Межі сонячної ефективності

Вперше він був розрахований Вільямом Шоклі та Гансом Квайсером у 1961 р. Ефективність перетворення енергії сонячного елемента - це відсоток потужності, перетвореної із сонячного світла в електричну в "стандартних умовах випробувань" (STC). Умови STC складають приблизний сонячний полудень весняного та осіннього рівнодення на континентальній частині Сполучених Штатів, поверхня сонячної батареї спрямована безпосередньо на Сонце.

Сучасний розрахунок SQ Limit - це максимальна ефективність 33% для будь-якого типу сонячних елементів з одним переходом. Оригінальний розрахунок Шоклі та Квайсера становив 30% для кремнієвого сонячного елемента. Поточна ефективність виробництва сонячних елементів залежить від ширини зазору напівпровідникового матеріалу, як показано зліва. Див. Сторінку Junctions & Band Gaps.

Найкраща ефективність кремнієвих елементів у сучасному виробництві становить 24% на рівні комірок та 20% на рівні модулів, як повідомляло SunPower у березні 2012 року. У лабораторії рекорд ефективності використання сонячних елементів проводиться Університетом Нового Південного Уельсу в Сідней, Австралія - 25%.

Існує ряд припущень, пов’язаних з обмеженням SQ, які обмежують його загальну придатність для всіх типів сонячних елементів. Незважаючи на те, що проводяться численні програми з пошуку шляхів подолання межі SQ, він все ще застосовується до 99,9% сонячних елементів на ринку сьогодні. Топ

Критично важливі припущення щодо SQ:

Один напівпровідниковий матеріал (крім допінг-матеріалів) на сонячну батарею.
Один p / n перехід на сонячний елемент.
Сонячне світло не концентроване - джерело "одного сонця".
Вся енергія перетворюється на тепло від фотонів, що перевищує ширину зазору.

Куди йде 67% втрат енергії?

47% сонячної енергії перетворюється на тепло.
18% фотонів проходить через сонячний елемент.
02% енергії втрачається від локальної рекомбінації новостворених дірок та електронів.
Теоретично 33% енергії Сонця перетворюється на електрику.
100% загальної енергії сонця.

Якщо теоретичне обмеження для кремнієвих клітин становить близько 30%, що відбувається з іншими 6%, які втрачаються від найкращої ефективності виробничих комірок у 24%? Деяке сонячне світло завжди відбивається від поверхні клітини, хоча поверхня, як правило, текстурована і покрита антибліковим покриттям. Крім того, є деякі втрати на стику кремнієвої комірки з електричними контактами, які несуть струм до навантаження. Нарешті, є деякі втрати через виробничі домішки в кремнії. Топ

Які електромагнітні хвилі поглинає сонячна батарея?

Зліва показано повний спектр електромагнітного випромінювання. Довгі радіохвилі праворуч найслабші. Найпотужніші промені (гамма-промені) дуже короткі і вліво.

Щоб напівпровідниковий електрон перемістився у зовнішній ланцюг навантаження, його рівень енергії повинен бути збільшений з нормального рівня валентності (щільно прив’язаного до одного атома) до вищого рівня провідності енергії (вільного для руху). Кількість енергії для підвищення її на більш високий рівень називається енергією "забороненої зони". Див. Сторінку Junctions & Band Gaps.

Тільки фотони, що мають принаймні енергію зазору, можуть звільнити електрони для створення струму. Фотони сонячного світла з енергією менше зазорової зони просто пройдуть через сонячну батарею. В перерахунку на випромінювання, всі фотони у видимому спектрі досить сильні, щоб змусити електрони перестрибнути ширину зазору.

Деякі інфрачервоні, усі мікрохвильові та всі радіохвилі не мають достатньо енергії і проходять прямо через сонячну батарею.

На графіку "Розподіл енергії сонячного світла" зліва лише "гірчичні" кольорові фотони можуть "поглинатися" і створювати електрику в кристалічній кремнієвій клітині. Поглинання електромагнітного випромінювання - це процес, при якому енергія фотона від Сонця перетворюється в інші форми енергії, наприклад, електрику або тепло.

Червоних кольорових хвиль недостатньо енергії, а жовтих занадто багато енергії. Жовті довжини хвиль поглинаються і виробляють електроенергію, але багато їх енергії втрачається. Це тому, що фотони з надлишковою енергією забороненої зони генерують вільний електрон і дірку, але їх додаткова енергія розсіюється у вигляді тепла.

Рентген і гамма-промені мають занадто багато енергії, щоб взагалі поглинатися. Гірчична область - це в основному картина граничного коефіцієнта SQ, застосована до кремнію, як Шоклі та Кейссер розрахували його в 1961 році.

