График эффективности солнечных батарей

КПД солнечных батарей — обзор самых эффективных модулей

Обновлено: 7 января 2021

КПД у разных типов солнечных панелей

Существует несколько разновидностей солнечных модулей, которые изготавливаются по собственным технологиям и обладают определенными параметрами. КПД солнечных панелей определяет их способность преобразовать солнечную энергию в электрический ток. Расчет производится путем деления мощности энергии, вырабатываемой панелью, на мощность потока света, падающего на рабочую поверхность.

Показатели панелей изначально определялись при стандартных лабораторных условиях (STS):

• уровень инсоляции — 1000 вт/ м2
• температура — 25°

Большинство современных производителей производят тестирование каждой собранной батареи и прилагают результаты к документации при продаже. Это дает более полную и корректную информацию о каждой панели, поскольку в процессе изготовления возможны некоторые отклонения от технологических нормативов. Поэтому сравнение любых двух (или более) панелей всегда выявляет небольшое расхождение демонстрируемых параметров.

Практически любые отклонения в первую очередь отражаются на эффективности, т. е. на КПД солнечной батареи. Из-за этого все разновидности не имеют четко определенного значения. Обычно указывают довольно широкий диапазон, который может давать заметную разницу параметров солнечных модулей, изготовленных по одинаковой технологии.

Все виды фотоэлементов обладают определенными свойствами, определяющими эффективность солнечных батарей. Каждая разновидность имеет свои пределы возможностей, обусловленные строением и составом полупроводников.

Новый мировой рекорд: эффективность солнечных батарей повысили до 29,15%

Научно-исследовательская группа Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) описала в журнале Science разработку тандемного солнечного элемента из перовскита и кремния. Его КПД составил 29,15%. На текущий момент — это новый мировой рекорд. Предыдущие показатели КПД были в районе 28%. Исследователи планируют довести эффективность тандемного солнечного элемента до 30% и даже превысить этот показатель.

Для солнечных элементов базовым материалом является кремний, а разработки с использованием перовскита (титаната кальция) ведутся параллельно. Ученые думают, что возможности перовскита еще не раскрыты и используя оба материала, они получают прирост эффективности.

Солнечные элементы, состоящие из двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, способны демонстрировать высокую эффективность по сравнению с отдельными элементами, так как тандемные элементы полнее используют солнечный спектр. В частности, обычные кремниевые солнечные элементы главным образом эффективно преобразуют в электрическую энергию инфракрасную часть солнечного спектра, в то время как соединения перовскита могут эффективно преобразовывать видимую часть спектра, повышая КРД тандема.
Использование перовскита и кремния не увеличивает стоимость солнечных панелей.

Виды солнечных фотоэлементов и их КПД

Существуют разные виды солнечных батарей:

• кремниевые
• теллур-кадмиевые
• из арсенида галлия
• из селенида индия
• полимерные
• органические
• комбинированные, многослойные

Самые эффективные солнечные панели из тех, что находятся в серийном производстве — кремниевые.

Их выпускают в двух видах:

• монокристаллические. Изготавливаются из тонких пластинок, срезанных с цельного (монолитного) кристалла кремния. Считается, что это — лучшие солнечные панели, демонстрирующие КПД от 17 до 22 %
• поликристаллические. Заготовкой для этих элементов является брикет кремния, который был расплавлен и разлит по формам. Такие панели обладают немного сниженными показателями по всем позициям, чем монокристаллические. Их КПД находится в диапазоне 12-17 %

Есть еще одни современные солнечные батареи с высоким КПД — это панели на основе селенид-индия. Они способны выдать КПД 15-20 %. Несколько меньшими качествами обладают элементы из теллурида кадмия — не более 10-12 %.

Остальные виды значительно уступают лидерам — аморфные и полимерные элементы демонстрируют КПД не более 5-6 %. Необходимо учитывать, что приведенные показатели — усредненные. У разных производителей есть образцы, превышающие обычные нормы эффективности. Это не меняет общей картины, но демонстрирует необходимость совершенствования технологий, разработки новых методов производства фотоэлементов.

