Солнечные батареи: технология и экономика

au прав был - на Дип Спейс 1 были СБ с концентраторами-рефракторами.

The innovative array uses 720 lenses to focus sunlight onto 3600 solar cells.

Powering the engine are the SCARLET (Solar Concentrator Array of Refractive Linear Element Technologies) solar arrays. These use linear Fresnel lenses made of silicone to concentrate sunlight onto solar cells. Combined with more efficient, dual-junction cells, the SCARLET arrays generate 2.5 kilowatts with less size and weight than conventional arrays.

Правда, о степени концентрации света и массе этого удовольствия, равно как и о радиационной стойкости рефракторов пока ничего не нашёл.

Еще немного о концентраторах.



(цитирую в сокращении, там еще про наземное применение есть)


BMDO and NASA funded ENTECH to develop Fresnel lenses for space applications—first the mini-dome lens, followed by the line-focus lens. While the mini-dome lens concentrated sunlight onto a spot on the photovoltaic cells, the line-focus Fresnel lens focuses sunlight onto a narrow strip of photovoltaic cells. The lens has a patented cylindrical, lightweight design. It has a smooth, arched outer surface and an inner surface made of microscopic prisms that shape the light. Because of its arched design, the lens directs 90 percent of the incident light to the solar cells. In space applications, the arch is tolerant of slope and shape errors, with a large acceptance angle for sun-tracking of two degrees without loss of usable solar energy. The lens and solar cells are kept aligned in a lightweight aluminum or composite heat-dissipating structure. The line-focus array has a mass-to-aperture ratio of 2.0 kilograms per square meter (kg/m2 ) and a power output of 300 Watts/m2, and thus a power-to-mass ratio of 150 W/kg (several times higher than for a planar array).

Concentrating the light onto a smaller area of photovoltaic cell material reduced the amount of cell material needed 10 to 100 times, saving up to 90 percent of solar cell material costs. The saving is significant since cells are often the most expensive part of arrays, which are often an expensive part of spacecraft. It also allows for thicker glass protection and more radiation resistance of the photovoltaic cells, which opens up a range of space applications in high-radiation environments.

Also, the line-focus lens is easier to mass produce than the hand-assembled, mini-dome lens.
During 1993, ENTECH worked with their key supplier, 3M Company (St. Paul, MN), to develop a continuous process for making line-focus lenses from space-qualified Dow Corning silicone plastic produced in rolls 1-ft wide by 500-ft long. To protect the molded lens from darkening due to atomic oxygen and UV degradation, ENTECH laminates the curved surface of the 0.01-in.-thick lens with a 0.003-in. thick ceria-doped quasi-cylindrical microglass cover sheet.

The concentrator lenses were first space qualified in 1994 on the Space Shuttle and in the Photovoltaic Array Space Power Plus Diagnostics (PASP Plus) experiment on a U.S. Air Force satellite, which evaluated vulnerability to space radiation and plasma hazards. Comparing favorably to older silicon standard planar arrays and newer construction planar arrays, concentrator arrays showed almost no space plasma-induced current leakage and withstood radiation effects with only 7 percent power-output degradation after one year in orbit. PASP-plus proved that the concentrators’ performance was steady and reliable.


The line-focus concentrator concept offers several advantages in space including high energy efficiency of arrays, and low-cost mass production of lens material. In addition, the weight of the array is reduced, and precise array tracking is only required on a single axis. For SCARLET, the Fresnel lens technology, providing up to a 15:1 concentration ratio, reduces solar cell material costs by as much as 93 percent.

Fakir> Из чего его делают, кстати?

Не знаю — поищите..

Fakir> Какая примерна толщина?

Ну поглядите на сайте, там спецификации есть на это. Вот выдрал:
Product Configuration
• Thickness: 0.075 mm to 0.5 mm
• Tolerancing (LxW): ±0.05 mm
• Surface Finish: As drawn surfaces to 80-50 scratch/dig
• Parallelism: within 0.05 mm / 0.002"
• Perpendicularity: within ±0°15'
• Complete surface coating coverage
Property Corning 0213 Corning 0214
Density 2.6 grams/cm3 2.5 grams/cm3
Refractive Index 1.528 at 589 nm 1.516 at 589 nm
Young’s Modulus 73,700 MPa 73,000 MPa
Poisson’s Ratio 0.224 0.22

Fakir> Нда? Такой строгий режим нераспространения?

