Наноструктурные гетеросистемы для солнечной

фотоэнергетикиО.П.Пчеляков1), И.Г. Неизвестный1), С.Ж. Токмолдин2)

1) Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, г. Новосибирск, Россия2) Физико-технический институт г. Алматы, Республика Казахстан

Ноябрь 2011

Казахстанский Форум энергетиков Казахстанский Форум энергетиков Power KazakhstanPower Kazakhstan 2011 2011

Главная проблема человечества:Главная проблема человечества:

дефицит электроэнергии

• У более чем 2 миллиардов человек нет никакого доступа к электричеству

• К 2050 году людям будет нужно БОЛЕЕ 20 ТВт электроэнергии

ВСЕМУ НА СВЕТЕ ПРИХОДИТ КОНЕЦ!ВСЕМУ НА СВЕТЕ ПРИХОДИТ КОНЕЦ!

На наших глазах истощаются энергетические ресурсы, накопленные в Земле за сотни миллионов лет: нефть, газ

и уголь. Не являются неисчерпаемыми и урановые запасы.

Нефтяные вышки и разведочные нефтегазовые платформы шагают с суши в зону континентального

шельфа и дальше.

Каждый шаг в этом направлении требует всё большей энергии на добычу каждого литра нефти, каждого

кубометра газа и тонны угля. Всё чаще учёные и энергетики обращают внимание на

восполняемые ЧИСТЫЕ источники энергии:восполняемые ЧИСТЫЕ источники энергии:ветер, приливные течения, биомасса и

СОЛНЦЕСОЛНЦЕ.

Global Power Generation Forecast Welt im Wandel: Energiewende zur Nachhaltigkeit, Springer ISBN 3-540-40160-1

Энергетическая диаграмма взаимодействия солнечного излучения с полупроводником

Солнечный спектр и выделенные части спектра, которые можно использовать для преобразования в электрическую энергию с помощью

полупроводниковых элементов:

а – кремний, b -Ga0,35In065P/Ga0,83In0,0,17As/Ge AM1,5 -100-mW/cm2 Air Mass 1.5 spectrum, - на поверхности земли

Ещё в 50х годах прошлого столетия академик А.Ф.Иоффе предложил для более полного использования спектра излучения Солнца использовать расположенные друг над другом полупроводники с различной шириной

запрещённой зоны. Верхний П/П в с наибольшей ЗЗ, нижний с наименьшей. Такие системы получили название - «Каскадные фотоэлементы»

Пример трёхпереходного солнечного элемента

«Эпитаксиальное выращивание таких структур – это ОДНОСТАДИЙНЫЙ, полностью автоматизированный процесс.

Расход исходных материалов мало зависит от количества каскадов. Поскольку все фотоактивные области выполняются из «прямозонных» полупроводников, общая толщина структуры всего несколько микрон».

• В 1839 году Александр Эдмон Беккерель (отец Антуана Беккереля ) открыл фотогальванический эффект. • В 1883 году Чарльзу Фриттсу (Charles Fritts) удалось сконструировать первый модуль с СЭ на основе селена, покрытого тончайшим слоем золота с эффективностью около 1%. Именно 1883 год принято считать годом рождения эры солнечной энергетики. • В 1921 году Альберт Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за объяснение законов внешнего фотоэффекта.• 1953 Джеральд Персон (Gerald Pearson) – первая СБ на кремнии с p-n переходом• Впервые в СССР солнечные элементы (СЭ) на основе пары AlGaAs/GaAs были получены методом ЖФЭ в 1969 году в ФТИ им. А.Ф.Иоффе под руководством Ж.И. Алфёрова в лаборатории В.М. Андреева. Квантовая эффективность этих батарей при концентрации солнечного излучения до 20-100 солнц достигала 29, 7 % для спектра АМ0 и 33% для спектра АМ1,5 (после 15 лет работы на КС «МИР» они деградировали менее чем на 30%).

Изготовленные предприятием «Квант»

по технологии ФТИ РАНSi батареи проработали

на станции «Мир» 15 лет почти без деградации.

Record solar cell efficiencies for multijunction concentrator cells andother photovoltaic technologies since 1975, as compiled by the National Renewable

Energy Laboratory (NREL). (Courtesy of R. McConnell, NREL) 2008

ПРОГРЕСС В ЭФФЕКТИВНОСТИ СБПРОГРЕСС В ЭФФЕКТИВНОСТИ СБ

24%24%

Nanotechnologyfor Si-Ge Solar Cell

ПРОМЕЖУТОЧНАЯ ЗОНА

Для перекрытия значительной части солнечного спектра энергия внутренней зоны и матрицы должны иметь например параметры

EL = 0,71 эВ EH = 1,24 эВ EG = 1,95 эВ

Для этой цели было предложено использовать квантовые точки, т.к. регулируя их размер можно получать различно расположенные энергетические уровни для возбуждения носителей заряда светом

The simplified energy-band structure of solar batteriesThe simplified energy-band structure of solar batteries withwith intermediate band intermediate band[[AA..Luque and ALuque and A..MartýMartý, , PPhys.hys. R Rev.ev. L Lett.,ett., v.v. 78, N 78, No.o. 26 26,, 1997 1997] ]

Photovoltaics for thePhotovoltaics for the 21st century21st century

Kin Man Yu and Wladek Kin Man Yu and Wladek Walukiewicz Berkeley Lab Walukiewicz Berkeley Lab

20042004

SELF-ORDERED Ge/Si QUANTUM DOT INTERMEDIATE BAND PHOTOVOLTAIC SOLAR CELLS

A. M. Kechiantz, K.W. Sun, H.M. Kechiyants, L. M. Kocharyan. Int. Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology

ISJAEE 12(32) (2005)

6363% !!!% !!!

