Эффективность солнечных элементов

Соотношение энергии, извлекаемой из солнечного света в солнечных элементах

Представленная хронология исследований эффективности преобразования энергии солнечных элементов с 1976 года ( Национальная лаборатория возобновляемой энергии )

Эффективность солнечного элемента — это часть энергии в виде солнечного света, которую солнечный элемент может преобразовать с помощью фотоэлектрических элементов в электричество .

Эффективность солнечных элементов, используемых в фотоэлектрической системе , в сочетании с широтой и климатом определяет годовую выработку энергии системой. Например, солнечная панель с эффективностью 20% и площадью 1 м ² будет производить 200 кВт·ч/год при стандартных условиях испытаний, если она подвергается воздействию солнечного излучения 1000 Вт/м ² в течение 2,74 часов в день при стандартных условиях испытаний. Обычно солнечные панели подвергаются воздействию солнечного света дольше этого времени в течение определенного дня, но солнечное излучение составляет менее 1000 Вт/м ² большую часть дня. Солнечная панель может производить больше, когда Солнце находится высоко в небе Земли, и будет производить меньше в облачную погоду или когда Солнце находится низко в небе; обычно Солнце находится ниже в небе зимой.

Два зависящих от местоположения фактора, которые влияют на выход солнечных фотоэлектрических систем, — это дисперсия и интенсивность солнечного излучения. Эти две переменные могут значительно различаться в каждой стране. ^[1] Глобальные регионы с высоким уровнем радиации в течение года — это Ближний Восток, Северное Чили, Австралия, Китай и Юго-Запад США. ^{[1] [2]} В высокопроизводительном солнечном регионе, таком как центральный Колорадо, который получает годовую инсоляцию 2000 кВт·ч/м² ^/ год, ^[3] можно ожидать, что панель будет вырабатывать 400  кВт·ч энергии в год. Однако в Мичигане, который получает всего 1400 кВт·ч/м² ^/ год, ^[3] годовая выработка энергии упадет до 280 кВт·ч для той же панели. В более северных европейских широтах выработка значительно ниже: 175 кВт·ч годовой выработки энергии на юге Англии при тех же условиях. ^[4]

Схема сбора заряда солнечными элементами. Свет проходит через прозрачный проводящий электрод, создавая пары электрон-дырка , которые собираются обоими электродами. Эффективность поглощения и сбора солнечного элемента зависит от конструкции прозрачных проводников и толщины активного слоя. ^[5]

На эффективность преобразования ячейки влияют несколько факторов, включая ее отражательную способность , термодинамическую эффективность , эффективность разделения носителей заряда , эффективность сбора носителей заряда и значения эффективности проводимости . ^{[6] [5]} Поскольку эти параметры трудно измерить напрямую, вместо них измеряются другие параметры, включая квантовую эффективность , отношение напряжения холостого хода (V _OC ) и § коэффициент заполнения. Потери на отражение учитываются значением квантовой эффективности, поскольку они влияют на «внешнюю квантовую эффективность». Потери на рекомбинацию учитываются значениями квантовой эффективности, отношения V _OC и коэффициента заполнения. Резистивные потери в основном учитываются значением коэффициента заполнения, но также вносят вклад в значения квантовой эффективности и отношения V _OC .

По состоянию на 2024 год мировой рекорд эффективности солнечных элементов составляет 47,6%, установленный в мае 2022 года Fraunhofer ISE с использованием четырехпереходной концентрирующей фотоэлектрической ячейки (CPV) III-V. ^[7] Это побило предыдущий рекорд в 47,1%, установленный в 2019 году многопереходными концентраторными солнечными элементами, разработанными в Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) , Голден, Колорадо, США, ^[8], которые были установлены в лабораторных условиях при чрезвычайно концентрированном свете. Рекорд в реальных условиях также принадлежит NREL, которая разработала трехпереходные ячейки с проверенной эффективностью 39,5%. ^{[9] [10]}

Факторы, влияющие на эффективность преобразования энергии

Факторы, влияющие на эффективность преобразования энергии, были изложены в знаменательной статье Уильяма Шокли и Ганса Квайссера в 1961 году. ^[11] Более подробную информацию см. в пределе Шокли–Квайссера .

Предел термодинамической эффективности и предел бесконечного стека

Предел Шокли -Квайссера для эффективности однопереходного солнечного элемента при неконцентрированном солнечном свете при 273 К. Эта расчетная кривая использует фактические данные солнечного спектра, и поэтому кривая волнистая из-за полос поглощения ИК в атмосфере. Этот предел эффективности ~34% может быть превышен многопереходными солнечными элементами .

Если у вас есть источник тепла при температуре T _s и более холодный радиатор при температуре T _c , максимальное теоретически возможное значение для отношения полученной работы (или электрической мощности) к поставляемому теплу составляет 1- T _c / T _s , что дается тепловой машиной Карно . Если мы возьмем 6000 К для температуры Солнца и 300 К для условий окружающей среды на Земле, это составит 95%. В 1981 году Алексис де Вос и Герман Пауэлс показали, что этого можно достичь с помощью стопки из бесконечного числа ячеек с запрещенными зонами в диапазоне от бесконечности (первые ячейки, с которыми сталкиваются входящие фотоны) до нуля, с напряжением в каждой ячейке, очень близким к напряжению разомкнутой цепи, равному 95% от запрещенной зоны этой ячейки, и с излучением черного тела 6000 К , приходящим со всех направлений. Однако, 95% эффективности, достигнутой таким образом, означает, что электрическая мощность составляет 95% от чистого количества поглощенного света — стек испускает излучение, поскольку имеет ненулевую температуру, и это излучение должно быть вычтено из входящего излучения при расчете количества передаваемого тепла и эффективности. Они также рассмотрели более актуальную проблему максимизации выходной мощности для стека, освещенного со всех сторон излучением черного тела 6000 К. В этом случае напряжения должны быть снижены до менее чем 95% ширины запрещенной зоны (процент не является постоянным для всех ячеек). Максимальная теоретическая вычисленная эффективность составляет 86,8% для стека из бесконечного числа ячеек, использующего входящее концентрированное солнечное излучение. ^[12] Когда входящее излучение исходит только из области неба размером с солнце, предел эффективности падает до 68,7%. ^[13]

