Мировой энергетический кризис послужил новым стимулом к развитию во всем мире исследовательских программ по использованию солнечной энергии. Солнечная радиация, проходящая через атмосферу Земли, представляет собой переменный во времени источник низкопотенциальной энергии, мощность которого достигает примерно 1000 Вт/м2. Экономическая рентабельность использования солнечной энергии зависит от эффективности ее поглощения, преобразования и аккумулирования. Для эффективного использования солнечной энергии на нагревание, охлаждение и технологические нужды применяются плоские или фокусирующие коллекторные системы, которые сначала должны поглотить как можно больше падающего излучения, а затем передать значительную часть его энергии для потребления, как правило, с помощью теплоносителя. КПД преобразования энергии с помощью коллекторной системы ограничено тепловыми потерями от нагретой коллекторной пластины вследствие теплопроводности, конвекции и излучения. Эти потери существенно возрастают при повышении температуры. Для экономичного и эффективного использования тепловой энергии, полученной при преобразовании солнечного излучения в коллекторах, требуется эффективное и недорогое селективное покрытие, или селективная поверхность. Эффективная селективная поверхность преобразователя солнечного излучения имеет высокую поглощательную способность α в области всего солнечного спектра (0,3-2 мкм) и одновременно низкую степень черноты ε, что обеспечивает уменьшение тепловых потерь излучением. Создание такой поверхности возможно благодаря тому, что солнечный спектр и спектр теплового инфракрасного излучения нагретого тела практически не перекрываются (при температурах ниже 500°С 98% теплового инфракрасного излучения приходится на спектральный диапазон длин волн больше 2 мкм). Характеристикой селективной поверхности преобразователя солнечной энергии служит параметр, представляющий собой отношение поглощательной способности относительно солнечного излучения к степени черноты α/ε. Вопрос о роли α и ε в различных коллекторных системах обсуждался разными авторами, и было показано, что увеличение α является более действенным средством повышения рабочих характеристик системы, чем соответствующее уменьшение ε.
Селективные поверхности солнечных установок обычно бывают двух типов: 1) поглощающие селективные поверхности, обладающие высокой поглощательной способностью относительно солнечного излучения и высокой отражательной способностью относительно теплового излучения, и 2) прозрачные селективные поверхности с высокой пропускательной способностью в области солнечного спектра и с высокой отражательной способностью относительно теплового излучения. Все черные поглощающие покрытия относятся к первому типу, а все прозрачные теплоотражающие покрытия - ко второму. Поглощающие покрытия наносят непосредственно на теплоприемные поверхности коллектора, а прозрачные теплоотражающие — на прозрачную изолирующую пластину, отделенную от поглощающей поверхности.
Интерес к селективным поверхностям солнечных установок возник в последние несколько лет в связи с возобновлением интереса к программам по использованию солнечной энергии. Недавно появилось несколько обзорных статей, посвященных поглощающим и прозрачным селективным покрытиям, однако книг, содержащих последовательное описание свойств этих покрытий, методов их получения и применения, в настоящее время очень мало. Основную цель написания настоящей книги мы видим в важности проблемы селективных покрытий и большом интересе, который проявляется к ней.
Материал настоящей книги разделен на пять глав.
В гл. 1 рассмотрены методы получения, свойства и роль прозрачных проводящих покрытий в качестве селективных поверхностей солнечных установок, причем особое внимание уделено новым работам, опубликованным после 1976 г. Полный обзор основных свойств прозрачных проводящих покрытий не приводится, поскольку имеется несколько прекрасных обзоров на эту тему [ 23 - 26]. Однако подробно описано перспективное для применения в солнечных установках недавно разработанное прозрачное проводящее покрытие из станната кадмия.
В гл. 2 обсуждается применение селективных поверхностей для преобразования энергии излучения в тепло. Описание селективных поверхностей только тогда можно считать исчерпывающим, когда оно содержит достаточное количество опубликованных в литературе данных о влиянии селективной поверхности на эффективность коллектора. К сожалению, мы располагаем весьма ограниченным объемом данных об испытаниях селективных поверхностей в рабочих условиях, так что необходимы дальнейшие работы в этом направлении. Однако те немногие результаты, которые были опубликованы, отражены в этой книге.
Гл. 3 посвящена прозрачным проводящим материалам, которые используются при фотоэлектрическом преобразовании энергии. В последнее время были исследованы элементы типа ITO-Si, SnO2- Si, ITO-GaAs, ΙΤΟ-InР и SnO2-GaAs. Их применение открывает возможности разработки дешевых методов изготовления крупномасштабных солнечных батарей. Эффективность преобразования энергии солнечными элементами из окисных полупроводников сравнима с эффективностью обычных солнечных элементов из кремния, изготовленных методом диффузии. Прозрачные проводящие окислы в составе солнечных элементов обладают следующими достоинствами: 1) значения показателя преломления окисных материалов лежат в таких пределах, что эти материалы выполняют роль просветляющих покрытий относительно кремния, 2) носители заряда генерируются непосредственно в области объемного заряда, что повышает квантовый выход в коротковолновой области спектра, 3) благодаря высокой оптической прозрачности и низкому электрическому сопротивлению этих материалов существенно упрощается процесс изготовления лицевого контакта и 4) окислы поглощают ультрафиолетовое излучение и, следовательно, проявляют себя как прозрачные окна относительно солнечного света. Кроме того, при увеличении степени легирования базового слоя в таких элементах уменьшается темновой ток, что приводит к увеличению времени жизни и глубины собирания носителей заряда, радиационной стойкости и эффективности.
