XX ғасырдың басындағы Ресейдегі революциялар және олардың Қазақстанға әсері

Қазақстанның 1/3 бөлігі солтүстік  және таулы шет аймақтарындағы бұлтты күндер 90 мен 40 күннен аспайды. Бұлтты күндер саны жыл мерзімдеріне байланысты өзгереді-жазда ол 1 айдағы жалпы бұлыттылықтың 3 күніне , ал қыста айына 9-13 күндерге жетеді.

Ескеретін жағдай, бұлтты күндер саны екі бағытта жоғарылайды (кері тәуелділікте күн сәулеленуінің ұзақтығы) орналасуы  солтүстікке және паумықтарымен тауларға.л циклондардың бұлыттылығы мен жаңбырлылығы бірге жүретін қызметімен түсіндіріледі.

Шөлейтті және жартылай шөлейтті топырақ  ылғалы (0-5см) қабат бетінде өсімдіктің тұрақты солуына ылғалдық 1/3 мөлшерлі құрамы өсімдік үшін жету тіпті қиын. Салыстырмалы ауа ылғалдығы 5-10% дейін төмендейді.

Жалпы орта жылдық 6 балды бұлттылық  аймақтың тек 7-10% құрады, ал орта жылдық төменгі бұлттылық аймақтың 95% үш баллдан жоғары көтерілмейді.

Бұлттылықтың (16% бұлтты қабиқалау  санына) қайталау сызбасының карта анализі Қазақстан аймағында жоғары қабатты бұлттылық негізінде жазық Қазақстанда 20-30% құрайды, ал Балқаш-Алакөл тауалды аймағында 21-35% және таулы аймақтарда 36-40%.

Орта қабатты бұлттылық 16-25% құрады және жазық Қазақстандағы  бұлттылықтың төменгі қабат қайталанулығы-бар-жоғы 5-10%, 14-16% тауларда бұл жылдық көрсеткіш. Жыл мезгілі бойынша анықталған трансформация өсу арқылы жүреді, мысалға, төменгі қабатты бұлттылықтың қайталануылығы жазда шамамен 2 есеге, ал қаңтарда бұл негізінде тек 0,1-0,7%.

Ал күн қондырғыларында  пайдаланатан материалдар тоқалсақ . Мысалы өндірісте монокристаллды кремний негізіндегі құрылымдар өндірісі– технологиялық тұрғыдан күрделі әрі қымбат тұратын процесс. Сол себепті аморфты кремний (a-Si:H) негізіндегі қорытпалар, галлий арсениді және поликристаллды жартылай өткізгіштер тәрізді материалдарға көңіл аударылды.

Аморфты кремний  монокристаллды кремнийдің арзанырақ  баламасы есебінде алынды. Оның негізіндегі  алғашқы КЭ 1975 жылы жасалды. Аморфты кремнийдің оптикалық жұтылуы кристаллды кремнийге қарағанда 20 есе жоғары.