Максимальная эффективность

Однако обычные фотоэлектрические системы имеют только один p–n-переход и, следовательно, подвержены более низкому пределу эффективности, который Шокли и Квайссер называют «максимальной эффективностью». Фотоны с энергией ниже ширины запрещенной зоны поглощающего материала не могут генерировать пару электрон-дырка , поэтому их энергия не преобразуется в полезный выход, а генерирует тепло только при поглощении. Для фотонов с энергией выше ширины запрещенной зоны только часть энергии выше запрещенной зоны может быть преобразована в полезный выход. Когда поглощается фотон с большей энергией, избыточная энергия выше запрещенной зоны преобразуется в кинетическую энергию комбинации носителей. Избыточная кинетическая энергия преобразуется в тепло посредством фононных взаимодействий, поскольку кинетическая энергия носителей замедляется до равновесной скорости. Традиционные однопереходные ячейки с оптимальной шириной запрещенной зоны для солнечного спектра имеют максимальную теоретическую эффективность 33,16%, предел Шокли–Квайссера . ^[14]

Солнечные элементы с многозонными поглощающими материалами повышают эффективность за счет разделения солнечного спектра на более мелкие ячейки, где предел термодинамической эффективности выше для каждой ячейки. ^[15]

Квантовая эффективность

Когда фотон поглощается солнечным элементом, он может создать пару электрон-дырка. Один из носителей может достичь p–n-перехода и внести вклад в ток, производимый солнечным элементом; такой носитель называется собранным . Или носители рекомбинируют без чистого вклада в ток элемента.

Квантовая эффективность относится к проценту фотонов, которые преобразуются в электрический ток (т. е. собранные носители), когда ячейка работает в условиях короткого замыкания. Два типа кванта, которые обычно упоминаются, когда говорят о солнечных ячейках, это внешние и внутренние. Внешняя квантовая эффективность (EQE) относится к измеримым свойствам солнечной ячейки. «Внешняя» квантовая эффективность кремниевой солнечной ячейки включает в себя эффект оптических потерь, таких как передача и отражение. Можно принять меры для уменьшения этих потерь. Потери на отражение, которые могут составлять до 10% от общей падающей энергии, можно значительно уменьшить с помощью техники, называемой текстуризацией, метода улавливания света, который изменяет средний путь света. ^[16]

Внутренняя квантовая эффективность (IQE) дает представление о внутренних параметрах материала, таких как коэффициент поглощения или внутренняя квантовая эффективность люминесценции. ^[17] IQE в основном используется для понимания потенциала определенного материала, а не устройства. ^[17]

Квантовую эффективность наиболее полезно выражать как спектральное измерение (то есть как функцию длины волны или энергии фотона). Поскольку некоторые длины волн поглощаются более эффективно, чем другие, спектральные измерения квантовой эффективности могут дать ценную информацию о качестве объема и поверхностей полупроводника.

Квантовая эффективность — это не то же самое, что общая эффективность преобразования энергии, поскольку она не несет информации о доле мощности, преобразуемой солнечным элементом.

Максимальная точка мощности

На стекле солнечных модулей часто скапливается пыль (на этом негативном изображении она обозначена черными точками), что уменьшает количество света, поступающего на солнечные элементы.

Солнечный элемент может работать в широком диапазоне напряжений (V) и токов (I). Увеличивая резистивную нагрузку на облученный элемент непрерывно от нуля ( короткое замыкание ) до очень высокого значения ( разомкнутая цепь ), можно определить точку максимальной мощности , точку, которая максимизирует V×I; то есть нагрузку, при которой элемент может выдавать максимальную электрическую мощность при этом уровне облучения. (Выходная мощность равна нулю как в крайних случаях короткого замыкания, так и в крайних случаях разомкнутой цепи).

Максимальная точка мощности солнечного элемента зависит от его температуры. Зная технические данные определенного солнечного элемента, его выходную мощность при определенной температуре можно получить по формуле , где - мощность, вырабатываемая при стандартных условиях тестирования; - фактическая температура солнечного элемента. ${\displaystyle P(T)=P_{STC}+{\frac {dP}{dT}}(T_{cell}-T_{STC})}$ ${\displaystyle P_{STC}}$ ${\displaystyle T_{cell}}$

Высококачественный монокристаллический кремниевый солнечный элемент при температуре элемента 25 °C может выдавать 0,60  В холостого хода ( V _OC ). Температура элемента при полном солнечном свете, даже при температуре воздуха 25 °C, вероятно, будет близка к 45 °C, что снижает напряжение холостого хода до 0,55 В на элемент. Напряжение падает скромно, с этим типом элемента, пока не приблизится к току короткого замыкания ( I _SC ). Максимальная мощность (при температуре элемента 45 °C) обычно вырабатывается при 75% - 80% напряжения холостого хода (0,43 В в данном случае) и 90% тока короткого замыкания. Этот выход может составлять до 70% от произведения V _OC x I _SC . Ток короткого замыкания ( I _SC ) от элемента почти пропорционален освещенности, в то время как напряжение холостого хода ( V _OC ) может упасть всего на 10% при падении освещенности на 80%. Низкокачественные элементы имеют более быстрое падение напряжения с ростом тока и могут выдавать только 1/2  V _OC при 1/2  I _SC . Таким образом, полезная выходная мощность может упасть с 70% от произведения V _OC x I _SC до 50% или даже всего до 25%. Продавцы, которые оценивают «мощность» своих солнечных элементов только как V _OC x I _SC , не предоставляя кривых нагрузки, могут серьезно искажать их фактическую производительность.

