Эффективность фотоэлектрических преобразователей в концентрированном солнечном излучении

В последнее время большое внимание уделяется использованию солнечной энергии, в частности прямому ее преобразованию в электрическую энергию. Для этой цели широко используются различные фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Они являются главным источником электроэнергии как в космических аппаратах, так и в наземных солнечных электростанциях. Однако широкое использование их на Земле сдерживается значительной стоимостью элементов. Снижение стоимости ФЭП в основном ведется за счет уменьшения стоимости материалов и создания дешевых пленочных. Не менее перспективным для этой цели является использование концентрированного солнечного излучения.

Использование концентрированного солнечного излучения в фотоэлектрических установках связано главным образом со стремлением улучшить энергетические показатели установок за счет увеличения удельной мощности. Однако при этом уменьшается и скорость радиационной деградации параметров ФЭП. При использовании концентрированного солнечного излучения в ФЭП выделяется большое количество тепловой энергии и, если не предусмотрено охлаждение, то рабочая температура элементов возрастает. Значительное повышение температуры влияет на концентрацию носителей заряда, а также на процесс поглощения света, в результате чего изменяются выходные параметры ФЭП.

В автономных солнечных электростанциях основу могут составлять твердотельные ФЭП. Основными материалами для создания фотоэлектрических преобразователей повышенной мощности являются кремний и различные гетероструктуры.

Для повышения коэффициента ис- пользования энергии солнечного излуче- ния применяют концентраторы солнечного излучения. Однако в этом случае необходимо решать проблему нагрева ФЭП, т.к. эффективность кремниевого ФЭП падает до нуля уже при 300 °С, в основном, за счет увеличения температуры и, как след- ствие, внутренних омических потерь.

Для характеристики внутренних потерь ФЭП обычно используют так называемый коэффициент заполнения ВАХ (F), равный отношению максимальной мощно- сти к произведению тока короткого замыкания ФЭП на напряжение холостого хода:

F =

р

m

IU кз хх

На рисунках 1 и 2 представлены зависимости коэффициента заполнения ВАХ от температуры для гетероструктурных и кремниевого фотоэлектрических преобразователей. Эти зависимости позволяют оценить динамику увеличения внутренних потерь с ростом температуры.

Солнечные элементы на основе монокристаллического кремния, работающие при неконцентрированном солнечном облучении, получили наибольшее распространение в автономной солнечной энергетике. В последние годы выполнены также широкие исследования кремниевых фотоэлектрических преобразователей концентрированного солнечного излучения и достигнуты значительные значения КПД. Кроме монокристаллического кремния, для создания фотоэлектрических преобразователей широко используется поликристал-лический и гидрогенизированный аморфный кремний, главным достоинством которого является меньшая стоимость.

^^^^^GaSb                         ^^^^■^GaAs

Рис. 1. Зависимости коэффициента заполнения ВАХ (F) от температуры для фотоэлектрических преобразователей на основе антимонида галлия и арсенида галлия

Рис. 2. Зависимость коэффициента заполнения ВАХ (F) от температуры для фотоэлектрических преобразователей на основе кремния

Аморфные материалы образуют отдельный класс веществ, во многом аналогичных кристаллическим полупроводникам. Исследование их свойств и расширение класса представляют собой актуальные физико-теоретическую и физико-техническую задачи. КПД фотоэлектрических преобразователей на аморфном кремнии реально (в батарее) можно довести до 15%. Однако эффективность таких ФЭП существенно снижается при использовании концентрированного солнечного излуче- ния, что не дает оснований предполагать их широкое применение совместно с концентраторами солнечного излучения. По этим причинам здесь не рассматриваются фотоэлектрические преобразователи на основе аморфного и поликристаллического кремния, а также ФЭП на основе тонкопленочных полупроводниковых соединений.

В кремниевых фотоэлектрических преобразователях, оптимизированных для работы с неконцентрированным солнечным излучением, при небольшом повышении интенсивности излучения (при Кс = 2–3) КПД начинает уменьшаться, и это снижение составляет 20–30%.

В конструкциях солнечных элементов, специально разработанных для преобразования концентрированного солнечного излучения, основное внимание обращалось на снижение омических потерь при сохранении высоких значений фототока и рабочего напряжения.

В концентрированном солнечном излучении равновесная температура фотоэлемента может превышать 100 °С. Увеличение рабочей температуры сопровождается уменьшением ширины запрещенной зо- ны, что дает некоторое увеличение фототока за счет расширения спектра фотоответа в длинноволновую область. Однако это увеличение фототока не компенсирует уменьшения Uхх вследствие экспоненциального увеличения тока насыщения с ростом температуры, что приводит к существенному снижению КПД при увеличении температуры. В вертикальных кремниевых солнечных элементах, так же как и в планарных, наблюдается уменьшение температурного коэффициента КПД при увеличении Кс. Ниже приведена температурная характеристика кремниевых фотоэлектрических преобразователей.

Кс = 1000     Неконцентрированное

Рис. 3. Зависимости КПД солнечных элементов на основе Si от температуры при различных степенях концентрирования солнечного излучения

Оптимальный диапазон степени концентрации для ФЭП на основе гетеро-структурных ФЭП, например арсенида-галлия, приблизительно на порядок выше, чем для кремниевых ФЭП, что объясняется лучшей температурной стабильностью КПД (рис. 3). Это позволяет в концентра-торных модулях на основе гетерофотоэлементов использовать достаточно простые и дешевые системы охлаждения при электрической мощности, снимаемой с одного фотоэлектрического преобразователя, более 10 Вт.

Использование Al-Ga-As-гетеро-структур для создания солнечного элемента открывает дополнительные возможно- сти повышения эффективности преобразования солнечного излучения. Наибольшее применение для создания солнечных элементов получили гетеропереходы алюми-ний-галлий-мышьяк, оптимальные с точки зрения эффективности преобразования солнечной энергии, вследствие близости параметров решеток арсенида галлия и арсенида алюминия.

Увеличение степени концентрирования солнечного излучения приводит к увеличению рабочей температуры солнечного элемента и снижению КПД в основном за счет уменьшения напряжения холостого хода Uхх. Бóльшая, чем в кремнии, ширина запрещенной зоны арсенида-галлия обес- печивает лучшую температурную стабильность параметров солнечного элемента на основе AlGaAs-GaAs гетероструктур. Температурные коэффициенты Uхх и КПД уменьшаются с увеличением степени концентрирования солнечного излучения.

Уменьшение ширины запрещенной зоны при увеличении температуры и, как следствие этого, небольшое увеличение фототока несколько компенсирует снижение Uхх. Величина температурного коэф- и практически не зависит от степени концентрирования солнечного излучения. Из представленных на рисунке 4 зависимостей КПД при AM 0 от температуры видно, что температурный коэффициент КПД уменьшается при различных коэффициентах концентрации. Внесение цинка диффузным методом позволяет улучшить температурную стабильность фотоэлектрического преобразователя на основе AlGaAs-GaAs гетероструктур, работающих при концен-

Рис. 4. Зависимости КПД солнечных элементов на основе AlGaAs-GaAs гетероструктур от температуры при различных степенях концентрирования солнечного излучения (AM 0)

Таким образом, увеличение величины К с приводит к возрастанию рабочей температуры и к существенному снижению КПД различных видов фотоэлектрических преобразователей, а также к термическому и инжекционному отжигу. Этот факт необходимо принимать во внимание при выборе оптимальной степени концентрирования солнечного излучения для ФЭП в энергоустановках с концентраторами солнечного излучения.