Оған қоса, аморфты  кремнийдің үлкен ауданды жұқа қабыршағын алудың қолданымдағы технологияларының  арқасында монокристаллды кремний негізіндегі КЭ-не қажетті қашау, қырнау және ысып жылтырату операциялары қажет етілмейді. Поликристаллды кремнийлі элементтермен салыстырғанда a-Si:Н негізіндегі өнімдерді едәуір төмен температураларда (300°С) өндіреді: арзан шыны төсеніштер қолдануға болады, бұл кремний шығынын 20 есе азайтады.Әзірге а-Si:Н негізіндегі тәжірибелік элементтердің максималды ПӘК-і – 12% - кристаллды кремнийлі КЭ-нің ПӘК-інен біраз төменірек (~15%). Алайда технологияның дамуымен а-Si:Н негізіндегі элементтердің ПӘК-і теориялық шырқау шегі – 16%-ға жетуі ғажап емес.Галлий арсениді – тиімділігі жоғары күн батареяларын жасауға арналған ең келешекті материалдардың бірі. Бұл оның келесідей ерекшеліктерімен түсіндіріледі: бірөткелді күн элементтері үшін тыйым салынған аумағының ені 1,43 эВ мүлтіксіз дерлік;күнмен сәулеленуді жұтуға деген жоғары қабілеттілігі;қалыңдығы бар-жоғы аз ғана микрон болатын қабат қажет етеді;радиациялық тұрақтылығы жоғары, бұл қасиеті жоғары тиімділігмен қатар бұл материалды ғарыштық аппараттарда қолдану үшін ерекше тартымды етеді;GaAs негізіндегі батареялардың қызып кетуіне салыстырмалы сезгішсіздігі;GaAs-нің алюминиймен, мышьякпен, фосформен немесе индиймен қорытпаларының сипаттамалары GaAs-нің сипаттамаларын толықтырып тұрады, бұл күн элементтерін жобалау кезінде мүмкіндіктерді кеңейтеді.

Галлий арсенидінің  және оның негізіндегі қорытпалардың басты құндылығы – КЭ дизайны үшін мүмкіндіктердің кең диапазоны.

GaAs негізіндегі фотоэлемент  әрқилы құрамды бірнеше қабаттардан  тұруы мүмкін. Бұл жасап шығарушыға  кремнийлі күн элементтеріндегі  қоспалаудың мүмкін деңгейімен  шектеулі заряд тасушысының генерациясын үлкен дәлдікпен басқаруға мүмкіндік береді.

GaAs негізіндегі күн элементі  терезе есебінде AlGaAs-нің өте жұқа  қабатынан тұрады.

Галлий арсенидінің негізгі  кемшілігі – жоғары құны. өндірісті  арзандату үшін КЭ-н арзанырақ  төсеніштерде құру; GaAs қабаттарын  алынатын төсеніштерде немесе көпретті қолдануға болатын төсеніштерде жетілдіру ұсынылады.

Поликристаллды жұқа қабыршақтар  да күн энергетикасы үшін аса келешекті. Мыс пен индийдің диселенидінің  күнмен сәулеленуді жұтуға қабілеттілігі  өте жоғары – жарықтың 99%-ы бұл материалдың бірінші микронында жұтылады (тыйым салынған аумақтың ені – 1,0 эВ). CuInSe₂ негізіндегі күн батареясының терезесін даярлауға арналған ең кең таралған материал болып CdS табылады. Кей кездері террезенің мөлдірлігін жақсарту үшін кадмий сульфидіне мырыш қосады. CuInSe₂ қабатындағы біраз галлий тыйым салынған аумақтың енін үлкейтеді, бұл бос жүрістің кернеуінің өсуіне, демек, құрылғының тиімділігін арттыруға алып келеді.

Кадмий теллуриді (CdTe) – фотовольтаикаға арналған тағы бір келешекті материал. Оның тыйым салынған аумағының ені (1,44 эВ) мүлтіксіз дерлік және сәулеленуді жұтуға қабілеттілігі өте жоғары. CdTe қабыршақтарын даярлау айтарлықтай арзан. Оған қоса, тағайындалған қасиеттері бар қабаттар жасау үшін CdTe-нің Zn, Hg және басқа элементтермен әртүрлі қорытпаларын алу технологиялық тұрғыдан қиын емес.

CdTe қабыршақтары заряд  тасушыларының жоғары қозғалмалылығына  ие, ал олардың негізіндегі күн  элементтері  - ПӘК-нің жоғары  мәндеріне ие, 10-нан 16%-ға дейінгі.