Максимальная точка мощности фотоэлектрических элементов меняется в зависимости от падающего освещения. Например, накопление пыли на фотоэлектрических панелях снижает максимальную точку мощности. ^[18] Недавно были разработаны новые исследования по удалению пыли с солнечных панелей с использованием электростатических систем очистки. В таких системах приложенное электростатическое поле на поверхности солнечных панелей заставляет частицы пыли двигаться в манере «флип-флоп». ^[19] Затем из-за гравитации и того факта, что солнечные панели слегка наклонены, частицы пыли тянутся вниз под действием силы тяжести. ^[19] Эти системы требуют лишь небольшого энергопотребления и повышают производительность солнечных элементов, особенно при установке в пустыне, где накопление пыли способствует снижению производительности солнечных панелей. Кроме того, для систем, достаточно больших, чтобы оправдать дополнительные расходы, трекер максимальной точки мощности отслеживает мгновенную мощность, непрерывно измеряя напряжение и ток (и, следовательно, передачу мощности), и использует эту информацию для динамической регулировки нагрузки, чтобы максимальная мощность всегда передавалась, независимо от изменения освещения.

Фактор заполнения

Другим определяющим термином в общем поведении солнечного элемента является коэффициент заполнения ( FF ). Этот фактор является мерой качества солнечного элемента. Это доступная мощность в точке максимальной мощности ( Pm ) _, деленная на _{напряжение} холостого хода ( VOC ₎ и ток короткого замыкания ( ISC ):

${\displaystyle FF={\frac {P_{m}}{V_{OC}\times I_{SC}}}={\frac {\eta \times A_{c}\times G}{V_{OC}\times I_{SC}}}.}$

Коэффициент заполнения можно графически представить с помощью развертки IV, где он представляет собой отношение различных прямоугольных площадей. ^[20]

Коэффициент заполнения напрямую зависит от значений последовательного сопротивления ячейки, шунтирующего сопротивления и потерь диодов. Увеличение шунтирующего сопротивления (R _sh ) и уменьшение последовательного сопротивления (R _s ) приводит к более высокому коэффициенту заполнения, что приводит к большей эффективности и приближает выходную мощность ячейки к ее теоретическому максимуму. ^[21]

Типичные коэффициенты заполнения составляют от 50% до 82%. Коэффициент заполнения для обычного кремниевого фотоэлемента составляет 80%.

Сравнение

Эффективность преобразования энергии измеряется путем деления электрической мощности на мощность падающего света. Факторы, влияющие на выход, включают спектральное распределение, пространственное распределение мощности, температуру и резистивную нагрузку. Стандарт IEC 61215 используется для сравнения производительности ячеек и разработан на основе стандартных (земных, умеренных) температур и условий (STC): облученность 1 кВт/м2 ^, спектральное распределение, близкое к солнечному излучению через AM ( воздушную массу ) 1,5 и температуру ячейки 25 °C. Резистивная нагрузка изменяется до тех пор, пока не будет достигнута пиковая или максимальная точка мощности (MPP). Мощность в этой точке регистрируется как Ватт-пик (Wp). Тот же стандарт используется для измерения мощности и эффективности фотоэлектрических модулей.

Воздушная масса влияет на выход. В космосе, где нет атмосферы, спектр Солнца относительно нефильтрован. Однако на Земле воздух фильтрует входящий свет, изменяя солнечный спектр. Эффект фильтрации варьируется от воздушной массы 0 (AM0) в космосе до приблизительно воздушной массы 1,5 на Земле. Умножение спектральных различий на квантовую эффективность рассматриваемого солнечного элемента дает эффективность. Наземная эффективность обычно выше космической. Например, кремниевый солнечный элемент в космосе может иметь эффективность 14% при AM0, но 16% на Земле при AM 1,5. Однако следует отметить, что количество падающих фотонов в космосе значительно больше, поэтому солнечный элемент может производить значительно больше энергии в космосе, несмотря на более низкую эффективность, на что указывает уменьшенный процент от общей улавливаемой падающей энергии.

Эффективность солнечных элементов варьируется от 6% для солнечных элементов на основе аморфного кремния до 44,0% с многопереходными производственными элементами и 44,4% с несколькими кристаллами, собранными в гибридный пакет. ^{[22] [23]} Эффективность преобразования энергии солнечных элементов для коммерчески доступных многокристаллических кремниевых солнечных элементов составляет около 14–19%. ^[24] Элементы с самой высокой эффективностью не всегда были самыми экономичными — например, многопереходный элемент с эффективностью 30% на основе экзотических материалов, таких как арсенид галлия или селенид индия, произведенный в малых объемах, может стоить в сто раз дороже, чем аморфный кремниевый элемент с эффективностью 8% при массовом производстве, при этом обеспечивая всего лишь примерно в четыре раза большую производительность.

Однако есть способ «повысить» солнечную энергию. При увеличении интенсивности света обычно увеличиваются фотогенерированные носители, что повышает эффективность до 15%. Эти так называемые « системы концентраторов » только начали становиться экономически конкурентоспособными в результате разработки высокоэффективных ячеек GaAs. Увеличение интенсивности обычно достигается с помощью концентрирующей оптики. Типичная система концентратора может использовать интенсивность света в 6–400 раз больше солнечной и увеличивать эффективность одной солнечной ячейки GaAs с 31% при AM 1,5 до 35%.

Распространенным методом выражения экономических затрат является расчет цены за поставленный киловатт-час (кВт·ч). Эффективность солнечной батареи в сочетании с доступным излучением оказывает большое влияние на затраты, но, в общем, важна общая эффективность системы. Коммерчески доступные солнечные батареи (по состоянию на 2006 год) достигли эффективности системы от 5 до 19%.

