ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДРУГИХ КОНСТРУКЦИЙ

Производство структур на основе монокристаллического кремния - про­цесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому в настоящее время ведется активный поиск альтернативных вариантов. В первую очередь внима­ние исследователей привлекают такие материалы, как аморфный кремний (a-Si:H), арсенид галлия (для работы с концентрирующими системами) и поли­кристаллические полупроводники. Аморфный кремний рассматривается в каче­стве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 г. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки a-Si:H толщиной 0,5-1,0 мкм вместо дорого­стоящих кремниевых подложек толщиной 200 мкм. Кроме того, благодаря су­ществующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади технология получения солнечных панелей на его основе не требует использования таких операций как резка, шлифовка и полировка крем­ниевых пластин, которые необходимы при производстве элементов из моно­кристаллического кремния.

По сравнению с элементами на основе как моно-, так и поликристалли­ческого кремния изделия на основе a-Si:H имеют ряд преимуществ: их про­изводят при более низких температурах (300°С), для их производства можно использовать дешевые стеклянные подложки и сократить расход кремния в 20 раз.

До настоящего времени максимальный КПД самых лучших эксперимен­тальных элементов на основе a-Si:H — 12% (на практике 8 — 9%), т. е. сущест­венно ниже КПД СЭ на моно - и поликристаплическом кремнии (-17%). Тем не менее, нельзя исключать того, что активные исследования в этом направлении приведут к созданию технологии производства элементов на основе a-Si:H с более высокими параметрами.

В практику внедряются все новые и новые типы солнечных элементов альтернативных конструкций, проводятся работы по повышению их эффектив­ности.

На рис. 18.109 представлены статистические данные о распределении по годам объемов производства солнечных элементов разного типа, наиболее распространенные на практике. Приведены данные об объемах производства солнечных элементов (СЭ) и модулей на основе моно, мультикристаллического и ленточного кремния.

Доля СЭ на основе монокристаллического кремния последовательно снижается. Если в 1960 г. она составляла около 100%, то в период 2004-2010 гг. она снизилась до 35 - 40% за счет заметного роста выпуска СЭ на базе мультикристаллического кремния. Однако характерно то, что доля кремния всех типов в целом в промышленности солнечных элементов по-прежнему составляет значительную величину (более 65%).

Для более полного использования всего спектра солнечного излучения применяются разные подходы, основной смысл которых заключается в том, что фотоэлементы на основе различных полупроводниковых материалов вместе могут преобразовать значительно большую долю спектра солнечного излуче­ния. Для этих целей можно использовать, например, такие материалы, как кремний, германий, арсенид галлия, другие соединения А3В5, аморфный крем­ний и др. Весь вопрос в том, как разделить солнечное излучение, чтобы каждый элемент, созданный на определенном материале, смог утилизировать свою, со­ответствующую параметрам именно этого полупроводника, часть спектра сол­нечного излучения.

Созданы так называемые «каскадные» преобразователи, в которых фото­элементы различного типа располагаются последовательно один за другим. При этом каждый из них использует ту часть спектра, которая соответствует его ха­рактеристике, а именно, ширине запрещенной зоны.

Принципиальная схема такого преобразователя представлена рис. 9.1, здесь фотоэлементы расположены друг за другом. Солнечный свет сначала по­падает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом погло­щаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т. д.

image088

Рис. 9.1. Принципиальная схема каскадного фотоэлемента

....— Концентратор света

-# и тепловой радиатор

image089

Рис. 9.2. Принципиальная схема модуля спектрального разложения света для повышения степени использования спектра солнечного излучения

Весьма перспективными представляются каскадные батареи, состоящие из трех элементов с различной шириной запрещенной зоны. Верхний слой, погло­щающий коротковолновую область солнечного спектра, формируется на основе, например, аморфного кремния a-Si:H с шириной запрещенной зоны 1,8 эВ. Для серединного элемента может использоваться твердый раствор аморфного кремния и германия a-SiGe:H (1,6 эВ), который наиболее активен в зеленой области сол­нечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть спектра, для этого используется /-слой a-SiGe:H с концентрацией германия 40-50%. Непогло­щенный свет отражается от тылового контакта на основе Ag/ZnO. Все три элемен­та каскадной солнечной батареи связаны между собой сильнолегированными слоями, образующими туннельные переходы между соседними элементами.

