КОНСТРУКЦИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ
PHOTOVOLTAIC MODULE DESIGN

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики и, в частности, к фотоэлектрическим модулям. Наиболее успешно настоящее изобретение может быть применено в наземных и космических солнечных энергоустановках на основе кремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечного излучения, предназначенных для систем автономного энергоснабжения.
Солнечная фотоэнергетика является одной из наиболее быстрорастущих отраслей мировой экономики, среднегодовые темпы роста которой оцениваются в 30%. И поскольку стоимость генерируемого фотоэлектрическими модулями электричества пока еще остается достаточно высокой (~$3/Вт), способы ее удешевления за счет увеличения эффективности преобразования солнечного излучения в фотоэлектричество являются весьма актуальной задачей.
Известно, что электромагнитный спектр солнечного света охватывает широкий диапазон длин волн с различной энергией, включая гамма-лучи, ультрафиолетовые лучи, видимое и инфракрасное излучение, радиоволны, микроволны и др. Видимый спектр солнечного излучения - это лишь крошечный участок полного электромагнитного спектра, охватывающий длины волн от 380 нм до 760 нм [1].
Каждый материал имеет свою химическую природу, и работа выхода электрона в каждом материале разная. Т.е. для каждого материала фотоэлектрический эффект может наступать только при определенной частоте падающего света. Если энергия кванта меньше ширины запрещенной зоны для данного материала, то фотоэффект не возникает, какой бы большой интенсивности ни был световой поток.
И наоборот, ультрафиолетовое излучение с энергией, превышающей более чем в 2 раза ширину запрещенной зоны материала, взаимодействует с поверхностью таким образом, что вся энергия рассеивается на фононах. В результате такого взаимодействия происходит нагрев материала и ухудшение его электрических характеристик.
В природе не существует материала, который смог бы одинаково эффективно преобразовывать весь диапазон спектра солнечного электромагнитного излучения в электрическую энергию.
Одним из вариантов эффективного преобразования электромагнитного спектра солнечного излучения в электрическую энергию является конструкция фотоэлектрического модуля на основе тонкопленочных ФЭП, представляющих собой многослойную структуру из различных материалов, каждый слой которой реагирует на определенный частотный диапазон, но в то же время пропускает все остальные частоты к нижележащему слою без значимого ослабления. Так, например, верхний слой такого материала может аккумулировать свет из синей части спектра, позволяя красному свету проходить к тому слою, который более эффективен именно в этой области спектра [2].
Такие ФЭП теоретически могут иметь КПД преобразования солнечной энергии в электрическую до 40%.
2
6
3
5
К недостаткам такой конструкции фотоэлектрического модуля следует отнести высокую стоимость ФЭП на основе многослойной структуры, технология изготовления которых основывается на использовании дорогостоящих процессов прецизионного вакуумного напыления или молекулярной эпитаксии твердых растворов на основе соединений AB и AB.
Известна также конструкция фотоэлектрического модуля, в которой в качестве ФЭП используется материал, который может работать на хотя бы двух частотах или точнее - с более широким диапазоном солнечного спектра [3].
Используемый в качестве ФЭП материал имеет расщепленную (раздвоенную) полосу поглощения энергии квантов солнечного излучения и воспринимает частоту фотонов с энергией 0,7; 1,8 и 2,6 эВ.
Поток солнечного света сначала расщепляется специальной линзой на потоки различных энергетических уровней и направляется на «свои» ячейки. В каскадном солнечном элементе солнечный спектр расщепляется на две (или более) части, например, видимую и инфракрасную, каждая из которых преобразуется с помощью ФЭП, выполненных на основе различных материалов. В этом случае снижаются потери энергии квантов солнечного излучения. Например, в двухэлементных каскадах теоретическое значение КПД преобразования солнечного излучения в электроэнергию может превышать 40%.
К недостаткам такой конструкции следует отнести следующее:
2
6
3
5
высокая стоимость ФЭП, обусловленная как высокой стоимостью самих материалов AB и AB, так и сложностью технологических процессов формирования слоев на их основе, и как следствие - значительное удорожание генерируемого фотоэлектричества (~$5/Вт);
- усложнение конструкции фотоэлектрического модуля за счет использования специальных расщепляющих солнечный спектр линз и необходимость использования нескольких типов ФЭП.
В настоящее время наиболее распространены фотоэлектрические модули, выполненные на основе кремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).
Хотя кремниевые ФЭП эффективно работают лишь в ограниченном диапазоне падающего света, а именно 280÷1100 нм, при этом обеспечивая не очень высокий КПД преобразования солнечной энергии в электрическую (до 18%), за счет высокой степени отработанности технологии обработки кремниевых пластин и относительной дешевизны используемых в процессе формирования ФЭП материалов доля фотоэлектрических модулей с кремниевыми ФЭП в мировом производстве фотопреобразователей солнечной энергии составляет ~90% [4], при стоимости генерируемой ими мощности ~$2,7/Вт [5].
