Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Предложено два способа практического осуществления преобразования энергии при помощи каскадных солнечных элементов. Первый из них связан с применением оптических фильтров с зеркальной поверхностью в сочетании с несколькими элементами, второй — с созданием элементов, у которых переходы расположены последовательно по ходу световых лучей. В первом случае падающее излучение расщепляется на не-
Новые напр, в разработке солнечных элементов
383
сколько пучков, и каждый из них направляется на определенный элемент, характеристики которого согласуются со спектральным распределением излучения в данном пучке.
В каскадном солнечном элементе второго типа элементы, изготовленные из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, должны быть расположены друг за другом в такой последовательности, чтобы свет в первую очередь попадал на широкозонный материал. Фотоны, имеющие большую энергию, поглощаются в первом элементе, остальная часть излучения солнечного спектра попадает во второй элемент, в котором также поглощаются наиболее высокоэнергетические фотоны прошедшей части светового потока, а непоглощенное излучение поступает в третий элемент. Процесс селективного поглощения продолжается до тех пор, пока свет не достигнет элемента с наименьшей шириной запрещенной зоны. Ясно, что такая конструкция обеспечивает использование значительно большей части спектра солнечного излучения и позволяет получать более высокий общий КПД.
Идея преобразования излучения с помощью каскадной структуры находит дальнейшее развитие в создании монолитного интегрального каскадного солнечного элемента, в котором отдельные элементы имеют общую базу, а их электрическое соединение осуществляется внутри структуры (в отличие от последовательного соединения независимых солнечных элементов, образующих каскад). Хотя процесс изготовления монолитных каскадных солнечных элементов может оказаться более сложным, необходимо задаться целью исключить прирост стоимости при создании двух и более элементов для каскадной системы, а также решить проблемы электрического соединения элементов, согласования оптических характеристик и сборки модулей.
Рассмотрим более подробно принцип действия солнечных элементов при использовании оптического расщепления спектра и интегральных каскадных солнечных элементов.
8.4.1 Системы на основе оптических фильтров и набора солнечных элементов
Схема каскадного преобразователя, включающего оптический фильтр, концентратор излучения и два элемента, показана на рис. 8.7. Концентратором излучения служит линза Френеля. Плоскость оптического фильтра расположена под углом 45° к оси концентрированного светового пучка. Благодаря этому отраженная часть пучка, которая направляется на 1-й элемент, имеет такую же геометрическую форму, как и часть пучка, прошедшая через фильтр и направленная ко 2-му элементу. Как прошедший, так и отраженный световой пучок можно сфокусировать таким образом, чтобы обеспечить опти-
384
Глава 8
Солнечное излучение Мальную Концентрацию ИЗЛуче-
ния для каждого элемента. При введении в систему других солнечных элементов на пути светового пучка необходимо установить дополнительные оптические фильтры, каждый из которых должен отражать к определенному элементу излучение соответствующей части спектра.
Анализ предельного КПД системы, состоящей из двух элементов, выполнен Масденом и Бакусом [24] при следующих предположениях: 1) концентра-
тор не меняет спектрального распределения энергии s(X) излучения; 2) потери излучения в оптическом фильтре отсутствуют, а его коэффициент отражения R резко изменяется при пороговой длине волны Я.с, соответствующей Еёь таким образом, что R = 1 при Х<ХС и R = 0 при Х>%с. Предельный КПД системы из N элементов, работающих в условиях концентрированного излучения, может быть представлен в виде
Рис. 8.7. Схема каскадного солнечного элемента на основе оптического фильтра, концентратора излучения и двух элементов.
ЛИт
N
I (VF)m (FF)m EgmJl„
___ т=1___________________________
oo
К f s(K)dK 0
Здесь (VF)m — фактор напряжения m-го элемента: qVoc _ (kT/q) ln [(JLmlJsm)+ 1] # E
(VF)„
(8.1)
(8.2)
Egm C'gm
Коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики m-го элемента равен
nkT
nkT
(8.3)
Напряжение на m-м элементе Vmp, соответствующее максимальной мощности, находим из уравнения
Новые напр, в разработке солнечных элементов
385
Здесь
п] =
L N Dm V ^pm ) 2,57.1029T3 exp {—EgJkT) 4,81 • 103T'3exp (—EgJkT)
l
NAm
при
при
( l^nm Y^I
J’
(8.5)
Egm > 1,29 эВ, ?gm<l,29 эВ,
Jgm
¦ширина запрещенной зоны m-го элемента. Плотность
фототока m-го элемента JLm определяется уравнением
jLm=Ж f 8(Х)Ш,
'gm
he х.
(8.6)
'gm—1
где Xgm= 1,24/Egmi hgi = 0, К— коэффициент концентрации излучения.
С использованием конкретных значений |лп, \ip, тп, NA и Nd авторы работы [24] определили уровни постоянного предельного КПД в виде функции Egi и Eg2 для каскадной системы из двух элементов при коэффициенте концентрации 100 в условиях АМ2. Полученные зависимости представлены на рис. 8.8. Для системы на основе элементов из Si и Ge кпд составляет 34%. Для комбинаций элементов из GaAs — Si и GaAs—Ge значения КПД равны 35 и 37 % соответственно. В случае сочетания кремниевого элемента с элементом изматериала, имеющего ширину запрещенной зоны 1,75 эВ, КПД составляет 41 %. Важной особенностью метода расщепления спектра является значительное снижение внутренних потерь в каждом элементе по сравнению с соответствующими видами потерь в единичных элементах при одинаковых условиях освещения. Этот вывод иллюстрирует рис. 8.9, на котором приведены диаграммы распределения энергетических потерь в двух элементах (на основе GaAs и Ge), работаю-