Для решения этой же задачи можно обойтись и без использования много­слойных структур, которые необходимо формировать при создании каскадных фотоэлементов, используя устройства спектрального разложения света.

В этом случае солнечное излучение разлагается на множество узких спект­ральных полос, и излучение из каждой полосы преобразуется с помощью от­дельного элемента, ширина запрещенной зоны которого выбирается наиболее оптимальной по отношению к спектральному составу данной полосы. Принци­пиальная схема такого устройства приведена на рис. 9.2.

В модуле, представленном на рис. 9.2, разложение солнечного излучения производится с помощью дихроических зеркал. Дихроические зеркала разлага­ют падающий свет, отражая фотоны с высокой энергией в элемент 1 и пропус­кая фотоны с более низкой энергией к элементу 2 и далее к элементу 3. При 1000-кратном концентрировании солнечного излучения значение КПД при де­ление света на два спектральных диапазона может достигать ~60 %. а при деле­нии на 10 полос он может возрасти даже до ~85 %.

Решить задачу разложения света и направить заданные части спектра на заданные фотоэлементы можно и с помощью призм.

Был разработан оригинальный способ преобразования солнечной радиа­ции, основанный на разложении солнечного излучения в спектр и использова­нии для различных участков спектра фотопреобразователей (ФП), обладающих соответствующей, как это было показано выше, фоточувствительностью, с од­новременной концентрацией излучения [67].

По оценке авторов этой работы такой способ имеет ряд положительных особенностей, позволяющих повысить не только предельный теоретический, но и реальный физический КПД системы. К этим преимуществам можно отнести и независимость оптимизации отдельных СЭ для каждого участка спектра, и оп­тические покрытия, и конструкцию и геометрические размеры, а также отсут­ствие необходимости обеспечения прозрачности СЭ в нерабочей области спек­тра и более эффективное использование фотоэлементов различного типа из од­ного и того же полупроводника.

В частности, разработанный способ позволяет снизить оптические потери на отражение посредством использования просветляющих покрытий СЭ, оптими­зированных для соответствующих участков спектра, в то время как, например, в обычном элементе необходимо просветление, пригодное для всей области чувст­вительности солнечного элемента, а в каскадном - еще и в области за краем фун­даментального поглощения.

Другой очень важной особенностью рассматриваемого способа является возможность отвода от фотоэлемента теплового или ультрафиолетового излу­чения, не преобразуемого в электрическую энергию или преобразуемого с низ­кой эффективностью, что значительно улучшает тепловой режим и делает спо­соб более перспективным для преобразования концентрированного излучения, что обеспечивает повышение реального физического КПД и ресурса работы ус­тановки.

В [72] приведены результаты работы по созданию и исследованию фото­электрической системы на основе наиболее эффективных фотопреобразовате­лей (ФП), выпускаемых промышленностью, в том числе: СЭ на основе кри­сталлического арсенида галлия с гетероструктурой pGaAlAs-pGaAs-nGaAs с шириной запрещенной зоны 1,4 эВ, обладающих высокой эффективностью преобразования коротковолновой части солнечного спектра излучения; СЭ на основе кристаллического кремния со структурой nSi-pSi с шириной зоны 1,1 эВ, обладающих высокой эффективностью преобразования средневолновой части спектра в области максимума солнечного излучения; матричных ФП с «вертикальными» р-п переходами на основе кристаллических германиевых микроэлементов со структурой nGe-pGe с шириной зоны 0,68 эВ, что обеспечи-

вает максимальную эффективность в ближайшей инфракрасной области излу­чения. Предельный КПД такой системы авторы оценили на уровне 64%.

В процессе выполнения этой работы, поддержанной Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ), ее авторами была создана эксперимен­тальная солнечная батарея (СБ), включающая эти три фотопреобразователя, смон­тированная на металлизированной плате размерами 295x75x1,5 мм (рис. 9.3).

image090

Рис. 9.3. Внешний вид экспериментальной батареи с разложением солнечного света с помощью призмы

Солнечная батарея включает систему токоотводов от всех солнечных элементов и обеспечивает проведение измерений фотоэлектрических характе­ристик фотопреобразователей как в независимых электрических цепях, так и в различных системах коммутации ФП.

