stringtranslate.com

Эффективность солнечных батарей

Сообщенный график исследований эффективности преобразования энергии солнечных элементов с 1976 года ( Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии )

Эффективность солнечных батарей — это часть энергии в виде солнечного света, которая может быть преобразована с помощью фотогальваники в электричество с помощью солнечного элемента .

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 кВтч/год при стандартных условиях испытаний, если подвергается воздействию солнечного излучения со значением 1000 Вт/м 2 в течение 2,74 часа в день. Обычно солнечные панели подвергаются воздействию солнечного света в течение более длительного времени в течение 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 пасмурную погоду или когда Солнце находится низко в небе, обычно зимой Солнце находится ниже в небе.

Двумя зависящими от местоположения факторами, которые влияют на выход солнечной фотоэлектрической энергии, являются дисперсия и интенсивность солнечного излучения. Эти две переменные могут сильно различаться в разных странах. [1] Регионами с высоким уровнем радиации в течение года являются Ближний Восток, Северное Чили, Австралия, Китай и юго-запад США. [1] [2] В высокопроизводительной солнечной зоне, такой как центральный Колорадо, где годовая инсоляция составляет 2000 кВтч/м 2 /год, [3] можно ожидать, что панель будет производить 400  кВтч энергии в год. Однако в Мичигане, который получает всего 1400 кВтч/м 2 /год, [3] годовая выработка энергии упадет до 280 кВтч для той же панели. В более северных европейских широтах выработка значительно ниже: годовая выработка электроэнергии в южной Англии при тех же условиях составляет 175 кВтч. [4]

Схема сбора заряда солнечными элементами. Свет проходит через прозрачный проводящий электрод, создавая пары электронов и дырок , которые собираются обоими электродами. Эффективность поглощения и сбора солнечной батареи зависит от конструкции прозрачных проводников и толщины активного слоя. [5]

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

По состоянию на 2024 год мировой рекорд эффективности солнечных элементов составит 47,6%, установленный в мае 2022 года компанией Fraunhofer ISE с четырехпереходным концентрирующим фотоэлектрическим элементом (CPV) III-V. [7] Это побило предыдущий рекорд в 47,1%, установленный в 2019 году многопереходными концентрирующими солнечными элементами, разработанными в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) , Голден, Колорадо, США, [8] который был установлен в лабораторных условиях в экстремальных условиях. концентрированный свет. Рекорд в реальных условиях также принадлежит компании NREL, которая разработала ячейки с тройным соединением с проверенной эффективностью 39,5%. [9] [10]

Факторы, влияющие на эффективность преобразования энергии

Факторы, влияющие на эффективность преобразования энергии, были изложены в знаковой статье Уильяма Шокли и Ханса Кейссера в 1961 году. [11] Более подробно см. Предел Шокли – Кейссера .

Предел термодинамической эффективности и предел бесконечного стека

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

Если у кого-то есть источник тепла с температурой T s и более холодный радиатор с температурой T c , максимальное теоретически возможное значение отношения полученной работы (или электрической мощности) к подведенному теплу составляет 1- T c / T s , определяемое выражением тепловая машина Карно . Если принять 6000 К за температуру Солнца и 300 К за условия окружающей среды на Земле, то это составит 95%. В 1981 году Алексис де Вос и Герман Паувелс показали, что это достижимо с помощью стопки из бесконечного числа ячеек с запрещенной зоной в диапазоне от бесконечности (первые ячейки, с которыми сталкиваются входящие фотоны) до нуля, с очень близким напряжением в каждой ячейке. с напряжением холостого хода, равным 95% запрещенной зоны этой ячейки, и с излучением черного тела с температурой 6000 К , исходящим со всех направлений. Однако достигнутый таким образом КПД в 95 % означает, что электрическая мощность составляет 95 % от чистого количества поглощенного света — батарея излучает излучение, поскольку ее температура не равна нулю, и это излучение необходимо вычесть из входящего излучения при расчете мощности. количество передаваемого тепла и КПД. Они также рассмотрели более актуальную проблему максимизации выходной мощности для батареи, освещаемой со всех сторон излучением черного тела с температурой 6000 К. В этом случае напряжение необходимо снизить до уровня менее 95% запрещенной зоны (процент не является постоянным для всех ячеек). Максимальная рассчитанная теоретическая эффективность составляет 86,8% для стопки из бесконечного числа ячеек с использованием поступающего концентрированного солнечного излучения. [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, на них распространяется нижний предел эффективности, названный Шокли и Квайссером «предельной эффективностью». Фотоны с энергией ниже запрещенной зоны материала поглотителя не могут генерировать пару электрон-дырка , поэтому их энергия не преобразуется в полезную продукцию и генерирует тепло только в случае поглощения. Для фотонов с энергией выше энергии запрещенной зоны только часть энергии выше запрещенной зоны может быть преобразована в полезный выходной сигнал. Когда поглощается фотон большей энергии, избыточная энергия над запрещенной зоной преобразуется в кинетическую энергию комбинации носителей. Избыточная кинетическая энергия преобразуется в тепло посредством фононных взаимодействий, когда 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-Кейссера . [14]

Солнечные элементы с поглощающими материалами с несколькими запрещенными зонами 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 свой вклад в ток, создаваемый солнечным элементом; Говорят, что такой перевозчик собран . Или носители рекомбинируют , не внося вклада в ток ячейки.

Квантовая эффективность относится к проценту фотонов, которые преобразуются в электрический ток (т.е. собираются носители), когда ячейка работает в условиях короткого замыкания. Два типа квантов, которые обычно упоминаются, когда говорят о солнечных элементах, — это внешние и внутренние. Внешняя квантовая эффективность (EQE) относится к измеримым свойствам солнечного элемента. «Внешняя» квантовая эффективность кремниевого солнечного элемента включает в себя эффект оптических потерь, таких как пропускание и отражение. Могут быть приняты меры по уменьшению этих потерь. Потери на отражение, которые могут составлять до 10% от общей падающей энергии, можно значительно уменьшить с помощью метода, называемого 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 удобно 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 поверхности полупроводника.

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

Максимальная мощность

На стекле солнечных модулей часто скапливается пыль , выделенная на этом негативном изображении черными точками, что уменьшает количество света, попадающего на солнечные элементы.

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

На максимальную мощность солнечного элемента влияет его температура. Зная технические данные определенного солнечного элемента, его выходную мощность при определенной температуре можно получить по формуле , где – мощность, вырабатываемая в стандартных условиях испытаний; — фактическая температура солнечного элемента.

Высококачественный солнечный элемент из монокристаллического кремния при температуре элемента 25 °C может производить  напряжение холостого хода 0,60 В ( V OC ). Температура элемента при ярком 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. С этим типом элемента напряжение падает незначительно, пока не достигнет тока короткого замыкания ( I SC ). Максимальная мощность (при температуре элемента 45 °C) обычно достигается при 75–80 % напряжения холостого хода (в данном случае 0,43 В) и 90 % тока короткого замыкания. Этот выход может составлять до 70% продукта 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 только на 10% при падении освещенности на 80%. Элементы более низкого качества имеют более быстрое падение напряжения с увеличением тока и могут производить только 1/2  В OC при 1/2  I SC . Таким образом, полезная выходная мощность может упасть с 70% продукта V OC x I SC до 50% или даже всего лишь до 25%. Поставщики, которые оценивают «мощность» своих солнечных элементов только как V OC x I SC , не указывая кривые нагрузки, могут серьезно исказить их фактическую производительность.

Максимальная мощность фотоэлектрической батареи зависит от падающего освещения. Например, скопление пыли на фотоэлектрических панелях снижает максимальную мощность. [18] Недавно были проведены 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 «кувырком». [19] Затем из-за силы тяжести и того факта, что солнечные панели слегка наклонены, частицы пыли притягиваются вниз под действием силы тяжести. [19] Эти системы требуют лишь небольшого энергопотребления и повышают производительность солнечных батарей, особенно при установке в пустыне, где накопление пыли способствует снижению производительности солнечной панели. Кроме того, для систем, достаточно больших, чтобы оправдать дополнительные расходы, устройство отслеживания максимальной мощности отслеживает мгновенную мощность путем постоянного измерения напряжения и тока (и, следовательно, передачи мощности) и использует эту информацию для динамической регулировки нагрузки, чтобы максимальная мощность всегда переносится, независимо от изменения освещения.

Коэффициент заполнения

Еще одним определяющим фактором в общем поведении солнечного элемента является коэффициент заполнения ( FF ). Этот фактор является мерой качества солнечного элемента. Это доступная мощность в точке максимальной мощности ( P m ), деленная на напряжение холостого хода ( V OC ) и ток короткого замыкания ( I SC ):

Коэффициент заполнения может быть представлен графически с помощью развертки IV, где он представляет собой соотношение различных прямоугольных областей. [20]

На коэффициент заполнения напрямую влияют значения последовательностей ячеек, шунтирующих сопротивлений и потерь в диодах. Увеличение сопротивления шунта (R sh ) и уменьшение последовательного сопротивления (R s ) приводят к более высокому коэффициенту заполнения, что приводит к повышению эффективности и приближению выходной мощности элемента к ее теоретическому максимуму. [21]

Типичные коэффициенты заполнения варьируются от 50% до 82%. Коэффициент заполнения обычного кремниевого фотоэлектрического элемента составляет 80%.

Сравнение

Эффективность преобразования энергии измеряется путем деления электрической мощности на мощность падающего света. Факторы, влияющие на выходную мощность, включают спектральное распределение, пространственное распределение мощности, температуру и резистивную нагрузку. Стандарт IEC 61215 используется для сравнения характеристик элементов и разработан для стандартных (земных, умеренных) температур и условий (STC): интенсивность излучения 1 кВт/м 2 , спектральное распределение, близкое к солнечному излучению через AM ( масса воздуха ) 1,5. и температура ячейки 25°C. Резистивная нагрузка изменяется до тех пор, пока не будет достигнута пиковая или максимальная мощность (MPP). Мощность в этот момент записывается как пиковая мощность (Вт). Тот же стандарт используется для измерения мощности и эффективности фотоэлектрических модулей.

Масса воздуха влияет на производительность. В космосе, где нет атмосферы, спектр Солнца относительно нефильтрованный. Однако на Земле воздух фильтрует поступающий свет, изменяя солнечный спектр. Эффект фильтрации варьируется от воздушной массы 0 (AM0) в космосе до примерно 1,5 воздушной массы на Земле. Умножение спектральных различий на квантовую эффективность рассматриваемого солнечного элемента дает эффективность. Наземная эффективность обычно выше, чем космическая. Например, кремниевый солнечный элемент в космосе может иметь эффективность 14% при AM0 и 16% на Земле при AM 1,5. Однако обратите внимание, что количество падающих фотонов в космосе значительно больше, поэтому солнечный элемент может производить значительно больше энергии в космосе, несмотря на более низкую эффективность, о чем свидетельствует уменьшение процента общей улавливаемой падающей энергии.

Эффективность солнечных элементов варьируется от 6% для солнечных элементов на основе аморфного кремния до 44,0% для многопереходных производственных элементов и 44,4% для нескольких кристаллов, собранных в гибридный корпус. [22] [23] Эффективность преобразования энергии солнечных элементов для коммерчески доступных солнечных элементов из мультикристаллического кремния составляет около 14–19%. [24] Ячейки с самым высоким КПД не всегда были самыми экономичными - например, многопереходная ячейка с КПД 30% на основе экзотических материалов, таких как арсенид галлия или селенид индия, производимая в небольших объемах, вполне может стоить в сто раз дороже, чем 8%-ная ячейка. эффективный элемент из аморфного кремния в массовом производстве, обеспечивая при этом лишь примерно в четыре раза большую производительность.

Однако есть способ «увеличить» солнечную энергию. При увеличении интенсивности света обычно увеличивается количество фотогенерированных носителей, что увеличивает эффективность до 15%. Эти так называемые « системы-концентраторы » начали становиться конкурентоспособными только в результате разработки высокоэффективных элементов GaAs. Увеличение интенсивности обычно достигается за счет использования концентрирующей оптики. Типичная система концентратора может использовать интенсивность света, в 6–400 раз превышающую солнечную, и увеличивать эффективность одного солнечного элемента GaAs с 31% при AM 1,5 до 35%.

Распространенным методом выражения экономических затрат является расчет цены за поставленный киловатт-час (кВтч). Эффективность солнечных батарей в сочетании с доступным излучением оказывает большое влияние на затраты, но, вообще говоря, важна общая эффективность системы. Коммерчески доступные солнечные элементы (по состоянию на 2006 год) достигли эффективности системы от 5 до 19%.

Устройства из нелегированного кристаллического кремния приближаются к теоретическому предельному КПД в 29,43%. [25] В 2017 году эффективность 26,63% была достигнута в гетеропереходной ячейке из аморфного кремния / кристаллического кремния , в которой как положительные, так и отрицательные контакты расположены на задней стороне ячейки. [26] [27]

Окупаемость энергии

Время окупаемости энергии определяется как время восстановления, необходимое для выработки энергии, затраченной на изготовление современного фотоэлектрического модуля. В 2008 году он оценивался в от 1 до 4 лет [28] [29] в зависимости от типа модуля и местоположения. При типичном сроке службы от 20 до 30 лет это означает, что современные солнечные элементы будут чистыми производителями энергии, то есть за время своего существования они будут генерировать больше энергии, чем энергии, затраченной на их производство. [28] [30] [31] Как правило, тонкопленочные технологии, несмотря на сравнительно низкую эффективность преобразования, обеспечивают значительно более короткие сроки окупаемости энергии, чем традиционные системы (часто < 1 года). [32]

Исследование, опубликованное в 2013 году, показало, что время окупаемости энергии составляет от 0,75 до 3,5 лет, при этом тонкопленочные элементы находятся на нижнем конце, а элементы из мультикристаллического кремния (multi-Si) имеют время окупаемости 1,5–2,6 года. [33] В обзоре 2015 года оценивались время окупаемости энергии и EROI солнечной фотоэлектрической энергии. В этом мета-исследовании, в котором используется инсоляция 1700 кВтч/м 2 /год и срок службы системы 30 лет, были обнаружены средние гармонизированные значения EROI от 8,7 до 34,2. Среднее время окупаемости гармонизированной энергии варьировалось от 1,0 до 4,1 года. [34] Устройства из кристаллического кремния достигают в среднем периода окупаемости энергии 2 года. [28] [35]

Как и любая другая технология, производство солнечных элементов зависит от существования сложной глобальной промышленной производственной системы. Сюда входят производственные системы, которые обычно учитываются при оценке производственной энергии; возможные горнодобывающие, нефтеперерабатывающие и глобальные транспортные системы; и другие энергоемкие вспомогательные системы, включая системы финансов, информации и безопасности. Сложность измерения таких накладных расходов на электроэнергию приводит к некоторой неопределенности при любой оценке 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 образующиеся носители заряда. Обычно для этой цели используются пленки с высоким коэффициентом пропускания и высокой электропроводностью, такие как оксид индия-олова, проводящие полимеры или проводящие сети нанопроволок. Существует компромисс между высоким коэффициентом пропускания и электропроводностью, поэтому для обеспечения высокой эффективности следует выбирать оптимальную плотность проводящих нанопроводов или структуру проводящей сети. [5]

Содействие рассеянию света

Диаграмма характерных профилей усиления электронного поля в тонких фотоэлектрических пленках (толщиной t_PV) с передними элементами. Два одновременных оптических механизма могут вызывать захват света : антиотражение и рассеяние; и для каждого механизма можно выделить две основные спектральные области, на коротких и длинных волнах, что приводит к 4 типам профилей усиления поглощения, показанным здесь в области поглотителя. Основной геометрический параметр фотонных структур, влияющий на усиление поглощения в каждом профиле, указан черными стрелками. [37]

Включение эффектов светорассеяния в солнечные элементы представляет собой фотонную стратегию увеличения поглощения фотонов солнечного света с более низкой энергией (в основном в ближнем инфракрасном диапазоне), для которых фотоэлектрический материал имеет пониженный коэффициент поглощения. Такая схема улавливания света осуществляется за счет отклонения световых лучей от направления падения, тем самым увеличивая длину их пути в поглотителе ячеек. [38] Традиционные подходы, используемые для реализации рассеяния света, основаны на текстурированных задней/передней поверхностях, но было продемонстрировано множество альтернативных оптических конструкций с многообещающими результатами, основанных на дифракционных решетках, массивах металлических или диэлектрических нано/микрочастиц, волново-оптических микрочастицах. структурирование и др. [39] При нанесении на переднюю часть устройства эти структуры могут действовать как геометрические антибликовые покрытия, одновременно уменьшая отражение исходящего света.

Например, покрытие светопринимающей поверхности элемента металлическими наноразмерными шипами может существенно повысить эффективность элемента. Свет отражается от этих штифтов под косым углом к ​​ячейке, увеличивая длину пути света через ячейку. Это увеличивает количество фотонов, поглощаемых клеткой, и величину генерируемого тока. [40] Основными материалами, используемыми для изготовления наношпильок, являются серебро , золото и алюминий . Золото и серебро не очень эффективны, поскольку они поглощают большую часть света видимого спектра, который содержит большую часть энергии солнечного света, уменьшая количество света, попадающего в клетку. [40] Алюминий поглощает только ультрафиолетовое излучение и отражает как видимый, так и инфракрасный свет, поэтому потери энергии сводятся к минимуму. Алюминий может повысить эффективность ячеек до 22% (в лабораторных условиях). [41]

Антибликовые покрытия и текстуры

Антибликовые покрытия разработаны для уменьшения отражения солнечного света от солнечных элементов, тем самым улучшая свет, передаваемый в фотоэлектрический поглотитель. [42] Этого можно достичь, вызывая деструктивную интерференцию отраженных световых волн, например, в покрытиях на основе передней (много)слойной композиции, и/или путем геометрического согласования показателей преломления, вызванного топографией поверхности, со многими Архитектура, вдохновленная природой. [43] Например, на поверхности глаз бабочки можно увидеть массив сосков, гексагональный массив субволновых конических наноструктур. [43] Сообщалось, что использование такой архитектуры поверхности минимизирует потери на отражение на 25%, преобразуя дополнительный захваченный фотон в увеличение энергии солнечного элемента на 12%. [43]

Использование передних микроструктур, например, полученных с помощью текстурирования или других фотонных свойств, также можно использовать в качестве метода достижения антиотражательной способности, при котором поверхность солнечного элемента изменяется так, что падающий свет постепенно увеличение эффективного показателя преломления при движении от воздуха к фотоэлектрическому материалу. Эти поверхности могут быть созданы путем травления или литографии. Одновременно они способствуют эффектам рассеяния света, которые еще больше усиливают поглощение, особенно более длинноволновых фотонов солнечного света. [37] Добавление плоской задней поверхности в дополнение к текстурированию передней поверхности дополнительно помогает улавливать свет внутри ячейки, обеспечивая тем самым более длинный оптический путь.

Радиационное охлаждение

Увеличение температуры солнечного элемента примерно на 1 °C приводит к снижению эффективности примерно на 0,45%. Чтобы предотвратить это, на солнечные панели можно нанести прозрачный слой кристаллов кремнезема . Слой кремнезема действует как термическое черное тело , которое излучает тепло в виде инфракрасного излучения в космос, охлаждая элемент до 13 °C. [44] Таким образом, радиационное охлаждение может продлить срок службы солнечных элементов. [45] Полная 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

Пассивация поверхности имеет решающее значение для эффективности солнечных элементов. [47] Многие улучшения были сделаны на передней стороне солнечных элементов массового производства, но алюминиевая задняя поверхность препятствует повышению эффективности. [48] ​​Эффективность многих солнечных элементов повысилась за счет создания так называемых пассивированных эмиттерных и задних элементов (PERC). Химическое осаждение пакета диэлектрических пассивирующих слоев на задней поверхности, который также состоит из тонкой пленки оксида кремния или оксида алюминия , покрытой пленкой нитрида кремния, помогает повысить эффективность кремниевых солнечных элементов. Это помогло повысить эффективность ячейки для коммерческого материала пластин Cz-Si с чуть более 17% до более 21% к середине 2010-х годов [49] , а эффективность ячейки для квазимоно-Si до рекордных 19,9%.

Концепция пассивации задней поверхности кремниевых солнечных элементов также была реализована для солнечных элементов CIGS. [50] Пассивация задней поверхности демонстрирует потенциал 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 тыльным молибденовым электродом . Точечные контакты на слое Al 2 O 3 создаются с помощью электронной литографии, а линейные контакты на слое SiO 2 создаются с помощью фотолитографии . Кроме того, внедрение слоев пассивации не меняет морфологию слоев CIGS.

Тонкопленочные материалы

Хотя тонкопленочные материалы не являются прямой стратегией повышения эффективности, они открывают большие перспективы для солнечных элементов с точки зрения низкой стоимости и адаптируемости к существующим структурам и технологиям. [53] Поскольку материалы настолько тонкие, им не хватает оптического поглощения солнечных элементов из объемного материала. Были продемонстрированы попытки исправить это, например, схемы улавливания света, способствующие рассеянию света. [54] Также важна рекомбинация поверхности тонких пленок. Поскольку это доминирующий процесс рекомбинации в наноразмерных тонкопленочных солнечных элементах, он имеет решающее значение для их эффективности. Добавление пассивирующего тонкого слоя диоксида кремния может уменьшить рекомбинацию.

Тандемные ячейки

Тандемные солнечные элементы сочетают в себе два материала для повышения эффективности. В 2022 году было анонсировано устройство, сочетающее множественный перовскит с несколькими слоями кремния. Перовскиты демонстрируют замечательную способность эффективно улавливать и преобразовывать синий свет, дополняя кремний, который особенно хорошо поглощает красные и инфракрасные волны. 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

Рекомендации

  1. ^ аб Каннан, Надараджа; Вакисан, Дивагар (1 сентября 2016 г.). «Солнечная энергия для мира будущего: - Обзор». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 62 : 1092–1105. дои : 10.1016/j.rser.2016.05.022. ISSN  1364-0321.
  2. ^ Кеберле, Александр К.; Гернаат, Дэвид EHJ; ван Вуурен, Детлеф П. (1 сентября 2015 г.). «Оценка текущего и будущего технико-экономического потенциала концентрированной солнечной энергии и производства фотоэлектрической электроэнергии». Энергия . 89 : 739–756. Бибкод : 2015Ene....89..739K. doi :10.1016/j.energy.2015.05.145. hdl : 1874/319865 . ISSN  0360-5442. S2CID  108996432.
  3. ^ аб Билли Робертс (20 октября 2008 г.). «Фотоэлектрический солнечный ресурс США». Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии . Проверено 17 апреля 2017 г.
  4. ^ Дэвид Дж. К. Маккей . «Устойчивая энергетика – без горячего воздуха». inference.org.uk . Проверено 20 ноября 2017 г. Солнечная фотоэлектрическая энергия: данные с установки площадью 25 м² в Кембриджшире в 2006 году.
  5. ^ abc Кумар, Анкуш (3 января 2017 г.). «Прогнозирование эффективности солнечных элементов на основе прозрачных проводящих электродов». Журнал прикладной физики . 121 (1): 014502. Бибкод : 2017JAP...121a4502K. дои : 10.1063/1.4973117. ISSN  0021-8979.
  6. ^ «Основы эффективности преобразования фотоэлектрических элементов». Министерство энергетики США . Проверено 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.; Франция, Райан М.; Шульте, Кевин Л.; Штайнер, Майлз А.; Норман, Эндрю Г.; Гатри, Харви Л.; Янг, Мэтью Р.; Сун, Тао; Мориарти, Томас (апрель 2020 г.). «Шестипереходные солнечные элементы III – V с эффективностью преобразования 47,1% при концентрации Солнца 143». Энергия природы . 5 (4): 326–335. Бибкод : 2020NatEn...5..326G. дои : 10.1038/s41560-020-0598-5. ISSN  2058-7546. ОСТИ  1659948. S2CID  216289881.
  9. ↑ Оздемир, Дерья (20 мая 2022 г.). «Ученые только что побили рекорд самого эффективного солнечного элемента». Интересный инжиниринг.com . Проверено 7 августа 2023 г.
  10. ^ Франция, Райан М.; Гейс, Джон Ф.; Сун, Тао; Олаваррия, Уолдо; Янг, Мишель; Кибблер, Алан; Штайнер, Майлз А. (18 мая 2022 г.). «Солнечные элементы с тройным переходом с 39,5% земной эффективностью и 34,2% космической эффективностью, обеспечиваемые толстыми сверхрешетками с квантовыми ямами». Джоуль . 6 (5): 1121–1135. arXiv : 2203.15593 . дои : 10.1016/j.joule.2022.04.024. ISSN  2542-4351. S2CID  247778421.
  11. ^ Шокли Уильям; Квайсер Ханс Дж (1961). «Подробный балансовый предел эффективности солнечных элементов с pn-переходом». Журнал прикладной физики . 32 (3): 510–519. Бибкод : 1961JAP....32..510S. дои : 10.1063/1.1736034. Архивировано из оригинала 23 февраля 2013 года.
  12. ^ Де Вос, А. (1980). «Детальный балансовый предел эффективности тандемных солнечных элементов». Журнал физики D: Прикладная физика . 13 (5): 839–846. Бибкод : 1980JPhD...13..839D. дои : 10.1088/0022-3727/13/5/018. S2CID  250782402.
  13. ^ А. Де Вос и Х. Пауэлс (1981). «О термодинамическом пределе преобразования фотоэлектрической энергии». Прил. Физ . 25 (2): 119–125. Бибкод : 1981ApPhy..25..119D. дои : 10.1007/BF00901283. S2CID  119693148.
  14. ↑ Рюле, Свен (8 февраля 2016 г.). «Табличные значения предела Шокли – Кейссера для однопереходных солнечных элементов». Солнечная энергия . 130 : 139–147. Бибкод : 2016SoEn..130..139R. doi :10.1016/j.solener.2016.02.015.
  15. ^ Ченг-Сяо Ву и Ричард Уильямс (1983). «Ограничение эффективности нескольких квантовых устройств с энергетической запрещенностью». Дж. Прил. Физ . 54 (11): 6721. Бибкод : 1983JAP....54.6721W. дои : 10.1063/1.331859.
  16. ^ Верлинден, Пьер; Эврар, Оливье; Мази, Эммануэль; Крэхай, Андре (март 1992 г.). «Текстурирование поверхности солнечных элементов: новый метод с использованием V-образных канавок с контролируемыми углами боковых стенок». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 26 (1–2): 71–78. дои : 10.1016/0927-0248(92)90126-А.
  17. ^ Аб Кирхарц, Томас; Рау, Уве (2018). «Что делает солнечный элемент хорошим?». Передовые энергетические материалы . 8 (28): 1703385. Бибкод : 2018AdEnM...803385K. дои : 10.1002/aenm.201703385. S2CID  103853300.
  18. ^ А. Молки (2010). «Пыль влияет на эффективность солнечных батарей». Физическое образование . 45 (5): 456–458. Бибкод : 2010PhyEd..45..456M. дои : 10.1088/0031-9120/45/5/F03. S2CID  250818645.
  19. ^ аб Кавамото, Хироюки; Го, Бин (1 февраля 2018 г.). «Совершенствование системы электростатической очистки от пыли солнечных панелей». Журнал электростатики . 91 : 28–33. doi :10.1016/j.elstat.2017.12.002. ISSN  0304-3886.
  20. ^ «Часть II - Теория характеристик фотоэлектрических элементов IV и код анализа LabVIEW» . Часть II – Теория характеристики фотоэлектрических элементов IV и код анализа LabVIEW – National Instruments, 10 мая 2012 г., ni.com/white-paper/7230/en/.
  21. ^ Дженни Нельсон (2003). Физика солнечных батарей. Издательство Имперского колледжа. ISBN 978-1-86094-340-9.
  22. ^ «Solar Junction побивает собственный рекорд эффективности преобразования CPV» . 18 декабря 2013 года . Проверено 18 декабря 2013 г.
  23. ^ «Мировой рекорд эффективности солнечных батарей, установленный Sharp — 44,4%» . 28 июля 2013 года . Проверено 28 июля 2013 г.
  24. ^ Шульц, О.; Метте, А.; Преу, Р.; Глунц, SW (2007). «Кремниевые солнечные элементы с металлизацией лицевой стороны с трафаретной печатью, эффективность которых превышает 19%».
  25. ^ А. Рихтер; М. Гермле; С.В. Глунц (октябрь 2013 г.). «Переоценка предельной эффективности солнечных элементов из кристаллического кремния». Журнал IEEE по фотоэлектрической энергии . 3 (4): 1184–1191. doi :10.1109/JPHOTOV.2013.2270351. S2CID  6013813.
  26. ^ К. Ёсикава; Х. Кавасаки и В. Ёсида (2017). «Кремниевый гетеропереходный солнечный элемент с встречно-штыревыми задними контактами для эффективности фотопреобразования более 26%». Энергия природы . 2 (5): 17032. Бибкод : 2017NatEn...217032Y. doi : 10.1038/nenergy.2017.32. S2CID  114171665.
  27. ^ «Установлен новый мировой рекорд по эффективности преобразования в солнечном элементе из кристаллического кремния» . 25 августа 2017 года . Проверено 15 марта 2018 г.
  28. ^ abc «Какова энергетическая окупаемость фотоэлектрических систем?» (PDF) . Декабрь 2004 года . Проверено 20 декабря 2008 г.
  29. ^ М. Ито; К. Като; К. Комото; и другие. (2008). «Сравнительное исследование стоимости и анализа жизненного цикла очень крупных фотоэлектрических (VLS-PV) систем мощностью 100 МВт в пустынях с использованием модулей m-Si, a-Si, CdTe и CIS». Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 16 :17–30. дои : 10.1002/pip.770. S2CID  97914857.
  30. ^ «Анализ чистой энергии для устойчивого производства энергии из солнечных элементов на основе кремния» (PDF) . Проверено 13 сентября 2011 г.
  31. ^ Коркиш, Ричард (1997). «Могут ли солнечные элементы когда-либо вернуть энергию, вложенную в их производство?». Солнечный прогресс . 18 (2): 16–17.
  32. ^ К.Л. Чопра; П.Д. Полсон и В. Датта (2004). «Тонкопленочные солнечные элементы: обзор прогресса в фотоэлектрической энергетике». Исследования и приложения . 12 (23): 69–92. дои : 10.1002/pip.541. S2CID  39250492.
  33. ^ Пэн, Цзиньцин; Лу, Лин; Ян, Хунсин (2013). « Обзор оценки жизненного цикла окупаемости энергии и выбросов парниковых газов солнечных фотоэлектрических систем ». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 19 : 255–274. дои : 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 окупаемость вложенной энергии (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 когда-либо достигнутая эффективность кремниевых солнечных батарей» . ScienceDaily. 24 октября 2008 года . Проверено 9 декабря 2009 г.
  36. ^ Тренер, FE (2007) «Возобновляемая энергия не может поддержать общество потребителей»
  37. ^ Аб 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, Исодиан; Хальме, Янне; Коч, Мехмет; Мендес, Мануэль Жуан; Питерс, Ян Мариус; Йерси, Сельчук (2022), Лакнер, Максимилиан; Саджади, Бахарак; Чен, Вэй-Инь (ред.), «Расширение возможностей фотоэлектрических систем с помощью технологий интеллектуального управления освещением», Справочник по смягчению последствий изменения климата и адаптации к ним , Чам: 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, Олалья; Хак, Сиразул; Матеус, Тьяго; Агуас, Хьюго; Фортунато, Эльвира; Мартинс, Родриго (1 января 2020 г.), Энричи, Франческо; Ригини, Джанкарло К. (ред.), «Глава девятая - Волново-оптические фронтальные структуры на тонкопленочных солнечных элементах из кремния и перовскита», Солнечные элементы и управление освещением , Elsevier, стр. 315–354, ISBN 978-0-08-102762-2, получено 9 марта 2023 г.
  40. ↑ аб Мукунт, Васудеван (24 октября 2013 г.). «Повышение эффективности солнечных батарей». Индус . Проверено 6 августа 2016 г.
  41. ^ Хилтон, Николас; Ли, X.F; Джаннини, К.Х.; Ли, Нью-Джерси; Экинс-Даукс, Нью-Джерси; Лоо, Дж.; Веркруйсс, Д.; Ван Дорп, П.; Содабанлу, Х.; Сугияма, М.; Майер, SA (7 октября 2013 г.). «Снижение потерь в плазмонных солнечных элементах: наночастицы алюминия для усиления широкополосного фототока в фотодиодах GaAs». Научные отчеты . 3 : 2874. Бибкод : 2013NatSR...3E2874H. дои : 10.1038/srep02874. ПМЦ 3791440 . ПМИД  24096686. 
  42. ^ Ну и дела, 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-efficient/.
  43. ^ abc Раут, Хемант Кумар; Ганеш, В. Ананд; Наир, А. Шрикумаран; Рамакришна, Сирам (2011). «Антибликовые покрытия: критический, углубленный обзор». Энергетика и экология . 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 явно прозрачного фотонно-кристаллического теплового черного тела». Труды Национальной академии наук . 112 (40): 12282–12287. Бибкод : 2015PNAS..11212282Z. дои : 10.1073/pnas.1509453112 . ISSN  0027-8424. ПМЦ 4603484 . ПМИД  26392542. 
  45. ^ Хо, Се Ён; Джу Ли, Гил; Сон, Ён Мин (июнь 2022 г.). «Теплоотделение фотонными структурами: радиационное охлаждение и его потенциал». Журнал химии материалов C. 10 (27): 9915–9937. дои : 10.1039/D2TC00318J. S2CID  249695930 – через Королевское химическое общество.
  46. ^ Ахмед, Салман; Ли, Чжэнпэн; Джавед, Мухаммад Шахзад; Ма, Тао (сентябрь 2021 г.). «Обзор интеграции радиационного охлаждения и сбора солнечной энергии». Материалы сегодня: Энергия . 21 : 100776. doi : 10.1016/j.mtener.2021.100776 – через Elsevier Science Direct.
  47. ^ Блэк, Лахлан Э. (2016). Новые перспективы пассивации поверхности: понимание интерфейса Si-Al2O3 (PDF) . Спрингер. ISBN 9783319325217.
  48. ^ «Технология пассивации задней поверхности солнечных элементов из кристаллического кремния: 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, Лахлан Э. (2016). Новые перспективы пассивации поверхности: понимание интерфейса Si-Al2O3 (PDF) . Спрингер. стр. 1–2. ISBN 9783319325217.
  50. ^ Верманг, Барт; Вятен, Йорн Тимо; Фьельстрем, Виктор; Ростваль, Фредрик; Эдофф, Марика; Котипалли, Ратан; Генри, Фредерик; Фландр, Дени (2014). «Использование технологии солнечных элементов Si для повышения эффективности ультратонких солнечных элементов Cu (In, Ga) Se2». Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 22 (10): 1023–1029. дои : 10.1002/pip.2527. ПМК 4540152 . ПМИД  26300619. 
  51. ^ Бозе, С.; Кунья, JMV; Борме, Дж.; Чен, туалет; Нильссон, Н.С.; Тейшейра, Япония; Гаспар, Дж.; Лейтао, Япония; Эдофф, М.; Фернандес, Пенсильвания; Саломе, PMP (2019). «Морфологическое и электронное исследование ультратонких задних пассивированных солнечных элементов Cu (In, Ga) Se2». Тонкие твердые пленки . 671 : 77–84. Бибкод : 2019TSF...671...77B. дои :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). «Создание 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 во влиянии 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.). «Прогресс в области тандемных солнечных элементов из перовскита и кремния бьет рекорд эффективности» . Новый Атлас . Проверено 26 декабря 2022 г.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с солнечными батареями.