1598005400-e4d976f05e65a6df0c91dae52ce6f965 (811206), страница 83
Текст из файла (страница 83)
Предельный КПД системы из Аг элементов, работающих в условиях концентрированного излучения, может быть представлен в виде Рис. 8.7. Схема каскадного сол печного элемента на основе оп тнческого фильтра, концентрато ра излучения и двух элементов Ф Х (ур)ле(ГЕ)ле Еамугее ч)им= "=' К !' з(Л)дХ 'о (8.1) Здесь (Ъ'Г) — фактор напряжения т-го элемента: (~7Г) ЧРОе ( ~ ~Ч) !и 1( ~ьне~~еен) Р ~1 Еале Екле Коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики т-го элемента равен Напряжение на т-м элементе Р„,р, соответствующее максимальной мощности, находим из уравнения (1+ Р )ехр ( Ч л ) =( —" + 1) (8.4) (ГГ)„=[1 — — !п(1+ ч — ")][! — — ' ехр( "'- — 1)1.
(8.3) Новые напр. в разработке солнечных элементов 385 Здесь (8. 5) (8.6) 1,0 0,4 0,7 1,0 1,3 1,6 1,9 Рис. 8.8. Уровни равных значений пРедельного КПД (т)шот) каскадных систем на основе двух элементов, оптичссиого фильтра и конпентра. тора при 100-кратной интенсивности излучения в условиях АМ2 [241. В системах использтются солнечные элементы на основе следующих по. лупроводниковых материалов: а) 51 и бе (Чю,„=-34 ",о); Ь) баАз и бе (Чтот = 37 %)1 с) баАз и ЕП (Чтиво = =35 "о); тй Материал с Ек, = — 1,73 эВ И 5~ (Чюох = 41 %)1 Е) МатЕрнаЛЫ С оптимальными значениями ширины запрещенной зоны (т)ю,„= 42 "о). ( 2,57.10'вТ'ехр( — Е, ЯТ) при Е, ) 1,29 эВ, ~ 4,81 10'Тзехр( — Е „ЙТ) при Ея„,(1,29 эВ, Ея — ширина запрещенной зоны т-го элемента.
Плотность фототока лт-го элемента Уь определяется уравнением 7(4 = — 3 (Л) Лс(Л, йс э. где Ля, =1,24/Еялп Лат=0, К вЂ” коэффициент концентрации излучения. С использованием конкретных значений р, )тр, тп, тр, Лл и Аго авторы работы [24) определили уровни постоянного предельного КПД в виде функции Е,т и Е,з для каскадной системы из двух элементов при коэффициенте концентрации 100 в условиях АМ2. Полученные зависимости представлены на рис. 8.8. Для системы на основе элементов из 51 и Сте КПД составляет 34 о(о. Для комбинаций элементов из ПаАз — 51 и СтаАз — Пе значения КПД равны 35 и 37 а)о соответственно. В случае сочетания кремниевого элемента с элементом изматериала, имеющего ширину запрещенной зоны 1,75 эВ, КПД составляет 41 %. Важной особенностью Еэю тй метода расщепления спектра является значительное снижение внутренних потерь в каждом элементе по сравнению с соответствующими видами потерь в единичных элементах при одинаковых условиях освещения.
Этот вывод иллюстрирует рис. 8.9, на котором приведены диаграммы распределения энергетических потерь в двух элементах (на основе СтаАз и бе), работаю- Звб Глава а Каскадная шселема ЕаА'.Ае — СаАе '=е 4,7 / А 1Б А 'Г Са б7,б ,' зд 2,б 2,2 .. ' -'' 1,2 Дб 2 А зд 4,2 — — н Б7 Рис.
8.9. Распределение потерь энергик в единнчши солнечных элементах на осноие Сее и СаА1дз СеаЛА 1а) и в двухэлсментном каскадном преобразователе, состоящем из элементов па основе бе и бад)дь — СаАь 1б), при 126-кратной интенсивности излучения в условиях ЛМ2 )24). Л вЂ” потери в фильтре,  — отражение излучсния и затенение поверхности, С вЂ” избыточная энергия фотонов, Гз — энергия нефотоактивных фотонов, Е -- потери при собирание носителсй зарядя, Š— потери в области перехода, Се — омические позери 17)де), Н вЂ” выходная мошностем заштрихованные области соответствуют потерям энергии, вызыааюшим нагрев элсмеепов.
щих независимо и в каскаде при коэффициенте концентрации излучения 125 в условиях АМ2. Кейп и др. 125] провели теоретическое и экспериментальное исследование каскадных систем на основе двух элементов. Для сочетания элементов ОаАБ — Оа8Ь и оптического фильтра с пороговой длиной волны 0,88 мкм теоретический КПД при 300-кРатной интенсивности излУчениЯ пРевышает 30 о)е. Значения КПД, полученные в экспериментах с элементами на основе ОаАБ — 81 и оптическим фильтром, имеющим пороговую длину волны 0,73 мкм, при коэффициентах концентрации 340 и 800 близки к расчетным.
Очевидно, что система элементов иа основе ОаАБ — 81 не превосходит по КПД единичные элементы из ОаАБ. Авторы отмечают, что необходимыми условиями для успешного применения преобразователей такого типа являются оптимальное расщепление спектра и высокая эффективность оптических фильтров. При осуществлении спектрального расщепления в каждом из элементов протекает меньший фототок, величина которого при грубой оценке пропорцио. нальна потоку фотонов в отдельных световых пучках.
