Coutts Timothy J. Fitzgerald Mark C. - Termiczne ogniwa foto, świat nauki

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Termiczne
ogniwa fotowoltaiczne
Przyrzdy p¸przewodnikowe przetwarzajce promieniowanie cieplne
na energi« elektryczn prawdopodobnie b«d w przysz¸oæci
oæwietla¸y domostwa na odludziu i nap«dza¸y samochody
Timothy J. Coutts i Mark C. Fitzgerald
ne s zwykle do przetwarzania
promieniowania s¸onecznego na
energi« elektryczn. A promieniowanie
z zakresu widzialnego to praktycznie nie-
wyczerpalne rd¸o czystej i darmowej
energii. Jednak ogniwa fotowoltaiczne
mog rwnieý dostarcza znacznych ilo-
æci energii elektrycznej, wykorzystujc
promieniowanie z zakresu podczerwie-
ni Ð czyli promieniowanie cieplne, ktre
powstaje w wyniku spalania na przyk¸ad
ropy naftowej.
Ta mniej popularna technika, w ktrej
stosuje si« tzw. termiczne ogniwa foto-
woltaiczne (thermophotovoltaics), ma kil-
ka niespotykanych zalet Ð daje choby
moýliwoæ wytwarzania prdu elek-
trycznego w nocy lub gdy niebo jest za-
chmurzone, dzi«ki czemu nie trzeba gro-
madzi energii w akumulatorach. W
pewnych warunkach wspomniane og-
niwa mog pozwoli na zastpienie
konwencjonalnych sposobw wytwarza-
nia energii elektrycznej opartych na spa-
laniu kopalin. Ich sprawnoæ, czyli pro-
cent energii zawartej w paliwie przetwo-
rzonej na elektrycznoæ, moýe by znacz-
nie wi«ksza niý generatorw wykorzy-
stujcych gaz ziemny czy inne paliwa ko-
palne. Ponadto system, ktrego pod-
staw s p¸przewodnikowe ogniwa,
b«dzie przydatny w razie koniecznoæci
zminimalizowania emisji zanieczyszczeÄ.
Co wi«cej, poniewaý ogniwa te nie zawie-
raj ruchomych cz«æci, mog pracowa
cicho i niezawodnie, prawie nie wyma-
gajc konserwacji i napraw.
Mimo tych wszystkich zalet termiczne
ogniwa fotowoltaiczne nie ciesz si« tak
popularnoæci jak ogniwa s¸oneczne, kt-
rych sprzedaý stanowi obecnie dobrze
prosperujcy, chociaý niewielki segment
na rynku rde¸ energii. Sytuacja moýe
si« jednak zmieni w najbliýszej przysz¸o-
æci. Technika ogniw termicznych, wywo-
dzca si« z tych samych badaÄ nauko-
GENERATOR wykorzystujcy termiczne ogni-
wa fotowoltaiczne przetwarza promieniowa-
nie cieplne na energi« elektryczn. Palnik
(po-
ærodku)
emituje promieniowanie podczerwone,
ktre pada na promiennik
(zielona obudowa)
.
Promiennik przekazuje nast«pnie promienio-
wanie o okreælonych d¸ugoæciach fali do ma-
trycy ogniw fotowoltaicznych
(siatka)
, ktre
zamieniaj energi« ciepln na elektrycznoæ.
68 å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1998
O
gniwa fotowoltaiczne stosowa-
wych, ktre zaowocowa¸y powstaniem
ogniw s¸onecznych, wydaje si« juý rozwi-
ja niezaleýnie.
Sama idea powsta¸a 40 lat temu. Nie-
ktre z podstawowych zasad dzia¸ania
przedstawi¸ jako pierwszy Pierre R.
Aigrain z cole Normale Suprieure w
Paryýu podczas serii wyk¸adw w 1956
roku. Na pocztku lat szeædziesitych
naukowcy pracujcy dla U.S. Army w
Fort Monmouth (New Jersey) stworzy-
li pierwszy udokumentowany prototyp
generatora wykorzystujcego ogniwa
termiczne. Jego sprawnoæ by¸a jednak
mniejsza niý 1%. Aby generator znalaz¸
zastosowanie w terenie, musia¸aby wy-
nosi co najmniej 10Ð15%.
