Солнечный элемент с композитным PMMA+Ag просветляющим покрытием

Полезная модель относится к оптоэлектронике и может быть использована для увеличения генерации электрической энергии в кремниевом солнечном элементе в течение светового дня.
Известны различные типы просветляющих покрытий для кремниевых солнечных элементов [М.М. Колтун, Оптика и метрология солнечных элементов, М.: Наука 1985; Г.В. Розенберг, Оптика тонкослойных покрытий, Физматгиз, Москва, 1958; М. Борн, Э. Вольф, Основы оптики, Наука, М.: 1973], основанные на принципе интерференционного оптического просветления.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является солнечный элемент с просветляющим покрытием из нитрида кремния [Дорофеев С.Г., Кононов Н.Н., Звероловлев В.М., Зиновьев К.В., Суханов В.Н., Суханов Н.М., Грибов Б.Г. Применение тонких пленок из наночастиц кремния для увеличения эффективности солнечных элементов в журнале, ФТП, т. 48, № 3, с. 375-383, 2014], который обладает относительно небольшой генерацией электрической энергии в солнечном элементе, что является недостатком. Он состоит из кремниевого солнечного элемента и просветляющего покрытия из нитрида кремния. В данной полезной модели будет показано, что нанесение композитного слоя из полиметилметакрилата с наночастицами серебра в полимерной матрице (PMMA+Ag) поверх  интерференционного просветляющего покрытия из нитрида кремния позволяет достигнуть увеличения генерации электрической энергии в кремниевом солнечном элементе в течение светового дня на 12% по сравнению с генерацией электрической энергии в кремниевом солнечном элементе с интерференционным просветляющим покрытием из нитрида кремния.
На фиг. 1 схематично показана схема предлагаемой полезной модели, которая может быть использована для увеличения генерации электрической энергии в кремниевом солнечном элементе в течение светового дня. Структура включает в себя следующие конструктивные элементы: 1 - кремниевый солнечный элемент, 2 - интерференционное просветляющее покрытие из нитрида кремния 3 - слой нанокомпозита PMMA+Ag.
Характерные отличия заявляемой полезной модели от указанного аналога заключаются в том, что:
a) отражательная и пропускательная способности просветляющего покрытия из метаматериала PMMA+Ag слабо зависят от длины волны в интервале от 400 до 1200 нм;
b) отражательная и пропускательная способности просветляющего покрытия из метаматериала PMMA+Ag слабо зависят от оптических свойств обрамляющих сред;
c) метод нанесения слоев из PMMA+Ag значительно дешевле метода вакуумного напыления, применяемого в настоящее время.
Для получения слоев из композитного материала PMMA+Ag на различных поверхностях нами разработана технология пневматического распыления наносуспензии с наночастицами серебра [O.N. Gadomsky, N.M. Ushakov, Nanocomposite antireflection coating in the form of thick film and the method of its making Ru, 2456710 from 20.07.2012; V.E. Katnov, O.N. Gadomsky, S.N. Stepin., R.R. Katnova, Method of the making of the antireflection coating Ru, 2554608 from 27.06.2015].
Качество покрытия PMMA+Ag определялось с помощью измерения его оптического пропускания на стекле. На фиг. 2 представлены экспериментальные спектры пропускания чистой стеклянной подложки (кривая 2), кривая 1 соответствует показаниям прибора без образцов. Полимерная пленка на стекле (кривая 3), как и следовало ожидать, уменьшает оптическое пропускание стекла. Композитный PMMA+Ag слой увеличивает оптическое пропускание стекла на 8% (кривая 4). Толщина полимерной и композитных пленок во всех образцах одинаковая и равна 17 мкм, весовое содержание серебра в композите равно 5%. Наночастицы серебра с радиусом около 2.5 нм равномерно распределены в композитных слоях. В технологии синтеза нанокомпозита предусмотрено образование стабилизирующих оболочек на поверхности наночастиц серебра. Показатель преломления стабилизирующих оболочек совпадает с показателем преломления диэлектрической матрицы (полиметилметакрилат с показателем преломления 1.492).