От чего зависит эффективность?

КПД солнечных фотоэлектрических установок составляет лишь малую часть от теоретически возможных показателей. Расчетный КПД доходит до 80-87 %, но изъяны технологии, недостаточная чистота материалов и неточность сборки элементов существенно снижают эти значения. Основная проблема кремниевых элементов заключается в способности поглощать лучи только инфракрасного спектра, а энергия ультрафиолетовых участков остается неиспользованной.

Проблема состоит в дороговизне процессов очистки, выращивания кристаллов и прочих тонких процедур, без которых ожидаемого эффекта не удастся добиться. Все солнечные панели с высоким КПД отличаются высокой стоимостью, что делает их недоступными для массового пользователя.

Необходимо учитывать также погодные и климатические условия. Самая производительная система не сможет демонстрировать высокие результаты, если источник энергии скрыт за тучами, или находится низко над горизонтом. Этот фактор не подлежит регулированию, единственным способом борьбы с ним может стать повышенная эффективность солнечных панелей.

Некоторые разновидности фотоэлементов способны вполне стабильно вырабатывать энергию в пасмурную погоду, например, тонкопленочные виды. Однако, их производительность невысока и не дает нужного количества энергии. Чем выше КПД батарей, тем сильнее падает количество вырабатываемой энергии при появлении облачности.

Ежегодно появляются заявления от различных компаний или групп ученых о разработке высокоэффективных образцов солнечных панелей, стабильно работающих в сложных условиях. Однако, в продаже до сих пор есть только привычные кремниевые или пленочные разновидности, а новинок не видно. Причиной этого является слишком высокая себестоимость производства и нестабильность результатов технологий, вынуждающие изготовителей пока отказываться от недоработанных новшеств.

Срок службы и окупаемость

Большинство солнечных панелей способны работать по 25 лет и более. Однако, первоначальные характеристики со временем ухудшаются, происходит падение производительности и, как следствие, уменьшение КПД. Факторы, влияющие не длительность эксплуатации фотоэлементов:

• тип конструкции. Чем выше изначальная производительность, тем более высокие результаты панель будет показывать после многолетней службы
• условия эксплуатации. В регионах с сильными среднесуточными и среднегодовыми перепадами температур ресурс панелей быстро уменьшается. Происходит физический износ полупроводников, нарушается прочность соединения слоев, образующих p-n переход. Все эти факторы отрицательно влияют на КПД солнечных модулей

Окупаемость панелей в первую очередь зависит от инсоляции — количества солнечной энергии, доступной фотоэлементам. Здесь необходимо учитывать следующие факторы:

• продолжительность светового дня
• положение солнца над горизонтом
• погодные условия в регионе

Практика показывает, что средний процент деградации солнечных батарей составляет 0,6 % в год. Однако, к естественным процессам прибавляются внешние воздействия — температурные, механические и т.п. Поэтому производители обычно гарантируют, что в течение 10 лет эксплуатации производительность не упадет больше, чем на 10 %.

Вопрос окупаемости солнечных панелей всерьез никем не рассматривается. Существуют приблизительные расчеты, показывающие количество выработанной энергии и ее среднюю стоимость в течение 10, 25 лет. Эти данные не способны показать реальной картины, поскольку все комплексы работают в собственных условиях, подвергаются тем или иным воздействиям и не могут гарантировать заданной производительности.

Специалисты утверждают, что для некоторых регионов окупаемость солнечных батарей никогда не наступает, в других местностях она составляет около 10 или 15 лет.

Подробные исследования не производятся, или ведутся только для данного района. Если необходимо узнать технико-экономические показатели СЭС, приходится каждый раз производить индивидуальный расчет для данных условий, моделей солнечных модулей и прочих факторов воздействия.

Самые эффективные солнечные батареи

Обычный пользователь не старается глубоко вникнуть в теорию, поэтому он чаще всего задает вопрос — хочу купить солнечные панели, какие лучше? Вопрос простой, но ответить на него однозначно крайне сложно. Все зависит от возможностей и потребностей покупателя.