Надо блюсти уголовный кодекс

Fakir> Либо те стрелочки, которые tunnel junction, либо те, которые Cells - но они не указывают на стык n и p слоёв...

Стрелочки что показывают "селлс" — это слои, которые к ячейкам относятся. Туннельные переходы там играют вспомогательную функцию, которая описана в статье. Читали?

>>(но не между n++ и p++ слоями
Fakir> А что это за слои, кстати?

Я думаю это слои с повышенным легированием.

Fakir> Вот если на эту картинку смотреть - чего-то становится ясным, хоть и не прописано чётким языком, но становится непонятным назначение tunnel junctions...

Читайте, там описано.. Пардон, но у меня щаз не получится простыню с объяснениями написать.

Fakir> Нового ничего нет.

Ну, не знаю. Вчера точно ушло.

>>Там в библиографии есть и ссылка на 5J, хотя самой статьи о них пока под рукой нет.
Fakir> Это которая? Битым словом, во всяком случае, ничего нет.

Которая вчера ушла

Не пришло ничего

Кстати, а в курсе кто-нибудь, какие на космических СБ верхние электроды - "сеточка" или прозрачные сплошные?

Факир, тыкните в "старое", откройте прицеп, а потом скажите что ничего.

au
>Надо блюсти уголовный кодекс

"Я правила пожарной безопасности блял, бляду, и блядь буду"

>Стрелочки что показывают "селлс" — это слои, которые к ячейкам относятся. Туннельные переходы там играют вспомогательную функцию, которая описана в статье. Читали?

Читал Но - быстренько, быстренько, по диагонали
Поэтому обратил внимание только на слово junction, что воспринял просто как контакт между слоями с разными типами проводимости.

>Я думаю это слои с повышенным легированием.

Очевидно, вы правы - спросил у одного человека, независимо услышал ту же версию:) Правда, в чём смысл такого легирования - мне не объяснили

>Читайте, там описано.. Пардон, но у меня щаз не получится простыню с объяснениями написать.

Перечитал, довольно медленно - на так и не понял до конца, в чём влияние tunnel junction-а. Пишут, что для уменьшение побочного поглощения и повышения "прозрачности" верхних слоёв, но почему так получается - для меня покрыто мраком.

Прочитайте по-человечески. Там доходчиво объяснено зачем эти туннельные переходы — это их фишка.

au> Прочитайте по-человечески. Там доходчиво объяснено зачем эти туннельные переходы — это их фишка.
Если там написано, что это ИХ фишка - врут.

Может быть, конечно, они первыми это придумали. Но используют - далеко не только они.

Вот еще вопросы образовались. Может, кто рассеет моё невежество в самой физике процесса?

Есть у нас контакт слоёв с разными типами проводимости. На границе - типа дебаевского слоя, запирающий потенциал, электроны с одной стороны, дырки с другой. Равновесие, все пляшут и поют.
Но тут прилетает фотон...

Вопрос намбер уан: а с которой стороны перехода он поглощается? С большей вероятностью?

Дальше - фотон поглотился. Где-то. И? Чего дальше? По идее - образовалось два новых носителя, так, +й и -й. Оба начинают шариться по матрице. Через барьер может пройти заряд только одного знака, второму остаётся только диффундировать из соответствующего слоя (то есть еще какой-то переход нужен?).
Получается, что напряжение, выдаваемое фотоэлементом, определяется разностью потенциалов на запирающем слое, т.к. именно она перекидывает "разрешённый" заряд, так, что ли?

Если так - тогда почему КПД СБ падает при нагревании, ведь а) запирающий пот-ал должен подрасти, б) толщина дебаевского слоя возрастёт, и рождённый фотоном заряд быстрее в него попадёт и будет переброшен ?

Fakir> Вопрос намбер уан: а с которой стороны перехода он поглощается? С большей вероятностью?
Пофигу, вроде. То есть, разница есть (какая и в какую сторону - зависит от технологии), но ей можно пренебречь.

Fakir> Дальше - фотон поглотился. Где-то. И? Чего дальше? По идее - образовалось два новых носителя, так, +й и -й. Оба начинают шариться по матрице. Через барьер может пройти заряд только одного знака, второму остаётся только диффундировать из соответствующего слоя (то есть еще какой-то переход нужен?).
Зачем? Одному заряду выгодно смыться через барьер, второй - тихо диффундирует от него.