Гл. 4 посвящена оптическим свойствам селективных поверхностей. Описаны различные методы измерения, позволяющие определить поглощательную способность и степень черноты. Расхождения в Опубликованных значениях этих величин зависят от применяемых приборов и методов измерения. Одни исследователи для определения свойств поверхностей измеряли спектральную отражательную способность прямого потока излучения, другие измеряли полусферическую спектральную отражательную способность и применяли калориметрические методы. В этой книге дается критическая оценка различных методов измерения. Рассматриваются как прямые, так и косвенные методы определения оптических свойств селективных поверхностей.
В гл. 5 подробно описаны поглощающие селективные поверхности преобразователей солнечной энергии. Рассмотрены поверхности с селективными свойствами, обусловленными как одним веществом, так и композитными материалами. Подробно описаны различные методы их создания, такие, как электрохимическое осаждение, пульверизация, распыление, химическая обработка поверхности, испарение в вакууме двухслойной структуры, состоящей из поглощающего и отражающего слоев, нанесение полупроводниковых красок. Упомянут недавно разработанный новый метод изготовления селективных поверхностей для фокусирующих коллекторов - магнетронное распыление.
В гл. 6 даны выводы и рекомендации.
Разработка темы, составляющей содержание настоящей книги, частично основана на работах по селективным покрытиям и фотоэлектричеству, выполненных в Центре энергетических исследований и физическом отделе Индийского технологического института в Дели. В процессе подготовки этой книги были широко использованы различные источники, охватывающие исследования нескольких групп и авторов. Это работы Тейбора, Хааке и их коллег, разработки Гира и Данкля, публикации Фана с сотрудниками, результаты экспериментальных исследований селективной поверхности преобразователя солнечной энергии, проведенных Винегарнером с сотрудниками в Лаборатории оптических покрытий, разработки в области селективных поверхностей Дюбоа и его группы в Колорадском университете, Шевхуна и его группы в Макмастерском университете в Канаде, группы Даффи и Бекмана в Висконсинском университете, группы по использованию солнечной энергии в научно-исследовательском энергетическом центре Сиднейского университета, Мак-Доналда из Льюисского исследовательского центра НАСА, группы Серафина и Мейнела в Оптическом научном центре Аризонского университета, Андерсона и его группы, Телкес и многих других авторов, список трудов которых приводится.
В этой книге предпринята попытка представить общую картину состояния разработок прозрачных и поглощающих селективных покрытий и их применения. Мы старались осветить все значительные достижения в этой области. Надеемся, что книга будет полезна студентам, технологам и физикам, специализирующимся в области использования солнечной энергии, а также ученым и инженерам, занимающимся созданием селективных поверхностей и фототермическим использованием солнечной энергии.
Нью-Дели, Индия О. П. Агнихотри
Ноябрь 1980 г. Б. К. Гупта
Благодарности
Разработка энергетической исследовательской программы в Индийском технологическом институте в Дели в значительной степени связана с именем профессора М. С. Содха, основателя и руководителя Центра энергетических исследований, заместителя директора. Профессор Содха объединил вокруг себя добровольцев-энтузиастов из научного и технологического отделов, которые уже внесли существенный вклад в развитие таких областей, как использование солнечной энергии, МГД-преобразование энергии, исследования взаимодействия лазерного излучения с плазмой, жидкое и твердое топливо, энергетические системы, охлаждение и кондиционирование воздуха, и сформировал межотраслевую группу, ставшую ядром коллектива исследователей в области энергетики. В основном благодаря его усилиям эта деятельность была признана руководством института и правительством сначала в рамках школы, а затем в рамках Центра энергетических исследований. Именно профессор Содха убедил нас включить работы по селективным поверхностям для солнечных установок и окисным полупроводниковым солнечным элементам в Программу энергетических исследований. Предложение написать эту книгу также исходило от него, и мы благодарны ему за постоянную поддержку и глубокий интерес, проявляемый к нашей работе. В Ι.Ι.Τ. исследования по использованию солнечной энергии начал и возглавил профессор С. К. Джейм, в прошлом руководитель физического отдела и декан факультета, а в настоящее время директор Лаборатории физики твердого тела в Дели, где в 1966 г. под его руководством был изготовлен первый индийский солнечный элемент из кремния. Мы очень признательны ему за доброжелательный интерес, постоянную поддержку и ценное руководством Мы благодарим профессора С. С. Матхура, руководителя Центра энергетических исследований и координатора Программы по использованию солнечной энергии, за постоянную помощь в нашей работе. Мы выражаем признательность многим коллегам и друзьям, в частности профессорам П. К. К. Пидлейи, Б. Б. Трипатхи, А. Б. Бхаттачарийа и Х. П. Гаргу за всестороннюю помощь и поддержку. Мы благодарим аспирантов физического отдела и Центра энергетических исследований за полезные замечания и вклад в нашу работу. Особую благодарность мы приносим профессору О. П. Джейну, директору института, за его постоянную поддержку.
Мы высоко ценим содействие многих авторов и издателей, с готовностью предоставивших нам иллюстративный и другой материал из своих работ. Мы постарались достаточно подробно упомянуть все использованные источники. Благодарим также членов наших семей за терпение, которое они проявляли во время написания этой книги.
В заключение выражаем признательность за помощь господину С. Д. Малику, быстро и качественно перепечатавшему рукопись, и господину Н. С. Гупта, подготовившему великолепные иллюстрации.
