Солнечные элементы

Правильный выбор концентрирующей системы столь же благотворно сказывается на экономичности и эффективности работы наземного фотогенератора, как и создание прозрачных и светостойких оптических покрытий и герметизирующих оболочек.

Солнечный свет можно концентрировать, используя эффекты преломления и отражения. Преломление происходит в линзах, а отражение — в зеркалах. Линзы могут быть плосковыпуклые и двояковыпуклые. В последнее время широко используются плоские линзы Френеля (рис. 5.9). Поверхность линз бывает сферической и несферической. Несколько практических схем для собирания света при отражении показано на рис. 5.10.

Рис. 5.9. Преломляющие собиратели света

а — обычные оптические линзы со сферической или несферической поверхностями; б — плоские линзы Френеля со сферической или несферической поверхностями

Pис. 5.10. Отражающие собиратели света

а — параболическое зеркало, отражающее свет к оси в прямом направлении; б — в противоположном направлении; в, с — зеркала в форме профиля морской волны; г — плоские зеркала, расположенные под углом друг к другу; д — параболические зеркала Френеля

При преломляющем и отражающем способах собирания света можно использовать действительные или мнимые изображения. Элементы, проектирующие действительное изображение, уменьшают проекцию Солнца на плоскость изображения (фокальную плоскость) в соответствии с законами геометрической оптики. Концентраторы света, использующие мнимое изображение, просто сводят солнечные лучи, не создавая при этом изображения Солнца.

Отражающие и преломляющие компоненты устройств могут быть точечно-фокусирующие и линей-но-фокусирующие, независимо от того, действуют они по оптической схеме с мнимым или действительным изображением. Точечно-фокусирующие концентраторы называют также аксиальными, коаксиальными или трехмерными концентраторами. Линейно-фокусирующие концентраторы делятся на желобочные, линейные двумерные.

Точечно-фокусирующие концентраторы могут быть полностью осесимметричного (кругового) или многоугольного типов. Четырехсторонний тип концентратора часто используют в устройствах, состоящих из нескольких линз Френеля или зеркал квадратной или прямоугольной формы.

Концентраторы можно классифицировать также по числу применяемых ступеней собирания. На рис. 5.11 показаны два концентратора, имеющих две ступени собирания. В одной, известной также как система Кассегрена (названа по системе телескопа аналогичной конструкции), для собирания света используются два зеркала. Третий отражатель, не рассматриваемый как самостоятельная ступень собирания, служит для отведения в сторону размытых пучков, образующихся при отражении от несовершенной части оптической поверхности, например, образовавшихся при неточной установке оптической оси системы в направлении на Солнце. В других двухступенчатых системах используются для отражения одна внешняя и одна внутренняя поверхности. Внутреннее отражение, известное также как полное отражение, происходит, когда луч света пытается выйти из среды с высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления, причем угол падения света иа границу двух сред достаточно большой.

Рис. 5.11. Двухступенчатые концентраторы типа Кассегрена (а) и Баранова — Уинстона (б)

1 — солнечные лучи;

2 — зеркало для сбора первичного пучка света;

3 — зеркало, отражающее вторичный пучок света;

4 — вторая ступень концентрации света (а — зеркало, б — волоконно-оптический элемент из стекла или пластика);

5 — солнечный элемент

В концентраторах солнечного света, в которых используется принцип преобразования длин волн, поступающая энергия внутри достаточно широкой полосы спектра Солнца преобразуется в энергию излучения узкого интервала длин волн, соответствующего наиболее высокой спектральной чувствительности солнечного элемента. Этот интервал длин волн, как правило, расположен вблизи красной границы фотоэффекта для данного полупроводникового материала, определяемой шириной его запрещенной зоны.

Преобразование длины волны излучения, падающего на батарею или элементы, может быть обеспечено, например, с помощью селективных излучателей или пленочного люминофора. Поверхность селективных излучателей покрывается материалом, способным испускать излучение в узком диапазоне длин волн, причем нагрев излучателя осуществляется с помощью концентратора солнечного света; диапазон длин волн, испускаемых селективным излучателем, как правило, выбирается вблизи энергии запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого изготовлен солнечный элемент.

Активно исследуются фотолюминесцентные солнечные концентраторы, называемые также плоскопараллельными или плоскими концентраторами.

Солнечный свет, который падает на плоскую пластину, покрытую слоем люминофора, поглощается им. В процессе поглощения света падающие фотоны возбуждают молекулы люминофора (в этом качестве могут быть использованы и многие органические красители). При этом возникает новое излучение, но уже с другой длиной волны, характерной для данного люминофора. Переизлученная энергия остается внутри плоской пластины благодаря внутреннему отражению и после многократного отражения от плоских отражающих стенок попадает на солнечные элементы, установленные по периметру плоского прямоугольного концентратора.

Исследование процессов деградации параметров солнечных элементов и методы их стабилизации

Исходные характеристики солнечных элементов могут, к сожалению, заметно ухудшаться в процессе эксплуатации.

Повышение температуры приводит, как правило, к росту фототока и падению ЭДС, выходной мощности и КПД солнечных элементов, причем градиент падения мощности зависит от природы полупроводникового материала — для широкозонных материалов он мал, для узкозонных велик. У кремниевых солнечных элементов с повышением температуры на 100o C мощность, генерируемая ими, падает на 45 %, а у солнечных элементов на основе арсенида галлия — на 25 % (напомним, что ширина запрещенной зоны кремния составляет 1,02 эВ, арсенида галлия — 1,43 эВ).

Увеличение плотности падающего потока излучения в несколько раз может также привести к резкому уменьшению выходной мощности солнечных элементов, если последовательное сопротивление элементов сравнительно велико — около 1 Ом×см2. Последовательное сопротивление обычных солнечных элементов составляет 0,5–0,6 Ом см2, и их можно применять (без ухудшения электрических характеристик) в условиях 5—7-кратного увеличения плотности потока солнечного излучения, характерного для наземных условий средней полосы СССР (обычно 400–800 Вт/м2).

Различные способы уменьшения последовательного сопротивления, например путем создания частой контактной сетки на лицевой поверхности элементов с оптимизированными размерами полос, позволяют не только снизить его, но и более эффективно использовать возрастание плотности потока солнечного излучения, создаваемое чаще всего с помощью концентраторов света разнообразных конструкций. В ряде работ было показано, что значительное увеличение плотности падающего на солнечные элементы потока излучения приводит к росту КПД за счет возникновения полезных тянущих электрических полей в объеме полупроводника (если, конечно, при этом не происходит падения мощности из-за рассеяния тока при прохождении через элементы вследствие их значительного последовательного сопротивления). Экспериментальные исследования подтвердили этот вывод. При снижении последовательного сопротивления солнечных элементов до 0,1 Ом×см2 максимальный КПД преобразования ими солнечной энергии наблюдался при 40—50-кратных потоках солнечного излучения. При снижении последовательного сопротивления до 0,01 и менее удается эффективно преобразовывать в электроэнергию потоки излучения, превышающие однократные солнечные в 500–700 раз.