Fakir> Получается, что напряжение, выдаваемое фотоэлементом, определяется разностью потенциалов на запирающем слое, т.к. именно она перекидывает "разрешённый" заряд, так, что ли?
Да.

Fakir> Если так - тогда почему КПД СБ падает при нагревании,
Не совсем верное утверждение. До каких-то пор - вполне себе растет.
Там немонотонная зависимость... и вообще нетривиальная, даже если брать КПД "текущего момента".
В более общем случае все еще сложнее: например, температура ускоряет деградацию ПП, но может и наоборот - замедлять деградацию в результате облучения.

Fakir> ведь а) запирающий пот-ал должен подрасти, б) толщина дебаевского слоя возрастёт, и рождённый фотоном заряд быстрее в него попадёт и будет переброшен ?
Потому что:
а) растет темновой ток;
б) сужается запрещенная зона (кстати, фактор - "в обе стороны", куда сыграет - зависит от условий);
в) повышается вероятность рекомбинации на дефектах;
г) ...
Там много факторов, они играют нетривиально.

Татарин
>Зачем? Одному заряду выгодно смыться через барьер, второй - тихо диффундирует от него.

Ну вот бродят они по матрице, пока один из зарядов ("разрешённый") не занесёт в дебаевский слой, который его и перекинет. Но ведь пока они так шляются, есть шанс, что рекомбинируют?
Кстати, а какова примерно толщина дебаевского слоя, и как она соотносится с толщиной полупроводникового слоя?

>Да.

А какие там характерные напряжения?

>например, температура ускоряет деградацию ПП, но может и наоборот - замедлять деградацию в результате облучения.

Это типа отжига дефектов?

Татарин
> Пофигу, вроде. То есть, разница есть (какая и в какую сторону - зависит от технологии), но ей можно пренебречь.

То есть, по большому счёту, фотоны поглощаются с обеих сторон перехода одновременно, и примерно одинаково?

Fakir> Татарин
>>Зачем? Одному заряду выгодно смыться через барьер, второй - тихо диффундирует от него.
Fakir> Ну вот бродят они по матрице, пока один из зарядов ("разрешённый") не занесёт в дебаевский слой, который его и перекинет. Но ведь пока они так шляются, есть шанс, что рекомбинируют?
Всяко есть. А что делать?

Fakir> Кстати, а какова примерно толщина дебаевского слоя, и как она соотносится с толщиной полупроводникового слоя?
В общем случае не сказать, но - мала.

Fakir> А какие там характерные напряжения?
Для кремния, например, - 0.44-0.48В при 20С.
От температуры зависит. При увеличении температуры выше комнатной напряжение холостого хода падает на несколько десятых процента/градус (а рабочий ток, кстати, - какое-то время растет ).

>>например, температура ускоряет деградацию ПП, но может и наоборот - замедлять деградацию в результате облучения.
Fakir> Это типа отжига дефектов?
Оно и есть.
Из-за миграции примесей/дефектов по решетке ПП деградируют при высокой температуре... ну и залечиваются от радиационных повреждений заодно.
Кстати, еще одна причина, по которой концентрация света может быть выгодна.

Fakir> То есть, по большому счёту, фотоны поглощаются с обеих сторон перехода одновременно, и примерно одинаково?
НЯЗ - да.

Ну что ж, если никто не хочет объяснить, зачем в многокаскадных фотоэлементах туннельные диоды (кстати, аu, вы меня несско обманули - нету там объяснения на с.456, там говорится о том, почему ихний tunnel junction такой, а не зачем он вообще нужен) - давайте я начну врать вслух, а кто в теме - нехай поправит.

