Наноструктурные гетеросистемы для солнечной фотоэнергетики О.П.Пчеляков 1), И.Г. Неизвестный 1), С.Ж. Токмолдин 2) 1) Институт физики полупроводников им. - презентация

1 Наноструктурные гетеросистемы для солнечной фотоэнергетики О.П.Пчеляков 1), И.Г. Неизвестный 1), С.Ж. Токмолдин 2) 1) Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, г. Новосибирск, Россия 2) Физико-технический институт г. Алматы, Республика Казахстан Ноябрь 2011 Казахстанский Форум энергетиков Power Kazakhstan 2011 Power Kazakhstan 2011

2 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

3 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. восполняемые ЧИСТЫЕ источники энергии: Всё чаще учёные и энергетики обращают внимание на восполняемые ЧИСТЫЕ источники энергии: СОЛНЦЕ ветер, приливные течения, биомасса и СОЛНЦЕ.

4 Global Power Generation Forecast Welt im Wandel: Energiewende zur Nachhaltigkeit, Springer ISBN

5 Энергетическая диаграмма взаимодействия солнечного излучения с полупроводником

6 Солнечный спектр и выделенные части спектра, которые можно использовать для преобразования в электрическую энергию с помощью полупроводниковых элементов: а – кремний, b -Ga 0,35 In 065 P/Ga 0,83 In 0,0,17 As/Ge AM1, mW/cm 2 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»

7 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».

8 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 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 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 РАН Si батареи проработали на станции «Мир» 15 лет почти без деградации.

9 Record solar cell efficiencies for multijunction concentrator cells and other photovoltaic technologies since 1975, as compiled by the National Renewable Energy Laboratory (NREL). (Courtesy of R. McConnell, NREL) 2008 ПРОГРЕСС В ЭФФЕКТИВНОСТИ СБ 24% Nanotechnology for Si-Ge Solar Cell

10

11 ПРОМЕЖУТОЧНАЯ ЗОНА Для перекрытия значительной части солнечного спектра энергия внутренней зоны и матрицы должны иметь например параметры E L = 0,71 эВ E H = 1,24 эВ E G = 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

12 The simplified energy-band structure of solar batteries with intermediate band [A.Luque and A.Martý, Phys. Rev. Lett., v. 78, No. 26, 1997] Photovoltaics for the 21st century Kin Man Yu and Wladek Walukiewicz Berkeley Lab 2004 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) 63% !!!

13 STM images of Si(111)-7×7 surface on initial growth stages of Ge nanoclusters а) 0.02 БС 7х7 нм б) 0.17 БС 14х14 нм в) 0.4 БС 23х23 нм 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 in silicon for applications in nanoelectronics, Journal of Physics and Chemistry of Solids (2007)

14 Perspective nanostructures on silicon for photo- electro-generators with Ge quantum dots in Si MgF 2 /ZnS Al contact Karl Brunner

15 Quantum efficiency of Si-Ge cells Yakimov A I, Dvurechenskii A V, Kirienko V V and Nikiforov A I 2005 Phys. Solid State 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. Работа проводится совместно с 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.

16 Thermophotovoltaic conversion, with concentrator optics and narrow pass filter

17 Design of thermo-photovoltaic system

18 СОЛНЕЧНАЯ ЯЧЕЙКА С ТОЧЕЧНЫМИ КОНТАКТАМИ НА ОБРАТНОЙ СТОРОНЕ ПОДЛОЖКИ Технология разрабатывается сотрудниками ИФП СО РАН при участии НПО «Восток» В.В. Калининым, Д.О. Кузнецовым, Н.А. Пахановым, О.П. Пчеляковым, Е.Г. Тишковским, И.Б. Чистохиным и др.

19 Back-point-contact Si solar cell

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

21 The cutting and stuck together solar battery

22 The plan of arrangement of MBE installation at the international space station

23 Semiconductor Wafer Production Flow Chart Raw Materials Base Wafers Finished Wafers Processing MAKS International Space Station Texas Center for Superconductivity and Advanced Materials University of Houston NASA 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

24 Fabrication of Solar Cells on the Surface of the Moon from Lunar Regolith Mechanized Solar Cell Growth Facility – Cell Paver - ~ 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

25 Installation Katun

26 Спасибо за внимание