Солнечные батареи: технология и экономика

Вопрос в первую очередь к товарищам, имеющим отношение к полупроводникам.

Весной меня поразили цифры по ценам солнечных батарей для космического применения:

Арсенид-галлиевые - 1 млн. $ за кВт
Кремниевые - 500 000 $ за кВт

Это буржуинские. Наши кремниевые дешевле, около 120 000 за кВт, а GaAs у нас вообще не делают.

Что арсенид-галлиевые батареи, вообще говоря, лучше - понятно: у них выше радиационная стойкость (чуть ли не в сотни раз) и меньше масса на киловатт, т.к. несколько выше КПД. Но почему они аж вдвое дороже, и почему в России их не выпускают вообще?! Неужели работать с арсенидом галлия настолько сложнее, чем с кремнием?


Как известно, наиболее чувствителен к радиации p-n переход (в принципе еще стёклышки мутнеть могут и т.п., но именно переход наиболее уязвим - причём n-p переход более устойчив, чем p-n).
Пролистывая Бьюба и Фаренбруха, обнаружил упоминание о том, что электрическое поле, приложенное к p-n переходу, может существенно повысить радиационную стойкость фотоэлемента. Возникает вопрос: почему же этим не пользуются?

Сейчас у буржуев уже летают трёхкаскадные СБ, и работают над четырёхкаскадными, с повышенными КПД. Все - арсенид-галлиевые.
У нас, похоже, и до трёхкаскадных далеко.

Вопрос: а что, на кремнии такие структуры создавать проблематично? Или же смысла нет?

Fakir> Вопрос в первую очередь к товарищам, имеющим отношение к полупроводникам.
Fakir> Весной меня поразили цифры по ценам солнечных батарей для космического применения:
Fakir> Арсенид-галлиевые - 1 млн. $ за кВт
Fakir> Кремниевые - 500 000 $ за кВт
Fakir> Это буржуинские. Наши кремниевые дешевле, около 120 000 за кВт, а GaAs у нас вообще не делают.
Fakir> Что арсенид-галлиевые батареи, вообще говоря, лучше - понятно: у них выше радиационная стойкость (чуть ли не в сотни раз) и меньше масса на киловатт, т.к. несколько выше КПД. Но почему они аж вдвое дороже, и почему в России их не выпускают вообще?! Неужели работать с арсенидом галлия настолько сложнее, чем с кремнием?

У расплава арсенида галлия очень маленький коэффициент поверхностного натяжения. Поэтому при выращивании монокристалла получается очень тонкий цилиндр. Соответственно очень маленький круг после распила. Поэтому возни столько же сколько и с кремнием, а выход площади кристалла значительно меньше.


Fakir> Как известно, наиболее чувствителен к радиации p-n переход (в принципе еще стёклышки мутнеть могут и т.п., но именно переход наиболее уязвим - причём n-p переход более устойчив, чем p-n).
Fakir> Пролистывая Бьюба и Фаренбруха, обнаружил упоминание о том, что электрическое поле, приложенное к p-n переходу, может существенно повысить радиационную стойкость фотоэлемента. Возникает вопрос: почему же этим не пользуются?

Солнечная батарея - это и есть очень широкий p-n переход.

Fakir:

Спасибо, материалы любопытные.
Однако там только параметры - ни о ценах, ни о технологиях производства (и трудностях) ни слова.

Кстати, что меня удивило - даже триплексы там с КПД не выше 30%.

Вообще, где полупроводниковый народ? Татарин, ау!

foogoo
>У расплава арсенида галлия очень маленький коэффициент поверхностного натяжения. Поэтому при выращивании монокристалла получается очень тонкий цилиндр. Соответственно очень маленький круг после распила. Поэтому возни столько же сколько и с кремнием, а выход площади кристалла значительно меньше.

Хм... Я, признаться, в выращивании монокристаллов не силён, установку видел только один раз в жизни, и то сильно давно Но разве зонной плавкой нельзя получать кристаллы необходимых размеров?

