ИЗПРАТЕ НИ СЪОБЩЕНИЕ






ПОСЛЕДВАЙТЕ НИ В:

Високоефективни соларни панели

За няколко десетилетия ефективността на соларните клетки остава термодинамично ограничена. Все пак, новите подходи за управление на светлината, които систематично намаляват термодинамичните загуби, ще дадат възможност за високи ефективности, които преди са се считали за невъзможни.

Още от преди повече от 50 години, когато сериозното научно мислене започва да се занимава с подобряване на ефективността на фотоволтаичното преобразуване на енергия, термодинамиката се използва за оценка на ограниченията за производителността, водейки напредъка при изучаването на материалите и фотоволтаичната технология. На базата на този подход фотоволтаичната технология се развива значително, в резултат на което се постига рекордна ефективност от 28.3% за соларни клетки с единичен преход и от 43.5% за мулти-преходни соларни клетки.

Внаши дни ефективността на произвежданите соларни клетки остава в обхвата 10-18%. Колкото и впечатляващ да е напредъкът в тази област, постигнатите рекордни ефективности и ефективностите на произведените соларни клетки са термодинамично ограничени при фотоволтаичното преобразуване на енергия. Чрез систематично изучаване на загубите на термодинамична ефективност се достига нов етап от фотоволтаичната наука и инженеринг – високоефективни фотоволтаици, при които се използват откритите преимущества при контрол на светлината в нанометровия и микрометровия обхват, заедно с произвеждането на нови материали, като ефективността на соларните клетки се очаква да достигне 50 -70%.

Представени са възможностите за увеличаване на ефективността в рамките на откритието на учените Shocкley и Queisser през 1961г., а именно създаването на една термализирана двойка електрон–дупка за абсорбиран фотон над полупроводниковата забранена зона на фотоволтаичния абсорбер. При термодинамичния анализ на високоефективните фотоволтаици в рамките на модела Shocкley- Queisser се разглеждат две основни съставни части. Първата от тях е намаляването на недостига между енергията на забранената зона и разделянето на електрон-дупка квази-ниво на Ферми. Втората съставна част е минимизирането на термализационните загуби на носителя и загубите на поглъщане на светлината. Разделянето на електрон–дупка квази-нива на Ферми qVoc дефинира максималното напрежение в отворена верига Voc на клетката. Максимизирането на Voc е ключът за постигане на високи ефективности на преобразуване. В излъчвателната рекомбинационна граница, предполагайки пълно събиране на всички генерирани носители и една полупроводникова структура в границата на лъчевата оптика, Voc е с по-малка стойност от енергията на забранената зона Eg с около 5% във връзка с термодинамичните загуби, базирани на теоремата на Карно и с още 7%, имайки предвид спонтанната фотонна емисия, за разлика от излъчването на абсолютното черно тяло. Тази компонента на фотонни загуби може да бъде преодоляна чрез конструиране на необратими фотонни структури. Освен това, една соларна клетка трябва да има работно напрежение, което максимизира трансфера на мощност към външна верига, като по този начин се получава загуба от около 100meV спрямо напрежението при отворена верига.

Друг фактор за намаляването на Voc с до 315mV при стайна температура е увеличената ентропия на светлината. Голяма част от тази ентропична енергийна загуба може да се избегне, ако се конструират фотонни структури, които да ограничават ъгъла на излъчвателна емисия от соларния абсорбер до ъгъл близък до Ωслънце (Ωслънце= 6x10–5 steradians). Друг фактор за намаляването на Voc e ефектът на непълно улавяне на светлината в соларната клетка, особено за светлина с енергия по-голяма от Eg. При планарна клетка без улавяне на светлината се получава загуба от 100mV за Voc. Конвенционалните соларни клетки имат повърхностна структура, която води до многостранно вътрешно отражение на светлината вътре в полупроводниковия слой, увеличавайки интензитета на светлината в сравнение с този на плоската клетка чрез коефициент I. За клетки в класическата оптична граница, максималната стойност на I , която може да се достигне, е 4n2 ( n е коефициент на отражение) и в този случай ентропичното влияние не се проявява. Последните достижения в наноструктурата на повърхностите на соларните клетки осъществяват улавяне на светлината над границата от 4n2 в определен спектрален обхват. Улавянето на светлината също увеличава фотоелектричния ток на клетката. Друг фактор за намаляването на Voc е свързан с неизлъчващата екситонна рекомбинация, която възниква поради кристалографски дефекти и примеси в основната маса, в интерфейсите и на повърхността. Квантовата ефективност QE зависи от излъчвателната Rrad и неизлъчвателната Rnrad рекомбинационни стойности. Например, за силиций с непряк преход стойността на QE е под 10%, което отговаря на намаление на Voc с над 60mV. Въпреки че намалената стойност на QE е директно свързана с качествата на електронните материали, тя може да бъде увеличена за определена геометрия на материалите чрез увеличаване на излъчвателната рекомбинационна стойност Rrad по оптичен начин, използвайки нанофотонни структури за изкуствено повишаване на плътността на оптичните състояния. Увеличената стойност на QE води директно до увеличаване стойността на Voc.

