Повышение эффективности кремниевых солнечных панелей

1.

Повышение эффективности кремниевых солнечных панелей
МУРАДАЛИЕВА И. Р.
Ивановский государственный университет
К настоящему времени в мире проведено множество исследований в области использования нетрадиционных и возобновляемых источников
энергии. Благодаря созданию различных конструкций солнечных элементов (СЭ) солнечное излучение с помощью фотоэлектрических
элементов преобразуется в электрическую энергию. Соединение нескольких фотоэлектрических элементов вместе образует фотоэлектрический
модуль (ФЭМ) или солнечные панели (СП). Для получения большой мощности несколько ФЭМ соединяется в фотоэлектрические батареи.
Параметры, описывающие конструкции солнечных элементов
Эффективность (КПД), фактор заполнения (ff ) и вольт-амперные характеристики (ВАХ),
ток короткого замыкания (Isc), плотность тока короткого замыкания (Jsc).
КПД СЭ показывает процент преобразования солнечного излучения в электричество.
Ff показывает, какая часть мощности, вырабатываемой СЭ, используется в нагрузке.
Isc– это максимальный ток, протекающий через выводы СЭ при их коротком замыкании,
измерение в мА.
Jsc определяется отношением Isc к S-площади СЭ.
В солнечных элементах (СЭ) применяются полупроводниковые материалы на кремниевой основе. Химическое обозначение кремния – Si, на земле
широко распространен в виде песка, который является диоксидом кремния SiO2. Благодаря физико-химическим свойствам кремний нашел
большое применение также в промышленной и бытовой электронике.
В течение ряда лет разработано множество типов солнечных элементов на основе кремния. В настоящее время широко используются следующие
типы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), изготовленных из различных полупроводниковых материалов.
ФЭП из поликристаллических фотоэлектрических
элементов наиболее распространены ввиду
оптимального соотношения цены и КПД среди всех
разновидностей панелей, КПД которых составляет 1214%. Такие панели имеют синий цвет и
кристаллическую структуру.
ФЭП из монокристаллических
фотоэлектрических элементов более
эффективны, а по цене более дорогие в
пересчете на ватт мощности. КПД таких
панелей составляет 14-16%.
ФЭП из аморфного кремния имеют низкий КПД,
в пределах 6-8%. Несмотря на это, среди всех
кремниевых технологий фотоэлектрических
преобразователей такие солнечные батареи
вырабатывают самую дешевую электроэнергию.
Увеличение эффективности кремниевых солнечных батарей с помощью перовскита
Швейцарские ученые разработали технологию получения солнечного элемента, который одновременно включает в себя и
кремниевую, и перовскитную части. Эффективность гибридной батареи составила 25,2 процента — это рекордный показатель для
батарей такого типа. При этом стоимость технологии не сильно отличается от стоимости производства стандартных кремниевых
элементов, пишут ученые в Nature Materials.
Более эффективные кристаллы кремния, которые используются сейчас в солнечных элементах,
имеют на своей поверхности текстуру, состоящую из массива пирамидок микронного размера, что
сильно снижает долю отраженного света. Однако такая текстура затрудняет осаждение на нее слоев
других составов с помощью традиционных методов. Поэтому в данном случае ученые предложили
использовать для получения перовскитного и промежуточных слоев целый комплекс методов
осаждения пленок из газовой фазы после совместного испарения компонентов, в том числе
термическое напыление, атомно-слоевое осаждение и магнетронное распыление.
Поверхность кремниевых пирамидок в
солнечном элементе, покрытых слоем
перовскита
В результате правильного подбора составов всех слоев, необходимых для создания p-i-n-перехода, удалось получить солнечный элемент, в котором поверхность
кремния покрывала многослойная структура, включающая основной слой перовскита толщиной около 400 нм. Эффективность преобразования энергии
солнечного элемента составила 25,2 %— это рекордный показатель для гибридных батарей такого типа. А за счет использования именно пирамидальной
кремниевой поверхности удалось добиться и высокого значения плотности тока в ячейке: она достигала 19,5мА/см2.
Достоинства перовскитных батарей
Недостатки перовскитных батарей
Основное достоинство предложенного метода — это его
полная совместимость с современной технологией
производства кремниевых батарей. Поэтому добавление к
процессу одной дополнительной стадии не сильно скажется на
стоимости производства, зато значительно увеличит
эффективность получаемых элементов. Ученые отмечают, что
в дальнейшем с помощью такого подхода эффективность
гибридных солнечных ячеек может быть увеличена и до 30%.
Одна из главных недостатков современных перовскитных батарей — их
химическая и физическая деградация, которая приводит к быстрому снижению
эффективности. Чтобы решить эту проблему, исследователи предлагают
различные подходы. Например, недавно для этого химики разработали
перовскитную солнечную батарею с дополнительным слоем фторированного
графена, который не дал КПД элемента упасть за месяц больше, чем на 18 %.
Другой способ замедления деградации — снятие внутренних напряжений в
кристалле, к которому может привести облучение батареи светом энергией
больше ширины запрещенной зоны.