>Солнечная батарея - это и есть очень широкий p-n переход.

Да я как бы в курсе

Fakir> foogoo
>>У расплава арсенида галлия очень маленький коэффициент поверхностного натяжения. Поэтому при выращивании монокристалла получается очень тонкий цилиндр. Соответственно очень маленький круг после распила. Поэтому возни столько же сколько и с кремнием, а выход площади кристалла значительно меньше.
Fakir> Хм... Я, признаться, в выращивании монокристаллов не силён, установку видел только один раз в жизни, и то сильно давно Но разве зонной плавкой нельзя получать кристаллы необходимых размеров?
Когда я перестал этим интересоваться, у наших кристаллов арсенида галлия максимальный диаметр был 7 см.

>>Солнечная батарея - это и есть очень широкий p-n переход.
Fakir> Да я как бы в курсе
Дык, и напряжение как бы приложено...

Fakir:

Нынешние коммерческие 3J элементы (спектролабовские) намного сложнее по структуре чем кремниевые, и минимум в два раза более эффективны. Это экономия для спутника: он за те же деньги получает столько же или больше мощности без затраты массы и объёмов. А панель — это не только фотоэлементы, так что там экономия набегает будь здоров. Более того, эти элементы, в отличие от кремниевых, выгодно использовать с концентраторами (порядка х40-50) — их эффективность при этом возрастает, а собственно элементов нужно пропорционально меньше для той же мощи, и деградация по идее меньше, т.к. лизны не фокусируют электроны, а УФ могут не пропускать. Кстати, они эпитаксиальные (MOVPE), а не нарезанные из болванки. Видел уже выкрики про 5J (не могу найти эту статью) По технологии могу дать статью от авторов. Если есть выход на сайнсдирект — можете сами поглядеть:
Recent developments in high-efficiency Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge dual- and triple-junction solar cells: steps to next-generation PV cells
Solar Energy Materials & Solar Cells 66 (2001) 453-466

Ещё одно: "Ioffe Physico-Technical Institute" не перестаёт заявлять свои успехи в этом деле, но у них свой подход.

au
>Нынешние коммерческие 3J элементы (спектролабовские) намного сложнее по структуре чем кремниевые,

Что трёхкаскадные сложнее двух- и тем более однокаскадных - достаточно понятно. Но почему арсенид-галлиевые настолько сложнее кремниевых? Неужели на кремнии трёхкаскадные делать нельзя?

>и минимум в два раза более эффективны.

В два? Хм... Слышал цифирь, что у кремниевых КПД где-то 23%, у арсенид-галлиевых - до 37%.

Кстати, сам по себе бОльший КПД еще не гарантирует выигрыша. Поэтому пока еще возлагают какие-то надежды (хотя, ИМХО, сильно завышенные) на аморфный кремний, у которого КПД вообще дохлый - меньше 10%, чуть ли не 8%.

>Это экономия для спутника: он за те же деньги получает столько же или больше мощности без затраты массы и объёмов.

По моим данным (см. выше, первый пост) - столько же мощности получают за вдвое бОльшие деньги. У вас есть другие сведения?
То есть экономия только на массе... Сама по себе она не особо велика, но для ГСО-шного связиста, где каждый десяток кг - это лишний транспондер, приносящий прибыль, вероятно, окупается. Ну и ресурс повышенный по ср. с кремнием - это, как я понимаю, основная причина.

>А панель — это не только фотоэлементы, так что там экономия набегает будь здоров.

Так вот конечный цены киловатта панелей, со всеми бебехами 1 млн. против 0,5 млн. Так что на самой панели экономии не получается, а строго наоборот.

>Более того, эти элементы, в отличие от кремниевых, выгодно использовать с концентраторами (порядка х40-50) —

А вы знаете примеры реального использования концентраторов на КА? Да еще и с таким большим коэффициентом?! И как тепло лишнее сбрасывать?

