Прикладні аспекти використання фотоелектричних перетворювачів світлової енергії в одязі

Анотація

Робота присвячена прикладним аспектам використання фотоелектричним перетворювачам світлової енергії в одязі. Представлені основні види світлових перетворювачів світлової енергії придатних для використання в текстилі. Акцентовано увагу на базових принципах роботи перетворювачів енергії та перспективі впровадження новітніх технологій щодо покращення експлуатаційних характеристик даних елементів.

Ключові слова: фотоелектричні перетворювачі, світлодизайн, одяг.

За останні десять-двадцять років використання фотоелектричної енергії стрімко зросло у світі, і її частка збільшилась в загальну енергетичну мережу особливо в таких країнах, як Японії та Німеччини. Електрична енергія від сонячних батарей все ще занадто дорога у порівнянні з класичними електростанціями, але фотоелектричні джерела енергії, які відокремлені за географічним розташуванням далеко від електропостачальних мереж, були б економічно доцільними та корисними для багатьох застосувань. Розмір та вихідна потужність таких відокремлених систем змінюється в значних діапазонах від декількох кіловат до менше одного вата. Конструктивно такі системи характеризуються наступним: вони містять акумуляторні батареї, супутню електроніку-«начинку», а також ряд сонячних модулів, з`єднаних між собою.

Окремої уваги заслуговує окремий тип такої локальної системи енергопостачання, яка інтегрується в одяг людини.

Куртки, плащі, рюкзаки, аксесуари, навіть футболки та кепки, забезпечують достатньо велику площу для інтегрованих фотоелектричних елементів (ІФЕЕ). Це джерело енергії має одну значну перевагу — портативність, що дозволяє скористатись цим джерелом енергії в практично будь-який момент часу і без обмежень.

На даному етапі розвитку людства, фактично кожна людина користується мобільним телефоном або модним електронним гаджетом типу МП3 плеєр, фото відео камера, планшет тощо. Крім суто розважальних функцій є ряд носимих (так званих portable) пристроїв, які виконують певні, важливі для людини функції. Перш за все це моніторинг стану здоров` я людини, засоби передачі та підсилення голосу, пристрої фіксації та спостереження за надзвичайними ситуаціями, системи глобального позиціонування (GPS) тощо. Цим портативним електронним пристроям потрібні постійні джерела енергопостачання з метою подолання проблеми розряду батареї, особливо у надзвичайних ситуаціях.

В той же час, для даних пристроїв спостерігається тенденція до збільшення споживання електричної енергії, а значить підвищуються вимоги до електроємності акумуляторів. Хімічні джерела енергії у вигляді популярних Li батарей вже досягли межі максимальної потужності при фіксованих мас-габаритних характеристиках елементів. Подальше зростання їх потужності призводить до тлумачення терміну «портативність» у доволі відносний зміст. Слід зазначити, що перспектива заміни в найближчий час Li акумуляторів більш ефективнішими та доступнішими аналогами у світі не передбачається. Так само, як за останні 100 років не знайдено заміни свинцево-кислотним автомобільним акумуляторам, і це не дивлячись на їхню надшкідливість при виробництві та утилізації, небезпеку при експлуатації та вагу.

Найдоступнішим джерелом енергії для портативних пристроїв може виступати світлова енергія, яка переважно представлена енергією випромінювання Сонця. Для її трансформації в електричну треба застосовувати фотоелектричні перетворювачі. Більш як півстоліття знадобилося людству для того, щоб з’явилися перші сонячні фотоелементи з ефективністю, яка ледь не перевищувала 1%. Однак для старту фотоелектричної енергетики була потрібна суттєво більша ефективність. Вирішальним для цього напрямку з’явилося створення кремнієвих фотоелементів з р-n переходом, що мали КПД близько 6%. Перше практичне використання кремнієвих сонячних батарей для енергетичних цілей мало місце не на Землі, а в навколоземному космічному просторі. На малій глибині від поверхні кремнієвої пластини р сформований р-^перехід з тонким металевим контактом. На зворотню сторону пластини нанесено суцільний металевий контакт. Коли СЕ освітлюється, поглинені фотони генерують нерівноважні електрон-діркові пари. Електрони, що генеруються в р-шарі поблизу р-^переходу, підходять до р-n переходу, і існуючим в ньому електричним полем виносяться в n-область. Аналогічно і надлишкові дірки, створені в n-шарі, частково переносяться в р-шар. У результаті n-шар набуває додаткового негативного заряду, а ршар позитивного. Знижується первісна контактна різниця потенціалів між рі n-шарами напівпровідника, і в зовнішньому ланцюзі з’являється ЕРС. Негативному полюсу джерела струму відповідає n-шар, а р шар — позитивному ГП.