Резултатът от описаните по-горе ентропични загуби е систематично намаляване на стойността на Voc под Eg. В действителност, Voc е с около 400–500mV под Eg за почти всички материали за соларни клетки, показвайки, че има място за значително подобрение на ефективността, ако тези загуби бъдат минимизирани. Интересното е, че всеки един от тези фактори се отнася до контрола върху разпространението на светлината вътре в соларната клетка. След около 50 години на проучвания и технически подобрения в електронното качество на фотоволтаичните материали, основното предизвикателство, което е с най-голям потенциал, е по-доброто проектиране на светлинния поток вътре в соларната клетка.

При конвенционалната Shockley–Queisser граница за QE=1 и пълна абсорбция и улавяне на светлината, максималната ефективност е 33% за еднопреходна клетка с ширина на забранената зона, която е оптимизирана за соларния спектър (Eg=1.4eV, близо до ширината на забранената зона на галиевия арсенид GaAs). С новите стратегии за управление на светлината и нейното повторно насочване обратно под ъгъл, отговарящ на диска на Слънцето, Voc може да бъде увеличено с няколкостотин mV, така че да се постигне ефективност над 40% за еднопреходна соларна клетка. Досега, такава висока ефективност е била постигана само при соларни клетки с троен преход, докато сега е възможно да се постигне и с еднопреходна соларна клетка чрез подходящо управление на светлината. За да се достигне тази цел, архитектурата на соларните клетки трябва да бъде драстично модифицирана. Няколко скорошни подобрения поставят основата за това, особено насочването на научните усилия върху улавяне и концентриране на светлината, използвайки специални оптични елементи и в същото време разработване на мащабни методи за нанопроизводство. Първо, светлинни насочватели трябва да бъдат интегрирани на повърхността, за да насочват обратно всяка излъчвателна емисия под ъгъл, отговарящ на диска на Слънцето, за минимизиране на ентропията. Микропараболичните детектори, които са реализирани наскоро, могат да послужат за тази цел. Като алтернатива, планарни плазмонни или диелектрични структури могат да служат като слънчеви колектори и антени в излъчвателен режим. На второ място, може да се осъществи отлично улавяне на светлината чрез интегриране на подходящ повърхностен строеж на клетката. Това е стандартен технически похват за дебели силициеви соларни клетки. Разработките, използващи нанообразци, също позволяват отлично улавяне на светлината в ултратънки полупроводникови слоеве, в които лъчевата оптична граница не се задържа и разпространението на светлината се описва чрез близко полеви ефекти и вълнови режими. На трето място, квантовата ефективност достига стойност „единица”, например за GaAs, като по този начин няма много възможности за подобрения. Все пак, за силиция, неизлъчващата рекомбинация е значителна и управлението на светлината може да се използва за подобряване на QE чрез увеличаване на оптичната плътност на състоянията, например чрез проектиране на модалната дисперсия в тънка соларна клетка или плазмонна геометрия метал-изолатор-метал.

Друг ключов фактор, ограничаващ работата на соларната клетка е термализацията на носителя. За даден полупроводник светлината с фотонна енергия E над ширината на забранената зона може да създаде фотонапрежение Voc, така че разликата в енергиите E-qVoc се губи като топлина. Още повече, фотоните с енергия под ширината на забранената зона не се поглъщат. Този проблем на „квантов дефект” може да бъде намален при мултипреходна геометрия, при която различни спектрални обхвати от соларния спектър се поглъщат в различни полупроводници. Конвенционално, мултипреходните соларни клетки се изработват с последователно свързана архитектура, като всяка подклетка играе ролята на „филтър”, събиращ спектралния обхват, съответстващ на електронната ширина на забранената зона за всеки полупроводников слой. Един недостатък на този дизайн е, че се изискват сложни и скъпи техники за кристален растеж в среда на свръхвисок вакуум, за епитаксиално израстване на полупроводниковите слоеве с единични кристали, както и на междинните буферни слоеве с тунелна бариера. Още повече, в последователно свързаната архитектура се изисква токово съгласуване между подклетките, което означава, че подклетката, генерираща най-малък ток, ограничава общия ток на мултипреходната клетка. Освен това, процесът на кристалния растеж ограничава състава на полупроводниковите материали. Също така, оптичната последователно свързана конфигурация определя, че всяка подклетка е подложена на една и съща светлинна концентрация, което представлява допълнително ограничение, намаляващо ефективността.