Споры о том, какие солнечные батареи самые эффективные ведутся с самого начала их использования. Несмотря на приоритет кристаллических кремниевых конструкций, нередко впереди оказываются другие виды панелей. Есть рекордсмены в этой области, например, фирма Sharp объявила о создании панелей с КПД 44 %. Эта же фирма создала модули с эффективностью 37,9 %. Есть образцы от других разработчиков с КПД около 32 %. Все эти модели весьма дороги и в массовое производство пока не поступают. Нерентабельность — основная проблема развития солнечных модулей.

Исследования и разработки для повышения КПД

Наиболее перспективным направлением исследований считается создание многослойных панелей. Основной упор делается на возможность получения энергии от инфракрасных и ультрафиолетовых лучей, которые во многом более активны, чем видимые части спектра. Работы ведутся и в области очистки кремниевых структур, создания наиболее однородных и чистых кристаллов.

Еще одним направлением является создание максимально плотных и ровных соединений полупроводников. Электрический ток возникает на границе двух материалов, и, если поверхность обоих изобилует впадинами и прочими изъянами, эти участки исключаются из общей рабочей зоны. Проблема технически сложная, поскольку речь идет о микронной точности шлифовки. Для промышленного производства эти методики пока слишком сложны, а цены на панели будут недоступны рядовым покупателям. Процесс исследований происходит непрерывно, поэтому ожидать положительных сдвигов можно в любой момент.

Видео-инструкция по сборке своими руками

Источник

Эффективность солнечной батареи — Solar cell efficiency

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

Эффективность солнечных элементов, используемых в фотоэлектрической системе , в сочетании с широтой и климатом определяет годовой выход энергии из системы. Например, солнечная панель с эффективностью 20% и площадью 1 м 2 будет производить 200 кВтч / год при стандартных условиях испытаний, если подвергаться воздействию солнечного излучения при стандартных условиях испытания, равном 1000 Вт / м 2, в течение 2,74 часа в день. Обычно солнечные панели подвергаются воздействию солнечного света дольше указанного в данный день, но большую часть дня солнечное излучение составляет менее 1000 Вт / м 2 . Солнечная панель может производить больше, когда солнце находится высоко в небе, и меньше в облачных условиях или когда солнце находится низко в небе. Зимой солнце опускается ниже. В области солнечной энергии с высокой производительностью, такой как центральный Колорадо, где годовая инсоляция составляет 2000 кВтч / м 2 / год, можно ожидать, что такая панель будет производить 400 кВтч энергии в год. Однако в Мичигане, который получает только 1400 кВтч / м 2 / год, годовая выработка энергии упадет до 280 кВтч для той же панели. В более северных европейских широтах урожайность значительно ниже: 175 кВт-ч годовой выработки энергии в южной Англии при тех же условиях.

Несколько факторов влияют на значение эффективности преобразования ячейки, включая ее коэффициент отражения , термодинамическую эффективность , эффективность разделения носителей заряда, эффективность сбора носителей заряда и значения эффективности проводимости . Поскольку эти параметры трудно измерить напрямую, вместо них измеряются другие параметры, включая квантовую эффективность , коэффициент напряжения холостого хода (V _OC ) и коэффициент заполнения (описанный ниже). Потери отражения объясняются значением квантовой эффективности, поскольку они влияют на «внешнюю квантовую эффективность». Потери рекомбинации учитываются значениями квантовой эффективности, отношения V _OC и коэффициента заполнения. Резистивные потери в основном учитываются значением коэффициента заполнения, но также влияют на значения квантовой эффективности и отношения V _OC . В 2019 году мировой рекорд эффективности солнечных элементов в 47,1% был достигнут за счет использования солнечных элементов — концентраторов с несколькими переходами , разработанных в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, Голден, Колорадо, США.

СОДЕРЖАНИЕ

Факторы, влияющие на эффективность преобразования энергии

Факторы, влияющие на эффективность преобразования энергии, были изложены в знаменательной статье Уильяма Шокли и Ханса Кайссера в 1961 году. Более подробную информацию см. В разделе « Предел Шокли – Кайссера» .