Основні втрати сонячного випромінювання при трансформації його в електричну енергію визначаються фундаментальними обмеженнями фотоефекту в області інфрачервоного випромінювання і в області короткохвильового випромінювання, а також низькою ефективністю виведення фотогенерованих носіїв заряду з об'єму (с-Sі) фотоперетворювача. Для виготовлення наземних фотоелектричних перетворювачів (ФЕП) найбільш придатними вважаються напівпровідники Sі, СdТе, GaAs, ІпР. Близько 91% енергії падаючого світлового потоку можна перетворювати в електричний струм у кремнієвих ФЕП при розв’язанні проблеми вивільнення носіїв заряду (НЗ) із об'єму напівпровідника. Низька вартість кремнію є визначальною при виборі матеріалу для фотоелементів.

Для ефективної роботи сонячних елементів необхідне дотримання ряду умов [2]:

• • оптичний коефіцієнт поглинання активного шару напівпровідника повинен бути достатньо великим, щоб забезпечити поглинання значної частини енергії сонячного світла в межах товщини шару;
• • генеруючі при освітленні електрони і дірки мають ефективно збиратися на контактних електродах з обох сторін активного шару;
• • сонячний елемент повинен володіти значною висотою бар'єру в напівпровідниковому переході;
• • повний опір, включений послідовно з сонячним елементом (виключаючи опір навантаження), повинен бути таким, щоб зменшити втрати потужності (тепло джоуля) в процесі роботи;
• • структура тонкої плівки повинна бути однорідною по всій активній області сонячного елемента, щоб виключити закорочування і вплив шунтуючих опорів на характеристики елементу.

Як правило, для зручності конструкції й підвищення ККД СМ, прагнуть добитися поглинання світла в одному з його шарів. Цей шар називають поглинаючим (поглиначем). Другий напівпровідник служить лише для створення потенційного бар'єра та збирання генерованих світлом носіїв заряду.

ККД для фотоперетворювачів на основі кремнієвих кристалічних пластин досягло рівня 16−19%. Дані перетворювачі легко можна придбати у спеціалізованих магазинах за доступною ціною. Придбані в мережі Інтернет фотопластини кристалічного кремнію та послідуючі експерименти над ними вказують на їх суттєвий недолік — занадто велику крихкість. В той же час практика показує, що багато портативних пристроїв можуть отримувати досить енергії від одягу на основі інтегрованих сонячних модулів з максимальною потужністю 1−5 Вт.

Починаючи з 2000 року, одяг з інтегрованими сонячними елементами регулярно представлявся на ярмарках і виставках як «розумний текстиль» або «розумний одяг» 9наприклад, Луаиїех ярмарках у Франкфурті, Німеччина або МхбогГ Форумі інновацій)[4]. Хоча споживачі та виробники одягу, здається, дуже зацікавлені в одязі, до якого інтегровані сонячні батареї, але поява реальних продуктів на ринку перешкоджається та затримується із-за обмеженості доступу до гнучких сонячних батарей. З точки зору клієнта, система локального енергозабезпечення повинна бути легкою у використанні, бути зручною і надійною, пропонувати універсальний роз'єм для незліченних зарядних адаптерів та пристроїв, і, звичайно, отримувати достатню кількість енергії за доступною ціною. Якщо частина системи є візуально видимою, то вона повинна бути естетично привабливою і добре інтегруватись з конкретним дизайном одягу. З'єднувальні дроти, контролери заряду і батареї повинні бути невидимими, легкими, і не вимагати обслуговування. Як додаткова вимога — одяг з вбудованою електронікою і фотоелектричними елементами повинні бути такими, що миються, як будь-який інший текстиль.

В даний одяг інтегровані фотоелектричні елементи, які призначені для живлення МР3-плеєра, і після трьох годин при повному сонці забезпечує більш ніж 40 годин його роботи.

Характеристика основних типів перетворювачів світлової енергії, придатних до використання в одязі. Американська компанія United Сонячна Овонік виробляє гнучкі потрійні з'єднання Si-модулів на основі сталевої фольги для будівництва із загальною вихідною потужністю більше 45 МВт в рік. Так як ці модулі призначені для тривалого зовнішнього використання, то зовнішнє покриття є порівняно жорстким і не підходить для великих площ їх інтеграції в одязі.

Інші варіанти побудови сонячної батареї були сформовані на основі мідного дроту для тканини, які виготовлені з фотоелектричних волокон без суцільної плоскої підкладки, однак, при цьому волокна довільно переміщуються один відносно іншого, що призводить до виникнення багатьох проблем, таких як переміщення переплетення, затінення, і відмова від електричного з`єднання такого одного волокна. Враховуючи всі невирішені проблеми, виробництво таких волокон як елементів сонячних батарей не представляється можливим, але технічно реалізуємо в майбутньому.