>Кстати, они эпитаксиальные (MOVPE), а не нарезанные из болванки.

Э... пардон, а что такое эпитаксиальные?

>Видел уже выкрики про 5J (не могу найти эту статью)

Теоретические, или какие-то лаб. образцы? Что обещают, какие параметры? И сколько там до лётным моделей?

>Ещё одно: "Ioffe Physico-Technical Institute" не перестаёт заявлять свои успехи в этом деле, но у них свой подход.

То есть?

Ох ни фига ж себе... И что, хорошие кристаллы получаются? А почему они тогда такие дорогие, вроде технология должна быть достаточно массовой?

Вообще, кстати, я так до сих пор и не понял, почему всё же космические СБ настолько дороги?
Мне что-то говорили в том духе, что при отборе полупроводников для космических СБ очень высок процент брака, но поскольку люди были не специалисты в этой области - то как-то без подробностей получилось.

Вообще интересно - при таких ценах может обычный Стирлинг окажется прекрасной альтернативой?

DaddyM> Вообще интересно - при таких ценах может обычный Стирлинг окажется прекрасной альтернативой?
Ключевой параметр вес а не цена.

> вроде технология должна быть достаточно массовой?

Откуда массовая - исключительно для спутников...

> Вообще, кстати, я так до сих пор и не понял, почему всё же космические СБ настолько дороги?

Ну, когда запуск стоит сотню миллионов вечнозелёных - то стоимость СБ такая мелочь...

А на самом деле - обычный корпоративный сговор

Так ведь вес это еще и срок службы. А теплообменники Стирлига не так подвержены старению. К томуже в его систему охлаждения можно заодно и тепло аппаратуры сбрасывать.

DaddyM> Так ведь вес это еще и срок службы. А теплообменники Стирлига не так подвержены старению. К томуже в его систему охлаждения можно заодно и тепло аппаратуры сбрасывать.
Лови:

вторая ссылка по запросу:

Спасибо, заодно забыл что когда ночь его можно и изотопами подогревать

DaddyM
> Вообще интересно - при таких ценах может обычный Стирлинг окажется прекрасной альтернативой?
>Ключевой параметр вес а не цена.

Ключевой параметр скорее даже не вес, а надёжность и ресурс. Генератор со стирлингом (да и любая подобная электромеханика), непрерывно работающая в течении 15 лет безо всякого обслуживания - ИМХО, штука малореальная. И стоить будет - дай боже, если вообще сделать удастся.

Dem_anywhere
>Откуда массовая - исключительно для спутников...

У вас есть данные, что эпитаксия используется только при производстве СБ космического назначения? Или палец сосём?

>Ну, когда запуск стоит сотню миллионов вечнозелёных - то стоимость СБ такая мелочь...

Десять миллионов - оно всегда не мелочь.

>А на самом деле - обычный корпоративный сговор

Ну вот только не надо конспирологии, тем более такой кондовой Ладно бы хоть с фактами, а так нахрена словоблудием заниматься?

>У вас есть данные, что эпитаксия используется только при производстве СБ космического назначения? Или палец сосём?
А где ещё можно использовать СБ такой стоимости?

>Ну вот только не надо конспирологии, тем более такой кондовой Ладно бы хоть с фактами, а так нахрена словоблудием заниматься?
Факты говоришь?
Вот возьмём "Союз". Из чего он состоит?
100т керосина ($1/кг)+ 200т ЖК ($0.2/кг) = 140 килобаксов
25т ($4/кг) люминивых конструкций - ещё 100 килобаксов
Движки - металлический колпак с насосом на сотню атмосфер - считай сам.
Ну и прочее по мелочам. В поллимона вполне вписываемся.
Заметил - как бы на пару порядков разница получается
На те же самые пару порядков, что между болидом F1 и рядовой иномаркой, на которой просто ездят.