Предел термодинамической эффективности и предел бесконечного стека

Если у кого-то есть источник тепла при температуре T _s и более холодный радиатор при температуре T _c , максимальное теоретически возможное значение отношения работы (или электрической мощности), полученной к поданному теплу, равно 1- T _c / T _s , определяемое выражением теплового двигателя Карно . Если мы возьмем 6000 К за температуру Солнца и 300 К за земные условия, это составит 95%. В 1981 году Алексис де Вос и Герман Пауэллс показали, что это достижимо с помощью стопки из бесконечного числа ячеек с шириной запрещенной зоны от бесконечности (первые ячейки, на которые попадают входящие фотоны) до нуля, при очень близком напряжении в каждой ячейке. до напряжения холостого хода, равного 95% ширины запрещенной зоны этой ячейки, и с излучением черного тела 6000 К, идущим со всех направлений. Однако достигнутая таким образом эффективность 95% означает, что электрическая мощность составляет 95% от чистого количества поглощенного света — стопка излучает излучение, поскольку имеет ненулевую температуру, и это излучение необходимо вычесть из входящего излучения при вычислении количество передаваемого тепла и КПД. Они также рассмотрели более актуальную проблему максимизации выходной мощности для стопки, освещаемой со всех сторон излучением черного тела 6000 К. В этом случае напряжения должны быть снижены до менее 95% ширины запрещенной зоны (процентное соотношение не является постоянным для всех ячеек). Рассчитанная максимальная теоретическая эффективность составляет 86,8% для стопки из бесконечного числа ячеек с использованием поступающего концентрированного солнечного излучения. Когда поступающее излучение исходит только из области неба размером с солнце, предел эффективности падает до 68,7%.

Максимальная эффективность

Однако нормальные фотоэлектрические системы имеют только один p – n-переход и, следовательно, имеют нижний предел эффективности, названный Шокли и Квайссером «предельной эффективностью». Фотоны с энергией ниже ширины запрещенной зоны материала поглотителя не могут генерировать пары электрон-дырка , поэтому их энергия не преобразуется в полезный выход, а выделяет тепло только при поглощении. Для фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, только часть энергии выше запрещенной зоны может быть преобразована в полезный выходной сигнал. Когда поглощается фотон с большей энергией, избыточная энергия выше запрещенной зоны 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 элементы с оптимальной шириной запрещенной зоны для солнечного спектра имеют максимальную теоретическую эффективность 33,16%, предел Шокли – Кайссера .

Солнечные элементы с материалами поглотителя с несколькими запрещенными зонами повышают эффективность за счет разделения солнечного спектра на меньшие ячейки, где предел термодинамической эффективности выше для каждой ячейки.

Квантовая эффективность

Как описано выше, когда фотон поглощается солнечным элементом, он может образовывать пару электрон-дырка. Один из носителей может достигать p − n-перехода и вносить вклад в ток, создаваемый солнечным элементом; такой носитель называется забранным . Или носители рекомбинируют без общего вклада в ток ячейки.

Под квантовой эффективностью понимается процент фотонов, которые преобразуются в электрический ток (т. Е. Собранные носители), когда ячейка работает в условиях короткого замыкания. «Внешний» квантовый выход кремниевого солнечного элемента включает эффект оптических потерь, таких как пропускание и отражение.

В частности, могут быть предприняты некоторые меры по снижению этих потерь. Потери на отражение, которые могут составлять до 10% от общей падающей энергии, могут быть значительно уменьшены с помощью метода, называемого текстуризацией, метода захвата света, который изменяет средний путь света.

Квантовая эффективность наиболее эффективно выражается как спектральное измерение (то есть как функция 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 поверхностей полупроводника. Сама по себе квантовая эффективность — это не то же самое, что общая эффективность преобразования энергии, поскольку она не передает информацию о доле энергии, которая преобразуется солнечным элементом.