Пошук компромісу між мінімальною загальною товщиною і, отже, максимальною гнучкістю форм сонячних модулів, з одного боку, і стійкістю до прання, механічною стійкістю і довговічною з іншого боку, становить важливе завдання, яке ще не було вирішено протягом тривалого часу у розвитку тонкоплівкових технологій. Великі надії зосереджені на органічних сонячних елементах, які могли б, в принципі, бути нанесеними на фольгу полімеру[6]. Прорив в органічних сонячних технологіях демонструють деякі вчені на об'ємних об`єктах гетеропереходу з ефективністю перетворення 5%. Основною проблемою для всієї цієї концепції органічних елементів є їх інкапсуляції і довгострокова стабільність. Органічні елементи досить добре працюють в щільно закритих скло-скло пакетах. Гнучкі елементи на основі органічно-неорганічних багатошарових структур запобігають потраплянню вологи і проникненню кисню до середини.

Для цих сонячних елементів бар'єрних плівок повинні обмежувати проникнення вологи до менш ніж 10 г-м" сут", що на два порядки величини менше, ніж потрібно для органічних світлодіодів та випромінюючих дисплеїв. Для органічних елементів необхідний подальший прогрес в плані підвищення їх стабільності. Тоді вони будуть придатними для застосування. Мідь індію галію селеніду (CIGS) або сульфіду міді індію (CIS) елементи продемонструвати свої найкращі результати на скляних підкладках, з отриманою ефективністю 19,5%[7]. Гнучкі CIGS досягли ефективності до 17,4% на фользі. Складна будова цього елементу характеризується наявністю бар'єрного шару, який захищає гетероперехідну CIGS структуру проти дії дифузії домішки металу з підкладки. Так як для поліамідних (PI) підкладок в процесі осадження існує обмеження температури T_d<450°C, тому ефективність даного перетворювача падає до п~11%[7,8].

Оскільки в даному дослідженні розвиток технології виготовлення сонячних батарей розглядається у відповідності до текстильної галузі для звичайного виду одягу такого як, як футболки, куртки і т.д., то слід зменшувати товщину підкладки і, отже, температуру, при якій відбувається технологічний процес формування сонячного елементу на підкладці. Це підходить тільки для температурного діапазону Td=100- 130 °C, що відповідає товщині D=10−20мкм для ПЕТ або ультра тонкої поліетіленнафталат (PEN) фольги.

Такий режим дозволяє зберегти достатню механічну стабільність експлуатаційних параметрів для сонячних батарей і супутніх її елементів.

Так як ідея живлення від фотоелектричного перетворювача навколишнього світла є дуже привабливою, то слід провести дослідження, які б давали інформацію про кількість енергії, яку можуть надати дані елементи під час хмарного або дощового дня або під час їх використання в умовах приміщення [9].

Рис. 1 Ефективність різних типів фотоперетворювачів в залежності від рівня освітленості [1].

На сьогодні відсутні дані у вигляді емпіричних досліджень, які дають інформацію про падаюче сонячне випромінювання, що досягає поверхні землі при різних синоптичних умовах, а також при різних варіантах внутрішнього освітлення (умови приміщення) з врахуванням спектрального складу випромінювання. Також відсутня інформація про характеристику інтенсивності різних типів сонячних елементів. Існує моделювання цих даних в першому наближені з достатньо грубою оцінкою. На рисунку 1 представлено порівняльний графік продуктивності а-Si, с-Si та CIGS перетворювачів сонячної енергії. світловий енергія текстиль фотоефект Так як аморфний кремній має ширину забороненої зони в межах Е=1,8 еВ, то він має найбільшу чутливість до низького рівня освітлення і відповідно максимальну ефективність перетворення світлової енергії в флуоресцентному діапазоні для освітлення характерного для приміщень [4].

Аморфний кремній (a-Si) характеризується наявністю в структурі значної кількості «обірваних» зв`язків, що приводить до погіршення фізичних параметрів структур на його основі, зокрема плівок. Тоді, з метою їх нейтралізації, в процесі його виготовлення додають різні домішки. Найтиповішими є водень, нітроген та інші. Регулюючи концентрацію даних домішок в технологічному процесі виготовлення, добиваються такої стабільної вихідної структури, яка б запобігала переходу до полікристалічної або кристалічної структур [10].

Так як існує доволі значна залежність вихідної напруги на фотоелектричному перетворювачі від величини освітлення, спектрального складу світлового потоку, типу самого перетворювача, то виникає потреба у створенні профілю кінцевого користувача. Такий профіль передбачає наявність індивідуальної інформації про професійну діяльність, що дає змогу оцінити, який тип освітлення попадає на перетворювач, і яку потужність необхідно забезпечувати девайс користувача. Крім того, важливим є температурний діапазон, в якому працює фотоелектричний перетворювач. Тому, профіль умовно можна представити наступними назвами — «клерк», «вуличний робітник» та «медичний пацієнт». Враховувати слід також площу, яку можуть займати перетворювачі світлової енергії. Так, для дітей це становить біля 400 см², і 1000 см для дорослих.