Нелегированные кристаллические кремниевые устройства приближаются к теоретическому пределу эффективности 29,43%. ^[25] В 2017 году эффективность 26,63% была достигнута в ячейке гетероперехода аморфный кремний/кристаллический кремний , в которой как положительные, так и отрицательные контакты размещены на задней стороне ячейки. ^{[26] [27]}

Окупаемость энергии

Время окупаемости энергии определяется как время восстановления, необходимое для генерации энергии, затраченной на производство современного фотоэлектрического модуля. В 2008 году оно оценивалось от 1 до 4 лет ^{[28] [29]} в зависимости от типа и местоположения модуля. При типичном сроке службы от 20 до 30 лет это означает, что современные солнечные элементы будут чистыми производителями энергии, т. е. они будут генерировать больше энергии за свой срок службы, чем энергия, затраченная на их производство. ^{[28] [30] [31]} Как правило, тонкопленочные технологии, несмотря на сравнительно низкую эффективность преобразования, достигают значительно более короткого срока окупаемости энергии, чем обычные системы (часто < 1 года). ^[32]

Исследование, опубликованное в 2013 году, в котором существующая литература показала, что срок окупаемости энергии составляет от 0,75 до 3,5 лет, причем тонкопленочные элементы находятся на нижнем пределе, а многокристаллические кремниевые (мульти-Si) элементы имеют срок окупаемости 1,5–2,6 года. ^[33] Обзор 2015 года оценил срок окупаемости энергии и EROI солнечных фотоэлектрических систем. В этом метаисследовании, которое использует инсоляцию 1700 кВтч/м2 ^/ год и срок службы системы 30 лет, были найдены средние гармонизированные EROI от 8,7 до 34,2. Средний гармонизированный срок окупаемости энергии варьировался от 1,0 до 4,1 года. ^[34] Кристаллические кремниевые устройства достигают в среднем срока окупаемости энергии 2 года. ^{[28] [35]}

Как и любая другая технология, производство солнечных элементов зависит от существования сложной глобальной промышленной производственной системы. Это включает в себя системы изготовления, которые обычно учитываются в оценках производственной энергии; условные системы добычи, переработки и глобальной транспортировки; и другие энергоемкие вспомогательные системы, включая финансы, информацию и системы безопасности. Сложность измерения таких энергетических накладных расходов вносит некоторую неопределенность в любую оценку сроков окупаемости. ^[36]

Технические методы повышения эффективности

Выбор оптимального прозрачного проводника

Освещенная сторона некоторых типов солнечных элементов, тонких пленок, имеет прозрачную проводящую пленку, позволяющую свету проникать в активный материал и собирать сгенерированные носители заряда. Обычно для этой цели используются пленки с высокой пропускаемостью и высокой электропроводностью, такие как оксид индия и олова, проводящие полимеры или проводящие сети нанопроводов. Существует компромисс между высокой пропускаемостью и электропроводностью, поэтому для высокой эффективности следует выбирать оптимальную плотность проводящих нанопроводов или структуру проводящей сети. ^[5]

Содействие рассеиванию света

Диаграмма характерных профилей усиления электрического поля, испытываемых в тонких фотоэлектрических пленках (толщина t_PV), с узором с передними элементами. Два одновременных оптических механизма могут вызывать улавливание света : антиотражение и рассеивание; и для каждого механизма можно выделить две основные спектральные области, на коротких и длинных волнах, что приводит к 4 типам профилей усиления поглощения, показанных здесь по всей области поглощения. Основной геометрический параметр фотонных структур, влияющий на усиление поглощения в каждом профиле, обозначен черными стрелками. ^[37]

Включение эффектов рассеяния света в солнечные элементы является фотонной стратегией для увеличения поглощения для фотонов солнечного света с низкой энергией (главным образом в ближнем инфракрасном диапазоне), для которых фотоэлектрический материал демонстрирует уменьшенный коэффициент поглощения. Такая схема улавливания света достигается путем отклонения световых лучей от направления падения, тем самым увеличивая длину их пути в поглотителе элементов. ^[38] Традиционные подходы, используемые для реализации рассеивания света, основаны на текстурированных задних/передних поверхностях, но было продемонстрировано множество альтернативных оптических конструкций с многообещающими результатами, основанными на дифракционных решетках, массивах металлических или диэлектрических нано/микрочастиц, волново-оптическом микроструктурировании и т. д. ^[39] При применении на передней части устройств эти структуры могут действовать как геометрические антибликовые покрытия, одновременно уменьшая отражение исходящего света.

Например, облицовка светоприемной поверхности ячейки наноразмерными металлическими штифтами может существенно повысить эффективность ячейки. Свет отражается от этих штифтов под косым углом к ​​ячейке, увеличивая длину светового пути через ячейку. Это увеличивает количество фотонов, поглощаемых ячейкой, и величину генерируемого тока. ^[40] Основными материалами, используемыми для нано-шпилек, являются серебро , золото и алюминий . Золото и серебро не очень эффективны, так как они поглощают большую часть света в видимом спектре, который содержит большую часть энергии, присутствующей в солнечном свете, уменьшая количество света, достигающего ячейки. ^[40] Алюминий поглощает только ультрафиолетовое излучение и отражает как видимый, так и инфракрасный свет, поэтому потери энергии сводятся к минимуму. Алюминий может повысить эффективность ячейки до 22% (в лабораторных условиях). ^[41]

Антибликовые покрытия и текстуры

Антибликовые покрытия разработаны для уменьшения солнечного света, отраженного от солнечных элементов, тем самым увеличивая свет, передаваемый в фотоэлектрический поглотитель. ^[42] Это может быть достигнуто путем создания деструктивной интерференции отраженных световых волн, например, с помощью покрытий на основе фронтальной (многослойной) композиции и/или геометрического соответствия показателя преломления, вызванного топографией поверхности, со многими архитектурами, вдохновленными природой. ^[43] Например, массив сосков, гексагональный массив субволновых конических наноструктур, можно увидеть на поверхности глаз мотылька. ^[43] Сообщалось, что использование такого рода поверхностной архитектуры минимизирует потери на отражение на 25%, преобразуя дополнительный захваченный фотон в 12%-ное увеличение энергии солнечного элемента. ^[43]