Максимальная мощность

Солнечный элемент может работать в широком диапазоне напряжений (В) и токов (I). Путем непрерывного увеличения резистивной нагрузки 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 на 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, генерируемая при стандартных условиях тестирования; это фактическая температура солнечного элемента. п ( Т ) знак равно п S Т C + d п d Т ( Т c е л л — Т S Т C ) <\ Displaystyle P (T) = P_ + <\ frac

> (T_ -T_ )> п S Т C <\ displaystyle P_ > Т c е л л <\ displaystyle T_ >

Высококачественный монокристаллический кремниевый солнечный элемент при температуре элемента 25 ° C может производить 0,60 В разомкнутой цепи ( V _OC ). Температура элемента при полном солнечном свете, даже при температуре воздуха 25 ° C, вероятно, будет близка к 45 ° C, что снизит напряжение холостого хода до 0,55 В на элемент. Напряжение незначительно падает с этим типом элемента, пока не приблизится ток короткого замыкания ( I _SC ). Максимальная мощность (при температуре элемента 45 ° C) обычно вырабатывается 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 освещению, в то время как напряжение холостого хода ( V _OC ) может упасть только на 10% при падении освещенности на 80%. Ячейки 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 25%. Продавцы, которые оценивают «мощность» своих солнечных элементов только как V _OC x I _SC , не приводя кривых нагрузки, могут серьезно исказить свои фактические характеристики.

Максимальная мощность фотоэлектрической батареи зависит от падающего освещения. Например, накопление пыли на фотоэлектрических панелях снижает точку максимальной мощности. Для систем, достаточно больших, чтобы оправдать дополнительные расходы, трекер точки максимальной мощности отслеживает мгновенную мощность, непрерывно измеряя напряжение и ток (и, следовательно, передачу мощности), и использует эту информацию для динамической регулировки нагрузки, чтобы всегда передавалась максимальная мощность. независимо от вариации 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 точке максимальной мощности ( P _m ), деленная на напряжение холостого хода ( V _OC ) и ток короткого замыкания ( I _SC ):

F F знак равно п м V О C × я S C знак равно η × А c × грамм V О C × я S C . <\ displaystyle FF = <\ frac > \ times I_ >> = <\ frac <\ eta \ times A_ \ times G> \ раз I_ >>.>

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

На коэффициент заполнения напрямую влияют значения последовательностей элементов, шунтирующих сопротивлений и потерь в диодах. Увеличение сопротивления шунта (R _sh ) и уменьшение последовательного сопротивления (R _s ) приводит к более высокому коэффициенту заполнения, что приводит к большей эффективности и приближению выходной мощности элемента к теоретическому максимуму.

Типичный коэффициент заполнения составляет от 50% до 82%. Коэффициент заполнения для обычного кремниевого фотоэлемента составляет 80%.

Сравнение

Эффективность преобразования энергии измеряется делением выходной электрической мощности на мощность падающего света. Факторы, влияющие на выход, включают спектральное распределение, пространственное распределение мощности, температуру и резистивную нагрузку. Стандарт МЭК 61215 используется для сравнения характеристик ячеек и разработан с учетом стандартных (наземных, умеренных) температуры и условий (STC): освещенность 1 кВт / м 2 , спектральное распределение, близкое к солнечному излучению через AM ( воздушная масса ) 1,5. и температура ячейки 25 ° C. Резистивная нагрузка изменяется до тех пор, пока не будет достигнута точка пиковой или максимальной мощности (MPP). Мощность в этот момент записывается как пиковая мощность (Вт). Тот же стандарт используется для измерения мощности и эффективности фотоэлектрических модулей.

Воздушная масса влияет на производительность. В космосе, где нет атмосферы, спектр Солнца относительно нефильтрован. Однако на Земле воздух фильтрует падающий свет, изменяя солнечный спектр. Эффект фильтрации варьируется от воздушной массы 0 (AM0) в космосе до приблизительно воздушной массы 1,5 на Земле. Умножение спектральных различий на квантовую эффективность рассматриваемого солнечного элемента дает эффективность. Эффективность наземного использования обычно выше, чем эффективность использования космоса. Например, кремниевый солнечный элемент в космосе может иметь эффективность 14% при AM0, но 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 уменьшенный процент от общей захваченной падающей энергии.

