Войти
Пыль часто накапливается на стекле солнечных модулей - выделено на этом негативном изображении в виде черных точек, что уменьшает количество света, попадающего в солнечные элементы. Эффективность солнечного элемента относится к части энергии в форме 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 системы. Например, солнечная панель с эффективностью 20% и площадью 1 м будет производить 200 кВтч / год при стандартных условиях испытаний, если подвергаться воздействию солнечного излучения при стандартных условиях испытания, равном 1000 Вт / м, в течение 2,74 часа в день. Обычно солнечные панели подвергаются воздействию солнечного света дольше указанного времени в течение дня, но солнечное излучение составляет менее 1000 Вт / м в течение большей части дня. 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 небе. В области солнечной энергии с высокой производительностью, такой как центральный Колорадо, который получает инсоляцию в год 2000 кВтч / м3 / год, можно ожидать, что такая панель будет производить 400 кВтч энергии в год. Однако в Мичигане, который получает только 1400 кВтч / м3 / 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.
Схема сбора заряда солнечными элементами. Свет проходит через прозрачный проводящий электрод, создавая пары электронных отверстий, которые собираются обоими электродами. Эффективность поглощения и улавливания солнечного элемента зависит от конструкции прозрачных проводников и толщины активного слоя. На значение эффективности преобразования элемента влияют несколько факторов, в том числе его коэффициент отражения, термодинамический КПД, эффективность разделения носителей заряда, эффективность улавливания носителей заряда и значения эффективности проводимости. Поскольку эти параметры трудно измерить напрямую, вместо них измеряются другие параметры, включая квантовую эффективность, напряжение холостого хода (VOC) и коэффициент § Коэффициент заполнения ( описано ниже). Потери отражения объясняются значением квантовой эффективности, поскольку они влияют на «внешнюю квантовую эффективность». Потери рекомбинации учитываются с помощью квантовой эффективности, отношения V OC и значений коэффициента заполнения. Резистивные потери в основном объясняются значением коэффициента заполнения, но также вносят вклад в значения квантовой эффективности и отношения V OC. В 2019 году мировой рекорд эффективности солнечных элементов в 47,1% был достигнут с использованием многопереходных концентраторов солнечных элементов, разработанных в Национальной лаборатории возобновляемой энергии, Голден, Колорадо, США. Это выше стандартного рейтинга в 37,0% для поликристаллических фотоэлектрических или тонкопленочных солнечных элементов.
Факторы, влияющие на эффективность преобразования энергии, были изложены в исторической статье Уильямом Шокли и Хансом Кайссером в 1961. Подробнее см. Предел Шокли – Кайссера.
Предел Шокли – Кайссера для эффективности однопереходного солнечного элемента при неконцентрированном солнечном свете при 273 К. Эта расчетная кривая использует фактические данные солнечного спектра, и, следовательно, кривая извилистая от полос ИК-поглощения в атмосфере. Этот предел эффективности ~ 34% может быть превышен многопереходными солнечными элементами., если у них есть источник тепла с температурой T s и более холодный радиатор с температурой T c, максимальное теоретически возможное значение отношения полученной работы (или электрической мощности) к поданному теплу составляет 1-T c/Ts, задаваемое тепловым двигателем 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. напряжению холостого хода, равному 95% ширины запрещенной зоны этой ячейки, и излучению черного тела 6000 К , исходящему со всех сторон. Однако достигнутая таким образом эффективность 95% означает, что электрическая мощность составляет 95% от чистого количества поглощенного света - стопка излучает излучение, поскольку она имеет ненулевую температуру, и это Излучение должно быть вычтено из входящего излучения при расчете количества передаваемого тепла и эффективности. Они также рассмотрели более актуальную проблему максимизации выходной мощности для стопки, освещаемой со всех сторон излучением черного тела 6000 К. В этом случае напряжение должно быть снижено до менее 95% ширины запрещенной зоны (процентное соотношение не является постоянным по всем ячейкам). Максимальный расчетный теоретический КПД составляет 86,8% для стопки из бесконечного числа ячеек с использованием поступающего концентрированного солнечного излучения. Когда входящее излучение исходит только из области неба размером с Солнце, предел эффективности падает до 68,7%.
