Эффективность солнечных элементов

Эффективность солнечных элементов относится к части энергии в виде солнечного света, которая может быть преобразована с помощью фотоэлектричества в электричество.

Эффективность солнечных элементов, используемых в фотогальванической системе, в сочетании с широтой и климатом, определяет годовую выработку энергии в системе. Например, солнечная панель с эффективностью 20% и площадью 1 м2 будет производить 200 Вт при стандартных условиях испытаний, но она может производить больше, когда солнце высоко в небе и будет производить меньше в облачных условиях или когда солнце низко в небе. В центральной части Колорадо, которая получает ежегодную инсоляцию 5,5 кВтч / м2 / сутки (или 230 Вт / м2), можно ожидать, что такая панель будет производить 440 кВтч энергии в год. Однако в Мичигане, который получает только 3,8 кВтч / м2 / сутки, годовая энергетическая отдача снизится до 280 кВтч для той же панели. На более северных европейских широтах урожайность значительно ниже: 175 кВтч годовой энергетической отдачи в южной Англии.

Несколько факторов влияют на эффективность эффективности преобразования ячейки, включая ее эффективность отражения, термодинамическую эффективность, эффективность разделения носителей заряда и значения эффективности проводимости. Поскольку эти параметры могут быть трудно измерить напрямую, вместо этого измеряются другие параметры, включая квантовую эффективность, отношение летучих органических соединений и коэффициент заполнения. Потери отражения учитываются величиной квантовой эффективности, так как они влияют на «внешнюю квантовую эффективность». Потери рекомбинации учитываются по коэффициенту квантовой эффективности, летучих органических соединений и коэффициентам заполнения. Резистивные потери в основном учитываются значением коэффициента заполнения, но также способствуют значениям квантовой эффективности и коэффициента VOC.

По состоянию на декабрь 2014 года мировой рекорд эффективности солнечных батарей на уровне 46,0% был достигнут за счет использования многоконтактных концентрационных солнечных элементов, разработанных на основе совместных усилий Soitec, CEA-Leti, France и Fraunhofer ISE, Германия.

Факторы, влияющие на эффективность преобразования энергии
Факторы, влияющие на эффективность преобразования энергии, были изложены в важной статье Уильяма Шокли и Ханса Киссера в 1961 году. Подробнее см. Предел Шокли-Киссера.

Предел термодинамической эффективности и предел бесконечного стека
Если источник тепла при температуре Ts и более холодный теплоотвод при температуре Tc, то теоретически возможное значение для отношения работы (или электрической мощности), получаемого при подаче тепла, равно 1-Tc / Ts, заданное тепловым двигателем Карно , Если мы возьмем 6000 К для температуры солнца и 300 К для окружающих условий на Земле, это достигает 95%. В 1981 году Алексис де Вос и Герман Паувелс показали, что это достижимо с помощью стека бесконечного числа ячеек с диапазоном зазоров от бесконечности (первые ячейки, встречающиеся входящими фотонами) до нуля, причем напряжение в каждой ячейке очень близко к напряжению разомкнутой цепи, равному 95% от ширины запрещенной зоны в этой ячейке, и с энергией черного тела 6000 К, идущей со всех сторон. Однако достигнутая таким образом 95% -ная эффективность означает, что электрическая мощность составляет 95% от чистого количества поглощаемого света — стек излучает излучение, поскольку он имеет отличную от нуля температуру, и это излучение должно быть вычтено из поступающего излучения при расчете количество передаваемого тепла и эффективность. Они также рассмотрели более актуальную проблему максимизации выходной мощности для стека, освещенного со всех сторон радиацией черного тела 6000 К. В этом случае напряжение должно быть снижено до менее 95% запрещенной зоны (процент не является постоянным по всем ячейкам). Максимальная расчетная теоретическая эффективность составляет 86,8% для стопки бесконечного числа ячеек с использованием входящего солнечного излучения. Когда входящее излучение приходит только из области неба, величина солнца снижается до 68,7%.

Максимальная эффективность
Однако нормальные фотоэлектрические системы имеют только один pn-переход и поэтому подвержены более низкому пределу эффективности, называемому «предельной эффективностью» Шокли и Киссера. Фотоны с энергией ниже запрещенной зоны поглощающего материала не могут генерировать электронно-дырочную пару, поэтому их энергия не преобразуется в полезный выход и только генерирует тепло, если поглощается. Для фотонов с энергией выше энергии запрещенной зоны только часть энергии выше запрещенной зоны может быть преобразована в полезный выход. Когда поглощается фотон большей энергии, избыточная энергия выше запрещенной зоны преобразуется в кинетическую энергию комбинации носителей. Избыточная кинетическая энергия преобразуется в тепло через фононные взаимодействия, когда кинетическая энергия носителей замедляется до равновесной скорости. Традиционные ячейки с одним соединением имеют максимальную теоретическую эффективность 33,16%.

Солнечные элементы с материалами поглотителей с несколькими ленточными зазорами повышают эффективность за счет деления солнечного спектра на более мелкие бункеры, где предельный термодинамический КПД выше для каждого бункера.

Квантовая эффективность
Как описано выше, когда фотон поглощается солнечным элементом, он может образовывать электронно-дырочную пару. Одна из носителей может достигать pn-перехода и вносить вклад в ток, создаваемый солнечным элементом; считается, что такой носитель собирается. Или же носители рекомбинируют без чистого вклада в ток ячейки.

Квантовая эффективность относится к проценту фотонов, которые преобразуются в электрический ток (т. Е. Собранные носители), когда ячейка работает в условиях короткого замыкания. «Внешняя» квантовая эффективность кремниевого солнечного элемента включает в себя влияние оптических потерь, таких как передача и отражение.

В частности, можно принять некоторые меры для уменьшения этих потерь. Потери отражения, которые могут составлять до 10% от общей энергии падающего излучения, могут быть резко уменьшены с использованием метода, называемого текстурированием, метода захвата света, который модифицирует средний путь света.

Квантовая эффективность наиболее эффективно выражается как спектральное измерение (т. Е. Как функция длины волны фотона или энергии). Поскольку некоторые длины волн поглощаются более эффективно, чем другие, спектральные измерения квантовой эффективности могут дать ценную информацию о качестве полупроводниковой массы и поверхностей. Только квантовая эффективность — это не то же самое, что общая эффективность преобразования энергии, поскольку она не передает информацию о доле мощности, которая преобразуется солнечным элементом.

Максимальная точка питания
Солнечный элемент может работать в широком диапазоне напряжений (V) и токов (I). Увеличивая резистивную нагрузку на облученную ячейку непрерывно от нуля (короткое замыкание) до очень высокого значения (разомкнутую цепь), можно определить максимальную точку мощности, точку, которая максимизирует V × I; то есть нагрузка, для которой ячейка может доставлять максимальную электроэнергию на этом уровне облучения. (Выходная мощность равна нулю как при коротком замыкании, так и в разомкнутых контурах).

Высококачественный, монокристаллический кремниевый солнечный элемент, при температуре ячейки 25 ° C, может создавать обмотку 0.60 В (VOC). Температура ячейки при полном солнечном свете, даже при температуре воздуха 25 ° C, вероятно, будет близка к 45 ° C, уменьшая напряжение разомкнутой цепи до 0,55 В на ячейку. Напряжение падает незначительно, с этим типом ячейки, пока не будет достигнут ток короткого замыкания (ISC). Максимальная мощность (с температурой ячейки 45 ° C) обычно производится с 75% до 80% напряжения разомкнутого контура (в этом случае 0,43 В) и 90% от тока короткого замыкания. Этот выход может составлять до 70% продукта VOC x ISC. Ток короткого замыкания (ISC) от ячейки почти пропорционален освещению, а напряжение разомкнутой цепи (VOC) может упасть только на 10% при 80% -ном снижении освещенности. Более качественные ячейки имеют более быстрое падение напряжения с увеличением тока и могут давать только 1/2 VOC в 1/2 ISC. Таким образом, потребляемая мощность может снизиться с 70% продукта VOC x ISC до 50% или даже до 25%. Поставщики, которые оценивают свою мощность «солнечных батарей» только как VOC x ISC, без кривых нагрузки, могут серьезно искажать их фактическую производительность.

Максимальная точка питания фотогальваники изменяется при падающем освещении. Например, накопление пыли на фотогальванических панелях уменьшает максимальную точку питания. Для систем, достаточно больших, чтобы оправдать дополнительные расходы, максимальный трекер отслеживает мгновенную мощность, постоянно измеряя напряжение и ток (и, следовательно, передачу мощности), и использует эту информацию для динамической настройки нагрузки, поэтому максимальная мощность всегда передается , независимо от изменения освещения.

Коэффициент заполнения
Другим определяющим термином в общем поведении солнечного элемента является коэффициент заполнения (FF). Этот фактор является мерой качества солнечного элемента. Это доступная мощность в максимальной точке питания (Pm), деленная на напряжение разомкнутой цепи (VOC) и ток короткого замыкания (ISC):

Коэффициент заполнения может быть представлен графически с помощью IV развертки, где это отношение различных прямоугольных областей.

На коэффициент заполнения напрямую влияют значения серии ячеек, сопротивления шунта и потери диодов. Увеличение сопротивления шунта (Rsh) и уменьшение последовательного сопротивления (Rs) приводят к более высокому коэффициенту заполнения, что приводит к большей эффективности и повышению выходной мощности ячейки до ее теоретического максимума.

Типичные коэффициенты заполнения варьируются от 50% до 82%. Коэффициент заполнения нормальной кремниевой 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, температуры и резистивной нагрузки. Стандарт IEC 61215 используется для сравнения характеристик ячеек и рассчитан на стандартную (земную, умеренную) температуру и условия (STC): облучение 1 кВт / м2, спектральное распределение вблизи солнечного излучения через AM (воздушная масса) 1,5 и температура ячейки 25 ° C. Резистивная нагрузка изменяется до достижения максимальной или максимальной точки (MPP). Мощность в этой точке записывается как Watt-пик (Wp). Этот же стандарт используется для измерения мощности и эффективности модулей PV.

Воздушная масса влияет на выход. В космосе, где нет атмосферы, спектр Солнца относительно нефильтрован. Однако на земле воздух фильтрует входящий свет, изменяя спектр солнечной энергии. Эффект фильтрации варьируется от массы воздуха 0 (AM0) в пространстве до приблизительно массы воздуха 1,5 на Земле. Умножение спектральных разностей на квантовую эффективность рассматриваемого солнечного элемента дает эффективность. Наземная эффективность обычно выше, чем эффективность пространства. Например, кремниевый солнечный элемент в космосе может иметь эффективность 14% при AM0, но 16% на земле при AM 1.5. Заметим, однако, что число падающих фотонов в пространстве значительно больше, поэтому солнечный элемент может производить значительно большую мощность в космосе, несмотря на более низкую эффективность, о чем свидетельствует сокращение процента захваченной полной падающей энергии.

Эффективность солнечных элементов варьирует от 6% для солнечных элементов на основе аморфного кремния до 44,0% с многоцепочечными производственными клетками и 44,4% с несколькими матрицами, собранными в гибридную упаковку. Эффективность преобразования энергии солнечных батарей для коммерчески доступных многокристаллических солнечных элементов Si составляет около 14-19%. Клетки с наивысшей эффективностью не всегда были наиболее экономичными — например, эффективная многоэлементная ячейка на 30%, основанная на экзотических материалах, таких как арсенид галлия или селенид индия, производимый при малом объеме, может стоить в сто раз больше, чем 8% -ный эффективный аморфный кремний в массовом производстве, обеспечивая лишь около четырех раз выход.

Однако есть способ «увеличить» солнечную энергию. Увеличивая интенсивность света, обычно фотогенерированные носители увеличиваются, увеличивая эффективность до 15%. Эти так называемые «концентраторные системы» стали только стать конкурентоспособными по стоимости в результате разработки высокоэффективных ячеек GaAs. Увеличение интенсивности обычно осуществляется с использованием концентрирующей оптики. Типичная система концентратора может использовать интенсивность света в 6-400 раз по сравнению с Солнцем и повысить эффективность одной солнечной ячейки GaAs с 31% при AM 1,5-35%.

Обычный метод, используемый для выражения экономических издержек, заключается в расчете цены за один киловатт-час (кВт-ч). Эффективность солнечных элементов в сочетании с доступным облучением оказывает значительное влияние на затраты, но, как правило, важна общая эффективность системы. Коммерчески доступные солнечные элементы (по состоянию на 2006 год) достигли эффективности системы от 5 до 19%.

Нелегированные кристаллические кремниевые устройства приближаются к теоретическому предельному КПД 29,43%. В 2017 году эффективность 26,63% была достигнута в аморфной кремниевой / кристаллической ячейке гетероперехода кремния, которая позиционирует как положительные, так и отрицательные контакты на задней стороне ячейки.

Окупаемость энергии
Время окупаемости энергии определяется как время восстановления, необходимое для генерирования энергии, затрачиваемой на изготовление современного фотоэлектрического модуля. В 2008 году он оценивался от 1 до 4 лет в зависимости от типа и местоположения модуля. С типичным временем жизни от 20 до 30 лет это означает, что современные солнечные элементы будут производителями чистой энергии, то есть они будут генерировать больше энергии в течение своей жизни, чем энергия, затрачиваемая на их производство. Как правило, тонкопленочные технологии, несмотря на сравнительно низкую эффективность конверсии, значительно сокращают сроки окупаемости энергии, чем обычные системы (часто менее 1 года).

В опубликованном в 2013 году исследовании, опубликованном в существующей литературе, время окупаемости энергии составляло от 0,75 до 3,5 лет с тонкопленочными ячейками, находящимися на нижнем конце, и многосерийными клетками, срок окупаемости которых составлял 1,5-2,6 года. В обзоре 2015 года было оценено время окупаемости энергии и EROI солнечной фотогальваники. В этом мета-исследовании, которое использует инсоляцию 1700 кВтч / м2 / год и срок службы системы 30 лет, были найдены согласованные EROI между 8,7 и 34,2. Среднее согласованное время окупаемости энергии варьировалось от 1,0 до 4,1 лет. Кристаллические кремниевые устройства достигают в среднем период окупаемости энергии 2 года.