Стратегії перевищення межі SQ:

В основному стратегії досягнення кращої ефективності, ніж прогнозує SQ Limit, полягають у вирішенні одного або декількох критичних припущень, перелічених вище (і показаних знову нижче).

1) Один напівпровідниковий матеріал (крім легуючих матеріалів) на сонячну батарею.

Використовуйте в комірці більше одного напівпровідникового матеріалу.

2) Один P/N перехід на сонячну батарею.

Використовуйте більше одного з'єднання в комірці - "тандемні клітини".

3) Сонячне світло не концентроване - джерело "одного сонця".

Сонячне світло можна сконцентрувати приблизно в 500 разів, використовуючи недорогі лінзи.

4) Вся енергія перетворюється на тепло від фотонів, що перевищує ширину зазору.

Поєднуйте ПВ напівпровідник з технологією, що базується на нагріванні, для отримання обох видів енергії та/або

Використовуйте "квантові точки", щоб зібрати частину надлишкової енергії фотонів для електрики.

Стратегії 1) та 2) Багатоконтурні сонячні елементи - "Тандемні клітини"

Найбільш ранньою та найчастішою роботою до межі SQ було використання декількох p/n переходів, кожен з яких налаштований на різну частоту сонячного спектру. Оскільки сонячне світло буде сильно реагувати лише на проміжки смуг приблизно однакової ширини з довжиною хвилі, верхні шари зроблені дуже тонкими, тому вони майже прозорі для довших хвиль. Це дозволяє стикувати стики, при цьому шари захоплюють найкоротшу довжину хвилі зверху, а фотони з більшою довжиною хвилі проходять через них до нижніх шарів.

Приклад багатоперехідної комірки зліва має верхню комірку з фосфіду індію галію, потім "тунельний діодний перехід" і нижню комірку з арсеніду галію. Тунельний перехід дозволяє електронам протікати між клітинами і утримує електричні поля двох клітин окремими. Більшість сучасних досліджень в клітинах з багатоперехідними клітинами зосереджені на арсеніді галію як на одній із складових клітин, оскільки він має дуже бажану ширину зазору. Виконання розрахунку за методологією SQ; двошарова комірка може досягти максимальної теоретичної ефективності 42%, а тришарова комірка 49%.

Університет Нового Південного Уельсу (UNSW) в Сіднеї, Австралія, має рекорд по багатоканальному з'єднанню - 43%, використовуючи тандемний підхід з п'ятьма клітинами. Однак тандемний елемент UNSW дуже дорогий. Окрім питання вартості, існують інші обмеження, які роблять тандемні клітини складними. Наприклад, усі шари мають бути решітчасто сумісними один з одним за своєю кристалічною структурою, а струми від кожної окремої комірки повинні відповідати іншим клітинам. Багатоконтурні комірки комерційно використовуються лише у спеціальних додатках, оскільки їх витрати в даний час перевищують будь-яке підвищення ефективності. На даний момент вони використовуються в просторі, де вага є найбільш важливим, і в концентрованих фотоелектричних системах, де сонячне світло фокусується на дуже малій площі комірки, що вимагає лише невеликої кількості напівпровідників на клітинку. Топ

Стратегія 3) Концентруй сонячне світло

Концентрована PhotoVoltaics (CPV), в якій сонячне світло фокусується на невеликому сонячному елементі лінзами, щоб генерувати більше енергії на одиницю площі поверхні, була першим фаворитом для підвищення сонячної ефективності. Основна привабливість CPV полягає в тому, що він може залучити скромне виробництво електроенергії на "сонці" до значно більших масштабів виробництва, використовуючи відносно просту і недорогу оптичну концентрацію.

Замість типової сонячної батареї розміром 6 дюймів на 6 дюймів для фокусування сонячного світла, як показано ліворуч, використовується пластикова пластикова лінза Френеля розміром 7 дюймів на 7 дюймів (яскраво виражена Фрай-НЕЛЛ). Крихітний, 39% ефективний багатоперехідний сонячний елемент встановлений у фокусі, який перетворює сонячну енергію в електрику. Очікується, що майбутня ефективність клітин наблизиться до 50%. Лінза Френеля концентрує енергію сонця приблизно в 500 разів більше, ніж її нормальна інтенсивність. Ряд лінз Френеля виготовляються у вигляді єдиного пластикового шматка. Крихітні сонячні елементи встановлені на опорній пластині в місцях, що відповідають точці фокусування кожної лінзи Френеля. Сотні лінз складають сонячну решітку, встановлену на сонячному геліостаті. Завдяки високій "ефективності модулів" 31%, системи CPV займають менше землі, ніж традиційні фотоелектричні системи, не використовують воду і ідеально підходять для районів пустельного типу. Див. Обговорення Amonix.

