Эксπир
Регистрация / Вход

Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.516.11.6062
Организация
ФТИ им. А.Ф.Иоффе
Руководитель работ
Андреев Вячеслав Михайлович
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Внебюджетные средства
0 млн

В результате выполнения каждой работы должен быть создан необходимый научно-технический задел, обеспечивающий переход к проведению опытно-конструкторских работ с целью последующей коммерциализации

Этапы проекта

1
22.06.2007 - 20.11.2007
Основные результаты НИР

Разработана технология МОС-гидридной эпитаксии наногетероструктурных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) в системах GaInP/GaAs/GaSb, обеспечивающих увеличение КПД до 30 % в двухпереходных ФЭП и более 35 % в трехпереходных каскадных ФЭП, а так же повышение радиационной стойкости солнечных батарей.
Максимальная радиационная стойкость плотности фототока была достигнута в ФЭП с Брэгговским отражателем, в которых обеспечено сохранение фототока на уровне 96 % от первоначальной величины при облучении 3 МэВ электронами с дозой 3•1015 см-2. Результаты проведенных испытаний по радиационной стойкости показали, что как верхний, так и нижний переходы каскадного Ga0,35In0,65P/Ga0,83 In0,17As ФЭП имеют меньший уровень деградации, чем Ga0,51In0,49P/GaAs. Использование данных фотоэлементов в космических солнечных батареях позволит в 2-2.5 раза увеличить их срок активного существования на орбите.
Разработан новый способ получения p-n перехода в структурах на основе GaSb для термофотоэлектрических (ТФЭ) преобразователей концентрированного солнечного излучения, позволяющий повысить КПД фотоэлементов на основе GaSb до 14.5 % при температуре вольфрамового эмиттера 1800 К. Разработаны и созданы две модели (плоской и цилиндрической геометрии) солнечного ТФЭ генератора на основе GaSb элементов размером 1х1 см2. Максимальная мощность цилиндрического ТФЭ генератора, измеренная под излучением вольфрамового эмиттера, разогреваемого концентрированным солнечным излучением, составила 5.5 Вт.
Получены также ФЭП на основе GaSb, изготовленные с помощью диффузии Zn в эпитаксиальный слой (n = 10 18 см3), выращенный методом жидкофазной эпитаксии на сильно легированной подложке n+-GaSb. Эти элементы обладают более высокой фоточувствительностью в ИК области спектра (по сравнению с ФЭП, основанными на объемном материале), благодаря чему они могут быть применены в механически-стыкованых ФЭП. КПД GaSb ФЭП, расположенного за прозрачным для ИК излучения GaInP/GaAs ФЭП составляет 5-6% при концентрации 300-450 солнц.
Максимальное значение КПД, на основе GaInP/GaAs двухпереходных ФЭП, составило 30.03% (AM1.5D, 40 солнц). В механически-стыкованой системе GaInP/GaAs-GaSb достигнута суммарная эффективность 35.3% (АМ1.5, 54 солнц).
Полученные результаты находятся на уровне лучших мировых достижений в данной области.
По результатам проведенных исследований и разработок было подано две заявки на изобретения:
1. Способ изготовления композитной концентраторной линзовой панели для фотоэлектрических модулей
2. Фотоэлектрический модуль.
3. Способ изготовления фотоэлектрического преобразователя

Области и масштабы использования полученных результатов.

