ТАНДЕМНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
TANDEM SOLAR PHOTOCONVERTER

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, в частности к устройствам для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Наиболее успешно настоящее изобретение может быть применено в солнечных энергоустановках для работы в условиях как высокой, так и низкой освещенности.
В последнее десятилетие в мире сформировалась огромная быстро развивающаяся индустрия производства солнечных панелей, которая показывает ежегодный прирост ~40%. Так, мощность произведенных в 2011 году в мире солнечных батарей превысила величину в 20 ГВт, а годовой оборот средств, связанных с исследованием, производством и разработкой инфраструктуры солнечных элементов и панелей, составил около 100 млрд. долларов США. Развитие солнечной энергетики требует постоянного совершенствования параметров фотопреобразователей (ФП) и солнечных элементов (СЭ). Важной характеристикой ФП является эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую (КПД). Однако определяющим фактором конкурентоспособности ФП является чисто экономический параметр - стоимость ватта производимой им мощности, который сейчас составляет в мире 2-3 доллара США за один ватт.
2
2
2
Наряду с этим в последнее время особое внимание уделяется эффективности работы СЭ не только в условиях стандартного прямого солнечного излучения (AM 1.5 или 1000 Вт/м), но и при низкой освещенности (10-100 Вт/м), то есть в тех реальных условиях, в которых большую часть времени функционирует СЭ, расположенный на широте средней или северной Европы или средней полосы России. Традиционные СЭ на основе кристаллического или аморфного кремния хорошо зарекомендовали себя для работы в условиях сильной освещенности, а также при заатмосферном солнце (при освещении AM0). Однако в силу своих конструкционных и структурных особенностей эффективность (КПД) кремниевых элементов при низкой или диффузной освещенности существенно падает (на 50-60% при освещенности 10 Вт/м).
2
В последние годы все больший интерес вызывают СЭ так называемого 3-го поколения на основе сенсибилизированных металлооксидных (МО) мезоструктур благодаря своей особенности утилизировать солнечную энергию практически с неизменной эффективностью независимо от интенсивности освещения в пределах 10-1000 Вт/м, а также независимо от угла падения света, то есть в условиях диффузной освещенности.
Известен СЭ на основе сенсибилизированного нанокристаллического диоксида титана (патент США №4927721, опубл. 22.05.1990), предназначенный для выработки электричества в условиях прямого солнечного освещения, который состоит из нанокристаллического слоя диоксида титана толщиной около 10 мкм, сенсибилизированного молекулами красителя, абсорбирующего световое излучение в диапазоне 400-700 нм. В зависимости от типа использованного сенсибилизатора эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую варьируется от 5 до 12%.
Главным недостатком данного известного сенсибилизированного МО СЭ является ограниченный спектральный интервал (400-700 нм) поглощаемой световой энергии, что обусловлено абсорбирующими свойствами используемых органических сенсибилизаторов, которые не поглощают солнечное излучение в ближней инфракрасной области. Недостатком является также использование указанного МО СЭ только в условиях прямого солнечного освещения и отсутствие каких-либо данных о его способности утилизировать свет в условиях диффузной освещенности. Кроме того, при увеличении площади принимающей свет поверхности данного СЭ неприемлемо возрастает последовательное сопротивление прозрачного контакта, что выражается в ухудшении вида вольт-амперной характеристики, падении величины тока короткого замыкания и фактора заполнения - в результате падает КПД СЭ.
В природе не существует материала, который смог бы одинаково эффективно преобразовывать весь диапазон спектра солнечного электромагнитного излучения в электрическую энергию, поэтому дальнейшее увеличение эффективности МО ФП возможно за счет конструирования тандемных схем различного типа.
rd
Впервые тандемный солнечный ФП, состоящий из двух МО СЭ на основе сенсибилизированных мезоструктур диоксида титана, был предложен и опубликован О.И.Шевалеевским и сотр. в 2003 г. (О.Shevaleevskiy, L.Larina, K.S.Lim "Nanocrystalline tandem photovoltaic cell with twin dye-sensitized anodes" IEEE Conf. Publ. Proc. 3 World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Vol.1, p.23-26 (2003)). Один СЭ данного тандемного ФП поглощает свет в диапазоне 400-600 нм, а второй эффективен в области спектра 600-1000 нм, в результате КПД ФП возрастает примерно на 50%.