Эффективность солнечного элемента, согласно общепринятому определению, вычислим как отношение
,
где  - фактор, определяющий отношение максимальной мощности солнечного элемента к произведению ,  - напряжение холостого хода,  - ток короткого замыкания,  - иррадиация, измеряемая в ,  - поверхность солнечного элемента в .
Эффективность просветляющего покрытия солнечных элементов принято определять с помощью фототока короткого замыкания [Н.Н. Клюй, В.Г. Литовченко, А.Н. Лукьянов, Журнал Технической Физики, 76, 122-126, 2006]:
,
где  - заряд электрона,  и  - нижняя и верхняя границы длин волн солнечного излучения,  - число фотонов на длине волны  в единицу времени в падающем солнечном излучении,  - пропускательная способность просветляющего покрытия,  - квантовый выход солнечного элемента. Число фотонов  в формуле  можно вычислить с помощью спектра солнечного излучения [М.М. Колтун, Оптика и метрология солнечных элементов, М.: Наука 1985]. Для этого достаточно  разделить на энергию одного фотона  на соответствующей длине волны. При этом предполагалось, что квантовый выход , то есть каждый квант света производит электронно-дырочную пару в кремнии.
Запишем формулу для тока короткого замыкания солнечного элемента в зависимости от времени  в течение дня, например, от полудня до заката. Учитывая формулу , а также выражение для спектральной плотности солнечного излучения, используя понятие воздушной массы [М.М. Колтун, Оптика и метрология солнечных элементов, М.: Наука 1985], получим следующую формулу:
,
где  - число фотонов в космическом солнечном излучении АМО с длиной волны , падающих на единицу поверхности солнечного элемента в единицу времени,  - оптическое пропускание в зависимости от времени и длины волны,  - квантовый выход солнечного элемента как функция и . Безразмерная величина  в зависимости от зенитного угла  определяется эмпирической формулой [М.М. Колтун, Оптика и метрология солнечных элементов, М.: Наука 1985]:
,
При этом зенитный угол зависит от времени как
,
где  - склонение,  - географическая широта,  - часовой угол. Для вычисления часового угла используется формула .
Оптическое пропускание композитного слоя с квазинулевым показателем преломления вычислим с помощью формулы [O.N. Gadomsky, I.A. Schukarev, Optics Communications, 348, 38, 2015]:
,
где индекс  соответствует учету двух -поляризованных волн внутри и вне слоя [О.Н. Гадомский, И.В. Гадомская, Письма в ЖЭТФ, 98, 7, 2013],  - показатель преломления подстилающей среды 3,  - угол преломления в подстилающей среде 3,  - угол падения во внешней среде 1,  - отношение сечений световых пучков в средах 3 и 1, соответственно.
Величины  определяются как:
где  - толщина слоя,  - угол преломления на границе 1-2 композитного слоя,  - нефренелевские коэффициенты отражения и преломления на границах слоя [22].
Учитывая формулы  и то, что , оптическое пропускание (6) можно аппроксимировать приближенной формулой:
,
Отношение  определяется из условия нормировки . Формула  объясняет практически на зависящее от длины волны оптическое пропускание композитного слоя.
На фиг. 3 представлены зависимости фототока, вычисленные с помощью эмпирической формулы . На фиг. 3 отчетливо виден тот резерв увеличения фототока, который достигается за счет применения композитного просветляющего покрытия PMMA+Ag. Вычисления проведены для естественного света, когда оптическое пропускание является средним арифметическим оптического пропускания s и p-поляризованных волн.
Благодаря значительному увеличению продолжительности эффективной генерации электрической энергии в кремниевом солнечном элементе достигается 12% увеличение генерации электрической энергии в течение светового дня по сравнению с генерацией электрической энергии в кремниевом солнечном элементе с интерференционным просветляющим покрытием из нитрида кремния.