Следующие факторы определяют большое значение фотоэнергетики для мировой экономики:
К середине века запасы нефти и газа будут близки к истощению и солнечное электричество должно компенсировать их уменьшающуюся добычу. Увеличивающийся выброс двуокиси углерода в атмосферу должен привести к ускоренному развитию экологически чистой солнечной фотоэнергетики для снижения уровня загрязнения среды и глобального потепления. Солнечное электричество будет доминирующим источником энергии с долей приблизительно 60% к концу века благодаря практически не истощаемому ресурсу энергии солнечного излучения.
Кроме этих факторов, касающихся энергетики, имеются и социальные факторы, стимулирующие развитие солнечной фотоэнергетики:
Более двух миллиардов людей в мире не имеют доступа к централизованному снабжению электричеством и большинство из них живет в солнечном поясе Земли. Централизованная система снабжения электроэнергией не выгодна в ряде этих районов и ее создание потребовало бы огромных капитальных вложений. Этот фактор важен также и для России с ее большой территорией. Электрическая энергия является ключом для повышения уровня жизни в районах, не имеющих электроснабжения, и солнечная энергия могла бы стать доминирующим децентрализованным источником энергии в этих районах, благодаря ее практически неограниченному ресурсу.
Скрытые социальные затраты на компенсацию вредного воздействия топливных электростанций (болезни, уменьшение продолжительности жизни и др.) распределены на все общество и составляют 50-80% цен на энергию. Если включить эти затраты прямо в тарифы на топливо и энергию, то фотоэнергетика станет конкурентоспособной уже на данном этапе ее развития.
Для России широкое использование фотоэнергетики имеет значительно большее значение, поскольку имеется практически неограниченный рынок для автономных энергоустановок. В настоящее время более 10 млн. граждан России живут без централизованного электроснабжения. Создание для этих граждан цивилизованных условий существования является важнейшей государственной задачей. Одно из оптимальных решений – использование автономных фотоэнергосистем. Даже если для 1 млн. граждан будет использована фотоэнергетика (на каждого гражданина ~ 2 КВт•ч/сутки), необходимо будет иметь более 500 МВт пиковой мощности таких фотоэнергосистем. Важным потенциальным потребителем фотоэнергетики в РФ является сельскохозяйственный сектор, навигационное обеспечение, телекоммуникации и др.
Коллективом научной школы накоплен значительный опыт по созданию гетероструктурных каскадных солнечных элементов с КПД более 35% при концентрированном солнечном облучении, имеется современное ростовое оборудование металлоорганической эпитаксии для получения каскадных гетероструктур. Созданы прототипы солнечных энергоустановок с концентраторами излучения. Долговременные испытания позволяют прогнозировать более чем 20-летний срок службы таких установок. Результаты выполненных исследований и разработок предполагается использовать при организации производства в ОАО НПП «Квант» (г. Москва) и ОАО «Сатурн» (г. Краснодар).
Экономические оценки показывают, что и стоимость электроэнергии в фотоэлектрических системах с концентраторами излучения может быть уменьшена более чем в 2 раза по сравнению со стоимостью электроэнергии в кремниевых системах за счет снижения в сотни раз (пропорционально степени концентрировании) площади солнечных элементов, требуемой для получения единицы мощности “солнечной” электроэнергии.
Крупномасштабное производство наземных фотоэнергосистем с концентраторами излучения позволит существенно уменьшить потребность в полупроводниковых материалах и обеспечить уменьшение количества сжигаемого углеводородного топлива, учитывая, что 1 грамм полупроводника, работающего 25 лет в концентраторной фотоэнергосистеме, эквивалентен по получаемой электроэнергии ~ 5 тоннам нефти
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.6 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области энергоэффективности, энергоснабжения и ядерной энергетики
Продолжительность работ
2005, 2 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Организация
ФТИ им. А.Ф.Иоффе
профинансировано
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
профинансировано
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области энергетики и энергосбережения по критической технологии «Технологии новых и возобновляемых источников энергии» (мероприятие 1.6 Программы)
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
13,2 млн
Количество заявок
17
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области энергетики и энергосбережения по критической технологии «Технологии производства топлив и энергии из органического сырья» (мероприятие 1.6 Программы)
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
15,6 млн
Количество заявок
12
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Клеточные технологии» (мероприятие 1.2. Программы).
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
15,6 млн
Количество заявок
16
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Технологии биоинженерии» (мероприятие 1.2. Программы).
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
10,8 млн
Количество заявок
14
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Биокаталитические, биосинтетические и биосенсорные технологии» (мероприятие 1.2. Программы).
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
4,8 млн
Количество заявок
9