Так, пошёл флуд... Ты бы сначала определился, дорога ли сама эпитаксия, а потом выводы делал, а? А то только топик забивается.
А про "Союз" вообще бред написан.
Очень прошу в дальнейшем топик от подобного необоснованного флуда избавить. Считай это модераториалом.
Или цифры, факты и конкретные ссылки, или радиомолчание, ок?

мдя.. янтарную комнату тоже по цене янтарного сырья за кг предложить продать можно..
А скульптуры от микеланджело по цене мрамора на вес..

>у арсенид-галлиевых - до 37%.
на сайте (ссылка в теме) предлагают только до 28.3% как самые адванседы..
Или вы о советских/японских/еще не знаю чьих?
>на аморфный кремний, у которого КПД вообще дохлый - меньше 10%, чуть ли не 8%.
- Да вроде 18 говорили... И препоносили как небывало высокий..
А в чем его преимущество тогда? Только в весе чтоль? Бо стоимость производства, как мне тут же (на базе) тыкали, немаленькая.

Bredonosec
>>у арсенид-галлиевых - до 37%.
>на сайте (ссылка в теме) предлагают только до 28.3% как самые адванседы..
>Или вы о советских/японских/еще не знаю чьих?

Такая цифирь - 37% - мелькала в разговоре с мужиками, которые занимаются "общекосмическими" вопросами Как-то вот упомянулось, что это максимум на сегодняшний день, но без указаний - кто, где. Но что не наши - это точно, у нас же кремний один Поэтому сам и удивляюсь, что по ссылке даже 30% нет нигде. Может, имелись в виду перспективные четырёхкаскадные?

>>на аморфный кремний, у которого КПД вообще дохлый - меньше 10%, чуть ли не 8%.
>- Да вроде 18 говорили... И препоносили как небывало высокий..

Хз... Может, в теории? А так пока до 18%, НЯЗ, как до Киева раком. Плюс еще проблема со свёртыванием-развёртыванием плёнки, на которую этот самый аморфный кремний нанесен - трескается, зараза.

>А в чем его преимущество тогда? Только в весе чтоль? Бо стоимость производства, как мне тут же (на базе) тыкали, немаленькая.

Да, вроде бы только в весе. Рассчитывали сэкономить, в частности, на каркасе - разматывать из рулонов, и никакие "гармошки" не нужны, компактно и просто. Но, похоже, что из-за растрескивания до этого пока далеко (ни одна подобная СБ в космос еще не летала, и неизвестно, когда полетит).
Насчёт цены ничего не скажу - но, видимо, за киловатт всё-таки меньше, чем у других. ИМХО.

Fakir:

>>Нынешние коммерческие 3J элементы (спектролабовские) намного сложнее по структуре чем кремниевые,
Fakir> Что трёхкаскадные сложнее двух- и тем более однокаскадных - достаточно понятно. Но почему арсенид-галлиевые настолько сложнее кремниевых? Неужели на кремнии трёхкаскадные делать нельзя?

Нужны разные свойства для захвата разных длин волн. 3J — это не "арсенид-галлиевые", там десятка полтора-два разных материалов и их вариаций, и три "основных". В той статье что я дал всё это объясняется авторами из спектролаба — посмотрите если можете, если не можете, то могу на емейл прислать статью.

Fakir> В два? Хм... Слышал цифирь, что у кремниевых КПД где-то 23%, у арсенид-галлиевых - до 37%.

Всё несколько меньше и по-другому. Статью хотите?

Fakir> Кстати, сам по себе бОльший КПД еще не гарантирует выигрыша. Поэтому пока еще возлагают какие-то надежды (хотя, ИМХО, сильно завышенные) на аморфный кремний, у которого КПД вообще дохлый - меньше 10%, чуть ли не 8%.

Это для массового производства для бытовых применений. Главный параметр там цена и объёмы производства.

Fakir> По моим данным (см. выше, первый пост) - столько же мощности получают за вдвое бОльшие деньги. У вас есть другие сведения?