Незважаючи на переваги концентрації, CPV повільно завойовує частку ринку. Хоча крихітні сонячні елементи використовують менше дорогих напівпровідникових матеріалів, вартість є фактором, оскільки двовісний геліостат для відстеження сонця необхідний для точного утримання точки фокусування на сонячній батареї, оскільки Сонце щодня рухається на схід на захід, а також на північ і південь кожного сезону. CPV погано працює в похмурому кліматі, оскільки розсіяне сонячне світло погано концентрується. Крім того, великі геліостати не надто підходять для малих установок, які були основним напрямком недавнього ринку фотоелектричних систем. Сьогодні витрати на CPV дуже конкурентоспроможні, і CPV отримує вигоду від зростаючого попиту на сонячні електростанції великих розмірів, особливо в пустельних районах Каліфорнії, Арізони, Іспанії та Австралії. Топ

Стратегія 4a) Поєднання фотоелемента з технологією на основі тепла (PETE)

Стратегія 4b) Квантові точки поглинають надлишок енергії фотонів

У звичайному сонячному елементі кожне зіткнення фотонів породжує пару частинок, що складається з однієї вільної дірки та одного вільного електрона. Квантові точки - це надзвичайно малі "нанокристали" (назви використовуються дещо взаємозамінно), вкраплені у більший напівпровідниковий матеріал. Квантові точки (КТ) мають розмір від 1 до 20 нанометрів (один нанометр - це одна мільярдна частина метра). Дивіться дві фотографії з MIT зліва.

Напівпровідники такого розміру мають інші фізичні властивості, ніж їх старші брати. Коли фотони з енергією, яка перевищує ширину забороненої зони, стикаються з квантовою точкою, можна створити кілька "гарячих" дірок/електронів на противагу одній парі та нагріванню. Хоча кремній може бути використаний як нанокристал, селенід свинцю (PbSE), також напівпровідник, все частіше використовується як обраний матеріал.

Ще однією характеристикою квантової точки є те, що різні розміри захоплюють різну довжину хвилі світла. Маленькі точки фіксують малі довжини хвиль, а більші - більші. Деякі дослідники з'ясували, як складати точки від малих до великих, щоб уловлювати більше енергії фотонів, подібно до того, як це роблять тандемні клітини (див. Стратегію одна/дві вище) .

Як тільки гарячий електрон створюється всередині квантової точки, він продовжує своє життя до 1000 разів до того, як охолоне. Електрони люблять залишатися всередині КТ. Однією з проблем було з'ясувати, як витягти гарячі електрони з КТ. Жоден сонячний елемент, вироблений до грудня 2011 року, не має квантової ефективності, що перевищує 100 відсотків.

Квантова ефективність (не плутати з ефективністю сонячних елементів) відповідно до Національної лабораторії відновлюваних джерел енергії (NREL), розташованої в Боулдері, штат Колорадо, є "співвідношенням зібраних носіїв заряду (електронів або електронних дірок) до падаючих фотонів". У простому розумінні - це відношення кількості електронів, що виробляються в сонячній батареї, до кількості фотонів Сонця, що потрапляють у клітинку.

Дослідники з NREL повідомили про квантову ефективність у 114 відсотків у сонячних елементах, "збуджених" від фотонів з області високих енергій сонячного спектру. Тобто від ультрафіолету через спектр видимого світла - від 350 до 700 нанометрів. Див. Таблицю спектру сонячного світла вище.

Енергія завжди зберігається. Додаткові електрони походять від зайвої енергії, що залишилася після початкового зіткнення фотонів та електронів. Світлові хвилі нижче 700 нанометрів не мають достатньої енергії для витіснення більше однієї пари електрон-дірка.

NREL досяг цього результату за допомогою шаруватої квантової точки "експериментальної комірки", що складається з поверхні антиблікового скла, тонкого шару напівпровідникового оксиду цинку, "текстурованого" на нанорівні, шару QD селеніду свинцю, легованого етандітолом (склеювання) засіб) і гідразин (стабілізатор осадження) і тонкий шар золота для колекторного електрода.

Цей процес, який створює більше однієї пари електрон-дірка з одного фотона, NREL називає "генерацією множинних екситонів" (MEG).

Зліва показана електронно-хвильова функція в квантовій точці (тобто ймовірність перебування електрона в будь-якому конкретному місці в будь-який момент часу - фіолетовий є низькою ймовірністю, а білий - великою ймовірністю).

Вважається, що практична верхня межа для «тонкоплівкових» сонячних елементів становить близько 20%. Вважається, що верхня межа використання квантових точок становить близько 30%. Слід підкреслити, що дослідження квантових точок знаходиться на дуже базовому етапі демонстрації наукових принципів. На даний момент ніхто фактично не робив попереднього виробництва сонячних елементів Quantum Dot. Вважається, що виробництво сонячних елементів за допомогою квантових точок буде приблизно через 10 років у майбутньому.