Обычные фотоэлектрические системы, однако, имеют только один p – n-переход и, следовательно, подлежат нижнему пределу эффективности, который Шокли и Квайссер называют «предельной эффективностью». Фотоны с энергией ниже ширины запрещенной зоны материала поглотителя не могут генерировать электронно-дырочную пару, поэтому их энергия не преобразуется в полезный выход, а выделяет тепло только при поглощении. Для фотонов с энергией выше энергии запрещенной зоны только часть энергии выше запрещенной зоны может быть преобразована в полезный выходной сигнал. Когда фотон с большей энергией поглощается, избыточная энергия выше запрещенной зоны преобразуется в кинетическую энергию комбинации носителей. Избыточная кинетическая энергия преобразуется в тепло за счет взаимодействий фононов, 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 многослойными абсорбирующими материалами повышают эффективность путем деления солнечного спектра на меньшие ячейки, где предел термодинамической эффективности выше для каждой ячейки.
Как описано выше, когда фотон поглощается солнечным элементом, он может производить электронно-дырочная пара. Один из носителей может достигать p − n-перехода и вносить вклад в ток, создаваемый солнечным элементом; такой носитель называется собираемым. Или несущие рекомбинируют без общего 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 эффект оптических потерь, таких как пропускание и отражение.
В частности, могут быть приняты меры для уменьшения этих потерь. Потери на отражение, которые могут составлять до 10% от общей падающей энергии, могут быть значительно уменьшены с использованием метода, называемого текстуризацией, метода захвата света, который изменяет средний путь света.
Квантовая эффективность наиболее эффективна. выражается как спектральное измерение (то есть как функция от длины волны или энергии фотона). Поскольку некоторые длины волн поглощаются более эффективно, чем другие, спектральные измерения квантовой эффективности могут дать ценную информацию о качестве полупроводника и его поверхностей. 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.
Солнечный элемент может работать в широком диапазоне напряжений (В) и токов (I). Постоянно увеличивая резистивную нагрузку на облученный элемент от нуля (короткое замыкание ) до очень высокого значения (разомкнутая цепь), можно определить точку максимальной мощности, точку, в которой 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 точку максимальной мощности солнечного элемента влияет его температура. Зная технические данные определенного солнечного элемента, его выходная мощность при определенной температуре может быть получена с помощью 
Высококачественный монокристаллический кремниевый солнечный элемент при температуре элемента 25 ° C может давать 0,60 V 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 (0,43 В в данном случае) и 90% тока короткого замыкания. Этот выходной сигнал 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 80% падение освещенности. Элементы 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 указывая кривых нагрузки, могут серьезно искажать свои фактические характеристики.
Точка максимальной мощности фотоэлектрической системы изменяется в зависимости от падающего освещения. Например, накопление пыли на фотоэлектрических панелях снижает точку максимальной мощности. Для систем, достаточно больших, чтобы оправдать дополнительные расходы, устройство отслеживания 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 изменений освещения.
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):
Коэффициент заполнения может быть представлен графически с помощью развертки IV, где это соотношение различных прямоугольных областей.
Фактор заполнения напрямую зависит от значений серии ячейки, шунтирующих сопротивлений и потерь в диодах. Увеличение сопротивления шунта (R sh) и уменьшение последовательного сопротивления (Rs) приводят 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%.
Эффективность преобразования энергии измеряется путем деления электрической выходной 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): энергетическая освещенность 1 кВт / м, спектральное распределение близко к солнечному излучению через AM (воздушная масса ) 1,5 и температуре ячейки 25 ° C. Резистивная нагрузка изменяется до тех пор, пока не будет достигнута точка пиковой или максимальной мощности (MPP). Мощность в этой точке записывается как Пиковая мощность (Вт-п). 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 1,5 воздушной массы 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. Обратите внимание, однако, 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.
Отчетный график исследований солнечных элементов эффективности преобразования энергии с 1976 г. (Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии )Эффективность солнечных элементов варьируется от 6% для солнечных элементов на основе аморфного кремния до 44,0% для нескольких -переходные элементы и 44,4% с несколькими матрицами, собранными в гибридный корпус. Эффективность преобразования энергии солнечных элементов для коммерчески доступных солнечных элементов из поликристаллического кремния составляет около 14–19%. Элементы с самым высоким 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 небольших объемах, вполне может стоить в сто раз дороже, чем элемент из аморфного кремния с КПД 8% при массовом производстве, обеспечивая при этом лишь примерно в четыре раза большую производительность.