Зачем же там между двумя фотопреобразующими слоями нужен диод, причём туннельный?
Пробую представить себе, глядя на картинку (см).
Значит, прилетают фотоны, рождают пары зарядов. Самый верхний и самый нижний слои нас сейчас не интересуют, т.к. туннельный диод явно их не касается.
Итак, фотоны наделали пар зарядов в слоях p-GaInP2 (1) и n-GaAs (2). Для нормального функционирования элемента электрон из слоя 1 должен уйти через барьер наверх, а дырка из слоя 2 - вниз. Но в принципе, при непосредственном контакте электрон из 1 мог бы пойти и вниз, в 2, а дырка - наоборот. Таким образом, где-то половина (ну, зависит от толщины слоёв и пробегов, конечно) полученных носителей была бы потеряна впустую. Значит, хорошо бы этот канал потерь перекрыть. Может тут диод чем-то помочь? Да нет, полярность не та: дырки наверх он пропустит, а для электронов вообще в обе стороны проницаем, т.к. туннельный. Единственно, что он может - не даст части электронов из слоя 2 забредать наверх, но какой от этого особый толк?
Получается, что лишние загулы новообразованных зарядов устраняются, похоже, лишь явно бОльшей толщиной p-слоя 1 - вероятно, фотоны поглощаются в основном в верхней его части, поэтому большинство электронов до низа не доходит, а попадает по назначению, в барьер. По такой логике, n-слой 2 желательно делать тонким, почти прозрачным, чтобы в нём фотоны почти не поглощались, и о потере дырок не приходилось заботиться. Но тогда зачем диод???

Остается разве что предположить, что туннельный диод играет какую-то роль в уравнивании токов ячеек???
Или он предназначен для того, чтобы пропускать (как раз за счёт туннельного эффекта) наверх электроны, притекающие в слой 2 снизу, через барьер n-p, которым иначе не удалось бы преодолеть p-n переход? Т.е. тунн. диод нужен для замыкания цепи, угадал?

Отдельный вопрос - зачем нужны "окна" n-AlInP2 и n-AlGaAs ? Что они должны пропускать свет соответствующего спектра - понятно, но почему бы не нанести просветляющее покрытие прямо на слой n-GaInP2 ? Встретил упоминание вскользь, из которого можно сделать вывод, что "окно" позволяет устранить поверхностную рекомбинацию дырок и электронов, но если так - почему бы просто не сделать толще "рабочий" слой n-GaInP2 ? Неужели он должен оставаться по возможности прозрачным, чтобы в нём не рождались лишние дырки?

Fakir> Зачем же там между двумя фотопреобразующими слоями нужен диод, причём туннельный?
Если он не просто туннельный, а именно обращённый, то он будет улучшать параметры за счёт "недогретых" носителей.

А поподробнее можно? Не уловил сути.

Недогретые электроны в таком случае накапливаются преимущественно с одной стороны перехода. И увеличивается вероятность их догрева низкоэнергетичними квантами для перехода на более высокие энергетические уровни.
Думается так.

А вы уверены, что такое догревание вообще имеет место?

Мне что-то всё больше кажется, что диод нужен для замыкания тока...
Тем более что в одном месте встретил утверждение, что свет поглощается именно в p-слоях.

Fakir> А вы уверены, что такое догревание вообще имеет место?
Fakir> Мне что-то всё больше кажется, что диод нужен для замыкания тока...
Не уверен. Думаю, не для замыкания тока, а наоборот, для размыкания. Потому что внутренние токи снижают КПД. Но уж не просто туннельный, а обращённый.
Для замыкания тока достаточно сильного легирования тем же типом примеси.
Опять же, чтобы судить об этом, неплохо было бы иметь профиль потенциалов в рабочем режиме и график энергия поглощаемых квантов/глубина.
Что касается гетерослоёв с алюминием, они очень похожи на просветляющие, поскольку на границе перехода имеется и разница коэффициентов преломления. Гомогенные лазеры именно на этом свойстве и работали (одностороннее ограничение).

Хм, опять не дошло - почему вы считаете, что сильного легирования хватит для обеспечения соединения субъячеек в цепь?
Вот сегодня мне как раз встретилось утверждение, что tunnel junction служит именно что для замыкания цепи: "Monolithic multijunction solar cells require a tunnel diode for current transfer from one cell to the other."

КПД протекающие токи, может, и уменьшают, но, пардон, протекать они должны - иначе толку от такой СБ ноль. К тому же ВАХ СБ такова, что максимальная мощность с элемента снимается при вполне определённом токе. А баланс токов и т.п. в многокаскадной СЮ, это, как я понял, вообще задача очень непростая.

Что же касается гетерослоёв с алюминием - они везде рисуются именно что отдельно от просветляющего покрытия. Т.е., может, они попутно еще и такую роль могут выполнять, но основная их функция явно другая.

Кстати, джентльмены, у кого-нибудь есть доступ к журналу "Физика и техника полупроводников" (англ. вариант - Semiconductors) ? А то в сети, блин, только за бабки (Шпрингер-Верлаг хренов), а там в сентябрьском номере за 99-й год похоже, хороший обзор по теме.