Pewien wzrost sprawnoæci przynios¸y
badania prowadzone w koÄcu lat sie-
demdziesitych i na pocztku osiemdzie-
sitych, m.in. przez Electric Power Re-
search Institute w Palo Alto (Kalifornia),
Gas Research Institute z Chicago oraz
Stanford University, jednak zastosowane
materia¸y nie dostarcza¸y odpowiedniej
iloæci ciep¸a do elementw przetwarzaj-
cych promieniowanie podczerwone na
elektrycznoæ. Uýycie nowych materia-
¸w pomog¸o ostatnio naukowcom
wyjæ z fazy eksperymentw.
nie podczerwone o wybranych d¸ugo-
æciach fali. Modu¸ p¸przewodnikowy,
zawierajcy matryc« po¸czonych ze so-
b ogniw termicznych, powinien by tak
zaprojektowany, by przetwarza¸ promie-
niowanie o konkretnych d¸ugoæciach fa-
li na elektrycznoæ. Zostanie ona nast«p-
nie wys¸ana do obwodu zewn«trznego
w celu wykonania uýytecznej pracy Ð na
przyk¸ad zasili lodwk« na jachcie.
Wreszcie, aby system by¸ wystarczajco
efektywny, nie wykorzystan energi«
ciepln naleýy ponownie skierowa do
promiennika. Niekiedy jej nadmiar mo-
ýe pos¸uýy do innych celw, choby
ogrzewania pomieszczenia.
Ciep¸o dla ogniwa termicznego mo-
ýe pochodzi zarwno ze spalania pa-
liw kopalnych, jak i by produktem
ubocznym reakcji jdrowej. Ze wzgl«-
dw praktycznych w wi«kszoæci ekspe-
rymentalnych systemw stosuje si«
zwyk¸e spalanie. Do zasilania ogniw ter-
micznych nadaje si« rwnieý promie-
niowanie s¸oneczne wzmocnione dzi«-
ki zastosowaniu urzdzeÄ zwanych
koncentratorami. Jednak koncentratory
promieniowania o stosunkowo niewiel-
kich rozmiarach, a takýe instalacje do
przechowywania ciep¸a w nocy nadal
znajduj si« we wst«pnych fazach opra-
cowania. Wielu ekspertw bierze rw-
nieý pod uwag« jako rd¸o energi« j-
drow. Jednak obawy spo¸eczeÄstwa
najprawdopodobniej ogranicz to roz-
wizanie do wyspecjalizowanych sy-
stemw, na przyk¸ad bezza¸ogowych
sond kosmicznych badajcych zewn«-
trzne obszary Uk¸adu S¸onecznego, w
ktrych z braku æwiat¸a baterie s¸onecz-
ne przestaj funkcjonowa.
Naukowcy pracujcy nad skonstru-
owaniem palnika dostarczajcego cie-
p¸o rozwaýaj zastosowanie pojemni-
kw zbudowanych z metalowych siatek
lub materia¸w ceramicznych uýywa-
nych obecnie w przemys¸owych pro-
cesach suszenia papieru, farb czy teý
produktw rolnych. Maj one duý po-
wierzchni« i osigaj wymagan tem-
peratur« pracy Ð ponad 1000¡C.
Zastosowanie promiennikw ciep¸a
jest konieczne, poniewaý p¸przewodni-
kowe ogniwa fotowoltaiczne przetwa-
rzajce promieniowanie termiczne na
elektrycznoæ nie mog bezpoærednio
wykorzysta promieniowania emitowa-
nego podczas spalania paliwa. Pracuj
one wydajnie tylko w æciæle okreælonym
przedziale d¸ugoæci fal, tymczasem wid-
mo promieniowania wytwarzanego
przez p¸omieÄ zmienia si« w sposb
trudny do przewidzenia (z powodu
przep¸ywu powietrza i fluktuacji tem-
peratury p¸omienia). Promienniki prze-
twarzaj wi«c dost«pn energi« ciepln
na promieniowanie o æciæle okreælonym
zakresie d¸ugoæci fal i rwnomiernym
rozk¸adzie energii.
Promiennik moýe by zbudowany ja-
ko p¸aska lub cylindryczna powierzchnia
czy teý jako matryca cienkich w¸kien.
W¸asnoæci tlenkw pierwiastkw ziem
rzadkich, takich jak iterb, erb czy holm,
pozwalaj na emisj« promieniowania
podczerwonego w stosunkowo wskich
przedzia¸ach d¸ugoæci fal, podczas gdy
na przyk¸ad widmo promieniowania
w«glika krzemu jest znacznie szersze.
Budujc ogniwa fotowoltaiczne, na-
ukowcy wybieraj takie materia¸y p¸-
przewodnikowe, ktre najlepiej absor-
buj zakres d¸ugoæci fal promieniowania
wytwarzanego przez promienniki. D¸u-
goæci te odpowiadaj mniej wi«cej wiel-
koæci energii koniecznej, by uwolni
elektrony, ktre w przeciwnym razie
pozosta¸yby zwizane z sieci krysta-
liczn p¸przewodnika [
ramka na stro-
nie 71
]. Elektrony o najwi«kszej energii
rezyduj w tzw. paæmie walencyjnym
kryszta¸u p¸przewodnika. Pasmo to
obejmuje zakres dozwolonych pozio-
mw energii dla najbardziej zewn«trz-
nych zwizanych elektronw.