Использование передних микроструктур, таких как те, которые достигаются с помощью текстурирования или других фотонных особенностей, также может быть использовано в качестве метода достижения антибликового эффекта, при котором поверхность солнечного элемента изменяется таким образом, что падающий свет испытывает постепенно увеличивающийся эффективный показатель преломления при движении из воздуха к фотоэлектрическому материалу. Эти поверхности могут быть созданы путем травления или с помощью литографии. Одновременно они способствуют эффектам рассеивания света, которые еще больше усиливают поглощение, особенно фотонов солнечного света с большей длиной волны. ^[37] Добавление плоской задней поверхности в дополнение к текстурированию передней поверхности еще больше помогает удерживать свет внутри элемента, тем самым обеспечивая более длинный оптический путь.

Радиационное охлаждение

Повышение температуры солнечной ячейки примерно на 1 °C приводит к снижению эффективности примерно на 0,45%. Чтобы предотвратить это, на солнечные панели можно нанести прозрачный слой кристалла кремния . Слой кремния действует как тепловое черное тело , которое излучает тепло в виде инфракрасного излучения в космос, охлаждая ячейку до 13 °C. ^[44] Таким образом, радиационное охлаждение может продлить срок службы солнечных ячеек. ^[45] Полная системная интеграция солнечной энергии и радиационного охлаждения называется комбинированной системой SE–RC, которая продемонстрировала более высокий прирост энергии на единицу площади по сравнению с неинтегрированными системами. ^[46]

Пассивация задней поверхности

Поверхностная пассивация имеет решающее значение для эффективности солнечных элементов. ^[47] Было сделано много улучшений для передней стороны массовых солнечных элементов, но алюминиевая задняя поверхность препятствует повышению эффективности. ^[48] Эффективность многих солнечных элементов выросла за счет создания так называемых пассивированных эмиттерных и задних элементов (PERC). Химическое осаждение слоя пассивации задней поверхности диэлектрика, который также изготовлен из тонкой пленки оксида кремния или алюминия , покрытой пленкой нитрида кремния, помогает повысить эффективность кремниевых солнечных элементов. Это помогло повысить эффективность элемента для коммерческого материала пластин Cz-Si с чуть более 17% до более 21% к середине 2010-х годов, ^[49] а эффективность элемента для квазимоно-Si до рекордных 19,9%.

Концепции пассивации задней поверхности для кремниевых солнечных элементов также были реализованы для солнечных элементов CIGS. ^[50] Пассивация задней поверхности показывает потенциал для повышения эффективности. В качестве пассивирующих материалов использовались Al ₂ O ₃ и SiO ₂ . Наноразмерные точечные контакты на слое Al ₂ O ₃ ^[51] и линейные контакты на слое SiO2 ^[52] обеспечивают электрическое соединение поглотителя CIGS с задним электродом Mo. Точечные контакты на слое Al ₂ O ₃ создаются с помощью электронно-лучевой литографии, а линейные контакты на слое SiO ₂ создаются с помощью фотолитографии . Кроме того, реализация пассивирующих слоев не изменяет морфологию слоев CIGS.

Тонкопленочные материалы

Хотя тонкопленочные материалы не являются прямой стратегией повышения эффективности, они показывают многообещающие перспективы для солнечных элементов с точки зрения низких затрат и адаптивности к существующим структурам и каркасам в технологии. ^[53] Поскольку материалы настолько тонкие, у них отсутствует оптическое поглощение солнечных элементов из объемного материала. Были продемонстрированы попытки исправить это, такие как схемы улавливания света, способствующие рассеянию света. ^[54] Также важна рекомбинация поверхности тонкой пленки. Поскольку это доминирующий процесс рекомбинации наномасштабных тонкопленочных солнечных элементов, он имеет решающее значение для их эффективности. Добавление пассивирующего тонкого слоя диоксида кремния может уменьшить рекомбинацию.

Тандемные клетки

Тандемные солнечные элементы объединяют два материала для повышения эффективности. В 2022 году было анонсировано устройство, которое объединило несколько перовскитов с несколькими слоями кремния. Перовскиты демонстрируют замечательную способность эффективно улавливать и преобразовывать синий свет, дополняя кремний, который особенно хорошо поглощает красные и инфракрасные длины волн. Эта уникальная синергия между перовскитами и кремнием в технологиях солнечных элементов позволяет более полно поглощать солнечный спектр, повышая общую эффективность и производительность фотоэлектрических устройств. Ячейка достигла эффективности 32,5%. ^[55]