STM images of SiSTM images of Si(111)-7(111)-7××7 7 surfacesurfaceon initial growth stages of Ge nanoclusterson initial growth stages of Ge nanoclusters

а) 0а) 0..02 БС 7х7 нм02 БС 7х7 нм б) 0б) 0..17 БС 14х14 нм17 БС 14х14 нм в) 0в) 0..4 БС 23х23 нм4 БС 23х23 нм

O.P. Pchelyakov, A.I. Nikiforov, B.Z. Olshanetsky, S.A. Teys, A.I.O.P. Pchelyakov, A.I. Nikiforov, B.Z. Olshanetsky, S.A. Teys, A.I.Yakimov and S.I. Chikichev, MBE growth of ultra small coherent Ge quantum dots inYakimov and S.I. Chikichev, MBE growth of ultra small coherent Ge quantum dots in silicon for silicon for

applications in nanoelectronics, applications in nanoelectronics, Journal of Physics and Chemistry of SolidsJournal of Physics and Chemistry of Solids (2007)(2007)

Perspective Perspective nanonanostructures on silicon for photo-structures on silicon for photo-electro-generators withelectro-generators with Ge Ge quantum quantum dotsdots in in SiSi

MgFMgF22/ZnS/ZnS

AlAl contactcontact

Karl Brunner

Quantum efficiency of Si-Ge cellsQuantum efficiency of Si-Ge cells

Yakimov A I, Dvurechenskii A V, Kirienko V V and Nikiforov A I 2005 Phys. Solid State 47 34Работа проводится совместно с В.В. Калининым, Д.О. Кузнецовым, А.В. Марковым Н.А. В.В. Калининым, Д.О. Кузнецовым, А.В. Марковым Н.А.

Пахановым, О.П. Пчеляковым, А.Б. Талочкиным, Е.Г. Тишковским, И.Б. Чистохиным, и др.Пахановым, О.П. Пчеляковым, А.Б. Талочкиным, Е.Г. Тишковским, И.Б. Чистохиным, и др.

Thermophotovoltaic conversion, with Thermophotovoltaic conversion, with concentrator optics and narrow pass filterconcentrator optics and narrow pass filter

Design of thermo-photovoltaic system Design of thermo-photovoltaic system

СОЛНЕЧНАЯ ЯЧЕЙКА С ТОЧЕЧНЫМИ КОНТАКТАМИ СОЛНЕЧНАЯ ЯЧЕЙКА С ТОЧЕЧНЫМИ КОНТАКТАМИ НА ОБРАТНОЙ СТОРОНЕ ПОДЛОЖКИНА ОБРАТНОЙ СТОРОНЕ ПОДЛОЖКИ

Технология разрабатывается сотрудниками ИФПТехнология разрабатывается сотрудниками ИФП СО РАН при участии СО РАН при участии НПО «Восток» В.В. Калининым, Д.О. Кузнецовым, Н.А. Пахановым, НПО «Восток» В.В. Калининым, Д.О. Кузнецовым, Н.А. Пахановым,

О.П. Пчеляковым, Е.Г. Тишковским, И.Б. Чистохиным и др.О.П. Пчеляковым, Е.Г. Тишковским, И.Б. Чистохиным и др.

Back-point-contact Si solar cellBack-point-contact Si solar cell

Front surface of Si solar cells Front surface of Si solar cells (3” float-zone Si wafer)(3” float-zone Si wafer)

The cutting and stuck together solar batteryThe cutting and stuck together solar battery

The plan of arrangement of MBE installation

at the international space station

Semiconductor Wafer Production Flow ChartSemiconductor Wafer Production Flow Chart

Raw MaterialsBase Wafers

Finished WafersProcessing

MAKS

International Space Station

Texas Center for Superconductivity and Advanced MaterialsUniversity of HoustonNASA Research Partnership Center

Alex Ignatiev at al.University of Hewston USA www. cam. uh.edu

Oleg Pchelyakov at al. ISP SB RAS

Vladimir Skorodelov at al. NPO “Molniya”

Fabrication of Solar Cells on the Surface of the Moon from Lunar Regolith

• Mechanized Solar Cell Growth Facility – Cell Paver

- ~ 150 - 200 kg

- Evaporation energy from solar thermal collectors

- PV panels for motive/control power

- Continuous lay-out of cells on lunar

surface

- Remotely controlled

Alex Ignatiev at al.University of Houston

USA www. cam. uh.edu

Installation Installation “Katun”“Katun”

Спасибо за внимание