КОМПЛЕКСНА МЕТОДИКА СТАБІЛІЗАЦІЇ ККД СОНЯЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ НА ОСНОВІ ПОЛІКРИСТАЛІЧНОГО І МОНОКРИСТАЛІЧНОГО КРЕМНІЮ
DOI:
https://doi.org/10.32851/tnv-tech.2023.1.1Ключові слова:
сонячний елемент, фотоелектричне перетворення, полікристалічний кремній, фотолюмінесцентне покриття, мікрорельєфні структури, граничний термін експлуатації.Анотація
Проведено аналіз ключових факторів, що обмежують коефіцієнт корисної дії сонячних елементів та вказано на проблему невідповідності спектрів поглинання фотоелектричних перетворювачів та спектру сонячного випромінювання. Проведено узагальнення методів розширення спектру поглинання фотоелектричного перетворювача шляхом нанесення на поверхню сонячного елементу шару люмінофору з фіксованим значенням стоксового зсуву, що надає можливість компенсувати розбіжність у відповідних спектрах. Було проведено узагальнення методики збільшення ККД сонячного елементу через застосування фотолюмінесцентного покриття та вказано на недоліки зазначеного підходу. У роботі зазначено вимоги до люмінофору, що включають у себе високий квантовий вихід фотолюмінесценції, спектр поглинання, що лежить у короткохвильовій частині видимого діапазону та ближньому ультрафіолетовому діапазоні, спектр фотолюмінесценції, що лежить у довгохвильовій частині видимого діапазону та ближньому інфрачервоному діапазону. Також зазначено важливість стабільності оптичних характеристик барвника та високий рівень адгезії по відношенню до поверхні підкладки на основі полікристалічного та монокристалічного кремнію. Вказано, що просторова аморфність, що є притаманною для фотолюмінесцентного відгуку призводить до значних втрат у конвертованої частині сонячного випромінювання. З метою вирішення проблеми просторової аморфності фотолюмінесцентного відгуку запропоновано формувати сонячні елементи з мікрорельєфом поверхні, що дозволяє частково компенсувати відповідні втрати, а також стабілізувати ККД сонячного елементу при зміні положення Сонця протягом доби. Побудовано методику розрахунку ККД фотоелектричного перетворювача відповідно геометричних розмірів структурних елементів мікрорельєфу поверхні та оптичних параметрів шару фотолюмінесцентного покриття. Зазначено, що через зміну аргументів багатомірних цільових функцій можна звести задачу оптимізації параметрів модифікованого сонячного елементу до задачі пошуку глобального або одного з локальних максимумів.
Посилання
Mukhopadhyay S. Solar energy and gasification of MSW: two promising green energy options. Green Energy Systems. 2023. P. 93–125. URL: https://doi.org/10.1016/ b978-0-323-95108-1.00003-3 (date of access: 28.02.2023).
Urbina A. The Energy Balance of Solar Electricity. Green Energy and Technology. Cham, 2022. P. 157–177. URL: https://doi.org/10.1007/978-3-030-91771-5_6 (date of access: 28.02.2023).
Renewable Energy for a Green Future: Electricity Produced from Efficient Luminescent Solar Concentrators / A. V. Rodrigues et al. Solar Energy Advances. 2022. P. 100013. URL: https://doi.org/10.1016/j.seja.2022.100013 (date of access: 28.02.2023).
Abbassi A. Advanced Materials for Solar Cell Applications: Case of Simple and Composite Oxides. Advanced Technologies for Solar Photovoltaics Energy Systems. Cham, 2021. P. 1–13. URL: https://doi.org/10.1007/978-3-030-64565-6_1 (date of access: 28.02.2023).
Kryuchyn A. A., Beliak I. V. Development of nanostructured luminophor coating for broadening of solar cell absorption spectrum. SPIE Solar Energy + Technology, San Diego, California, United States / ed. by O. V. Sulima, G. Conibeer. 2014. URL: https://doi.org/10.1117/12.2060832 (date of access: 28.02.2023).
Sugianto S. Comparative Analysis of Solar Cell Efficiency between Monocrystalline and Polycrystalline. INTEK: Jurnal Penelitian. 2020. Vol. 7, no. 2. P. 92. URL: https://doi.org/10.31963/intek.v7i2.2625 (date of access: 28.02.2023).
Monocrystalline Silicon Solar Cell Simulation With Reduced Absorber Thickness and Efficiency Exceeding 25% / D. Sherman et al. 2021 IEEE 48th Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), Fort Lauderdale, FL, USA, 20–25 June 2021. 2021. URL: https://doi.org/10.1109/pvsc43889.2021.9518818 (date of access: 28.02.2023).
Verma M., Prasad Mishra G. TOPcon route with quantum wells in GaInP/Si dual junction cell for efficiency enhancement. Solar Energy. 2023. Vol. 250. P. 409–417. URL: https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.12.053 (date of access: 28.02.2023).
Lu S. Room-temperature wafer bonded GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs four-junction solar cell grown by all-solid state molecular beam epitaxy. Optical Nanostructures and Advanced Materials for Photovoltaics, Suzhou. Washington, D.C., 2015. URL: https://doi.org/10.1364/pv.2015.ptu3b.2 (date of access: 01.03.2023).
Kim H. J., Kim Y. W. High efficiency GaInP/GaAs double junction Solar cell on Si substrate assisted by the electron beam treatment. 2017 IEEE 44th Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), Washington, DC, 25–30 June 2017. 2017. URL: https://doi.org/10.1109/pvsc.2017.8366606 (date of access: 01.03.2023).
Indoor/outdoor light-harvesting by coupling low-cost organic solar cell with a luminescent solar concentrator / F. Mateen et al. Solar Energy. 2020. Vol. 207. P. 379– 387. URL: https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.06.104 (date of access: 01.03.2023).
Silicon solar cell efficiency improvement employing photoluminescent properties of chlorophyll-A / R. Lopez-Delgado et al. Microelectronic Engineering. 2019. Vol. 216. P. 111047. URL: https://doi.org/10.1016/j.mee.2019.111047 (date of access: 01.03.2023).
Broadband photoluminescent quantum yield optimisation of Er3+-doped β-NaYF4 for upconversion in silicon solar cells / S. K. W. MacDougall та ін. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2014. Т. 128. С. 18–26. URL: https://doi.org/10.1016/j. solmat.2014.05.004 (дата звернення: 01.03.2023).
Multi-Photon Microscopy and Optical Recording / V. V. Petrov et al. PH "Akademperiodyka", 2016. URL: https://doi.org/10.15407/akademperiodyka.311.156 (date of access: 01.03.2023).
Beliak Ie.V., Kryuchyn A.A., Manko D.Yu. Optimization of photoelectric converters. 10th Juilee International Conference «Nanotechnologies and Nanomaterials» (NANO-2022), 25–27 of August 2022. 2022. Lviv, House of Scientists.
Beliak Ie.V., Kryuchyn A.A., Manko D.Yu. Methodology for photomatrix’s photosensitivity and color rendering indexes increasing by applying a luminescent coating. The 8th International Conference on Control and Optimization with Industrial Applications COIA-2022, 24–26 August 2022. 2022. Baku, Azerbaijan.
Anikin P.S. & Beliak, Ie.V. Development of multispectral recording media for multilayer photoluminescent information recording. Electronics and Information Technologies. 2019. (12), p. 3–13.