Elektron z pasma walencyjnego nie
moýe si« porusza w krysztale. Gdy jed-
nak zaabsorbuje foton promieniowania
podczerwonego o odpowiedniej ener-
gii, wzbudza si«, przechodzc do pa-
sma przewodnictwa, w ktrym moýe
si« swobodnie przemieszcza i tworzy
prd elektryczny. (Foton jest jednostk,
czyli kwantem, energii promieniowa-
nia elektromagnetycznego. Zgodnie z
prawami mechaniki kwantowej kaýde
promieniowanie elektromagnetyczne
ma zarwno cechy fali, jak i czstki,
a energia fotonu okreæla jednoznacznie
d¸ugoæ odpowiadajcej mu fali.) Ener-
gia fotonu konieczna do wzbudzenia
elektronu z pasma walencyjnego do pa-
sma przewodnictwa odpowiada szero-
koæci pasma zabronionego i jest wyra-
ýana w elektronowoltach.
Kiedy elektrony znajd si« juý w pa-
æmie przewodnictwa, przekraczaj gra-
nic« z¸cza
pÐn
, poruszajc si« w jednym
kierunku bardziej swobodnie niý w dru-
gim. Powsta¸e w ten sposb nagroma-
dzenie ujemnie na¸adowanych elektro-
nw po jednej stronie z¸cza
pÐn
po-
woduje powstanie ujemnego potencja¸u,
ktry zmusza elektrony do przemiesz-
czania si« w postaci prdu elektryczne-
go p¸yncego przez komrk« ogniwa.
Aby zwi«kszy iloæ otrzymanej energii,
ogniwo fotowoltaiczne buduje si« z wie-
lu po¸czonych ze sob komrek. Wy-
tworzony prd moýe nast«pnie p¸yn
przez przewd pod¸czony do lampy lub
sieci elektrycznej domu.
Rynkowy debiut
Technika wykorzystujca ter-
miczne ogniwa fotowoltaiczne
moýe juý wkrtce znale
pierwsze praktyczne zastoso-
wania. Pewna firma naleýca
do Pacific Northwest planuje
sprzedaý generatora s¸uýce-
go do zasilania elektryczne-
go wyposaýenia jachtw.
Opracowuje si« takýe m.in.
ma¸e generatory jako rd¸a
energii elektrycznej na s¸abo
zaludnionych obszarach lub
wyposaýenie przemieszczaj-
cych si« oddzia¸w wojska. Tech-
nika ta moýe by rwnieý wyko-
rzystana w samochodach hybry-
dowych, czyli nap«dzanych silnikiem
Ð zaleýnie od potrzeb Ð spalinowym lub
elektrycznym. Wreszcie termiczne ogni-
wa fotowoltaiczne mog produkowa
megawaty energii, przetwarzajc nie
wykorzystan energi« ciepln uwal-
nian w procesach przemys¸owych i w
ten sposb przyczynia si« do zaspoko-
jenia zapotrzebowania przemys¸u na
elektrycznoæ.
Wytwarzanie energii elektrycznej
z promieniowania termicznego wymaga
systemu sk¸adajcego si« z wielu ele-
mentw. I tak rd¸o ciep¸a musi by
sprz«ýone z tzw. promiennikiem, czyli
elementem emitujcym promieniowa-
å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1998
69
WYDECH
OGRZEWANIE
POMIESZCZENIA
GENERATOR
(fotografia i schemat)
jest zbu-
dowany z palnika, w ktrym aby wytworzy
ciep¸o, spala si« wymieszane z powietrzem
paliwo, oraz promiennika podczerwieni oto-
czonego bateri ogniw fotowoltaicznych
z przymocowanymi ýeberkami ch¸odzcy-
mi. Gdy nast«puje zap¸on, promiennik na-
grzewa si« do temperatury co najmniej
1250¡C. Wtedy 48 po¸czonych szeregowo
ogniw z antymonku galu przetwarza pro-
mieniowanie podczerwone emitowane przez
promiennik na prd elektryczny. Pewna
cz«æ wytwarzanej energii elektrycznej za-
sila wentylator wytwarzajcy strumieÄ po-
wietrza do ch¸odzenia ogniwa. Jej nadwyý-
ka gromadzona jest w akumulatorze na
pniej. W optymalnej temperaturze pracy
generator dostarcza co najmniej 30 W. Do-
datkowo wydzielajce si« ciep¸o moýe zo-
sta uýyte do ogrzania pomieszczenia.