Поэтому любые технические решения, позволяющие увеличить эффективность преобразования солнечного излучения в фотоэлектричество конструкциями на основе кремниевых ФЭП, дают большой экономический эффект именно вследствие широкой распространенности и простоты данной технологии.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является конструкция фотоэлектрического модуля, включающая нижнее защитное покрытие, на котором с помощью скрепляющей полимерной пленки закреплены кремниевые солнечные элементы с просветляющим и антиотражающим покрытием, расположенное над лицевой поверхностью солнечных элементов верхнее покрытие из оптически прозрачного стекла или полимерного материала с антиотражающим покрытием, которое скреплено с солнечными элементами промежуточной пленкой из оптически прозрачного полимерного материала [6].
К недостаткам такой конструкции следует отнести следующее:
- кремниевые солнечные элементы фотоэлектрического модуля даже с использованием весьма дорогостоящих технических решений и антиотражающего покрытия (ФЭП фирмы "SunPower") эффективно преобразуют в электричество только небольшую часть излучения солнечного спектра, при этом предельно достижимый для такой конструкции модуля КПД не превышает 21,4%. При использовании концентраторов излучения солнечный элемент нагревается, а его КПД снижается.
Задачей изобретения является увеличение эффективности преобразования энергии светового излучения в электроэнергию.
Это достигается за счет того, что в известной конструкции фотоэлектрического модуля, включающей нижнее защитное покрытие, на котором с помощью скрепляющей полимерной пленки закреплены кремниевые солнечные элементы с антиотражающим просветляющим покрытием, и расположенное над лицевой поверхностью солнечных элементов верхнее покрытие из оптически прозрачного стекла или полимерного материала, которое скреплено с солнечными элементами промежуточной пленкой из оптически прозрачного полимерного материала, со стороны лицевой поверхности кремниевых солнечных элементов дополнительно введен оптически активный слой, представляющий собой оптически прозрачный полимер, содержащий антистоксовый люминофор.
За счет введения в конструкцию фотоэлектрического модуля оптически активного слоя, содержащего антистоксовый люминофор, осуществляется преобразование инфракрасной части спектра солнечного излучения в видимую часть спектра солнечного излучения за счет эффекта так называемой антистоксовой люминесценции, что обеспечивает прирост КПД фотоэлектрического модуля на 1÷3% [7].
Одновременно при этом за счет переизлучения антистоксовым люминофором высокоэнергетических фотонов происходит охлаждение оптически активного слоя, что приводит к охлаждению контактирующих с ним солнечных элементов, что обеспечивает повышение КПД фотоэлектрического модуля на 2÷3%.
Аналогичного эффекта удается достичь также при введении антистоксовых люминофоров в антиотражающее просветляющее покрытие солнечных элементов или нанесении оптически-активного слоя, содержащего антистоксовый люминофор, на поверхность защитного покрытия. В этом случае повышение КПД за счет охлаждения солнечных элементов не так сильно выражено, поскольку оптически активный слой отделен от солнечных элементов защитным покрытием с невысокой теплопроводностью.
Таким образом, предлагаемая конструкция фотоэлектрического модуля обеспечивает увеличение эффективности преобразования падающего светового излучения на 3÷6%.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование в фотоэлектрических модулях оптически активных слоев, преобразующих инфракрасную часть спектра солнечного излучения в видимую часть спектра и одновременно осуществляющих охлаждение солнечных элементов, используемых в конструкции фотоэлектрического модуля.
Известно, что люминофоры способны переизлучать падающий на них свет, но с иной, уменьшенной длиной волны, т.е. с увеличением энергии квантов (так называемая антистоксовая люминесценция). Прибавка энергии квантов происходит за счет трансформации собственной тепловой энергии люминофора в энергию люминесцентного излучения. Из-за отбора тепловой энергии люминофор охлаждается, а понижение его температуры компенсируется притоком теплоты от окружающей среды. В итоге энергетическая прибавка в люминесцентном излучении происходит за счет концентрации тепловой энергии окружающей среды, и эта прибавка может быть очень значительной.
Теоретически эта прибавка может достигать k~1,6, то есть люминофор может выдавать энергии на 60% больше, чем получает ее в виде излучения [7].
Экспериментально установлено, что практически без использования дополнительных затрат при производстве фотоэлектрических модулей (только за счет введения в промежуточную скрепляющую пленку оптически активного слоя, содержащего антистоксовый люминофор) удается как минимум на 4% поднять КПД, т.е. довести его до 23÷25%.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена конструкция заявляемого фотоэлектрического модуля, где:
1 - верхнее защитное покрытие;
2 - промежуточная пленка;
3 - оптически активный слой;
4 - кремниевые солнечные элементы;
5 - антиотражающее просветляющее покрытие;
6 - скрепляющая полимерная пленка;
7 - нижнее защитное покрытие.
Применение антистоксовых люминофоров для переизлучения падающего на них света с другой длиной волны с одновременным охлаждением содержащего люминофор объекта в основном имеет место в лазерной технике, где проблема эффективного охлаждения оптических генераторов весьма актуальна. Для этих целей синтезированы целые классы антистоксовых люминофоров на основе лантаноидов, редкоземельных металлов, твердых растворов на основе сульфидов цинка и кадмия и т.п.