Смотрите также

• Портал возобновляемой энергии
• Энергетический портал

• Воздействие энергетической отрасли на окружающую среду
• Энергоэффективность

Ссылки

1. Kannan, Nadarajah; Vakeesan, Divagar (1 сентября 2016 г.). «Солнечная энергия для будущего мира: обзор». Renewable and Sustainable Energy Reviews . 62 : 1092–1105. doi : 10.1016/j.rser.2016.05.022. ISSN  1364-0321.
2. Köberle, Alexandre C.; Gernaat, David EHJ; van Vuuren, Detlef P. (1 сентября 2015 г.). «Оценка текущего и будущего технико-экономического потенциала концентрированной солнечной энергии и фотоэлектрической генерации электроэнергии». Energy . 89 : 739–756. Bibcode :2015Ene....89..739K. doi :10.1016/j.energy.2015.05.145. hdl : 1874/319865 . ISSN  0360-5442. S2CID  108996432.
3. Билли Робертс (20 октября 2008 г.). "Фотоэлектрические солнечные ресурсы Соединенных Штатов". Национальная лаборатория возобновляемой энергии . Получено 17 апреля 2017 г.
4. Дэвид Дж. К. Маккей . «Устойчивая энергетика — без горячего воздуха». inference.org.uk . Получено 20 ноября 2017 г. Солнечные фотоэлектрические системы: данные с массива площадью 25 м2 в Кембриджшире в 2006 г.
5. Kumar, Ankush (3 января 2017 г.). «Прогнозирование эффективности солнечных элементов на основе прозрачных проводящих электродов». Журнал прикладной физики . 121 (1): 014502. Bibcode : 2017JAP...121a4502K. doi : 10.1063/1.4973117. ISSN  0021-8979.
6. "Основы эффективности преобразования фотоэлектрических элементов". Министерство энергетики США . Получено 6 сентября 2014 г.
7. Шигулла, Патрик; Бойтель, Пол; Хекельманн, Стефан; Хён, Оливер; Клицке, Мальте; Шён, Йонас; Олива, Эдуард; Предан, Феликс; Шахтнер, Майкл; Сифер, Джеральд; Хелмерс, Хеннинг; Димрот, Фрэнк; Лакнер, Дэвид (2022). Четырехпереходный солнечный элемент с эффективностью преобразования 47,6 % при концентрации. Международная конференция по металлоорганической парофазной эпитаксии 2022.
8. Гейс, Джон Ф.; Франс, Райан М.; Шульте, Кевин Л.; Штайнер, Майлз А.; Норман, Эндрю Г.; Гатри, Харви Л.; Янг, Мэтью Р.; Сонг, Тао; Мориарти, Томас (апрель 2020 г.). «Шестипереходные солнечные элементы III–V с эффективностью преобразования 47,1% при концентрации 143 солнц». Nature Energy . 5 (4): 326–335. Bibcode :2020NatEn...5..326G. doi :10.1038/s41560-020-0598-5. ISSN  2058-7546. OSTI  1659948. S2CID  216289881.
9. Оздемир, Дерья (20 мая 2022 г.). «Ученые только что побили рекорд по самой высокой эффективности солнечной батареи». interestingengineering.com . Получено 7 августа 2023 г.
10. Франс, Райан М.; Гейс, Джон Ф.; Сонг, Тао; Олаваррия, Уолдо; Янг, Мишель; Киблер, Алан; Штайнер, Майлз А. (18 мая 2022 г.). «Тройные солнечные элементы с эффективностью 39,5% наземной и 34,2% космической, обеспечиваемые сверхрешетками с толстыми квантовыми ямами». Джоуль . 6 (5): 1121–1135. arXiv : 2203.15593 . doi :10.1016/j.joule.2022.04.024. ISSN  2542-4351. S2CID  247778421.
11. Shockley William; Queisser Hans J (1961). "Detailed Balance Limit of Efficiency of pn Junction Solar Cells". Journal of Applied Physics . 32 (3): 510–519. Bibcode : 1961JAP....32..510S. doi : 10.1063/1.1736034. Архивировано из оригинала 23 февраля 2013 г.
12. Де Вос, А. (1980). «Подробный предел баланса эффективности тандемных солнечных элементов». Журнал физики D: Прикладная физика . 13 (5): 839–846. Bibcode :1980JPhD...13..839D. doi :10.1088/0022-3727/13/5/018. S2CID  250782402.
13. A. De Vos & H. Pauwels (1981). «О термодинамическом пределе фотоэлектрического преобразования энергии». Appl. Phys . 25 (2): 119–125. Bibcode :1981ApPhy..25..119D. doi :10.1007/BF00901283. S2CID  119693148.
14. Рюле, Свен (8 февраля 2016 г.). «Таблицированные значения предела Шокли–Квайссера для однопереходных солнечных элементов». Солнечная энергия . 130 : 139–147. Bibcode : 2016SoEn..130..139R. doi : 10.1016/j.solener.2016.02.015.
15. Чэн-Сяо Ву и Ричард Уильямс (1983). «Ограничение эффективности для квантовых устройств с множественной энергетической щелью». J. Appl. Phys . 54 (11): 6721. Bibcode : 1983JAP....54.6721W. doi : 10.1063/1.331859.
16. Верлинден, Пьер; Эврар, Оливье; Мази, Эммануэль; Крэхей, Андре (март 1992 г.). «Текстурирование поверхности солнечных элементов: новый метод с использованием V-образных канавок с контролируемыми углами боковой стенки». Материалы солнечной энергетики и солнечные элементы . 26 (1–2): 71–78. doi :10.1016/0927-0248(92)90126-A.
17. Kirchartz, Thomas; Rau, Uwe (2018). «Что делает хорошую солнечную ячейку?». Advanced Energy Materials . 8 (28): 1703385. Bibcode : 2018AdEnM...803385K. doi : 10.1002/aenm.201703385. S2CID  103853300.
18. A. Molki (2010). «Пыль влияет на эффективность солнечных батарей». Physics Education . 45 (5): 456–458. Bibcode : 2010PhyEd..45..456M. doi : 10.1088/0031-9120/45/5/F03. S2CID  250818645.
