Күн элементтері тиімділігінің шектелуі.

Күн элементтерінің тиімділігі әртүрлі шығындардың әсерінен төмендетілген; кейбіреулерінің алдын алуға болады, ал басқалары жүйенің өзіне тән шығындар. Кейбіреулері анық шектеулер және тәуелсіз реттеліне алады, ал басқалары күделі және материалға әсер етпей реттеліне алмайтын шектеулер. Мысалы: қоспаның концентрациясының өсуі оң және теріс әсер ете алады. 7.1 кесте АМ1 сәулелену шарты кезінде болатын кремнийлік p-n-өткелді күн элементтерінің қалыпты шығындары келтірілген. Өкінішке орай, шығындардың әр түріне байланысты жалпы қабылданған атулары жоқ. Кестеде күн элементтерін өндіру бағасы мен қызмет ету уақыты жазылмаған. Егер барлық фактроларды ескерсек, онда күн элементтерінің өнеркәсіптік өндірісін оңтайландыру едәуір қиындықтар туғызады.

Келесі парагрофтарда АМ1 шарты бойынша шығындардың толық сәулелену кезіндегі проценттік қатынастары келтірілген. Шығындар фотоэлементтің беткі қабатвндағы шығындардан астыңғы жағындағы шығындарға өту ретімен жазылған. Түскен сәуленің энергияның фотоэлектрлік генерация кезінде жұтылған пайдалы бөлігіне байланысты 7.1 кестеде пайдалы әрекет коэффиценті жазылған.

Фотоэлементтің беткі қабатындағы байланыстардың шектелген ауданы (шығындар шамамен 3%). Беткі қабаттың косымша кедергісіне байланысты шығынды төмендету үшін, электр тогы фотоэлементтің бетіндегі металдық байланыстар торынан жиналады. Бұл байланыстардың шектелген ауданы бар және олар беткі қабаттың белсенді бөлігін алып тұр. Шығынның бұл түрі ПӘК-ті санағанда әрдайым есептелмейді.

Беткі қабаттан шағылу (шығын шамамен 1%). Егер арнайы алдын алу шараларын қолданбасақ, түсетін күн сәулесінің жартылайөткізгіштің беттік қабатынан шағылу коэффиценті үлкен болуы мүмкін – шамамен 40%. Егер жартылай өткізгіштің бетін жұқа пленкамен жауып қойсақ немесе басқаша өңдесек, бұл санды 3%-ға немесе оданда төменге дейін азайтуға болады.

Ауа-жамылғы-жартылайөткізгіш жүйесін қарастырсақ сыну коэффиценттері n_o, n₁ және n₂ . Диэлектрлік материалдар үшін екі орта арасындағы шағылу коэффиценті мына формуламен табылады.

(n₀=1) ауадан кез-келген материалға өткенде сыну коэффиценті n₁=1.6 болғанда аламыз. Жартылайөткізгіштердегі сыну коэффиценті комплексті шамамен сипатталады, олар сәлелену жиілігіне тәуелді және активті спектордегі орташа мәне 3,5-ке тең. Ауа-жартылайөткізгіш арасындағы шағылу коэффиценті E_g=1.1эВ болғандағы 34%-дан E_g=5эВ кезіндегі 54%-ға дейін өзгереді.

Сыну коэффиценті ауа және жартылайөткізгіш сыну коэффиценттері арасындағы аралық мәнді қабылдайтын, қосалқы материалдан жасалған жұқа пленка (қалыңдығы t) шағылуды айтарлықтай төмендетеді (7.17 сурет). Егер сәуленің нормаль түсуі кезінде шағылған сәуленің негізгі құраушылары a және b түзу интенсивтілікті болады және радиан фазасы бойынша ерекшеленеді (сәуле жолдарының айырмашылығы ). Бұл шарттар орындалуы үшін әрбір қабаттың шағылу коэффиценттері мынаған тең болуы керек ал пленка қалыңдығы . Бұл шарт тура орындалатын тек қана бір толқын ұзындығы бар, бірақ оның шағылу коэффиценті спектрдің кең диапазонында төмендейді. Пленка қалыңдығы t=0.08 мкм сыну коэффиценті n=1.9 болатын кремний үшін шағылу коэффиценті 6%-ға дейін төмендейді. Ал көп қабатты пленкалар үшін 3% және одан төмен болады.

Егер жартылайөткізгіштің пішінін шағылған сәле жұтылатындай қылып өзгертсек, онда шағылу кезіндегі шығынды төмендетуге болады (7.18 сурет). Кристалды химиялық өңдеу арқылы текстурлы бет алуға болады (7.18 сурет а).

