11.4.4 Производительность фотоэлемента

При разработке фотоэлементов с использованием новых технологий сначала изготавливают фотоэлементы малой площади для того, чтобы определить будет ли производство фотоэлементов большей площади и модулей практически целесообразным. На момент написания настоящего издания, опытный экземпляр фотоэлемента из диселенида меди-индия-галлия (CIGS) показал максимальную производительность, равную 18,9% [25]. При увеличении размеров фотоэлементов и переходе к производству мини-модулей с площадью до 100 см² производительность упала до 13%, а при производстве модулей площадью до 4 футов² производительность обычно уже не достигала 10 %. В марте 1999 г. компания Siemens Solar сообщила о выпуске CIGSeS модуля c производительностью 12,1%, которая была подтверждена Национальной лабораторией по исследованиям в области возобновляемых источников энергии [25].

Очевидно, что главная проблема при разработке фотоэлектрических модулей состоит в устранении факторов, которые приводят к ухудшению производительности фотоэлемента, и как видно, к решению этих задач относятся весьма серьезно. А для этого необходимо понимание того, что же это за факторы. Здесь важно учитывать такие моменты, как конструкция устройства в целом, конструкция контактной сетки солнечного элемента, используемые противоотражающие покрытия, поверхностное сопротивление внешних прозрачных слоев (window layer).

Примером одного из возможных компромиссных решений, к которым приходится прибегать при переходе от производства опытных образцов фотоэлектрических устройств к серийному производству, может служить прозрачный контакт из оксида цинка. Для опытного образца с площадью около 1 см², можно использовать достаточно тонкий слой оксида цинка с поверхностным сопротивлением равным 15 /квадрат, так как вырабатываемый фотоэлементом ток будет относительно небольшой силы и падение напряжение на контакте будет минимальным. Этот тонкий внешний прозрачный слой поглощает минимальное количество падающего излучения, в результате чего поглощающий слой из диселенида меди и индия сможет достичь максимального КПД преобразования. Однако, при увеличении размеров фотоэлемента поверхностное сопротивление прозрачного проводящего должно быть уменьшено с тем, чтобы не допустить падения напряжения на контакте и соответствующего снижения коэффициента/степени заполнения и производительности фотоэлемента. При этом в целях снижения поверхностного сопротивления приходится мириться с тем, что прозрачный контакт поглощает большее количество фотонов, падающих на поверхность солнечного элемента.

Последовательное соединение фотоэлементов также может приводить к ухудшению КПД фотоэлемента. На Рисунке 11.14 приведен пример использования монолитно соединенных между собой мини-модулей вместо отдельных фотоэлементов. Благодаря использованию технологии монолитного соединения отпадает потребность в специальном изготовлении соединительных фотоэлементов.

Рисунок 11.14 Исполнение последовательного подключения методом монолитного соединения по технологии Siemens [37]

После осаждения молибдена для того, чтобы разделить отдельные фотоэлементы, молибден тонкой полоской соскабливается, в результате чего получаю фотоэлементы длиной около 4 футов и толщиной менее дюйма. Затем, после нанесения составных компонентов CIS фотоэлемента (из диселенида меди и индия), нанесенный материал также частично соскабливается тонкими полосками. И наконец, после нанесение слоя из прозрачного проводящего оксида (TCO) оба слоя (TCO и CIS) также частично соскабливаются с образованием тонких бороздок. Хотя на первый взгляд этот процесс кажется достаточно простым, следует понимать, что при первом соскабливании снять нужно только слой молибдена, не задев при этом стекло, а при втором и третьем соскабливании остаться нетронутым должен слой из молибдена. Учитывая, что толщина слоев материала составляет всего несколько м меньше, процесс нанесения бороздок соскабливанием далек от того, чтобы можно было его считать простым.

Использование в составе материала для изготовления CIS фотоэлемента галлия Ga позволяет добиться того, что ширина запрещенной энергетической зоны материала превышает 1,1 эВ. Приближение значения энергии запрещенной зоны к пику энергетического спектра солнечного света приводит к увеличению КПД преобразования в данном диапазоне длин волн, а остающиеся при этом фотоны меньшей энергии улавливаются благодаря процессу поглощения свободными носителями, который протекает в слое из прозрачного проводящего оксида, в то время как фотоны более высоких энергий преобразуются в электронно-дырочные пары. Это приводит к увеличению напряжения разомкнутой цепи (холостого напряжения) в фотоэлементе с 0,4 В вплоть до 0,68 В, а коэффициент заполнения при этом достигает 80 % от соответствующего лабораторного значения. Эксперименты с добавлением к селену серы показали, что это также приводит к улучшению показателей производительности фотоэлемента.

Переходные эффекты

В отличие от фотоэлементов из аморфного кремния, CIS фотоэлементы демонстрируют хорошую устойчивость к продолжительной эксплуатации на открытом воздухе, при этом фотоэлементы, эксплуатируемые в условиях недостаточности солнечного света, интересно ведут себя в режиме регенерации. Модули фирмы Siemens Solar (сейчас это компания Shell Solar) площадью 4 фута² на протяжении 7 лет проходили испытания, результаты которых демонстрируют минимальную деградацию фотоэлементов в результате продолжительной эксплуатации. Коэффициент использования поверхности более ранних моделей модулей (1990) составлял около 7 %; в 2002 г. модули на подложке из металлической фольги показали эффективность в размере 7,4 % [25], а типовой модуль типа CIGS (на основе диселенида меди, индия, галлия) уже имеет производительность равную 13,6 % [38].

Интересно, что под воздействием более интенсивного солнечного излучения КПД фотоэлектрического модуля, на самом деле, повышается. Воздействие же высоких температур приводит к потерям эффективности, однако легкая сульфатация позволяет восстановить изначальный уровень КПД.