2
Известен тандемный МО ФП (заявка США №20070062576, опубл. 22.03.2007) для выработки электричества в условиях прямого солнечного освещения, который состоит из двух расположенных один под другим сенсибилизированных МО СЭ, включающих два разных сенсибилизатора: TCPP-Pd и TCPP-Zn. Верхний из них (сенсибилизированный красителем TCPP-Pd) поглощает и утилизирует часть солнечного спектра с интенсивностью излучения AM1.5 (1000 Вт/м) в спектральном диапазоне 400-600 нм и пропускает оставшуюся часть света к нижнему СЭ, который утилизирует и превращает в электричество оставшуюся часть спектра в диапазоне 400-850 нм.
2
Недостатком этого известного тандемного МО ФП является низкая эффективность преобразования светового потока в электричество нижним МО СЭ (утилизирующим оставшуюся после прохождения через верхний СЭ часть прямого солнечного излучения). Низкое напряжение холостого хода нижнего СЭ, значение которого уступает величине напряжения холостого хода верхнего СЭ, приводит к раскомпенсации электрических характеристик данного тандемного ФП как при параллельном, так и при последовательном подсоединении двух составляющих тандема. Последнее приводит к потере значительной части полезного для верхнего СЭ излучения (вследствие применения не оптимизированных по толщине и спектральным характеристикам преобразующих слоев верхнего и нижнего СЭ). В результате добавочная эффективность использования тандемной структуры является невысокой и прибавляет к эффективности работы верхнего СЭ менее 10% от общего значения КПД тандемного ФП. Суммарный КПД данного тандемного ФП не превышает при освещении AM1.5 (1000 Вт/м) значение в 12,5%, что мало отличается от КПД лучших МО СЭ стандартного (не тандемного) типа для такой световой интенсивности. Недостатком этого известного тандемного ФП является также использование им для выработки электричества только прямого потока фотонов, что не позволяет использовать полностью потенциальные возможности светового излучения.
Наиболее близким к заявляемому тандемному солнечному ФП является тандемный солнечный ФП для выработки электричества в условиях прямого солнечного освещения с интенсивностью излучения AM 1.5, который представляет собой сочетание МО СЭ на основе мезоскопического слоя сенсибилизированного диоксида титана толщиной 10 мкм и твердотельного СЭ на основе CIGS (Cu-In-Ga-Se), описанный в работе: P.Liska, К.Trampi, М.Gratzel "Nanocrystalline dye-sensitized solar cell/copper indium gallium selenide thin-film tandem showing greater than 15% conversion efficiency." Appl. Phys. Lett., 88 (2006), 203103 (прототип). Его конструкция представляет собой два расположенных один под другим СЭ, верхний из которых является МО СЭ, который поглощает и утилизирует часть солнечного спектра в диапазоне 400-700 нм и пропускает оставшуюся часть солнечного спектра к нижнему твердотельному СЭ типа CIGS, который утилизирует и превращает в электричество световое излучение в спектральном диапазоне 700-1200 нм.
Главным недостатком тандемного солнечного ФП-прототипа является его предназначенность для использования только в условиях прямого солнечного освещения высокой интенсивности AM 1.5, когда КПД данного тандемного ФП достигает 15%. При работе в условиях низкой и диффузной освещенности эффективность ФП-прототипа значительно уменьшается. Это объясняется несогласованностью энергетических характеристик преобразования света верхним и нижним СЭ тандемной системы, обусловленной значительной толщиной мезоскопического слоя диоксида титана (10 мкм) в верхнем СЭ и структурными особенностями нижнего твердотельного СЭ. Значение разницы напряжения холостого хода в верхнем и нижнем СЭ ФП-прототипа составляет не менее 0.2 В, что приводит к дополнительному снижению КПД преобразования световой энергии при любой освещенности, так как не позволяет осуществить режим параллельного электрического подключения к нагрузке верхнего и нижнего СЭ.
Задачей заявляемого изобретения является разработка тандемного солнечного ФП нового типа, в котором каждый из СЭ тандема будет осуществлять эффективное преобразование солнечного излучения независимо от его интенсивности и угла падения света, но верхний МО СЭ будет вносить основной вклад при низких значениях интенсивности излучения, а нижний элемент - при высоких значениях интенсивности излучения, что позволит увеличить эффективность преобразования световой энергии в электрическую в условиях малой и диффузной освещенности. Повышение эффективности преобразования энергии света при любой освещенности будет достигаться также улучшением согласованности энергетических характеристик преобразования света верхним и нижним СЭ тандемной системы благодаря уменьшению толщины мезоскопического слоя металлооксида в верхнем МО СЭ и выбору нижнего твердотельного СЭ и снижению разницы напряжения холостого хода в верхнем и нижнем СЭ тандемной системы до 0.1 В.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым тандемным солнечным фотопреобразователем, содержащим два расположенных один под другим солнечных элемента, верхний из которых является металлооксидным солнечным элементом на основе мезоскопического слоя сенсибилизированного металлооксида, а нижний - твердотельным солнечным элементом, в котором мезоскопический слой сенсибилизированного металлооксида верхнего солнечного элемента имеет толщину 5.0-5.5 мкм, а в качестве нижнего твердотельного солнечного элемента фотопреобразователь содержит солнечный элемент на основе моно- или мультикристаллического кремния, при этом разница значений напряжения холостого хода верхнего и нижнего солнечных элементов фотопреобразователя не превышает 0,1 В и осуществляется режим параллельного электрического подключения к нагрузке верхнего и нижнего СЭ.
В качестве мезоскопического слоя сенсибилизированного металлооксида можно использовать сенсибилизированные нанокристаллические металлооксиды, выбранные из группы: диоксид титана, оксид цинка, оксид никеля, оксид железа или их смеси.
Мезоскопический слой сенсибилизированного металлооксида толщиной 5.0-5.5 мкм верхнего солнечного элемента тандемного фотопреобразователя нанесен на проводящее прозрачное покрытие на освещаемой стеклянной пластине.
Проводящее прозрачное покрытие, нанесенное на освещаемую стеклянную пластину в верхнем солнечном элементе, может быть выполнено из оксида олова, допированного фтором или индием.
Мезоскопический слой сенсибилизированного металлооксида толщиной 5.0-5.5 мкм верхнего солнечного элемента может быть выполнен из наночастиц диоксида титана среднего размера 30 нм.
Мезоскопический слой сенсибилизированного металлооксида верхнего солнечного элемента может быть сенсибилизирован органическим красителем.
Благодаря уменьшению толщины мезоскопического слоя диоксида титана в верхнем МО СЭ и выбору в качестве нижнего твердотельного СЭ кремниевой пластины улучшается согласованность энергетических характеристик преобразования света верхним и нижним СЭ предлагаемого тандемного ФП и повышается эффективность преобразования энергии света, особенно в условиях малой и диффузной освещенности.
Снижение разницы напряжения холостого хода в верхнем и нижнем СЭ предлагаемого ФП до 0.1 В было достигнуто в результате экспериментальных исследований влияния характеристик верхнего и нижнего СЭ на напряжение их холостого хода. Достигнутое значение разницы 0.1 В позволило осуществить параллельное подключение к нагрузке обоих СЭ тандемного ФП и дополнительно повысить КПД преобразования световой энергии в электрическую.
Следует отметить, что любые технические решения, использующие в конструкции ФП кремниевые СЭ и позволяющие увеличить их эффективность, дают большой экономический эффект вследствие широкой распространенности и высокой степени отработанности технологии изготовления кремниевых пластин.
На фиг.1 представлена блок схема предлагаемого тандемного солнечного ФП.
В предлагаемом тандемном солнечном ФП 1 свет падает на стеклянную пластину 2, покрытую прозрачным проводящим слоем оксида олова 3, допированного фтором (FTO: fluoride tin oxide) или индием (ITO: indium tin oxide), через который поступает на мезоскопический слой сенсибилизированного металлооксида верхнего СЭ толщиной 5.0-5.5 мкм 4, нанесенный на прозрачный проводящий слой 3 на стеклянной пластине 2 и примыкающий к тонкому прозрачному проводящему контакту на основе платины 5, нанесенному на прозрачную стеклянную пластину 6. Непосредственно под указанной стеклянной пластиной 6 расположена примыкающая к ней сетка проводящих контактов 7, нанесенная на кремниевую пластину 8 нижнего СЭ тандемного ФП. Конструкцию ФП замыкает металлический контакт 9, нанесенный на кремниевую пластину 8 с противоположной стороны.
Пример
2
Функционирование предлагаемого тандемного солнечного ФП было проверено на изготовленном лабораторном образце, состоящем из верхнего СЭ на основе диоксида титана и нижнего СЭ на основе монокристаллического кремния, которые были электрически подсоединены к нагрузке по параллельной схеме. Верхний СЭ был смонтирован на прозрачной стеклянной подложке, нижняя часть которой, по ходу светового потока, была покрыта прозрачным электрическим контактом на основе оксида олова, допированного фтором (FTO), толщиной 30 нм с удельной электропроводностью 10 Омхсм. На поверхности проводящего слоя был сформирован мезоскопический слой металлооксида толщиной 5.5 мкм, состоящий из наночастиц диоксида титана (TiCb) среднего размера 30 нм. В мезоскопическом слое отдельные наночастицы ТiО имели между собой электрический контакт и образовывали пористую структуру с размерами пор около 20 нм. Поверхность мезопористой структуры в своем объеме была покрыта монослоем молекул сенсибилизатора N719 (DYESOL, Австралия). Пространство мезослоя заполнялось йодсодержащим электролитом, сам мезопористый слой примыкал к заднему прозрачному контакту в виде напыленного на вторую (нижнюю) прозрачную стеклянную подложку слоя платины толщиной 20 нм. При освещении поверхности верхнего СЭ в объеме мезоскопического слоя происходит процесс захвата квантов света молекулами сенсибилизатора, перенос электрона из основного в возбужденное состояние молекулы сенсибилизатора и в качестве следующей стадии перенос электрона из молекулы сенсибилизатора в зону проводимости диоксида титана. Далее происходит диффузионный перенос электрона через объем мезослоя к верхнему контакту МО СЭ, выполненному из допированного оксида олова. Роль электролита в объеме мезопористой системы заключается в восполнении носителей заряда в молекулах красителя через редокс-пару от заднего контакта СЭ, выполненного на основе платины.
Верхний СЭ абсорбирует примерно 30% мощности солнечного излучения в диапазоне 400-700 нм, а 70% света проходят к нижнему СЭ тандемной структуры, выполненному на основе монокристаллического кремния, фотоактивному в диапазоне 400-1100 нм. Верхний контакт кремниевого СЭ представляет собой сетку из узких металлических полос, которая примыкает к нижней стеклянной подложке МО СЭ и кремниевой пластине. На противоположной стороне кремниевой пластины напылен задний металлический контакт.
Подключение к нагрузке предлагаемого тандемного ФП осуществляется по параллельной схеме, когда соединяются вместе верхние контакты обоих СЭ и их нижние контакты. Данный опытный тандемный ФП показал возможность эффективной работы при высокой и низкой интенсивности освещенности.
2
2
2
2
Вольт-амперная (В-А) характеристика предлагаемого тандемного ФП площадью 2 см при освещении интенсивностью света 100 Вт/м приведена на фиг.2. Суммарная плотность тока короткого замыкания составляет 2.3 мА/см, напряжение холостого хода - 0,68 В, фактор заполнения - 0,72 и КПД - 11,2%. Представленная В-А характеристика свидетельствует о том, что заявляемый тандемный солнечный ФП обладает высокой эффективностью преобразования солнечной энергии в условиях низкой освещенности, то есть в таких условиях, где другие известные типы ФП теряют значительную часть своей эффективности. В-А характеристика предлагаемого тандемного ФП получена при освещенности низкой интенсивности=100 Вт/м, что моделирует условия пасмурной погоды.
Таким образом, предлагаемый тандемный солнечный ФП осуществляет прямое преобразование световой энергии в электрическую независимо от интенсивности солнечного излучения и угла падения света и обеспечивает увеличение эффективности преобразования световой энергии в электрическую, в том числе в условиях малой и диффузной освещенности.