Підсумовуючи вище наведене, можна зробити висновок, що при потужностях 1 Вт і вище слід застосовувати CIGS та с-Si, а при 0,1−1 Вт використовувати тільки перетворювачі на основі аморфного кремнію (а-Sі).

Додатковим моментом, який слід враховувати при експлуатації сонячних перетворювачів є те, що користувач не завжди знаходиться в зоні максимального освітлення, тому слід використовувати спеціальні електронні модулі-перетворювачі. В порівнянні з фактичною ціною гнучкого сонячного модуля (близько 40 доларів на ват), модуль інтегрованого контролеру заряду, а також акумулятори, значно не підвищують кінцеву вартість інтегрованого сонячного елементу. Оптимальна продуктивність фотоелектронного перетворювача енергії досягається за рахунок спеціального модуля-перетворювача, який фактично регулює електричну енергії, яка доноситься до акумулятора за допомогою окремого пульта керування.

Автором статті, з метою перевірки ефективності використання сонячних елементів, було придбано та отримано з спеціалізованого інтернет сайту гнучку сонячну панель (модель МР7.5−150) з метою її перевірки щодо ефективності використання в одязі (рис. 2). Дана панель являється водо, пило та термічно захищеною, і при нормальних зовнішніх умовах видає достатньо високу потужність.

Рис. 2 Базові характеристики гнучкої сонячної панелі МР7.5−150 (США) [10].

Заявлена виробником потужність панелі складає 1,44 Вт. Цілком реально використовувати її в якості джерела для підзарядки мобільних пристроїв. Кінцева вартість даної панелі складає 40 доларів. Єдиним моментом, який слід детально розглянути та дослідити, це підбір розміру панелі та системи фіксації її на поверхні верхнього одягу. Причому слід виконати це так, щоб ці панелі могли б легко демонтуватись за певних потреб.

Висновок

Стрімкий розвиток ринку сонячних перетворювачів енергії розширює сферу їх застосування. Одним із варіантів є одяг. Оскільки портативні електронні пристрої вимагають альтернативного, постійного джерела їх підзарядки, то інтеграція сонячних батарей в одяг дає можливість легко це здійснювати. Даний напрямок ще достатньо не досліджений. Головною проблемою є пошук ефективних та зручних у монтажу перетворювачів сонячної енергії. Крім того, вже існуючі певні наробки на гнучких панелях, які вже зараз можна інтегрувати в одяг, не зазнали широкого розповсюдження у виробників, вважаємо, за рахунок недостатньої маркетингової роботи над даним напрямком серед потенційних користувачів, особливо молоді.

Література

• 1. Д. М. Фреїк, В. М. Чобанюк, М. О. Галущак, О. С. Криницький, Г. Д. Матеїк Фотоелектричні перетворювачі сонячного випромінювання. Досягнення, сучасний стан і тенденції розвитку //Фізика і хімія твердого тіла Т. 13 — № 1 (2012). — С. 7−20
• 2. Kuznicki Z.T., Multiinterfase Solar Cells I. Limits, Modeling, Desing//First Polish-Ukrainian Symposium «New Photovoltaic Materials for Solar Cells», E-MRS, Krakow (Poland), сс. 58−78(1996).
• 3. Мейтин М. Пусть всегда будет солнце // Электроника: Наука, Технология, Бизнес, — 2000 с.40−46
• 4. Gemmer, C. E. M., Analytische und Numerische Untersuchungen von Solarzellen unter wechselnden Beleuchtungsbedingungen, Der Andere Verlag, Osnabrьck, Germany, (2003)
• 5. Contreras, M. A., et al., Prog. Photovolt.: Res. Appl. (2005) 113, 209
• 6. Brabec, C. J., Sol. Energy Mater. Sol. Cells (2004) 8 83 3, 273
• 7. Contreras, M. A., et al., Prog. Photovolt.: Res. Appl. (1999) 7 7, 311
• 8. Kessler, F., et al., Thin Solid Films (2005) 4 48 80 0- -4 48 81 1, 491
• 9. Gemmer, C. E. M., et al., Mater. Res. Soc. Symp. Proc. (2001) 6 66 64 4, A25.9
• 10. Gerasimov V., Mitsa V. Raman spectra of a-Si1-xNx films at natural ageing// Jornal of molecular structure — 1996. — 410−411 p.
• 11. http://www.flexsolarcells.com/