Внешний вид экспериментального образца аналогичной установки с ди - хроическими линзами для разложения солнечного света представлен на рис. 9.4.

Конструкция снабжена микрометрическими винтами и ширмами, позво­ляющими согласовывать геометрические параметры активных поверхностей различных ФП и параметры их размещения на освещаемой поверхности сол­нечной батареи, в том числе устанавливать и изменять границы между сосед­ними ФП на основе измерений спектральной чувствительности ФП. Получен­ные результаты показывают, что возможность создания установки для исполь­зования на практике представляется реальной. Для выполнения этого цикла ра­бот были созданы специальные лабораторные устройства. Среди них можно от­метить специально разработанную установку для проведения непрерывных изме­рений характеристик фотоэлектрических систем на основе разложения (рис. 9.5.)

Комплекс этих исследований выполнен группой специалистов ГНУ ВИЭСХ под руководством и при участии профессора В. М. Евдокимова.

image091

Рис. 9.4. Дихроические линзы из оргстекла, смонтированные на одном держателе в измерительной установке с экспериментальной солнечной батареей

image092

Рис. 9.5. Установка для проведения непрерывных измерений характеристик фотоэлектрических систем на основе разложения

Созданная в процессе выполнения вышеуказанной работы установка для проведения непрерывных измерений характеристик фотоэлектрических систем на основе разложения спектра солнечного излучения представлена на рис. 9.5.

В ГНУ ВИЭСХ на основе многолетних исследований под руководством академика РАСХН, профессора Стребкова Д. С. разработаны матричные сол-

107

нечные элементы (МСЭ) третьего поколения на основе кремния с КПД 20% и бо­лее при преобразовании концентрированного солнечного излучения с концентра­цией до х100 [68]. Результаты этих исследований, ставших логическим заверше­нием более чем сорокалетних ранее проведенных исследований, нашли отражение в трехтомной монографии [69, 70, 71].

Как уже упоминалось ранее, разделение генерированных солнечным излучением неосновных носителей заряда происходит в электрическом поле р-n перехода, который играет ключевую роль в работе СЭ. Было принято по­лагать, что площадь р-n перехода должна соответствовать площади СЭ. Од­нако у р-n перехода есть и отрицательные свойства. В области р-n перехода имеются рекомбинационные потери. Через р-n переход протекает темновой ток насыщения, связанный с тепловой генерацией носителей заряда, что при­водит к снижению фото-э. д.с. Легированный слой над плоскостью р-n пере­хода имеет большое сопротивление растекания, что увеличивает омические потери, особенно при преобразовании концентрированного солнечного излу­чения. Легированный слой поглощает коротковолновую часть солнечного излучения вследствие потерь на свободных носителях заряда, а его вклад в фототок очень мал из-за рекомбинации носителей заряда на дефектах кри­сталлической структуры и примесных центрах в сильно легированном полу­проводнике.

В результате выполненных исследований [69 — 71] удалось разделить пространственно освещаемую поверхность СЭ на области генерации носителей заряда и области с р-n переходом, ответственные за разделение и собирание но­сителей. При этом площадь легированного слоя и р-n перехода на поверхностях СЭ снижается в 10 раз, а 90% площади поверхности отведено для генерации электронно-дырочных пар при прямом взаимодействии квантов солнечного из­лучения с базовой областью СЭ.

Сделать это удалось за счет применения в фотоэлектрическом модуле кремниевого матричного солнечного элемента (МСЭ) с линзой Френеля в каче­стве концентратора.

МСЭ имеют напряжение 18 В на 1 см2 рабочей поверхности и равное нулю сопротивление растекания легированного слоя. Ожидаемая стоимость МСЭ при серийном производстве вследствие значительного сокращения расходов кремния в два раза снижается по сравнению со стоимостью стандартных планарных СЭ из кремния и может составлять до 0,1 долл./см2.

В результате многолетних исследований была предложена классификация матричных солнечных элементов. Матричные элементы можно разделить на V групп и 10 типов [69 - 71]. Использованы следующие признаки классифика­ции: по числу граней с р-n переходами в одном элементе; по конфигурации р-п переходов в элементе.