Един алтернативен подход е конструирането на мултипреходна фотоволтаична архитектура с оптичен, включен паралелно масив от високоефективни еднопреходни клетки, които формират приемника на една спектралноразделяща фотонна структура. Тази архитектура е била изследвана първоначално в проекта за високоефективна соларна клетка (VHESC), но е възможно създаването на много иновации. В тази архитектура спектралноразделящата структура насочва светлина с различни дължини на вълната към индивидуални подклетки, които са оптимизирани за съответните спектрални обхвати и коефициент на концентрация, без ограничения поради токово съгласуване и с пълна гъвкавост при избора на полупроводниковите материали за различните подклетки. Освен това, независимо, че конвенционалните мултипреходни клетки използват три или четири подклетки, общата термализационна загуба е все още значителна. Алтернативно, може да се включат по-голям брой подклетки. Ако тесните спектрални обхвати (<300meV) от спектралноразделящата фотонна структура могат да бъдат ефективно насочени към масив от 8 – 10 типа подклетки, термализацията може да бъде ограничена до приблизително 10%.

Досега, макроскопичните оптични елементи са използвани като светлинни концентратори и спектрални разделители във високоефективни последователно свързани мултипреходни фотоволтаични системи. Тези оптични елементи работят, използвайки лъчево-оптични принципи за фокусиране и оптична дисперсия, например, използвайки двуцветни филтри. Наскоро, изследователите на фотонни материали разработват обширно портфолио от конструктивни принципи и методи за генериране на оптично дисперсивни и резонансни структури за улавяне на светлина, включващи дизайни с фотонни кристали и плазмонни метаматериали, трансформационна оптика и мрежи с резонансно насочени вълни. Тези нано и микрофотонни принципи могат да бъдат използвани за разработване на спектрални разделители и за интегрирането им в подклетки за реализирането на планарна оптична паралелна архитектура.В един още по-авангарден дизайн подклетките могат да бъдат интегрирани със специални фотонни структури, които позволяват оптимизиране на улавянето на светлината и на ъгловото ограничаване на емитираните фотони за всяка подклетка, като по този начин намаляват ентропичните загуби при описаното фотонно-електронното преобразуване.

На пръв поглед, оптичната паралелна архитектура, описана по-горе, изглежда относително сложна, тъй като включва трансфериране на многобройни ултратънки полупроводникови слоеве, тяхното интегриране с микрофотонна спектралноразделяща структура и реализирането на електрическа взаимно свързана схема. Обаче, архитектури с подобна сложност се произвеждат рутинно днес в компоненти от оптичните телекомуникационни мрежи, където фотонни интегрални схеми, като мултиплексори за разделяне дължината на вълната, оптични разделители, филтри и детекторни масиви, се произвеждат в един чип. В действителност, в този нов, високоефективен дизайн на соларни клетки, соларната клетка трябва да се разглежда като сложна оптична интегрална схема, която е оптимизирана за преобразуване на слънчевата светлина в електричество.

Планарният мултипреходен дизайн може да бъде реализиран по практичен и мащабен начин, използвайки последните постижения в печатните технологии за епитаксиално израстване и слойно трансфериране за тънкослоен еднокристален силиций Si и III–V полупроводникови абсорбери. В действителност чрез използването на епитаксиално израстване е постигната най-висока ефективност при еднопреходна соларна клетка. Ефективности, близки до тези най-високи стойности, са постигнати за клетки, произведени чрез трансферна печатна технология. Освен това, чрез специален литографски метод се синтезират групи с ниска себестойност от наноструктурни светлинни насочватели, структури за улавяне на светлината и такива за проектирана оптична плътност на състоянията. Установено е, че този литографски метод има много добра резолюция, поддържана в широки граници, за да бъдат реализирани описаните структури за управление на светлината.

Разгледаните по-горе архитектури на соларни клетки могат да проправят пътя за получаване на висоефективни фотоволтаици. Съвременните изследвания и проучвания са насочени върху тези структури на подобрено преобразуване на соларната енергия. Докато в миналото повечето усилия са били съсредоточени върху разработването на материалите и дизайна на устройствата, в наши дни се счита, че фокусирането върху науката и технологиите за нано- и микро-фотоника за управление на светлината вътре в соларната клетка, има значителен потенциал. Описаните фотонни архитектури са свързани с отделни ентропични и енергийни загуби, които възникват в една конвенционална соларна клетка. Независимо от многобройните предизвикателства, които предстоят, представените насоки за развитие имат значителен потенциал за получаване на високи фотоволтаични ефективности, които в миналото са били по-скоро едно пожелание, отколкото конкретна цел.

2014-07-17

Източник: http://energia.elmedia.net/ WEB: http://energia.elmedia.net/bg/2014-4/editorials/a_00921.html





към всички "Актуални новини"

към всички "Нови технологии и иновации"

submit to reddit Delicious Bookmark this on Delicious