Однако есть способ «увеличить» солнечную энергию. За счет увеличения интенсивности света обычно увеличиваются фотогенерируемые носители, повышая эффективность до 15%. так называемые «концентрационные системы » только начали становиться конкурентоспособными по стоимости в результате разработки высокоэффективных элементов 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 доставленный 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 системного КПД 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.
Время окупаемости энергии определяется как время восстановления, необходимое для выработки энергии, затрачиваемой на производство современного фотоэлектрического модуля. В 2008 г. он составлял от 1 до 4 лет в зависимости от типа и расположения модуля. При типичном сроке службы от 20 до 30 лет это означает, что современные солнечные элементы будут чистыми производителями энергии, то есть 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 - обеспечивают значительно более короткое время окупаемости энергии, чем традиционные системы (часто < 1 year).
исследование, опубликованное в 2013 году, согласно которому в существующей литературе время окупаемости энергии находилось между 0,75 и 3,5 года, при этом тонкопленочные элементы находятся на нижнем уровне, а мульти-си-элементы имеют срок окупаемости 1,5–2,6 года. В обзоре 2015 года оценивались время окупаемости энергии и EROI солнечной фотоэлектрической энергии. В этом метаисследовании, в котором используется инсоляция 1700 кВтч / м / год и срок службы системы 30 лет, были обнаружены средние согласованные EROI от 8,7 до 34,2. Среднее время окупаемости согласованной энергии варьировалось от 1,0 до 4,1 года. Кристаллический кремний срок окупаемости энергии устройств составляет в среднем 2 года.
Как и любая другая технология, производство солнечных элементов зависит от наличия сложной глобальной промышленной производственной системы. Это включает в себя производственные системы, которые обычно используются учитывается в оценках 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 создает некоторую неопределенность при оценке сроков окупаемости.
Освещенная сторона некоторых типов Из солнечных элементов тонкие пленки имеют 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 структуру проводящей сети.
Подкладка светопринимающая поверхность ячейки с 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 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 элемента до 22% (в лабораторных условиях).
Повышение температуры солнечного элемента примерно на 1 ° C приводит к снижению эффективности примерно на 0,45%. Чтобы предотвратить это, на солнечные панели можно нанести прозрачный слой кристаллов диоксида кремния. Слой кремнезема действует как тепловое черное тело, которое испускает тепло в виде инфракрасного излучения в космос, охлаждая ячейку до 13 ° C.
Антибликовое покрытие может привести к более разрушительной интерференции падающих световых волн от солнца. Следовательно, весь солнечный свет будет передаваться в фотоэлектрические системы. 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, тем самым обеспечивая более длинный оптический путь.
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 задней поверхности, который также состоит из тонкой пленки диоксида кремния или оксида алюминия, покрытой пленкой нитрида кремния, помогает повысить эффективность кремниевых солнечных элементов. Это помогло повысить эффективность ячеек для коммерческих 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%.
Концепция пассивации задней поверхности кремниевых солнечных элементов также была реализована для солнечных элементов CIGS. Пассивирование задней поверхности показывает потенциал для повышения эффективности. Al 2O3и SiO 2 были использованы в качестве пассивирующих материалов. Точечные контакты наноразмеров на слое Al 2O3и линейные контакты на слое SiO2 обеспечивают электрическое соединение поглотителя CIGS с задним электродом Молибден. Точечные контакты на слое Al 2O3создаются 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 являются многообещающими для солнечных батарей с точки зрения низкой стоимости и возможности адаптации к существующим конструкциям и каркасам в технологии. Поскольку материалы очень тонкие, им не хватает оптического поглощения, как у солнечных элементов из массивных материалов. Попытки исправить это были предприняты, но более важным 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.
Портал возобновляемых источников энергии 
Портал энергетики  | Wikimedia Commons есть материалы, связанные с Фотоэлектрической системой. |
| На Викискладе есть материалы, связанные с солнечными элементами. |