Про цены я не знаю. Но если разница в два раза, то она очевидно выгодна — я уже написал почему. Есть и ещё причины — 3J похоже лучше по всем параметрам кроме цены за см^2.

Fakir> Так вот конечный цены киловатта панелей, со всеми бебехами 1 млн. против 0,5 млн. Так что на самой панели экономии не получается, а строго наоборот.

А массу посчитали? В бюджете массы системы.

Fakir> А вы знаете примеры реального использования концентраторов на КА? Да еще и с таким большим коэффициентом?! И как тепло лишнее сбрасывать?

На DS-1 летал концентратор, если не память меня не разыгрывает. Проблемы решаются, тот "институт Йоффе" ими явно плотно занимается. У них есть онлайновые статьи.

Fakir> Э... пардон, а что такое эпитаксиальные?

Посмотрите. Это когда активный материал осаждается на субстрат, а не нарезается из кристалла.

Fakir> Теоретические, или какие-то лаб. образцы? Что обещают, какие параметры? И сколько там до лётным моделей?

Ну это развитие 3J. Просто добавляют больше слоёв с более удачными свойствами, так что КПД повышается (не очень чтобы сильно, но всё же).

>>Ещё одно: "Ioffe Physico-Technical Institute" не перестаёт заявлять свои успехи в этом деле, но у них свой подход.
Fakir> То есть?

У них есть неплохой сайт, посмотрите.

Да, когда указывается "КПД", честные люди всегда пишут при каких условия. Есть стандартные источники света: эквивалент солнца, и т.п. На монохромном источнике с правильной частотой КПД может достигать и вовсе невменяемых значений.

au
>В той статье что я дал всё это объясняется авторами из спектролаба — посмотрите если можете, если не можете, то могу на емейл прислать статью.

Нет, сейчас точно не смогу
Если пришлёте - буду весьма признателен.

>Это для массового производства для бытовых применений.

Если вы о КПД - так в том и дело, что такие цифры я слышал от людей из космической конторы, в которой этот самый аморфный кремний и делают! Правда, народ из другого отдела, но, полагаю, в курсе.

Fakir> По моим данным (см. выше, первый пост) - столько же мощности получают за вдвое бОльшие деньги. У вас есть другие сведения?

>Про цены я не знаю. Но если разница в два раза, то она очевидно выгодна — я уже написал почему.
>А массу посчитали? В бюджете массы системы.

Так ведь и я писал, что дело не совсем в этом Выигрыш по массе есть, конечно, но он невелик, процентов 20 где-то, что на киловатт выльется самый максимум в 100 000 $ - т.е. куда меньше разницы в цене СБ.
Поэтому, судя по всему, выигрыш в первую очередь в ресурсе, а также меньшем геморрое с большими гармошками (а это морока порядочная).

>На DS-1 летал концентратор, если не память меня не разыгрывает.

Cпасибо, поищу. Странно, что никаких упоминаний раньше не встречал...

>Проблемы решаются, тот "институт Йоффе" ими явно плотно занимается. У них есть онлайновые статьи.

Не дадите ссылочку - что там потолковее, пообстоятельнее?

>Посмотрите. Это когда активный материал осаждается на субстрат, а не нарезается из кристалла.

Ага, спасибо, тут уже ссылку запостили, и даже с картинкой
Только вот остаются вопросы - каково качество получаемых кристаллов, какова стоимость метода по сравнению с выращиванием монокристаллов и т.д.?

>Ну это развитие 3J. Просто добавляют больше слоёв с более удачными свойствами, так что КПД повышается (не очень чтобы сильно, но всё же).

Идея-то ясна, а вот чего с практикой?

>Да, когда указывается "КПД", честные люди всегда пишут при каких условия. Есть стандартные источники света: эквивалент солнца, и т.п. На монохромном источнике с правильной частотой КПД может достигать и вовсе невменяемых значений.

Это понятно Но поскольку речь шла именно о космическом применении, то, скорее всего, имелись в виду как раз 37% на солнечном спектре.