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 см²производительность упала до 13%, а при производстве модулей площадью до 4 футов²производительность обычно уже не достигала 10 %. В марте 1999 г. компанияSiemensSolarсообщила о выпускеCIGSeSмодуляcпроизводительностью 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 прозрачныхслоев (windowlayer).

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]

Комментарий к Рисунку 11.14:

Glass – стекло/стеклянная подложка

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 CISфотоэлемента (из диселенида меди и индия), нанесенный материал также частично соскабливается тонкими полосками. И наконец, после нанесение слоя из прозрачного проводящего оксида (TCO) оба слоя (TCOиCIS) 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 нескольком меньше, процесс нанесения бороздок соскабливанием далек от того, чтобы можно было его считать простым.

Использование в составе материала для изготовления CISфотоэлемента галлияGaпозволяет 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, CISфотоэлементы демонстрируют хорошую устойчивость к продолжительной эксплуатации на открытом воздухе, при этом фотоэлементы, эксплуатируемые вусловиях недостаточности солнечного света, интересно ведут себя в режиме регенерации. Модули фирмыSiemensSolar(сейчас это компанияShellSolar) площадью 4 фута²на протяжении 7 лет проходили испытания, результаты которых демонстрируют минимальную деградацию фотоэлементов в результате продолжительной эксплуатации.Коэффициент использования поверхностиболее 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 типаCIGS(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 сульфатацияпозволяет восстановить изначальный уровень КПД.