Типы МСЭ различаются по способу коммутации микроэлементов в матрице.

Предложенная классификация предусматривает разделение матричных элементов по типу.

Тип 1. Матричный СЭ с р-n переходами на одной грани, перпендику­лярной поверхности.

Тип 2. Матричный СЭ с р-n переходами, параллельными рабочей по­верхности.

Тип 3. Матричный р-n переход с Г-образным р-n переходом.

Тип 4. Матричный СЭ с П-образным р-n переходом с двухсторонней ра­бочей поверхностью.

Тип 5. Матричный СЭ с р-n переходом на трех гранях, перпендикуляр­ных рабочей поверхности.

Тип 6. Матричный СЭ с П-образным р-n переходом.

Тип 7. Матричный СЭ с р-n переходом на четырех гранях, перпендику­лярных рабочей поверхности.

Тип 8. Матричный СЭ с р-n переходом на четырех гранях.

Тип 9. Матричный СЭ с р-n переходом на пяти гранях с двухсторонней рабочей поверхностью.

Тип 10. Матричный СЭ с р-n переходами на пяти гранях.

Отличие матричного СЭ от планарного заключается в том, что линейные размеры микроэлементов в матрице соизмеримы с диффузионной длиной неос­новных носителей тока. Увеличение плотности «упаковки» р-n переходов в матрице увеличивает коэффициент разделения генерируемых пар, поскольку обеспечивается полное собирание носителей, движущихся из любой точки объ­ема матрицы по направлению к р-n переходу.

На рис. 9.6 представлен внешний вид поверхности фотоэлектрического преобразователя на основе многослойной матричной кремниевой структуры.

В результате проведенных работ получены солнечные элементы с пара­метрами, не имеющими аналогов в мире. Электрическая мощность составляла 1 Вт/см“ (10 кВт/м2), что в 50 раз превышает мощность СЭ с КПД 20% при стандартной освещенности 1 кВт/м2 и температуре +25°С.

image093

Рис. 9.6. Поверхность фотоэлектрического преобразователя на основе многослойной матричной кремниевой структуры

image094

Светлым вертикальным полосам на рис. 9.6 соответствуют выходы р-п переходов, располагаемых торцами к потоку солнечной радиации, на поверх­ность пластины. Схема получения матричных солнечных элементов с верти­кальными р-п переходами представлена на рис. 9.7.

Из рисунка видно, что для создания матричного фотоэлемента сначала надо изготовить многослойную структуру с заданным образом чередующимися слоями кремния заданного типа проводимости и удельного сопротивления (на схеме слева). При этом необходимо обеспечить электрические омические кон­такты между соседствующими р-п переходами. Это задача не простая. Но авто­рам вышеуказанных работ удалось решить ее с помощью оригинального, не­стандартного приема - пробоя всей многослойной структуры. Это позволило существенно упростить конструкцию и технологию изготовления исходной многослойной заготовки.

Полученная многослойная система разрезалась на пластины, но только не поперек оси, а вдоль, как это показано на рис. 9.7. В результате можно было получать слои (показано справа на рис. 9.7) с р-п переходами, выходившими своими торцами на поверхность пластины.

Такая структура обладала рядом преимуществ перед классической пла­нарной схемой и решала ряд проблем, рассмотренных выше.

Усовершенствованная за многие годы работы конструкция матричного солнечного элемента (МСЭ) позволила создать высокоэффективный модуль МСЭ-концентратор (линза Френеля) с высокими характеристиками.

Научно-исследовательские работы, проведенные ГНУ ВИЭСХ, показали перспективность данного направления в плане дальнейшего совершенствова­ния технологии получения МСЭ и линз Френеля с выходом на производство модулей для практического использования (рис. 18.112).

Перспективным направлением повышения эффективности и полноты ис­пользования приходящей солнечной радиации является применение двусторон­них солнечных элементов, которые способны преобразовывать в электриче­скую энергию солнечное излучение, падающее на обе стороны элементов, что приводит к увеличению их эффективности.

image095

Рис. 9.8. Схематическое изображение двустороннего солнечного элемента п+1ТО

В последние годы были разработаны и исследованы различные конфигу­рации двусторонних солнечных элементов, конструкции которых в соответствии с числом и типом переходов могут быть разделены на структуры [80]:

а) с двумя анизотипными р-n переходами;

б) с одним анизотипным р-n переходом и одним изотопным п-п+ или р-р+ переходом;

в) с одним анизотипным п-п+ или р-р+р-п переходом.