Күн элементтерінің ішінде органикалық материалдарды пайдаланатын батареялар ерекше орын алады. Органикалық бояғышпен қапталған титан диоксиді негізіндегі күн элементтерінің пайдалы әсер коэффициенті өте жоғары  ~11 %

Радиация балансының құраушы бөліктерін қарастыра отырып және соңғысын толық сипаттай отырып мемлекеттің барлық аймақтарына жылу келіп отырғанын және оның жылдық мөлшерінің құптарлығын ескеру керек және жазық Қазақстан үшін 38,4-53,5 ккал/см² құрады ал тауларда және орталық Қазақстандағы кіші жоталарда, құламалық пен бауырайлардың бағдарлануына байланысты қыста немесе жазда 100-300 ккал/см² дейін жете алады. Жаздық айларда Қазақстанның мүмкін болатын жазықтарында күн сәуленуін бағалаудағы қатынасы 80-93 % құрайды.

Сол себептен, Қазақстан  күн энергиясы оңтүстік аймақтарда 50 солтүстік ендіктерде қарқынды қолданылуына болады. Мұндай аймақтарға Ақтөбе, Орал, Қарағанды, Семей облысы, Атырау, Қызылорда, Оңтүстік-Қазақстан облысы, Жамбыл, Алматы облысы және Павлодар облысының оңтүстік бөлігі жатады.

 

 

 

1.3 Фотоэлектрлік түрлендіргіштердің физика-энергетикалық көрсеткіштерін  анықау тәсілдері

 

          Ең кең көп таралған, техникалық және технологиялық ең үлкен даярлық дәрежесі бар күнгей энергияны тура түрлендіру фотоэлектрлік әдіс болып келеді,  фотоэлектрлік батареяларға қосылған (ФЭБ). жартылай өткізгіштік күнгей элементтер( КСЭ)  арқылы жүзеге асады. 

          Бұл әдістерді зерттеулерінің дамуы: ғарыштық станциялардан жердегі әртүрлі қолдану құрылғыларының қоректену қайнарларына дейін (электрлік темір жолдар желілерінде) жасауға рұқсат етті әртүрлі жартылай өткізгіштіктердің материалдары мен қосылыстарын  қолдануымен ПӘК-і 20%-дан көп КЭ (Күн элементі) жасалған, бірақ оған қарамастан энергетикадағы фотоэлектрлік түрлендіргіштердің мәселесі әлі шешілген жоқ.

Бұл біріншіден олардың  көмегімен шығарылатын энергия  құнының жоғарылығы (бұл өз кезегінде  материалдардың қымбаттылығына байланысты) мен КСЭ мен ФЭБ-нің (фотоэлектрлік  батарея) төмен тиімділігіне байланысты.

ФЭС құрамында күшті  жарықталғандық тәртібіндегі жұмысы үшін арналған кремнилық ФТ-ларды жетілдіру жұмыстары ЖООлардың (Жоғары оқу орындары) қатарында жүргізіліп отыр.. Дәл осылай , МЭИ-да кремнийді - жоспарлық және шөрке төсеу түрлендіргіштердің негізінде ФТ -ларды жасау технологиялары өңделген, олар қарқынды жарықтандыру жағдайында жұмыс істей алады.   Бұл ұжыммен   күнгей ФТ шөрке төсеу кремнилық негізінде термофототүрлендіргіш контрукциясы өңделді термоэлектр әдіс күнгей энергиясын электрлікке түрлендірудің тағы да бір тәсіл ретінде қызмет ете алады.

Осы кезде  есеп-қисап  әдістемесін жетілдіру және арзан  материалдар іздеу, КСЭ жасауға  құн төмендетулері, олардың өндірістің , сонымен қатар КСЭ нәтижелілігін  арттырудың бағытындағы зерттеулер бұрынғыша өзекті.

          Әртүрлі КСЭ үлгілері арасында тек мнонкристаллды кремнилық күнгей элементтер осы шақта электр энергетикасында кең қолдану тапты (мысалы, жер жасанды серіктерінің энергия мен қамтамасыздандыру жүйелерінде) мононкристаллды кремнилық КЭ өндіру кезінде  жиналған үлкен практикалық тәжірибе және білім, күнгей элементтердің  толық  автоматтандырылған даярлау технологиясына.көшу мүмкіншілігін қамсыздандырады

        Егер кремнийдің табиғатта кең таралғаны мен мононкристаллды кремнилық күнгей элементтер жоғары нәтижелілікке ие  болатынын ( ПӘК-і 18-19%),  ескерсек, онда кремнийді жердегі  күнгей энергия фотогенератор - фотоэлектрлік түрлендіргіштерінің жасауына арналған бар жағынан  перспективалы материал деп есептеуге болады. Сондықтан қазіргі шолуда біз монокристаллды кремний негізінде СЭ жасаулының. даму тарихы мен қазіргі теория және тәжірибе күй-жағдайына   көңіл бөлеміз. 

         Гомогенді материалда  p - n -өтуі  бар, тиімділігі жоғары кремнилық   КЭ-лардың  дамуы әдетте p – n- өтуінің  орнласу тереңдігін азайтумен  жүріп жатты. Егер КЭ-тердің бірінші үлгілерінде ол 7-10 мкм  құраса , онда замандас СЭ-ларда  ол 0.1 0.15 мкм  құрайды[7].

         Өтулерді таяу орналастыру мәселесі  технологиялық жағынан  иондық  легірлеу техникасының дамуы  мен жартылай өткізгіштердегі  қоспалардың термиялық диффузиясының теориясы мен тәжірибеліктің жетілдірілуі арқасында шешілді.

         Дәстүрлі жалпақ жоспарлық контрукциядан  басқа, соңғы жылдары p - n - өтуі  күрделі кескін үйлесімімен күнгей  элементтерінінің кең зерттелуі  жүргізіліп отыр, сонымен қатар  p-n - өтуі түсірілетін сәуле бетіне нормаль бойымен орналасқан. Олар жалпы төс етегінде, немесе микроэлементтерден толтырылады, немесе контактінің біріккен материалымен (алюминийдың немесе дәнекерлеменің қабатымен ) әзірлене алады.

P- n- өтулердің тік орналастыруы КЭ-нің . көрсеткіштерін жақсартуға қосымша мүмкіншіліктерді ашады КЭ-тің  p - n - өтулерінің жүйелі қосылуы жоғары кернеулерді, тіпті он даналарға дейін В/см  генерациялайды  және жоғары жарықталғандық (шоғырланған сәулелену) дәрежелерінің шарттарында нәтижелі жұмыс істейді.

        Ұқсас элементтердің паралельді қосулы үлкен токтарды алуға рұқсат етеді , және  де КЭ-тің жоғары ПӘК-ін. Ең сәтті іске асырылған КЭ –соңғы бедерлі беті  бар КЭ-тің контрукциясы КЭ-тің оптикалық және фотоэлектрлік сипаттамаларын жақсарту  сонымен қатар КЭ-тің негізгі қабаттарында созылатын аумақтарын (мысалы, қоспалардың бағытталған тарату өзгертулері немесе КЭ-тің тиым салынған аймақ ені градиентінің тереңдігімен ) іске асады.

       Ішкі электрлік өрістердің КЭ-тің   жинау тиімділігі мен ПӘК-не ықпалын жасауы жеткілікті толық зерттелген.

        Өрістердің  бір қатар  үлгілері өңделген, КЭ-тің параметрлерін жақсартуға ол маңызды мүмкіндік береді . Бірақ, созылатын далаларымен құрал базасында КЭ жасау технологиясы тым күрделі .

         Екіжақты сезгіш КЭ-терді  жасау әдеттегі КЭ (біржақты КЭ) өндірісінен күрделі емес, бірақ , негіздік қабат жуандығын азайту немесе көбірек жоғары омдыға өту қажеттілігі, және , сәйкесті , жоғары сапалы кремниймен алынған КЭ бірінші жағдайда  жұмысты маңызды күрделендіреді, ал екінші жағдайда контрукцияның құнын жоғарылатады.