Эффективность солнечных элементов варьируется от 6% для солнечных элементов на основе аморфного кремния до 44,0% для элементов производства с несколькими переходами и 44,4% для нескольких кристаллов, собранных в гибридный корпус. Эффективность преобразования энергии солнечных элементов для коммерчески доступных солнечных элементов из мультикристаллического кремния составляет около 14–19%. Ячейки с наивысшим КПД не всегда были самыми экономичными — например, многопереходный элемент с КПД 30% на основе экзотических материалов, таких как арсенид галлия или селенид индия, произведенный в малых объемах, вполне может стоить в сто раз дороже аморфного кремния с КПД 8%. ячейка в массовом производстве, обеспечивая при этом всего в четыре раза больше продукции.

Однако есть способ «поднять» солнечную энергию. За счет увеличения интенсивности света обычно увеличиваются фотогенерированные носители, повышая эффективность до 15%. Эти так называемые « концентрационные системы » только начали становиться конкурентоспособными по стоимости в результате разработки высокоэффективных ячеек на основе GaAs. Увеличение интенсивности обычно достигается за счет использования концентрирующей оптики. Типичная система концентратора может использовать интенсивность света в 6–400 раз превышающую интенсивность солнечного света и увеличивать эффективность одного солнечного элемента GaAs с 31% при AM 1,5 до 35%.

Распространенный метод, используемый для выражения экономических затрат, — это расчет цены за поставленный киловатт-час (кВтч). Эффективность солнечного элемента в сочетании с доступным излучением имеет большое влияние на стоимость, но, вообще говоря, важна общая эффективность системы. Коммерчески доступные солнечные элементы (по состоянию на 2006 г.) достигли КПД системы от 5 до 19%.

Устройства из нелегированного кристаллического кремния приближаются к теоретической предельной эффективности 29,43%. В 2017 году эффективность 26,63% была достигнута в ячейке с гетеропереходом аморфный кремний / кристаллический кремний, в которой на задней стороне ячейки размещаются как положительные, так и отрицательные контакты.

Окупаемость энергии

Время окупаемости энергии определяется как время восстановления, необходимое для выработки энергии, затраченной на производство современного фотоэлектрического модуля. В 2008 году он составлял от 1 до 4 лет в зависимости от типа и местоположения модуля. При типичном сроке службы от 20 до 30 лет это означает, что современные солнечные элементы будут чистыми производителями энергии, т. Е. Они будут генерировать больше энергии за свой срок службы, чем энергия, затраченная на их производство. Как правило, тонкопленочные технологии, несмотря на сравнительно низкую эффективность преобразования, позволяют достичь значительно более короткого времени окупаемости энергии, чем традиционные системы (часто менее 1 года).

Исследование, опубликованное в 2013 году, в существующей литературе показало, что срок окупаемости энергии составляет от 0,75 до 3,5 лет, при этом тонкопленочные элементы находятся на нижнем уровне, а многосекционные элементы имеют срок окупаемости 1,5–2,6 года. Обзор 2015 года оценил время окупаемости энергии и EROI солнечной фотоэлектрической энергии. В этом метаисследовании, в котором используется инсоляция 1700 кВтч / м 2 / год и срок службы системы 30 лет, были найдены средние гармонизированные EROI между 8,7 и 34,2. Средний срок окупаемости согласованной энергии варьировался от 1,0 до 4,1 года. Устройства на кристаллическом кремнии в среднем достигают периода окупаемости 2 года.

Как и любая другая технология, производство солнечных элементов зависит от существования сложной глобальной системы промышленного производства. Сюда входят производственные системы, обычно учитываемые при оценке производственной энергии; условные горнодобывающие, нефтеперерабатывающие и глобальные транспортные системы; и другие энергоемкие системы поддержки, включая системы финансов, информации и безопасности. Сложность измерения таких накладных расходов на электроэнергию вносит некоторую неопределенность в оценку сроков окупаемости.

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 генерируемые носители заряда. Обычно для этой цели используются пленки с высоким коэффициентом пропускания и высокой электропроводностью, такие как оксид индия и олова, проводящие полимеры или проводящие сети из нанопроволок. Существует компромисс между высоким коэффициентом пропускания и электропроводностью, поэтому для обеспечения высокой эффективности следует выбирать оптимальную плотность проводящих нанопроволок или проводящую сетевую структуру.