SZYBKA
KWARCOWA
PROMIENNIK
OGNIWA
FOTOWOLTAICZNE
OKNO
PALNIK
CHüODZCE
ûEBERKA
WLOT PROPANU
WENTYLATOR
POWIETRZE
CHüODZCE
POWIETRZE
DO KOMORY SPALANIA
ELEKTRON
DZIURA
Post«p w dziedzinie materia¸w uýy-
wanych do budowy ogniw fotowolta-
icznych pozwoli¸ inýynierom zwi«kszy
iloæ otrzymywanej energii elektrycz-
nej. Mog oni wybra ogniwo, ktrego
w¸asnoæci absorpcyjne najlepiej pasuj
do widma emitowanego przez konkret-
ny promiennik. Trudnoæci w doborze od-
powiedniej pary promiennikÐogniwo
by¸y w ubieg¸ych latach g¸wn prze-
szkod w rozwoju tych rde¸ energii.
W pierwszych wersjach generatorw
fotowoltaicznych uýywano promienni-
kw o bardzo wskim zakresie d¸ugo-
æci fal. Promienniki wykonane z tlenku
iterbu cz«sto zestawiano z krzemowy-
mi ogniwami fotowoltaicznymi, dla kt-
rych szerokoæ pasma zabronionego wy-
nosi 1.14 eV.
Teoretycznie promiennik charaktery-
zujcy si« bardzo wskim widmem wy-
daje si« bardziej efektywny niý wykona-
ny z materia¸u promieniujcego w sze-
rokim zakresie d¸ugoæci fal. Fotony emi-
towane przez taki selektywny promien-
nik powinny dostarcza minimum ener-
gii niezb«dnej do wzbudzenia elektronu
w ogniwie z pasma walencyjnego do pa-
sma przewodnictwa. W innym przypad-
ku kaýdy nadmiar energii by¸by tracony
jako rozpraszajce si« ciep¸o. Tak wi«c se-
lektywne promienniki powinny dawa
taÄsz energi«. W praktyce jednak nie
osign«¸y nigdy zak¸adanej sprawnoæci.
Promienniki nie uzyskiwa¸y ze spalanych
paliw wystarczajcej iloæci energii (ktr
mog¸yby wyemitowa w postaci promie-
niowania o precyzyjnie okreælonej d¸u-
goæci fali wymaganej przez materia¸ taki
jak krzem), aby uczyni proces przetwa-
rzania odpowiednio wydajnym, czyli ýe-
by otrzymana iloæ energii elektrycznej
by¸a dostateczna.
Ponadto aby da¸o si« uzyska nat«ýe-
nie promieniowania zapewniajce uýy-
teczn wielkoæ prdu, promienniki mu-
sz pracowa w temperaturze 2000¡C. Ta-
kie rozgrzanie prowadzi czasem do na-
pr«ýeÄ w materiale promiennika oraz
innych elementw generatora i skraca ýy-
wot ca¸ego urzdzenia. Co wi«cej, spala-
niu w tak wysokich temperaturach towa-
rzyszy emisja szkodliwych tlenkw azotu.
Post«p w dziedzinie generatorw fo-
towoltaicznych dokona¸ si« dzi«ki te-
mu, ýe naukowcy nauczyli si« dobiera
promienniki emitujce promieniowanie
o szerokim widmie do p¸przewodni-
kw, ktre potrafi je absorbowa. Pro-
mienniki szerokopasmowe, takie jak
w«glik krzemu, efektywnie pracuj w
niýszych temperaturach, nie przekra-
czajcych 1000¡C. Emitowane przez nie
promieniowanie moýe by przetwarza-
ne przez p¸przewodniki opracowane
na potrzeby przemys¸u ogniw s¸onecz-
nych, utworzone z pierwiastkw z III
i V grupy uk¸adu okresowego (tzw.
zwizki p¸przewodnikowe grupy
AIIIÐBV), na przyk¸ad antymonek ga-
lu lub arsenek galowo-indowy. Szero-
koæ pasma zabronionego, czyli energia
absorbowanych fotonw, dla zwiz-
kw z grupy AIIIÐBV wynosi zwykle
0.5Ð0.7 eV i jest znacznie mniejsza niý
1.14 eV dla krzemu.
ûaden generator fotowoltaiczny nie
potrafi przetworzy na prd elektrycz-
ny ca¸ego promieniowania podczerwo-
nego. ûaden foton o energii mniejszej
niý szerokoæ pasma zabronionego nie
wzbudzi elektronu z pasma walencyj-
nego do pasma przewodnictwa, a wi«c
nie przyczyni si« do wytworzenia elek-
trycznoæci. Jeæli nie znajdzie si« sposobu
na powtrne jego uýycie, nie wykorzy-
stany foton zostanie stracony. Typowym
elementem sk¸adowym generatora jest
wi«c system odzyskiwania fotonw, od-
prowadzajcy fotony o niýszej energii
REKOMBINACJA
DZIURY I ELEKTRONU
LUSTRO
KWARCOWE
PîüPRZEWODNIK
TYPU
P
PîüPRZEWODNIK
TYPU
N
FOTON
ATOM
ODBITY FOTON
KONTAKT
ELEKTRYCZNY
KOMîRKA ogniwa fotowoltaicznego prze-
twarza promieniowanie cieplne na elek-
trycznoæ, kiedy foton promieniowania pod-
czerwonego o wystarczajcej energii pada
w pobliýe z¸cza
pÐn
. Zderzajc si« z ato-
mem, foton uwalnia elektron i pozostawia
dziur«. Uwolniony elektron przemieszcza
si« do obszaru typu
n
z¸cza (takiego, w kt-
rym jest wi«cej elektronw niý dziur), dziu-
ra natomiast do obszaru typu
p
(z przewa-
g dziur). Elektrony migruj nast«pnie
w kierunku kontaktu elektrycznego komr-
ki ogniwa i dalej przez zewn«trzny obwd
elektryczny, pojawiajc si« w koÄcu powtr-
nie w obszarze typu
p
, gdzie rekombinuj
z dziurami. Jeæli padajcy foton ma energi«
mniejsz niý szerokoæ pasma zabronione-
go, zostaje odbity.
70 å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1998
Zjawisko fotowoltaiczne
przewodnikw, polegajc na powstawaniu prdu w wyniku
absorpcji padajcego na kryszta¸ fotonu. Elektrony w materiale p¸-
przewodnikowym obsadzaj pewn liczb« dok¸adnie zdefiniowa-
nych poziomw energetycznych, zwanych pasmami energetycz-
nymi
(na schemacie z lewej)
. Kaýde pasmo okreæla wielkoæ energii
koniecznej do uwolnienia elektronu. Najwyýej po¸oýone, na ktrym
jednak elektrony nie mog si« jeszcze swobodnie porusza w krysz-
tale p¸przewodnika, nosi nazw« pasma walencyjnego.
Aby si« swobodnie przemieszcza w obr«bie kryszta¸u p¸prze-
wodnika, elektrony w paæmie walencyjnym musz uzyska do-
datkow energi«, ktra pozwoli
im przejæ do wyýszego pasma
energetycznego Ð pasma prze-
wodnictwa. Pomi«dzy tymi dwo-
ma pasmami znajduje si« sze-
reg poziomw energetycznych,
ktre nie mog by obsadzone
przez elektrony. Obszar ten zwa-
ny jest przerw energetyczn lub
pasmem zabronionym.
W p¸przewodniku pasmo
przewodnictwa jest cz«æciowo
obsadzone przez elektrony, kt-
re tworz ujemny ¸adunek elek-
tryczny powsta¸y na skutek wpro-
wadzenia do p¸przewodnika
domieszek. Rwnoczeænie w pa-
æmie walencyjnym puste pozio-
my energetyczne Ð miejsca, gdzie brakuje elektronw, zwane
dziurami Ð tworz dodatni ¸adunek elektryczny.
Jeæli p¸przewodnik ma wi«cej elektronw w paæmie przewod-
nictwa niý dziur w paæmie walencyjnym, nazywany jest p¸prze-
wodnikiem typu
n
(negative). Gdy dziur jest wi«cej niý elektro-
nw, p¸przewodnik jest typu
p
(positive).
Jeæli po¸czymy dwa kryszta¸y p¸przewodnika, jeden typu
n
,
a drugi typu
p
, powstanie tzw. z¸cze
pÐn
, czyli dioda. Ujemnie na-
¸adowane elektrony z obszaru typu
n
b«d przemieszcza si«
w kierunku kryszta¸u typu
p
, a dodatnio na¸adowane dziury z ob-
szaru
p
do kryszta¸u typu
n
. W rezultacie po stronie
p
powstaje
ujemny ¸adunek elektryczny, a po stronie
n
z¸cza Ð ¸adunek do-
datni. Utworzy si« tzw. bariera potencja¸u powstrzymujca pro-
ces przemieszczania si« dziur i elektronw, dzi«ki czemu zosta-
nie osigni«ty stan rwnowagi
(na schemacie z prawej)
. Stan ten
ulega zaburzeniu, gdy na z¸cze
pÐn
pada foton Ð podstawowa
czstka promieniowania elektromagnetycznego. Jeæli zaabsor-
bowane zostan fotony o energii rwnej lub wi«kszej niý szerokoæ
pasma zabronionego, elektrony z pasma walencyjnego wzbudz
si« i przejd do pasma przewodnictwa; tym samym w paæmie wa-
lencyjnym powstan dodatkowe dziury.
W wyniku zaburzenia koncentracji dziur i elektronw niektre
elektrony przemieszcz si« na stron«
n
, a cz«æ dziur na stron«
p
z¸cza. W rezultacie nastpi pewna kompensacja ¸adunkw
zgromadzonych po obu stronach z¸cza
pÐn
, co doprowadzi do
zmniejszenia si« bariery potencja¸u
(skrajnie z prawej)
. Teraz no-
æniki, dziury i elektrony, b«d mog¸y pop¸yn dalej do zewn«trz-
nego uk¸adu elektrycznego jako
prd elektryczny wywo¸any pro-
mieniowaniem æwietlnym. Zjawi-
sko to nosi nazw« efektu foto-
woltaicznego.
Szerokoæ pasma zabronione-
go, czyli energia potrzebna do
wzbudzenia elektronu z pasma
walencyjnego do pasma prze-
wodnictwa, stanowi o zasadni-
czej rýnicy pomi«dzy ogniwem
baterii s¸onecznej a termicznym
ogniwem fotowoltaicznym. W ty-
powym ogniwie s¸onecznym sze-
rokoæ ta wynosi zwykle oko¸o
1.5 eV i odpowiada d¸ugoæci fali
(energii fotonu) promieniowania
widzialnego, w termicznym ogni-
wie fotowoltaicznym natomiast szerokoæ pasma to 0.5Ð0.7 eV,
co odpowiada d¸ugoæci fali promieniowania podczerwonego.
Ta rýnica w szerokoæci pasma zabronionego nie oznacza oczy-
wiæcie, ýe bateria s¸oneczna musi produkowa wi«cej energii elek-
trycznej. W przypadku baterii s¸onecznej absorbowane s fotony
wyemitowane ze S¸oÄca, ktrego temperatura si«ga 6000¡C. Fo-
tony absorbowane przez termiczne ogniwo fotowoltaiczne emi-
towane s przez znacznie ch¸odniejsze obiekty Ð o temperaturze
1000Ð1700¡C. Jednak iloæ energii æwietlnej padajcej na ter-
miczne ogniwo jest znacznie wi«ksza niý padajcej na ogniwo
s¸oneczne, odleg¸oæ pomi«dzy S¸oÄcem a Ziemi wynosi bo-
wiem oko¸o 130 mln km, podczas gdy typowa odleg¸oæ pomi«dzy
ogniwem termicznym a promieniujcym obiektem oko¸o 2 cm.
Iloæ energii elektrycznej, wytworzonej przez termiczne ogniwo
fotowoltaiczne, jest wi«c potencjalnie znacznie wi«ksza niý ta,
ktr daje ogniwo s¸oneczne.
ZüCZE
PÐN
STAN
RîWNOWAGI
PO ABSORPCJI
FOTONU
P
N
N
P
N
P
PASMO
PRZEWO-
DNICTWA
PASMO
ZABRONIONE
ZüCZE
DIODOWE
PASMO
WALENCYJNE
ELEKTRON
DZIURA
ELEKTRON ZWIZANY
FOTON
BARIERA POTENCJAüU
ABSORPCJA FOTONU w p¸przewodniku daje pocztek zjawisku
fotowoltaicznemu.
z powrotem do promiennika, gdzie s
absorbowane. Dzi«ki temu przyczyniaj
si« do utrzymania wysokiej temperatu-
ry oraz zaoszcz«dzenia paliwa i w rezul-
tacie wi«cej wyemitowanych fotonw
osiga energi« wystarczajc do wzbu-
dzenia elektronu.
do ogniwa, pozosta¸e natomiast odbija-
j w kierunku promiennika. Wiele spo-
sobw odzyskiwania fotonw si« nie
sprawdzi¸o. Niektre wy¸apywa¸y fale
ze zbyt wskiego zakresu, inne okaza¸y
si« nadmiernie kosztowne. Obecnej naj-
bardziej obiecujcym rozwizaniem jest
ãreflektor koÄcowyÓ Ð nazwany tak, po-
niewaý nie zaabsorbowane fotony prze-
nikaj ca¸kowicie warstwy ogniw, po
czym s zawracane do promiennika
przez silnie odbijajce z¸ote zwierciad¸o
umieszczone za ogniwami.
Naukowcy na ca¸ym æwiecie wypr-
bowuj rýne ærodki techniczne pozwa-
lajce na opracowanie generatorw fo-
towoltaicznych oraz uczynienie z nich
nadajcych si« do zastosowania w prak-
tyce rde¸ energii. Od roku 1994 spoty-
kali si« trzykrotnie na konferencjach
sponsorowanych przez National Rene-
wable Energy Laboratory (NREL Ð Kra-
jowe Laboratorium Energii Odnawial-
nej) Departamentu Energii. Programy
badawcze w tej dziedzinie s finanso-
wane przez Defence Advanced Re-
search Projects Agency (DARPA), De-
partament Energii (DOE) oraz U.S.
Army Research Office.
Entuzjazm naukowcw budz wyni-
ki badaÄ laboratoryjnych. Istnieje szan-
sa, ýe gdy zastosuje si« promienniki pra-
cujce w temperaturze 1500¡C oraz
ogniwa fotowoltaiczne z pojedynczym
z¸czem
pÐn,
z 1 cm
2
Odzyska nie wykorzystane fotony
Konstruktorzy generatorw fotowol-
taicznych wyprbowali wiele sposobw
odzyskiwania fotonw, w tym uýycie
sieci mikroskopijnych metalowych an-
ten. Anteny mog by cienkimi war-
stwami metalu umieszczonymi pomi«-
dzy promiennikiem a ogniwem, ktre
przepuszczaj fale o poýdanej d¸ugoæci
ogniwa uda si«
uzyska 3Ð4 W.
å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1998
71
T
ermiczne ogniwa fotowoltaiczne wykorzystuj w¸aæciwoæ p¸-
Rozwaýa si« teý zastosowanie ogniw
z wieloma z¸czami
pÐn
, czyli rozwi-
zanie typowe dla ogniw s¸onecznych.
Ogniwa z wieloma z¸czami pozwo-
li¸yby na przetwarzanie promienio-
wania o szerszym widmie, dzi«ki cze-
mu wzrs¸by stopieÄ wykorzystania
promiennikw szerokopasmowych. Po-
szczeglne z¸cza wytwarza¸yby prd,
absorbujc fotony o innych energiach.
Teoretycznie ogniwa wieloz¸czowe
mog¸yby osign poziom 5Ð6 W z
1 cm
2
. Dla porwnania: typowa p¸asko-
panelowa matryca ogniw s¸onecznych
daje 15 mW/cm
2
. Chociaý te przewidy-
wania s wynikiem symulacji kompu-
terowych i rzeczywiste ogniwa na pew-
no nie b«d tak wydajne, pierwsze
prototypowe urzdzenia produkuj jed-
nak powyýej 1 W/cm
2
.
Mozolne i trudne prace nad zapro-
jektowaniem i budow generatora foto-
woltaicznego prowadzi si« w kilku pry-
watnych i rzdowych laboratoriach.
Uzyskanie wystarczajcych iloæci ener-
gii z takich urzdzeÄ wymaga po¸cze-
nia ze sob wielu pojedynczych ogniw.
Na jednoczesne wytworzenie duýej ich
liczby na tzw. p¸ytce pod¸oýowej po-
zwalaj tradycyjne procesy technolo-
giczne stosowane w przemyæle mikro-
elektronicznym. Wyprodukowane t
metod matryce zademonstrowali na-
ukowcy z NREL oraz pracujcy nieza-
leýnie badacze ze Spire Corporation w
Bedford (Massachusetts), a takýe z NASA
Lewis Research Center. Szczeglnie in-
teresujce rozwizanie przedstawili Scott
Ward i Mark Wanlass z NREL, ktrzy
po¸czyli szeregowo ma¸e pojedyncze
ogniwa. Przewody biegn wzd¸uý gr-
nej powierzchni jednego ogniwa, a p-
niej pod spodem kolejnego w konfigu-
racji, ktra zapewnia zmniejszenie prze-
p¸ywu prdu, zwi«kszenie napi«cia i
zminimalizowanie strat mocy.
Rezultatem tego rozwizania mog¸a-
by by p¸ytka pod¸oýowa z wieloma po-
jedynczymi ogniwami, ktra mia¸aby
tylko dwa doprowadzenia konieczne
do pod¸czenia odbiornika Ð na przy-
k¸ad pompy lub domku w lesie. Wi«k-
sza liczba takich p¸ytek pozwoli¸aby
osign wymagan moc wyjæciow ge-
neratora. Integracja pojedynczych ogniw
na p¸ytce pod¸oýowej zmniejszy¸aby
prawdopodobnie koszty technologii,
poniewaý ogniwa wytwarzano by w
standardowym procesie.
Scott i Wanlass zastosowali w swoim
prototypie rwnieý now technik« odzy-
skiwania fotonw. Obszary elektrycz-
nie aktywne znajduj si« na grnej po-
wierzchni p¸ytki fosforku indu. Po-
niewaý materia¸ ten nie przewodzi pr-
du, a wi«kszoæ elektronw jest stosun-
kowo mocno zwizana z sieci krysta-
liczn p¸przewodnika, fotony o niskiej
energii przenikaj swobodnie przez
pod¸oýe, nie absorbowane przez elek-
trony z pasma przewodnictwa. Docie-
raj wi«c do dolnej powierzchni p¸ytki,
tam ulegaj odbiciu od warstwy z¸ota
tworzcej zwierciad¸o i wracaj do pro-
miennika. W innych prototypowych
ogniwach nie wykorzystane fotony s
absorbowane przez pod¸oýe, na ktrym
wykonano ogniwa.
Prace badawcze nad generatorami fo-
towoltaicznymi trwaj, a tymczasem
pierwsze produkty komercyjne pojawi
si« niebawem na rynku. Firma JX Cry-
stal z Issaquah (stan Waszyngton) opra-
cowa¸a urzdzenie o nazwie Midnight
Sun, g¸wnie do ¸odzi ýaglowych. Sze-
roki na 14 cm i wysoki na 43 cm cylin-
dryczny grzejnik zasilany propanem
moýe dostarczy 30 W mocy i jest prze-
znaczony do ¸adowania akumulatorw
zasilajcych aparatur« nawigacyjn i in-
ne elektryczne elementy wyposaýenia
jachtu. Urzdzenie ma nie tylko wytwa-
rza energi« elektryczn, ale rwnieý
odgrywa rol« dodatkowego generato-
ra s¸uýcego do ogrzewania kabiny.
Sk¸ada si« z cz«æciowo selektywnego
10
2.0
0.6
9
ANTYMONEK
GLINU
0.7
ARSENEK
GALU
FOSFOREK
INDU
8
0.8
1.5
7
ANTYMONEK
GALU
0.9
1.0
PROMIENNIK
SZEROKOPASMOWY
6
1.0
5
PASMO
ZABRONIONE
1.5
4
0.7
2.0
3
0.5
WYMAGANA
PRZERWA
ENERGETYCZNA
PROMIENNIK
SELEKTYWNY
2
ARSENEK
INDU
5.0
1
0
ANTYMONEK INDU
5.4
5.6
5.8
6.0
6.2
6.4
6.6
PASMO
ZABRONIONE
0
ODLEGüOå MI¢DZY ATOMAMI (ANGSTREMY)
1.5
2
2.5
3
BUDUJC OGNIWA ze stopw rýnych pierwiastkw III
i V grupy uk¸adu okresowego moýna otrzyma p¸prze-
wodniki o poýdanej szerokoæci pasma zabronionego Ð ilo-
æci energii potrzebnej do wzbudzenia elektronu, czyli jego
przejæcia do pasma przewodnictwa. Szerokoæ 0.5Ð0.7 eV
(obszar zacieniony)
jest idealna dla termicznych ogniw fo-
towoltaicznych i pasuje do coraz krtszych d¸ugoæci fali
emitowanych przez promiennik. Moýna j otrzyma dzi«-
ki ¸czeniu zwizkw takich jak antymonek galu i anty-
monek indu w proporcjach reprezentowanych przez krop-
ki na czerwonych liniach. Znajc odleg¸oæci pomi«dzy
atomami
(dolna oæ)
, technolodzy potrafi ¸czy rýne
zwizki o odmiennych strukturach krystalicznych.
DüUGOå FALI (MIKROMETRY)
PROMIENNIKI emituj promieniowanie w wskim (selektyw-
ne) bd szerokim (szerokopasmowe) zakresie d¸ugoæci fal, prze-
twarzane nast«pnie przez p¸przewodnikowe ogniwa fotowolta-
iczne na energi« elektryczn. Promienniki selektywne, wykonane
z pierwiastkw ziem rzadkich, emituj mniej fotonw o energii
wi«kszej lub rwnej pasmu zabronionemu wywo¸ujcych prze-
p¸yw prdu
(obszar czerwony)
. W przypadku szerokopasmowych
natomiast do ogniwa dociera wi«ksza iloæ uýytecznej energii
(ob-
szar niebieski)
. Fotony o niewystarczajcej energii Ð na rysunku
z prawej od pasma zabronionego Ð s rozpraszane w postaci ciep¸a.
72 å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1998
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

Coutts Timothy J. Fitzgerald Mark C. - Termiczne ogniwa foto, świat nauki

Odnośniki