Вследствие этого при высоких концентрациях излучения потери мощности на последовательном сопротивлении значительно уменьшаются. Хотя анализ предельного КПД и дает информацию, необходимую для выбора материалов, следует помнить, что он Новые нвпр. в рвэрвботне солнечных элементов основан на ряде допущений. Для предсказания характеристик реальных систем необходимо учесть различные виды потерь энергии. Исходя из результатов теоретического анализа, проведенного рядом исследователей [26, 27), согласно которым двумя благоприятными сочетаниями значений ширины запрещенной зоны являются 1,69 — 1,1 эВ и 1,69 — 1,43 эВ, когда могут использоваться ОавлА!вдЛэ (1,69 эВ), ОаЛз (1,43 эВ) и 5т (1,1 эВ), Фанетти и др. [28] высказали предположение, что и практике КПД системы 1,69 — 1,43 эВ даже при учете потерь излучения в оптическом фильтре может превысить 25%.
Для системы из трех элементов на основе 8! (1,1 эВ), ОаАв (1,43 эВ) и Пав,вэА!о,этАэ (1,92 эВ) реально достижимы значения КПД более 30%. Солнечные элементы из ОаАз я Оао,вА!вяЛэ, изготовленные Фанетти и др. [28] с применением модифицированного метода жидкофазной эпитаксии, в условиях ЛМ1,5 при 210-кратной интенсивности излучения имеют КПД соответственно 21,1 и 19,2 %. Экспериментальное подтверждение возможности создания высокоэффективной каскадной системы на основе расщепления спектра при использовании солнечных элементов из 81 (1,1 эВ) и Оав,вэА!взтАз (1,65 эВ) получено Ван дер Пласом и др.
[29]. Измеренные значения общего КПД составили 27% при коэффициенте концентрации К=-113 и 26 % при К=489. (8.7) (8.8) 8.4.2 Интегральные каскадные солнечные элементы Схематическое изображение интегрального каскадного солнечного элемента, содержащего три гомогенных р — л-перехода, приведено на рис. 8.10, а. Данная структура является основной, а в ее модификациях могут быть использованы гетеропереходы или барьеры Шоттки. Особенностью интегральной структуры является наличие системы встроенной электрической коммутации, которая осуществляет последовательное соединение единичных элементов.
На рис. 8.10, б показана эквивалентнаяэлектрическая схема каскадного элемента. При анализе теоретической модели интегрального каскадного солнечного элемента мы будем использовать подход, предложенный Веки [30], рассматривавшим элемент исходя из эквивалентной схемы, представленной на рис. 8.10,б. Пренебрегая переходным контактным сопротивлением и сопротивлением утечки, можно записать следующие уравнения: У = Уш — Уы [ехр (р)гг) — 1], Здесь индексом 1=1, 2, ..., Лг обозначен номер единичного элемента в каскадном преобразователе, Хн — плотность обратного Чв!3* 388 Глава 8 Изпуненче ! 11 Верхний нонгпппм 3-о р-и- переход 2-й р-и-переход !-й р-и-переход Похупрозронны нонхпопгпы Нчннпо нонмохм Еу н Еуг Еуз о Зхз зл тока насыщения 1-го р — п-перехода, ф=г))пнТ.
Если переходы представляют собой идеальные диоды Шокли, то п = 1. Вольт-ампериая характеристика интегрального каскадного солнечного элемента определяется путем нахождения общего решения уравнения (8.7) и может быть представлена в виде -р(8Р) =П ("+'и-" (8.9) Напряжение холостого хода, согласно уравнению (8.9), равно г Угг+ Узз ) 1) Узз (8.10) х=! В режиме короткого замыкания, когда )2=0, напряжения 1г на отдельных элементах в общем случае не равны нулю. Только в случае равенства всех значений Упз при В=О все напряжения )'е=О.
При условии что Ухе равны между собой, интегральный каскадный солнечный элемент является сбалансированным. Однако независимо от того, сбалансирован ли эле- Рис. 8.10. Поперечное сечение интегрального каскадного солнечного элемента, содержащего три гомогенных перехода (а), и его экаиаалентная схема (6). Новые напр. в раэраоотке солнечных элементов звэ мент, величина У„равна наименьшему из значений Утм (поскольку Ум«Уы) У„=пцп(У„т). (8.11) Г1лотность обратного тока насыщения определяется из сле- дующего соотношения, справедливого для идеального р — п- перехода: У,(Ев) =У„ехр( — Ев(йТ), (8. 12) где У„=4,7.
1О' мАУсм' в соответствии с известными значениями У, для 88 Фототок Увв единичного элемента находится с помощью уравнения Увд(Е ) =- Ч 1' пф(йсо) с((йот),т лн=в (8.13) где пф(Упо) — число фотонов с энергией йеь Считается, что коэффициент собирания носителей равен единице. Для каскадной структуры, состоящей из двух (или более) солнечных элементов, справедливо соотношение Утд (Ев Евв) = Ут т (Еат) Уьв (Евт) ° (8.
14) Здесь Уш(Ею, Евт) — плотность тока, протекающего в элементе с шириной запрещенной зоны Евь расположенном за элементом с шириной запрещенной зоны Евз', Уш(Ею) и Уьх(Евэ) — плотности фототоков, которые протекали бы в этих же элементах, если бы они работали раздельно. Приведенное выше соотношение выполняется при отсутствии потерь, связанных с внутренним отражением света, и может быть распространено на случай большего количества элементов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
