производства энергоэффективных и радиационно-стойких космических батарей нового поколения, что является чрезвычайно важным для выполнения программ исследования космоса, космической связи и развития космических технологий. 2. Наземные концентраторные солнечные фотоэнергосистемы на основе каскадных солнечных элементов Разработанные наземные солнечные батареи и энергоустановки нового поколения с концентраторами солнечного излучения [1-9] открывают перспективы существенного снижения стоимости получаемой электроэнергии за счет снижения площади солнечных элементов пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения и увеличения удельной (с единицы площади) мощности батарей. Прецизионное отслеживание положения Солнца и улучшенная температурная стабильность КПД приводит к дополнительному увеличению на 30-40 % количества электроэнергии, вырабатываемой концентраторными солнечными фотоэнергоустановками, по сравнению с традиционными батареями без систем слежения. ФТИ имени А.Ф. Иоффе внес существенный вклад в создание высокоэффективных гетероструктурных (на основе соединений А3В5) солнечных элементов и наземных концентраторных фотоэнергосистем на их основе [1; 3; 5; 6]. В разработанных наземных концентраторных фотоэнергосистемах (рис. 9, 10) на основе каскадных солнечных элементов при пятисоткратном концентрировании солнечного излучения обеспечивается существенное увеличение удельного (с единицы площади батарей) энергосъема за счет большего КПД и слежения за положением Солнца, а также снижение расхода солнечных элементов в 500 раз пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения. Рис. 9. Наземная солнечная батарея на основе 576 каскадных солнечных элементов и концентраторов - линз Френеля (ФТИ имени А.Ф. Иоффе) [Figure 9. Terrestrial solar array on the basis of 576 multijunction solar cells and Fresnel lens concentrators (Ioffe Institute)] Преимуществом конструкции разработанных в ФТИ концентраторных солнечных модулей (рис. 9) являются малые линейные размеры концентраторов (менее 6 см) и фотопреобразователей при соотношении их площадей порядка 500. В этих модулях обеспечивается уменьшение их конструктивной толщины, снижение расхода основных материалов и простота отвода генерируемого тока и остаточного тепла от преобразователей. «Перегрев» фотопреобразователей относительно температуры окружающей среды составляет около 40 °С. Такой же перегрев имеет место и в кремниевых солнечных батареях без концентрации. Однако концентраторные солнечные батареи обладают лучшей температурной стабильностью КПД (рис. 7). Так, при увеличении рабочей температуры на 40 °С снижение мощности концентраторных батарей составляет всего 6 %. Это преимущество разработанных концентраторных батарей увеличивается при их использовании в условиях с повышенной температурой окружающей среды. Линзы Френеля в разработанных концентраторных модулях объединяются в панели и представляют собой композитную конструкцию с фронтальным элементом из обычного силикатного стекла и тыльным френелевским профилем, выполненным в тонком слое силикона. В этой конструкции фронтальная поверхность концентраторного модуля является плоской и стабильной к воздействию повреждающих факторов окружающей среды, включая воздействие абразивных частиц. В свою очередь, силикон является наиболее стойким прозрачным полимерным материалом по отношению к воздействию ультрафиолетового излучения и характеризуется высокой эластичностью. Френелевский профиль в силиконе получается путем полимеризации силикона на стекле при использовании промежуточного адгезивного слоя и матрицы с негативным френелевским профилем. Модули с концентраторами излучения должны быть все время точно ориентированы на Солнце. В разработанных фотоэлектрических установках (рис. 10) модули расположены ступенчато на электронно-механической системе слежения, снабженной датчиком положения Солнца. Такое конструктивное решение способствует снижению влияния ветровых нагрузок. Работая в полностью автоматическом режиме, установки расходуют на собственные нужды лишь около 0,1 % от энергии, генерируемой размещенными на них модулями. Основными преимуществами разработанных концентраторных фотоэнергоустановок являются: - снижение расхода материалов для солнечных элементов в 500-1000 раз пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения. В солнечной концентраторной фотоэнергоустановке 1 г каскадного элемента эквивалентен по вырабатываемой за 25 лет работы электроэнергии 5 т нефти; - увеличение более чем в 2 раза (к солнечным батареям на основе кристаллического кремния) количества электроэнергии, вырабатываемой концентраторными солнечными модулями с единицы площади, за счет большей эффективности (более 42 %) каскадных солнечных элементов [13; 15-19], слежения за Солнцем и лучшей температурной стабильности КПД; - эффективная работа концентраторных фотоэнергоустановок в регионах с высокой инсоляцией и при повышенной температуре; - снижение в 2 раза количества расходных материалов: стекла и металла для модулей; - время возврата электроэнергии, затраченной на изготовление концентраторных фотоэнергоустановок, составляет менее 1 года. Широкое использование таких установок в регионах Земли с высокой инсоляцией, в том числе на юге РФ, позволит уменьшить негативную нагрузку на окружающую среду, а также будет способствовать решению социальной проблемы обеспечения электроэнергией населения, не имеющего централизованного энергоснабжения. Рис. 10. Концентраторная солнечная установка на основе 2592 каскадных солнечных элементов и линз Френеля (ФТИ имени А.Ф. Иоффе) [Figure 10. Concentrator solar installation on the basis of 2592 multijunction solar cells and Fresnel lenses (Ioffe Institute)] Заключение Необходимость интенсивного развития фотоэнергетики в России определяют следующие факторы: - существенная часть стоимости электроэнергии от ТЭЦ не включена в тарифы, а распределена на затраты всего общества и будущих поколений, которые будут лишены ископаемых ресурсов. Вследствие этого необходимо признать прямое и косвенное государственное субсидирование традиционной энергетики, загрязняющей окружающую среду; - фотоэнергетика обеспечивает демонополизацию и децентрализацию рынка энергетики, то есть эффективную конкуренцию и поддержку независимых производителей энергии; - фотоэнергетика экономически рентабельна уже сейчас для многих сфер, например, для обеспечения электроэнергией автономных потребителей и для низковольтного электрообеспечения (дежурное освещение, датчики, сенсоры и др.); - фотоэнергетикой достигнут к настоящему времени ценовой паритет с сетевой электроэнергией в регионах с высокой инсоляцией; - развитие фотоэнергетики соответствует большинству высших приоритетов в утвержденной «Энергетической стратегии России до 2030 года»: снижению вредного влияния ТЭК на окружающую среду, комплексному использованию местных энергетических источников, увеличению роли возобновляемой энергетики, снижению эмиссии вредных веществ в атмосферу; - успешное развитие солнечной фотоэнергетики в таких странах, как Китай, США, Германия, Италия и многих других, показывает, что после нескольких лет активной государственной поддержки солнечная энергетика может успешно развиваться самостоятельно, благодаря достижению паритета стоимости солнечной и сетевой электроэнергии. Наземная солнечная фотоэнергетика зародилась в России во многом за счет развития электроэнергетики для космических аппаратов. Созданную научно-технологическую базу необходимо использовать для развертывания «новой энергетики», при которой снижены экологические опасности разного рода, а проблемы истощения ресурсов и их неравномерного распределения по странам в значительной степени сглажены. Наступает время, когда в России следует переходить к более широкому инвестированию средств в фотоэнергетику, как это делается в странах, лидирующих в технологическом отношении. В России создан значительный научно-технологический задел для организации крупномасштабного производства концентраторных солнечных фотоэнергосистем на основе каскадных солнечных элементов и систем слежения за Солнцем, открывающих перспективы дальнейшего снижения стоимости «солнечного» электричества и обеспечения паритета со стоимостью сетевой электроэнергии. Повышение энергоэффективности и ресурса работы космических солнечных батарей нового поколения на основе каскадных ФЭП и расширение объема их производства необходимо для выполнения программ космических исследований и развития космических технологий - одного из приоритетов технологического прорыва.

Об авторах

Вячеслав Михайлович Андреев

Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: vmandreev@mail.ioffe.ru

заведующий лабораторией фотоэлектрических преобразователей ФТИ имени А.Ф. Иоффе, член-корреспондент РАН, д. т. н., профессор

Российская Федерация, 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26

Список литературы