         Шолудан көрініп тұрғандай кремнилық КЭ-ді климат факторларын есепке ала КЭ пен ФЭҚ-ның жақсартуға мүмкіндік беретін жаңа легирлеу тәсілдерін іздестіру қажетті.

          Аморфты кремний  мононкристаллдының  арзан балама ретінде шығып отыр. Оның негізіндегі КЭ-тер 2000 жылы жасалған  болатын. Аморфты кремнийдің кристалдыққа қарағанда оптикалық жұтуы 20 есе жоғарырақ.     

          Сондықтан, көрінетін жарықтың көбірек мөлшерін жұту үшін  300 мкм қымбат кремнийлік етектің орнына 0,5-1,0 мкм қалыңдығымен а-Si:Н пленкасы жеткілікті.

          Поликристаллды кремний элементтерімен салыстырғанда a-Si:Н негізіндегі бұйымдарды төменіректемператураларда (300°С ) өндіреді: арзан шыны төс етектерін қолдануға болады , бұл 20 есе кремний шығынын қысқартады[9] .

        Әзірше а-Si: Н негізінде тәжірибелік элементтердің барынша көп ПӘК-і- 12% бұл кристалдық кремнилықтардан (~15%) төмен.  Бірақ а-Si : Н негі зіндегі элементтердің ПӘК-нің технологиясының дамуымен олардың ПӘК-і  өзінің теориялық шегіне -16%-ға жетеді[10].

        Галий арсениды - аса тиімді күнгей батареялардың жасауына арналған ең перспективалы материалдардың бірі. Бұл оның келесі ерекшеліктерімен түсіндіріледі.  Идеалдыға жақын бірөтулі КЭ-тің тыйым салынған зонасының ені 1,43 эВ. 

Күнгей сәулеленуді  жұтуына жоғары қабілеттілік: барлығы  бірнеше микронның жуандығымен  қабат қажет.

         Биік радиациялық беріктік  және жоғары нәтижелілік, бұл материалды ғарыштық аппараттарда қолдану қолайлығын негіздейді. GaAs негізінде жасалған батареялардың қызуына салыстырмалы сезгі  штіксіздігі GaAs қорытпаларының мінездемелері алюминиймен, мышьякпен , фосформен немесе индиймен GaAs мінездемелерінтолықтырады, бұл күнгей элементтердің жобалауы кезінде жаңа мүмкіншіліктерді ашады.

          Галий арсенидінің және оның  негізіндегі қорытпалардың артықшылығы-  КЭ-тің диайнының кең мүмкіншілік  диапозоны. GaAs негізінде жасалған  фотоэлемент әртүрлі құрамды  бірнеше қабаттан тұра алады.

          Бұл өңдеушіге жоғары дәлдікпен  заряд тасушының генерациясын  басқаруға рұқсат етеді, ал  бұл кремнилық күнгей элементтерінде  қоспалаудың мүмкін деңгеймен  шектеледі. Типтік GaAs негізіндегі  күнгей элемент терезе ретіндегі  AlGaAs-тың өте жіңішке қабатынан тұрады.

Галий арсенидінің ең басты жетіспеушілігі - жоғары құны. Өндірісті арзандату үшін КЭ-ті   арзанырақ төс етектерінде  қалыптастыруға деген ұсыныс бар; GaAs қабаттарын алынатын немесе қайта-қайта қолдануға болатын  төс етектерінде өсіру[8].

         Поликристаллдық жіңішке қабыршақтар да күнгей энергетика үшін өте перспективалы болып келеді. Мыс және индий диселенидының (CuInSe₂)  күнгей сәулелену жұту қабілеті өте жоғары, жарықтың  99% бұл материалдың бірінші микронында сіңіріледі ( тыйым салынған зонасының еңі-1,0 эВ)[2,5].