Содействие рассеянию света в видимой области спектра

Укладка светопринимающей поверхности ячейки металлическими штырями наноразмеров может существенно повысить эффективность ячейки. Свет отражается от этих стержней под косым углом к ​​ячейке, увеличивая длину пути света через ячейку. Это увеличивает количество фотонов, поглощаемых ячейкой, и количество генерируемого тока.

Основными материалами, используемыми для изготовления наношипов, являются серебро , золото и алюминий . Золото и серебро не очень эффективны, поскольку они поглощают большую часть света в видимом спектре, который содержит большую часть энергии, присутствующей в солнечном свете, уменьшая количество света, достигающего клетки. 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).

Радиационное охлаждение

Повышение температуры солнечного элемента примерно на 1 ° C вызывает снижение эффективности примерно на 0,45%. Чтобы предотвратить это, на солнечные панели можно нанести прозрачный слой кристаллов кремнезема . Слой кремнезема действует как тепловое черное тело, которое испускает тепло в виде инфракрасного излучения в космос, охлаждая ячейку до 13 ° C.

Антибликовые покрытия и текстуры

Антибликовые покрытия могут привести к более разрушительной интерференции падающих световых волн от солнца. Следовательно, весь солнечный свет будет передаваться на фотоэлектрические. Текстуризация, при которой поверхность солнечного элемента изменяется таким образом, что отраженный свет снова падает на поверхность, является еще одним методом, используемым для уменьшения отражения. Эти поверхности могут быть созданы травлением или литографией. Добавление плоской задней поверхности в дополнение к текстурированию передней поверхности помогает улавливать свет внутри ячейки, обеспечивая тем самым более длинный оптический путь.

Пассивирование задней поверхности

Пассивирование поверхности имеет решающее значение для эффективности солнечных элементов. Много улучшений было сделано на передней стороне серийно производимых солнечных элементов, но алюминиевая задняя поверхность препятствует повышению эффективности. Эффективность многих солнечных элементов повысилась за счет создания так называемых пассивированных эмиттерных и тыловых элементов (PERC). Химическое осаждение пакета диэлектрических пассивирующих слоев на тыльной поверхности, который также состоит из тонкой пленки оксида кремния или алюминия, покрытой пленкой нитрида кремния, помогает повысить эффективность кремниевых солнечных элементов. Это помогло повысить эффективность ячеек для коммерческого материала пластин Cz-Si с чуть более 17% до более 21% к середине 2010-х годов, а эффективность ячеек для квазимоно-Si до рекордных 19,9%.

Концепции пассивирования задней поверхности кремниевых солнечных элементов также были реализованы для солнечных элементов CIGS. Пассивирование задней поверхности показывает потенциал повышения эффективности. В качестве пассивирующих материалов использовались Al ₂ O ₃ и SiO ₂ . Точечные контакты наноразмеров на слое Al ₂ O ₃ и линейные контакты на слое SiO2 обеспечивают электрическое соединение поглотителя CIGS с задним электродом из молибдена . Точечные контакты на слое Al ₂ O ₃ создаются электронно-лучевой литографией, а линейные контакты на слое SiO ₂ создаются с помощью фотолитографии . Кроме того, реализация слоев пассивирования не меняет морфологию слоев CIGS.

Тонкопленочные материалы

Тонкопленочные материалы открывают большие перспективы для солнечных батарей с точки зрения низкой стоимости и возможности адаптации к существующим конструкциям и каркасам в технологиях. Поскольку материалы очень тонкие, им не хватает оптического поглощения, как у солнечных элементов из массивных материалов. Попытки исправить это уже предпринимались, но более важной является рекомбинация поверхности тонкой пленки. Поскольку это основной процесс рекомбинации наноразмерных тонкопленочных солнечных элементов, он имеет решающее значение для их эффективности. Добавление пассивирующего тонкого слоя диоксида кремния может уменьшить рекомбинацию.

Источник