Каждая из перечисленных конструкций имеет свои недостатки. Так, дву­сторонние солнечные элементы с конструкцией первого типа не удобны в прак­тическом использовании, так как вырабатываемая каждым переходом энергия не суммируется, а вычитается, и на выходе регистрируется их разница. Конст­рукция двусторонних элементов второго типа слишком сложна, а третьего типа не обеспечивает достаточную эффективность элемента при его тыльном осве­щении.

Проведен цикл исследований по разработке конструкции и исследованию свойств двусторонних солнечных элементов (ДСЭ) нового типа, состоящих только из изотипных переходов [81 - 87]. В этих солнечных элементах р-n пе­реход заменяется изотипной структурой полупроводник-диэлектрик - полупроводник (ПДП). Для получения таких структур был использован относи­тельно простой и более низкотемпературный метод пиролитической пульвери­зации.

Принципиальная схема двустороннего солнечного элемента с изотопны­ми переходами п ІТО представлена на рис. 9.8.

На рис. 9.9 приведена маршрутная технологическая карта изготовления двусторонних элементов, а на рис. 18.113 внешний вид такого элемента.

Проведенные исследования вольтамперных и вольтфарадных характери­стик показали, что на начальном этапе для двусторонних солнечных элементов с изотопными переходами (при AM 1,5) КПД составлял около 9,5% при фрон­тальном и около 3,7% при тыльном освещении.

Для оценки оптико-электрических характеристик двусторонних элемен­тов использовалось устройство, внешний вид которого приведен на рис. 18.114.

Рис. 9.9. Маршрутная карта изготовления двустороннего солнечного элемента

типа n+IT0/Si02/nSi/n+S

Описанный подход дает возможность получения солнечных элементов пу­тем формирования тонкого слоя из смеси оксидов индия и олова (ITO) на по­верхности пластины из кремния, являющейся базовым элементом. Пульвериза­ция замещает традиционный процесс диффузии и характеризуется более низкой температурой (450°С вместо 1100°С при диффузии). В итоге, значительно сни­жается потребление энергии и стоимость производства. Жизнеспособность экс­периментальной технологии подтверждена выпуском малых серий СЭ с актив­ной площадью до 48,6 см2 и сборкой солнечных панелей мощностью 0,5-30 Вт. Такие панели были произведены в Институте прикладной физики АН Молдовы (г. Кишинев) впервые на территории бывшего СССР. На рис. 18.137 представлен внешний вид лабораторной установки для нанесения слоев методом пульвериза­ции, разработанной и использованной в Институте прикладной физики (ИПФ) АН Молдовы для изготовления фотоэлементов с изотипными переходами. Нарис. 18.138 сотрудники ИПФ АН Молдовы и ГНУ ВИЭСХ обсуждают ре­зультаты исследований по получению и применению изотопных фотоэлементов.

Разработанная технология не требует сложного оборудования и может быть легко освоена малыми предприятиями. В этой связи работы были про­должены и оказались достаточно успешными.

После принятия специальных мер по улучшению технологии получения и совершенствованию структуры элементов [87] параметры последних были за­метно улучшены. Значительный эффект был достигнут за счет текстурирования поверхности посредством селективного химического травления, в результате которого на поверхности кремния формируются инверсные пирамиды или усе­ченные конусы с характерными микронными размерами (рис. 9.10).

В конечном счете [87] для солнечных элементов с двусторонней чувстви­тельностью суммарная эффективность выросла до 15,73% в случае нерегуляр­ного рельефа кремниевой поверхности и до 20,89% в случае регулярного рель­ефа. При структурировании поверхности кремния, как при фронтальном, так и при тыльном освещении солнечного элемента наблюдалось увеличение эффек­тивного квантового выхода.

image096

I Ч

Рис. 9.11. Схема концентраторного фотоэлектрического модуля
с линзой Френеля и каскадным солнечным элементом

В последние годы достаточно интенсивно ведутся работы по созданию солнечных фотоэлектрических модулей, состоящих из микроконцентратора (обычно линза Френеля) и каскадного фотоэлемента [99, 100].