19. Кавамото, Хироюки; Го, Бин (1 февраля 2018 г.). «Усовершенствование системы электростатической очистки для удаления пыли с солнечных панелей». Журнал электростатики . 91 : 28–33. doi :10.1016/j.elstat.2017.12.002. ISSN  0304-3886.
20. "Часть II – Теория характеристики IV фотоэлектрических ячеек и код анализа LabVIEW". Часть II – Теория характеристики IV фотоэлектрических ячеек и код анализа LabVIEW - National Instruments, 10 мая 2012 г., ni.com/white-paper/7230/en/.
21. Дженни Нельсон (2003). Физика солнечных элементов. Imperial College Press. ISBN 978-1-86094-340-9.
22. "Solar Junction побила собственный рекорд эффективности преобразования CPV". 18 декабря 2013 г. Получено 18 декабря 2013 г.
23. "Sharp установил мировой рекорд эффективности солнечных батарей — 44,4%". 28 июля 2013 г. Получено 28 июля 2013 г.
24. Шульц, О.; Метте, А.; Прей, Р.; Глунц, С.В. (2007). «Кремниевые солнечные элементы с трафаретной металлизацией передней стороны, эффективность которых превышает 19%».
25. A. Richter; M. Hermle; SW Glunz (октябрь 2013 г.). «Переоценка предельной эффективности кристаллических кремниевых солнечных элементов». IEEE Journal of Photovoltaics . 3 (4): 1184–1191. doi :10.1109/JPHOTOV.2013.2270351. S2CID  6013813.
26. K. Yoshikawa; H. Kawasaki & W. Yoshida (2017). "Кремниевый гетеропереходный солнечный элемент с встречно-гребенчатыми задними контактами для эффективности фотопреобразования более 26%". Nature Energy . 2 (5): 17032. Bibcode :2017NatEn...217032Y. doi :10.1038/nenergy.2017.32. S2CID  114171665.
27. "Установлен новый мировой рекорд эффективности преобразования в кристаллическом кремниевом солнечном элементе". 25 августа 2017 г. Получено 15 марта 2018 г.
28. "Какова окупаемость энергии для фотоэлектрических систем?" (PDF) . Декабрь 2004 г. Получено 20 декабря 2008 г.
29. M. Ito; K. Kato; K. Komoto; et al. (2008). «Сравнительное исследование анализа стоимости и жизненного цикла для 100 МВт очень крупных фотоэлектрических систем (VLS-PV) в пустынях с использованием модулей m-Si, a-Si, CdTe и CIS». Прогресс в фотоэлектрике: исследования и приложения . 16 : 17–30. doi :10.1002/pip.770. S2CID  97914857.
30. "Анализ чистой энергии для устойчивого производства энергии из кремниевых солнечных элементов" (PDF) . Получено 13 сентября 2011 г.
31. Коркиш, Ричард (1997). «Могут ли солнечные элементы когда-нибудь вернуть энергию, вложенную в их производство?». Solar Progress . 18 (2): 16–17.
32. KL Chopra; PD Paulson & V. Dutta (2004). «Тонкопленочные солнечные элементы: обзор прогресса в фотоэлектричестве». Исследования и приложения . 12 (23): 69–92. doi :10.1002/pip.541. S2CID  39250492.
33. Пэн, Цзиньцин; Лу, Линь; Ян, Хунсин (2013). « Обзор оценки жизненного цикла энергетической окупаемости и выбросов парниковых газов солнечных фотоэлектрических систем ». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 19 : 255–274. doi :10.1016/j.rser.2012.11.035. hdl : 10397/34975 .
34. Бхандари, Хагендра П.; Дженнифер, М. Коллиер; Эллингсон, Рэнди Дж.; Апул, Дефне С. (2015). " Время окупаемости энергии (EPBT) и возврат энергии на инвестированную энергию (EROI) солнечных фотоэлектрических систем: систематический обзор и метаанализ ". Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 47 : 133–141. doi :10.1016/j.rser.2015.02.057.
35. "Самая высокая эффективность кремниевых солнечных элементов, когда-либо достигнутая". ScienceDaily. 24 октября 2008 г. Получено 9 декабря 2009 г.
36. Тренер, FE (2007) «Возобновляемая энергия не может поддерживать общество потребления»
37. Мендес, Мануэль Дж.; Араужо, Андрея; Висенте, Антониу; Агуас, Хьюго; Феррейра, Изабель; Фортунато, Эльвира; Мартинс, Родриго (1 августа 2016 г.). «Разработка оптимизированных волнооптических сфероидальных наноструктур для солнечных элементов с фотонным усилением». Нано Энергия . 26 : 286–296. doi :10.1016/j.nanoen.2016.05.038. ISSN  2211-2855.
38. Шустер, Кристиан Стефано; Крупи, Изодиана; Халме, Янне; Коч, Мехмет; Мендес, Мануэль Жуан; Петерс, Ян Мариус; Йерчи, Сельчук (2022), Лакнер, Максимилиан; Саджади, Бахарак; Чэнь, Вэй-Инь (ред.), «Расширение возможностей фотоэлектрических систем с помощью технологий интеллектуального управления освещением», Справочник по смягчению последствий изменения климата и адаптации , Cham: Springer International Publishing, стр. 1165–1248, doi : 10.1007/978-3-030-72579-2_112, ISBN 978-3-030-72579-2, получено 9 марта 2023 г.
39. Мендес, Мануэль Дж.; Санчес-Собрадо, Олалла; Хак, Сиразул; Матеус, Тиаго; Агуас, Уго; Фортунато, Эльвира; Мартинс, Родриго (1 января 2020 г.), Энричи, Франческо; Ригини, Джанкарло К. (ред.), «Глава девятая — структуры волнового оптического фронта на кремниевых и перовскитовых тонкопленочных солнечных элементах», Solar Cells and Light Management , Elsevier, стр. 315–354, ISBN 978-0-08-102762-2, получено 9 марта 2023 г.
40. Mukunth, Vasudevan (24 октября 2013 г.). «Повышение эффективности солнечных панелей». The Hindu . Получено 6 августа 2016 г. .
41. Hylton, Nicholas; Li, X. F; Giannini, KH; Lee, N. J; Ekins-Daukes, NJ; Loo, J.; Vercruysse, D.; Van Dorpe, P.; Sodabanlu, H.; Sugiyama, M.; Maier, SA (7 октября 2013 г.). "Уменьшение потерь в плазмонных солнечных элементах: наночастицы алюминия для улучшения широкополосного фототока в фотодиодах на основе GaAs". Scientific Reports . 3 : 2874. Bibcode :2013NatSR...3E2874H. doi :10.1038/srep02874. PMC 3791440 . PMID  24096686. 
42. Джи, Джастин. «Как сделать солнечные панели более эффективными в 2018 году | EnergySage». Лента новостей EnergySage Solar, EnergySage, 19 сентября 2017 г., news.energysage.com/how-to-make-solar-panels-more-effective/.
43. Raut, Hemant Kumar; Ganesh, V. Anand; Nair, A. Sreekumaran; Ramakrishna, Seeram (2011). «Антибликовые покрытия: критический, углубленный обзор». Energy & Environmental Science . 4 (10): 3779. doi :10.1039/c1ee01297e. ISSN  1754-5692.
44. Чжу, Линьсяо; Раман, Аасват П.; Фань, Шаньхуэй (6 октября 2015 г.). «Радиационное охлаждение солнечных поглотителей с использованием видимо прозрачного фотонно-кристаллического термического черного тела». Труды Национальной академии наук . 112 (40): 12282–12287. Bibcode : 2015PNAS..11212282Z. doi : 10.1073/pnas.1509453112 . ISSN  0027-8424. PMC 4603484. PMID 26392542  . 
45. Хео, Се-Ён; Джу Ли, Гил; Сон, Ён Мин (июнь 2022 г.). «Сброс тепла с помощью фотонных структур: радиационное охлаждение и его потенциал». Журнал химии материалов C. 10 ( 27): 9915–9937. doi :10.1039/D2TC00318J. S2CID  249695930 – через Королевское химическое общество.
46. Ахмед, Салман; Ли, Чжэньпэн; Джавед, Мухаммад Шахзад; Ма, Тао (сентябрь 2021 г.). «Обзор интеграции радиационного охлаждения и сбора солнечной энергии». Materials Today: Energy . 21 : 100776. doi :10.1016/j.mtener.2021.100776 – через Elsevier Science Direct.
47. Блэк, Лаклан Э. (2016). Новые перспективы пассивации поверхности: понимание интерфейса Si-Al2O3 (PDF) . Springer. ISBN 9783319325217.
48. «Технология пассивации задней поверхности для кристаллических кремниевых солнечных элементов: универсальный процесс для массового производства». IEEE, IEEE, 2012, www.osapublishing.org/DirectPDFAccess/F1E0036E-C63D-5F6F-EA52FF38B5D1786D_270075/oe-21-S6-A1065.pdf?da=1&id=270075&seq=0&mobile=no.
49. Блэк, Лаклан Э. (2016). Новые перспективы пассивации поверхности: понимание интерфейса Si-Al2O3 (PDF) . Springer. стр. 1–2. ISBN 9783319325217.
50. Верманг, Барт; Ватьен, Йорн Тимо; Фьельстрём, Виктор; Роствалл, Фредрик; Эдофф, Марика; Котипалли, Ратан; Генри, Фредерик; Фландр, Денис (2014). «Использование технологии солнечных элементов на основе кремния для повышения эффективности ультратонких солнечных элементов Cu(In, Ga)Se2». Прогресс в области фотовольтаики: исследования и применение . 22 (10): 1023–1029. doi :10.1002/pip.2527. PMC 4540152. PMID 26300619  . 
51. Bose, S.; Cunha, JMV; Borme, J.; Chen, WC; Nilsson, NS; Teixeira, JP; Gaspar, J.; Leitão, JP; Edoff, M.; Fernandes, PA; Salomé, PMP (2019). «Морфологическое и электронное исследование ультратонких пассивированных сзади солнечных элементов Cu(In, Ga) Se2». Тонкие твердые пленки . 671 : 77–84. Bibcode : 2019TSF...671...77B. doi : 10.1016/j.tsf.2018.12.028. hdl : 10773/30445 . S2CID  139582764.
52. Бозе, Сурав; Кунья, Хосе М.В.; Суреш, Сунил; Де Уайлд, Джессика; Лопес, Томас С.; Барбоза, Жуан РС; Сильва, Рикардо; Борм, Жером; Фернандес, Пауло А.; Верманг, Барт; Саломе, член парламента Педро (2018). «Построение оптической литографии слоев SiO2 для пассивации интерфейса тонкопленочных солнечных элементов». РРЛ Солнечная . 2 (12): 1800212. doi :10.1002/solr.201800212. hdl : 10773/30564 . S2CID  139388117.
53. Да, Юн и Иминь Сюань. «Роль поверхностной рекомбинации в воздействии на эффективность наноструктурированных тонкопленочных солнечных элементов». Osapublishing, 2013, www.osapublishing.org/DirectPDFAccess/F1E0036E-C63D-5F6F-EA52FF38B5D1786D_270075/oe-21-S6-A1065
54. Мендес, Мануэль Дж.; Хак, Сиразул; Санчес-Собрадо, Олалья; Араужо, Андрея; Агуас, Хьюго; Фортунато, Эльвира; Мартинс, Родриго (25 мая 2018 г.). «Оптимально улучшенные ультратонкие солнечные элементы с широкополосным нанофотонным захватом света». iScience . 3 : 238–254. Бибкод : 2018iSci....3..238M. doi : 10.1016/j.isci.2018.04.018. ISSN  2589-0042. ПМК 6137392 . ПМИД  30428324. 
55. Ирвинг, Майкл (20 декабря 2022 г.). «Перовскит/кремниевый тандемный солнечный элемент превзошел рекорд эффективности». New Atlas . Получено 26 декабря 2022 г. .

Внешние ссылки

• Солнечная электростанция в Керли
• «Как повысить эффективность солнечных панелей?».
• «Факторы, влияющие на эффективность солнечных панелей». 18 июля 2021 г.