Тыйым салынған аймақ иіні төмен энергиясы бар фотондар (шығын шамамен 23%). энергиялары фотондар электр тогын генерациялауға қатыса алмайды. АМ1 сәулелену шартында кремний үшін E_g=1.1эВ белсенді емес толқын ұзындықтары 23%-ды құрайды. Бұл фотондардың жұтылуы фотоэлементті қыздырады, ол жүйенің өнімділігін одан сайын төмендеуіне алып келеді. Теориялық тұрғыдан бұндай фотондарды фильтр арқылы бөліп алуға болады. Бірақ біріктірілген жылу және электрэнергия жүйелерде артық жылуды қолдану «энергетикалық эффективті» болар еді.

Артық энергиясы бар фотондар (шығын шаммен 33%). Белсенді фотондардың артық энергиясы жылуға ауысады .

Кванттық эффективтілік (шығын шамамен 0,4%). Кванттық эффективтілік – электрондық-кемтікті жұптар генерациясына қатысатын жұтылған фотондардың бөлігі. Фотоэлементті құрастырған кезде материалдың фотондарды және түскен сәленің 95%-ын жұтуға керекті қалыңдығы болғанын бақылау керек. Фотоэлементтің артық бетіне шағылдырушы қабатты қою оның фотондарды жұтушы материалдан сәулені қайта өткізуіне мүмкіндік береді.

Токты генерациялау эффективтілігі. Ток генерациясы эффективтілігін сипаттайтын параметрді, жоғары параграфтарда айтылғандай шығындарды есептеу үшін немесе тасымалдаушылар генерациясынан кейін зарядттарды жинау тиімділігін анықтау үшін қолдануға болады. Бұл толық ПӘК-ті құраушы, күн элементінің сыртқы тізбегінде токтың пайда болуына қатысатын, сәулелену ағыны әсерінен пайда болған электронды-кемтікті жұптардың бөлігі ретінде анықталады. Күн элементінің толық ПӘК-і кезінде 10% ток генерация тиімділігі 0,7 шамасында болады. Бұл параметрді 0,9-ға дейін көбейткенде толық ПӘК-тің 20% және одан жоғары болуына алып келеді, сондықтан күн элементтерінің ток генерациясы тиімділігін арттыру негізгі мақсат болып табылады.

Бұл параметрді өзгертудің әртүрлі тәсілдері бар. Сол тәсілдердің бірі күн элементінің артқы жағына металдық байланыстардың жанына қосымша потенциалдық барьерді құру болып табылады. P-n-өткелдің астынғы қыбатынан жоғарғы қоспа концентрациясы бар қабат қалыптасады (мысалы: р-типті қабаттан кейін 1мкм р⁺ қабат қосымша барьер туғызу үшін 200кВ/м)

(7.19 сурет). Қосалқы тасымалдаушылар- электрондар р⁺ қабатқа жақын р қабатта пайда болған, потенциал градиентіне қарсы элементтің артқы жағынан металдық байланыстарға араласқанға (диффундировать) қарағанда, негізгі p-n-өткелге қарай бағытталған потенциалдар градиентімен тезірек бейнеленеді (отрожаются). Осыдан кейін элементтің артқы жағындаға байланыстарда қайта әрекет ету (рекомбинация) жылдамдығы төмедейді. Мұндай диод тәрізді қабаттар беткі қабатқа кемтіктер үшін ұқсас эффект алу үшін қолданылады (мысалы: n-ға n⁺). Нәтижесінде беткі қабаттың сәуле жұту коэффиценті бірнеше есе өседі.

Потенциал шығыны (шамамен 20%). Әрбір жұтылған фотон потенциалдар айырымы болатын электронды-кемтікті жұп туғызады. Бірақ бұл потенциалдың (V_B)бөлігі ғана сырқы тізбекте ЭҚК-нің пайда болуына қатысады. 7,4 суретте көрсетілген, онда өткелдер мен тасымалдаушылардың диффузия бағыты бойымен потенциалдар айырымын туғызатын V_B аймақтардың орналасуы көрсетілген. Потенциал шығыны сипаттайтын шама Кремнийлік элементтер үшін F_v 0.6-дан (меншікті кедергі 0,01 Ом*м) 0,5-ке (меншікті кедергі 0,1 Ом*м) дейін өзгереді сәйкесінше V_B 0,66-дан 0,55 В-қа дейін өзгереді.

Ашық тізбекте Ферми деңгейі өткел бойымен донорлық және акцепторлық деңгейлермен теңесетіндіктен, ЭҚК шығыны болады . Қоспалар концентрациясын арттыру F_v-ны көбеюіне алып келеді (меншікті кедергісі 0,01Ом*м кренийлік элементтерде, мешікті кедергісі 0,1Ом*м балғандағы V_B және V_OC мәндерінің шамасы үлкен болады). Кремний үшін қоспаның максимал мүмкін концентрациясы 10²²м^-3, материалдың меншікті кедергісі 0,01Ом*м GaAs фотоэлементтері үшін

Материалдың ішкі кедергісінен өтумен байланыты, тура ығысу кезіндегі тасымалдаушылардың қозғалу процессі кезінде жылу бөлінеді, қосымша кедергі немесе А факторы арқылы потенциалдар шығыны ескерілуі мүмкін.

Қисаю факторы (фактор кривизны) F_c (шығын шамамен 4%). Күн элементінің вольт-амперлік сипаттамасы p-n-өткел сипаттамасымен тығыз байланысты (7.8 сурет). Егер күн элементінен шығатын кернеу V_oc-ға дейін өссе, онда өткелдегі тура ығысу ұлғаяды, нәтижесінде ішкі рекомбинациялық ток өседі. Бұл эффект жүйедегі шығындардың негізгі себебі. Экспаненсиалды сипаттамаға байланысты максимал қуат P_max I_s V_oc-дан кем.

Қисаю факторы. F_c (қанығу параметрі депте аталды) P_max/I_sc*V_oc-ға тең. Кремний үшін максимал мәні F_c=0.88.

Қосымша қисаю факторы (шығын шамамен 5%). Шынайы күн элементтерінің вольт-амперлік сипаттамасы.

А коэффицентінің пайда болуы (А>2 көптеген өндірістік фотоэлементтер үшін) өту аймағында рекомбинацияның көбеюіне байланысты. Бұл V_oc мен I_о-ның өзгеруіне алып келеді, сондықтан оңтайлы шығу қуаты А=1 кезінде болады.

Қосымша потенциалдық барьердің пайда болуы рекомбинация жылдамдығының төмендеуіне мынандай шарттар әсер етеді.

1.Үлкен диффузиялық ұзындық (Si>50-100мкм). Бұл тасымалдаушылардың ұзақ уақыт өмір сүруін талап етеді (Si 100мкс-қа дейін).

2.Өткел беткі қабатқа жақын орналасқан. Күлгін элементтердегі сияқты өткелді беткі қабатта 0,15мкм қашықтықта орналастырған, кремнийлік элементтердегі 0,35мкм-ға қарағанда дұрысырақ.

3.Материалдың қоспаға қатысы жоқ ақаулары (дефект) аз.

Беткі рекомбинация процесстері ақауларға байланысты. Олар кристалды кесу кезінде немесе шаң басқан кезде пайда болуы мүмкін.

Қосымша кедергі (шығын шамамен 0,3%). Күн элементтері материалының бүкіл аумағындағы заряд тасымалдаушылар байланыс өткізгіштеріне қарай қосылды (диффундирует). Материалдың артқы жағында байланыс барлық аумақты жабуы мүмкін, қабаттың кедергіге үлесі өте аз болуы мүмкін. Бірақ элементтің беткі қабатына күн сәулесі максимал түсуі керек, сондықтан байланыстары бар аудан минимум болуы керек. Бұл тасымалдаушылардың жүрген жолының ұзаруына және қосымша кедергінің пайда болуына алып келеді. Қазіргі уақытта күн элементтерінде байланыстарды оңтайлы орнатуда және құрастыруда айтарлықтай жетістіктерге жеткен. Беткі қабаттағы қосымша кедергісі 0,1Ом-ға дейін төмендеген элементтерде, максимал қуаттағы кедергісі 20Ом.

Шунтирлік (шунтирующий)(шығын 0,1%). Шунтирлік кедергінің пайда болуы фотоэлементтің құрылысындағы ақауларға байланысты. Жаңа технологиялар бұл ақауларды болдырмауға және олардың әсерін азайтуға мүмкіндік береді, сондықтан монокристалды кремнийлік элементте шунтирлік кедергіні елемеуге болады. Поликристалды элементтерде шунтирлік кедергі көп болуы керек.

Пайдалы қуат (кремнийлік элементтерде 11-14%). 7.1 кестеде фотоэлементте өндірілетін пайдалы қуат мәндері көрсетілген, барлық шығындар ескерілген. Болжам бойынша толық сәуле түсу кезінде максимал (пиковый) қуат алу үшін жүктеме оңтайлы болады.

Сонымен қатар 7.1 кестенің (оң жағында) монокристалдық кремнийлік фотоэлементтердің эффективтілігін, тиімділігін 22%-ға дейін көтеру мүмкіндік беретін болжамалы жетілдірулер туралы мәлеметтер көрсетілген. Көптеген авторлардың айтуы бойынша кремнийлік күн элементтерінің максимал ПӘК-і 22-25% -ға жетеді, гетеропереходты немесе сатылы өткелді элементтерде -30%, энергия концентрациясы бар жүйелерде және басқада құрылғылары бар фотоэлементтерде – 40%.Атап, өтсек келіп түсетін күн сәулесінің спекторы тиімділіктің абсолют шектеулерін орнатады. Кремнийлік элементтерде шектік ПӘК-47% шамасында.