Схема такого модуля представлена на рис. 9.11. Изначально предполага­лось, что такие модули уже при концентрации солнечного излучения от х200 до х500 могут оказаться экономически рентабельными [99]. Опубликованы дан­ные о получении в лабораторных условиях суммарного КПД модулей до 22 - 30 % [78]. Однако сегодня принято считать, что для обеспечения рентабельно­сти концентрации должны быть повышены до уровня х800 - х 1000.

Работы по разработке, исследованию и практической реализации моду­лей такого типа получили развитие в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН (г. Санкт-Петербург), накопившем огромный опыт по созданию гетероструктур на основе соединений А3В5. На рис. 9.12 приводятся изображения некоторых изделий, разработанных и изготовленных на базе этого учреждения [129].

image097

Рис. 9.12. Компоненты солнечной энергетической системы:

а - каскадный фотоэлемент; б - элемент с линзой Френеля в качестве концентратора; в - солнечная батарея на основе концентраторных модулей

Одним из резервов повышения КПД модулей этого типа является повы­шение оптического КПД микроконцентратора. Это обусловлено тем, что, не­смотря на существенные успехи в области создания каскадных фотоэлементов (достигнуты КПД до 40%), общий КПД модуля имеет резервы повышения, в том числе за счет повышения эффективности оптической части. Это обстоя­тельство определяет необходимость более детального анализа энергетических характеристик линз Френеля (ЛФ), определения ее энергетических характери­стик (оптический КПД, концентрация, распределение концентрированного по­тока), разработки методики их расчета, учитывающей неточности изготовления и дисперсию показателя преломления ЛФ. В работе [98] сделана попытка ре­шить эту задачу.

На рис. 9.13 приведена схема линзы Френеля, использованная для расче­та. По результатам проведенных исследований были сделаны некоторые выво­ды. Так, в частности, показано, что параметр rp/f в линзе Френеля для большей части поясов можно принять равным 0,0065, для крайних поясов с целью уменьшения толщины зуба необходимы меньшие значения. В исследованной линзе Френеля возможны значения С > 900 на площади 2,8x2,8 мм. Показано также, что влияние неточностей существенно. Имеется возможность увеличе­ния потока и концентрации света за счет варьирования параметрами зубьев. Для окончательного выбора параметров линз Френеля и площади приемника необходим учет влияния дисперсии показателя преломления. Выполнена оцен­ка этого возможного влияния. При этом показано, что число поясов может со­ставлять около 30 (это существенно меньше числа поясов в линзах Френеля, выпускаемых серийно и предназначенных для создания изображения). Френе­левские потери на 5 плоских гранях составят 18,5%, потери из-за неточностей 14%, т. е. КПД линзы даже без учета дисперсии составит не более 64%.

Эти исследования показывают также, что одна из актуальнейших задач - это повышение эффективности концентраторов (повышение концентрации и оптического КПД).

В работе [79] было предложено другое решение задачи по повышению концентрации - применение вторичных концентраторов, представляющих со­бой оптические среды. Это решение основано на свойствах оптической среды

hk

image098

Рис. 9.13. Расчетная схема ЛФ:

f - фокусное расстояние линзы; к - число поясов или «зубьев» ЛФ;

RVi, Rni ~ верхний и нижний габаритные радиусы і-го зуба; Uo - угол раскрытия линзы; і - номер «зуба»; гр - «расчетный» радиус концентрированного пятна, по которому рассчитываются параметры зубьев; hj - толщина і-го зуба;

Lj - длина рабочей грани і-го зуба

повышать яркость излучения пропорционально квадрату показателя преломления этой среды. В указанной работе рассмотрены возможности использования таких систем для получения сверхвысоких концентраций на воздухе, на выходе из опти­ческой среды. Сообщается, что для оптической среды из сапфира специальной формы была экспериментально получена концентрация более 84 000 [101].