Как и любая другая технология, производство солнечных батарей зависит и предполагает существование сложной глобальной системы промышленного производства. Это включает в себя не только системы изготовления, которые обычно учитываются в оценках производственной энергии, но и условные горнодобывающие, перерабатывающие и глобальные транспортные системы, а также другие энергоемкие критически важные системы поддержки, включая системы финансирования, информации и безопасности. Неопределенность этого энергетического компонента порождает неопределенность при любой оценке времени окупаемости, полученной из этой оценки, которая, по мнению некоторых, является значительной.

Технические методы повышения эффективности

Выбор оптимального прозрачного проводника
Освещаемая сторона некоторых типов солнечных элементов, тонких пленок, имеет прозрачную проводящую пленку, позволяющую свету проникать в активный материал и собирать генерируемые носители заряда. Обычно для этой цели используются пленки с высоким коэффициентом пропускания и высокой электропроводностью, такие как оксид индия-олова, проводящие полимеры или проводящие нанопроволочные сети. Существует компромисс между высоким коэффициентом пропускания и электропроводностью, поэтому оптимальную плотность проводящих нанопроволок или проводящую структуру сети следует выбирать для высокой эффективности.

Содействие рассеянию света в видимом спектре
Посредством подкладки светопринимающей поверхности ячейки с металлическими шипами нанометрового размера эффективность ячейки может быть существенно увеличена, поскольку свет отражает эти штифты под наклонным углом к ​​ячейке, увеличивая длину пути, который принимает свет через клетку, тем самым увеличивая количество поглощенных клеткой фотонов, а также количество генерируемого тока.

Основными материалами, используемыми для нано-шпилек, являются серебро, золото и алюминий. Однако золото и серебро не очень эффективны, так как поглощают большую часть света в видимом спектре, который содержит большую часть энергии, присутствующей в солнечном свете, уменьшая количество света, достигающего клетки. Алюминий, с другой стороны, поглощает только ультрафиолетовое излучение и отражает как видимый, так и инфракрасный свет, поэтому потери энергии минимизируются на этом фронте. Таким образом, алюминий способен повысить эффективность работы ячейки до 22% (в лабораторных условиях).

Радиационное охлаждение
Увеличение температуры солнечных элементов около 1 ° C приводит к снижению эффективности около 0,45%. Чтобы предотвратить снижение эффективности за счет нагрева, прозрачный слой кристалла кремнезема может быть применен к панели солнечных батарей. Силикатный слой действует как тепловое черное тело, которое излучает тепло в виде инфракрасного излучения в пространство, охлаждая ячейку до 13 ° C.

Прозрачные покрытия и текстуры
Прозрачные покрытия могут привести к более разрушительной интерференции падающих световых волн от солнца. Поэтому весь солнечный свет будет передаваться в фотогальванический. Кроме того, текстурирование, при котором поверхность солнечного элемента изменяется, чтобы отраженный свет снова ударялся о поверхность, является еще одним методом, используемым для уменьшения отражения. Эти поверхности могут быть созданы путем травления или использования литографии. Добавление плоской задней поверхности в дополнение к текстурированию передней поверхности помогает улавливать свет внутри ячейки для увеличения длины оптического пути.

Пассивация задней поверхности
Хотя на передней стороне солнечных элементов для массового производства было сделано много улучшений, алюминиевая задняя поверхность сдерживает повышение эффективности. Эффективность многих солнечных элементов выиграла благодаря созданию так называемых пассивированных эмиттеров и задних ячеек (PERC). Химическое осаждение слоя слоя диэлектрической пассивации задней поверхности, которое также изготовлено из тонкой пленки из оксида кремния или оксида алюминия, покрытой пленкой из нитрида кремния, помогает повысить эффективность использования кремниевых солнечных элементов более чем на 1%. Это помогает повысить эффективность клеток для коммерческого пластинчатого материала Cz-Si до 20,2%, а эффективность ячейки для квазимоно-Si до рекордного 19,9%.

Тонкопленочные материалы
Материалы тонкой пленки показывают много обещаний для солнечных элементов с точки зрения низких затрат и адаптации к существующим структурам и технологиям. Однако, поскольку материалы настолько тонкие, им не хватает оптического поглощения, которое имеет солнечные элементы в объемном материале. Хотя попытки исправить эту проблему были опробованы, более важно сосредоточиться на рекомбинации тонкой пленки. Поскольку это доминирующий процесс рекомбинации наноразмерных тонкопленочных солнечных элементов, он имеет решающее значение для их эффективности. Добавление пассивирующего тонкого слоя диоксида кремния может уменьшить рекомбинацию.