В заявляемой конструкции фотоэлектрического модуля были использованы оптически активные слои 3, содержащие антистоксовые люминофоры на основе редкоземельных элементов
1.975-x
0.025
x
2
0,12
0.04
(YYbErOS:TiMg),
обладающих аномально высокой интенсивностью люминесценции в видимой части спектра [8].
Толщина верхнего защитного покрытия 1, выполненного из закаленного стекла марки «PILKINGTON», составляла 3,2 мм, толщина нижнего защитного покрытия 7, выполненного из оптически прозрачного полимера на основе полиэтилентерефтолата производства компании «COVEME», составляла ~0,4 мм. Толщина промежуточной пленки 2 и скрепляющей полимерной пленки 6 (этиленвинилацетатная пленка «ЭВА») составляла ~0,3 мм. Толщина кремниевых монокристаллических солнечных элементов 4 (с антиотражающим просветляющим покрытием 5), имеющих КПД~19,5%, составляла 140÷250 мкм. Общая толщина фотоэлектрического модуля составила ~4,4÷4,6 мм.
Реализация предлагаемой конструкции фотоэлектрического модуля осуществляется следующим образом.
1.975-X
0.025
X
2
0,12
0.04
На монтажном столе раскладывалась пленка оптически прозрачного пластика (пленка полиэтилентерефтолата производства компании «COVEME» заданной площади). На нее сверху укладывалась этиленвинилацетатная пленка «ЭВА», а на нее укладывалась цепочка электрически соединенных кремниевых солнечных элементов (ФЭП). Поверх солнечных элементов укладывалась этиленвинилацетатная пленка «ЭВА», затем также слой «ЭВА», но предварительно модифицированный антистоксовым люминофором на основе редкоземельных элементов (YYBEROS:TiMG), а сверху - закаленное стекло марки «PILKINGTON» толщиной 3,2 мм с коэффициентом прозрачности (в диапазоне длин волн от 0,3 до 1,2 мкм) не менее 96%.
Как один из вариантов технологии для введения оптически активного слоя 3 использовали укладку на промежуточную пленку «ЭВА» волокон из модифицированного люминофором «ЭВА». При последующем ламинировании происходило сплавление модифицированных волокон «ЭВА» с немодифицированной пленкой «ЭВА», т.е. люминофор в итоге оказывался в объеме промежуточной пленки 2.
Аналогичный конечный результат достигался и при укладке модифицированной люминофором пленки «ЭВА» или волокон из модифицированного «ЭВА» под промежуточную пленку 2 на поверхность кремниевых ФЭП 4 или на поверхность верхнего защитного покрытия 1.
Приготовленная слоистая заготовка помещалась в ламинатор, где происходило окончательное формирование фотоэлектрического модуля при температуре ~150°C в течение 20 мин.
Сформированные таким образом фотоэлектрические модули показали на испытаниях (на стимуляторе солнечного излучения со стандартным спектром AM-1,5) КПД фотопреобразования 23,5÷25%.
1
2
1
2
ехнический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции, заключается в преобразовании инфракрасной (λ=960 нм и λ=1550 нм) части спектра солнечного излучения в видимую часть спектра (λ=546 нм и λ=670 нм соответственно) с одновременным охлаждением солнечных элементов, используемых в конструкции фотоэлектрического модуля.
При реализации заявляемой конструкции фотоэлектрического модуля с использованием кремниевых ФЭП, просветляющее антиотражающее покрытие 4 которых дополнительно было модифицировано антистоксовым люминофором, суммарный КПД фотоэлектрического модуля достигал 23,5÷25%.
Источники информации
1. В.М.Андреев. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. - «Соросовский образовательный журнал», 1996, №7, с.93-98.
2. М.Макушин. Есть ли место Солнцу в будущем российской энергетики? - «Электроника: НТБ», вып.4/2007, с.112-119.
3. Ж.И.Алферов, В.М.Андреев, B.Д.Румянцев. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики. - Журнал «Физика и техника полупроводников», 2004 г., том 38, вып.8, стр.937-948.
4. В.М.Андреев. Солнечные дни. Неистощаемый ресурс. - Журнал «Энергосбережение», №8, 2008 г. (Спецвыпуск).
5. Solarbuzz Consultancy Reports. Solar Module Price Highlights: December 2009. - http://solarbuzz.com/Moduleprices.htm.
6. White Paper: SunPower Panels Generate the Highest Financial Return for Your Solar Investmen. Summer 2008. - «Provision Solar Inc., Electrical Contactor C-26351», http://www.provisiontechnologies.com/White_Paper_SunPower_Performance_Q2_08.pdf - прототип.
7. Ю.П.Чукова. «Антистоксова люминесценция и новые возможности ее применения». - Москва, «Советское радио», 1980, 193 с.
8. А.Н.Георгобиани, А.А.Богатырева, В.М.Ищенко, О.Я.Манаширов, В.Б.Гутан, С.В.Семендяев. Новый многофункциональный люминофор на основе оксосульфида иттрия. - Журнал «Неорганические материалы», т.43, №10, Октябрь 2007, с.1198-1205.