Однако анализ полученных в этой работе результатов не проводился. В этой связи отметим, что по данным [102] максимальная концентрация сол­нечного излучения на воздухе не может превышать 58 000. Вопросы повыше­ния плотности излучения в среде и ее экспериментального исследования рас­сматривались в [103]. В этой работе для системы источник излучения (на воз­духе) - приемник (в оптической среде с плоской границей), были определены условия, при которых в среде может иметь место не только увеличение ярко­сти, но и плотности потока излучения. Эксперименты в [103] для случая жид­кой оптической среды (дистиллированная вода) показали, что эффекты увели­чения плотности излучения в среде действительно имеют место. Совпадение в [103] расчета с экспериментом позволяет применять развитую в [104] расчет­ную фотометрическую модель для исследования других концентрирующих систем, включающих оптические среды, в том числе с различной геометрией границы сред. В [105] была предложена система, которая, по мнению авторов, позволяет максимально использовать свойства оптической среды повышать плотность излучения. Схема этой системы, включающей первичный параболо­идный концентратор (К) и вторичный концентратор в виде сферической линзы (L) с центром кривизны в фокусе F параболоида, приведена на рис. 9.14 (PV - каскадный фотоэлемент).

image099

Рис. 9.14. Система концентратор-линза (K-L):

Фо - угловой радиус диска Солнца; п - показатель преломления; R - радиус кривиз­ны линзы (среды); U0 - угол раскрытия; f - фокусное расстояние; ст - среднеквад­ратическая неточность поверхности параболоидного концентратора (неточность - случайные угловые отклонения нормалей поверхности концен­тратора, распределенные по равномерному закону)

В этой работе приведены результаты теоретических исследований кон­центрирующих характеристик и оптического КПД системы K-L для случая, ко­гда приемник располагается внутри оптической среды.

Расчеты были выполнены на основе фотометрической модели в предпо­ложении постоянства показателя преломления п в рабочей области длин волн фотоэлемента. Показано теоретическими расчетами, что по сравнению с пара­болоидным концентратором повышается не только плотность потока, но и уменьшаются размеры пятна изображения Солнца.

Характерно, что эти эффекты имеют место как для точного, так и для не­точного концентратора. В указанной работе предпринимается попытка объяс­нить описываемый эффект. Здесь представляется достаточным лишь упомянуть о том, что в системе концентратор - линза (среда) с применением новых опти­ческих сред можно достигнуть повышения концентрации солнечного излучения и повышения оптической эффективности системы. Поэтому проведение иссле­дований в данном направлении представляется целесообразным.

image100

Рис. 9.15. Фотоэлемент с рекордным КПД 41,1%, полученный в Институте Фраунхофера (Германия) на многопереходном солнечном элементе.

Площадь элемента 5.09 мм2, концентрация солнечного излучения х454

Мировой рекорд по значению КПД солнечного элемента достигнут во Фраунхоферовском институте 13 января 2009 г. [113]. Здесь на солнечном эле­менте площадью 5,09 мм2 при концентрации солнечного излучения х454 был достигнут КПД 41,1% (метаморфический многопереходный солнечный элемент с составом GaO.35InO.65P/GaO.83InO.17As/Ge) (рис. 9.15).

В последние годы бурное развитие получил выпуск солнечных панелей на основе аморфного и мультикристаллического кремния. Но эти панели изго­тавливаются на стеклянных подложках большой площади, т. е. эти процессы обеспечивают получение сразу модулей, пригодных для установки в большие электрогенерирующие системы. Эти вопросы будут рассмотрены позднее.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Конференции и выставки по вопросам солнечной энергетики

В области фотоэлектрического преобразования солнечной энергии орга­низуется и проводится целый ряд конференций и выставок. Их них самые важ­ные следующие: «Европейская Фотоэлектрическая Конференция» (EPVC, Ев­ропа), «ІЕЕЕ конференция специалистов в области фотоэлектричества» …

Накопители солнечной энергии

Периодические колебания в поступлении солнечного излучения - боль­шое неудобство в контексте эксплуатации солнечных энергетических систем. Ночью, когда мы в наибольшей степени нуждаемся в электроэнергии, Солнце не светит. Поэтому необходимо накапливать …

Электронные инверторы

Все фотоэлектрические генераторы вырабатывают постоянный ток. Од­нако для последующей работы с произведенной электроэнергией необходимо ее преобразовать в переменный ток и обеспечить получение напряжения, при­годного для изолированных или распределительных электрических сетей. …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:

+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua