Коэффициент полезного действия солнечных батарей. Виды солнечных батарей: сравнительный обзор

Кристаллическая решетка перовскита CH3NH3PbI3

Wikimedia Commons

Американские исследователи показали, что в солнечных элементах на основе перовскитов носители заряда, обладающие избыточной энергией, способны преодолевать значительное расстояние, прежде чем рассеют ее в виде тепла. Это означает, что реализовать фотоэлектрические элементы на горячих носителях, для которых теоретический предел КПД вдвое выше, чем у обычных кремниевых, на практике вполне возможно. Исследование опубликовано в журнале Science .

В самых распространенных на сегодняшний день солнечных элементах, использующих в качестве полупроводника кремний, теоретически возможный коэффициент полезного действия едва превышает 30 процентов. Это связано с тем, что кремниевые элементы способны использовать спектр солнечного света только частично. Фотоны, обладающие энергией ниже пороговой, просто не поглощаются, а обладающие слишком высокой приводят к образованию в фотоэлементе так называемых горячих носителей заряда (например, электронов). Время жизни последних составляет около пикосекунды (10 -12 секунды), потом они «остывают», то есть рассеивают избыточную энергию в виде тепла. Если бы горячие носители удавалось собирать, это повысило бы теоретический предел КПД до 66 процентов, то есть вдвое. Несмотря на то что в некоторых экспериментах небольшое сохранение энергии удавалось наблюдать , элементы на горячих носителях пока остаются скорее гипотетическими.

Ученые из Университета Пердью и Национальной лаборатории возобновляемой энергетики (США) внесли вклад в изучение нового перспективного класса фотоэлектрических элементов на основе перовскитов и продемонстрировали, что в таких элементах горячие носители не только обладают повышенным временем жизни (до 100 пикосекунд), но и способны «пробегать» значительные дистанции в несколько сотен нанометров (что сопоставимо с толщиной слоя полупроводника).

Металлорганические перовскиты получили свое название благодаря кристаллической структуре. Она по сути повторяет структуру природного минерала - перовскита, или титаната кальция. Химически они представляют собой смешанные галогениды свинца и органических катионов. Авторы работы использовали распространенный перовскит на основе иодида свинца и метиламмония. Исходя из того, что в перовскитах время жизни горячих носителей существенно увеличено по сравнению с другими полупроводниками, авторы решили выяснить, на какое расстояние могут переноситься горячие носители за время их остывания. С использованием ультраскоростной микроскопии исследователям удалось непосредственно пронаблюдать транспорт горячих носителей в тонких пленках перовскита с высоким пространственным и временным разрешением.

Транспорт горячих носителей в полупроводнике в течение первой пикосекунды после возбуждения

Guo et al / Science 2017

Оказалось, что медленное остывание в перовскитах сопряжено с дальностью пробега, которая составила до 600 нанометров. Это означает, что носители заряда с избыточной энергией теоретически способны преодолевать слой полупроводника и достигать электрода, то есть их возможно собирать (правда, как это реализовать технически, авторы работы не обсуждают). Таким образом, солнечные элементы на горячих носителях, возможно, удастся воплотить в жизнь, взяв за основу перовскиты.

К настоящему времени максимальный КПД, доходящий до 46%, был зарегистрирован для многослойных многокомпонентных фотоэлектрических элементов, в состав которых входит арсенид галлия, индий, германий со включениями фосфора. Такие полупроводники используют свет более эффективно, поглощая различные части спектра. Производство их очень дорого, поэтому такие элементы используются только в космической промышленности. Ранее мы писали также про элементы на основе теллурида кадмия, которые можно производить в виде гибких и тонких пленок. Несмотря на то, что общий вклад в производство электроэнергии солнечной энергетики пока не превышает 1%, темпы роста можно назвать взрывными. Особенно заинтересованы в использовании возобновляемой энергии солнца такие страны как Индия и Китай. Компания Google в конце 2016 года заявила, что в этом году собирается полностью перейти на возобновляемую энергетику.

В настоящее время в быту используются в основном кремниевые фотоэлементы, реальный КПД которых составляет 10–20 процентов. Элементы на основе перовскитов появились менее 10 лет назад и сразу вызвали к себе заслуженный интерес (о них мы уже писали ). КПД таких элементов быстро увеличивается и практически доведен до 25 процентов, что сопоставимо с лучшими образцами кремниевых фотоэлементов. К тому же они очень просты в производстве. Несмотря на технологический успех, физические принципы работы перовскитовых элементов относительно мало изучены, поэтому обсуждаемая работа ученых из США вносит важный вклад в фундаментальные основы фотовольтаики и, конечно, влечет за собой перспективу дальнейшего увеличения КПД солнечных элементов.

Дарья Спасская

Солнечные батареи - уникальный преобразователь энергии световых лучей в электричество с неограниченным внешним источником. Постоянно растущий спрос на данную продукцию обусловлен доступностью и экологичностью энергоснабжения без расхода теплоносителя, а также экономической окупаемостью за 2 года при минимальном сроке службы панелей в 25 лет.

Основой служат полупроводники или пленочные полимеры, пластина из слоев разной полярности преобразует свет в направленное движение электронов - это физическое явление неизменно для всех солнечных батарей. Вместе с тем такое исполнение ограничивает эффективность фотопреобразователей, часть энергии фотонов неизбежно теряется при прохождении границы p-n перехода. На практике на коэффициент полезного действия батарей влияют многие факторы: материал, площадь, расположение, интенсивность светового потока, что учитывается при покупке и эксплуатации.

Зависимость КПД от вида фотопреобразователей

Данный показатель определяется как процентное отношение вырабатываемой электрической энергии к мощности падающего солнечного света. На величину влияет чистота пластины и ее структура: пленочная, поли- или монокристаллическая. Последние виды относятся к самым дорогим и долго окупаемым, доступные солнечные батареи с высоким КПД для дома пока что производят только из слоев кремния разной полярности. Менее эффективными являются панели из террурида кадмия и CIGS, выпускаемые на основе пленочной технологии. КПД кадмиевых батарей составляет всего 11 %, но они дешевы и достаточно надежны в эксплуатации. Чуть выше показатель у пленки с нанесенными частицами галлия, меди, индия и селена, фотоэлементы CIGS эффективны на 15 %.

Для сравнения: КПД кремниевых преобразователей монокристаллического типа - 25 %, а у тонкопленочных или аморфных субмодулей из того же материала - максимум 10, устройства на основе органических полимеров имеют минимальное значение - 5 %. Многое зависит от площади панели, одиночные фотоэлементы ограничены в генерировании электричества.

Величина КПД маленьких солнечных батарей не позволяет использовать их для полноценного энергоснабжения, но их достаточно для запуска некоторых видов электроники. В любом случае, повышение эффективности устройств и минимизация их себестоимости является приоритетной задачей современной энергетики.

Факторы, влияющие на эффективность солнечных батарей

Коэффициент полезного действия зависит не только от применяемого материала и технологии, но и от целого комплекса внешних условий:

1. Интенсивности светового потока. В свою очередь этот показатель связан с географическими координатами расположенной батареи, в частности - с широтой.

2. Угла наклона конструкции. В идеале следует установить солнечные батареи, меняющие его, исходя из градиента падения лучей. Такая система стоит дороже, но она позволяет аккумулировать внушительное количество электричества (до 40–60 %) и меньше зависеть от сезона и времени суток.

3. Температуры окружающей среды. Нагрев плохо влияет на фотоэффект, вентилируемые батареи имеют очень высокий КПД. Как ни парадоксально, но в морозную ясную погоду они вырабатывают больше энергии, чем в жару (хотя общий кумулятивный эффект снижается из-за короткого светового дня).

4. Времени года. На практике КПД солнечных панелей зимой уменьшается в 2–8 раз, но это не связано с выпадением снега: на темной поверхности он быстро тает, кроме того - фотопреобразователи отлично воспринимают рассеянный свет.

5. Запыленности. Чем чище внешняя часть солнечных батарей, тем большее количество фотонов будет преобразовано, поэтому для повышения КПД рабочие поверхности рекомендуется протирать как минимум раз в два года.

6. Тени. Не секрет, что коэффициент полезного действия для солнечных батарей в пасмурную погоду значительно снижается, в туманных и дождливых районах их нет смысла ставить, то же относится и к затененным участкам. Панели нежелательно монтировать в тени высоких деревьев или соседних домов, при выборе месторасположения приоритет отдается южной стороне.

Ежедневно на нашу планету поступают миллиарды киловатт солнечной энергии. Люди уже давно начали использовать эту энергию для своих нужд. С течением прогресса для преобразования энергии солнечного света стали использовать солнечные батареи. Но эффективны ли эти приборы? Сколько составляет КПД солнечных батарей, и от чего он зависит? Каков их срок окупаемости и как можно вычислить рентабельность использования солнечных батарей? Эти вопросы волнуют каждого, кто планирует или уже решил приобрести солнечные панели, поэтому этой актуальной теме посвящена настоящая статья.

Давайте вкратце разберем, на чем основан принцип действия солнечных панелей. В основе лежит физическое свойство полупроводников. Вследствие выбивания фотонами света электронов с внешней орбиты атомов, образуется достаточно большое количество свободных электронов. После замыкания цепи и возникает электрический ток. Но, как правило, одного-двух фотоэлементов для получения достаточной мощности не хватает, поэтому, в состав солнечных модулей чаще всего входит несколько солнечных батарей. Чем больше фотоэлементов соединяют вместе, то есть чем больше площадь солнечных панелей, тем больше и производимая ими мощность. Помимо площади панелей ощутимое влияние на производимую мощность оказывают интенсивность солнечного света и угол падения лучей.

Разбираем понятие КПД

Значение КПД панели получают путем деления мощности электрической энергии на мощность солнечного света, падающего на панель. На сегодняшний день среднее значение этого показателя на практике составляет 12-25%, в теории же эта цифра приближается к 80-85%. В чем же причина такой большой разницы? В первую очередь, это зависит от используемых для изготовления солнечных панелей материалов. Как уже известно, основной элемент, входящий в состав панелей, это кремний. Один из главных недостатков этого вещества – способность поглощать лишь инфракрасное излучение, то есть энергия ультрафиолетовых лучей тратится впустую. Поэтому одно из основных направлений, в котором работают ученые, пытающиеся увеличить КПД солнечных панелей – это разработка многослойных модулей.

Многослойные батареи представляют собой конструкцию, состоящую из слоев различных материалов. Их подбирают в расчете на кванты разной энергии. То есть один слой поглощает энергию зеленого цвета, второй – синего, третий – красного. В теории различные комбинации этих слоев могут дать значение КПД 87%. Но это, к сожалению, лишь теория. Как показывает практика, изготовление подобных конструкций в производственных масштабах очень трудоемкое занятие, да и стоимость таких модулей очень высока.

На КПД солнечных модулей влияет и вид используемого кремния. Панели, изготовленные из монокристаллического кремния, имеют более высокий коэффициент полезного действия, нежели панели из поликристаллического кремния. Но и цена монокристаллических батарей выше.

Основное правило: при более высоком КПД для генерации электроэнергии заданной мощности потребуется модуль меньшей площади, то есть в состав солнечной панели будет включено меньшее количество фотоэлементов.

Как быстро окупятся солнечные батареи?

Стоимость солнечных батарей сегодня достаточно высока. А с учетом небольшого значения КПД панелей, вопрос их окупаемости очень актуален. Срок службы батарей, работающих от солнечной энергии, составляет порядка 25 и более лет. О том, чем обусловлен столь долгий срок эксплуатации, мы поговорим чуть позже, а пока выясним озвученный выше вопрос.

На срок окупаемости влияют:

• Тип выбранного оборудования. Однослойные фотоэлементы имеют более низкий КПД в сравнении с многослойными, но и гораздо меньшую цену.
• Географическое положение, то есть чем больше солнечного света в Вашей местности, тем быстрее окупится установленный модуль.
• Стоимость оборудования. Чем больше средств Вы потратили на приобретение и монтаж элементов, входящих в состав солнечной системы энергосбережения, тем длиннее срок окупаемости.
• Стоимость энергоресурсов в Вашем регионе.

Средние цифры срока окупаемости для стран Южной Европы составляют 1,5-2 года, для стран Средней Европы – 2,5-3,5 года, а в России срок окупаемости равен примерно 2-5 годам. В ближайшем будущем эффективность солнечных батарей значительно увеличится, связано это с разработкой более совершенных технологий, позволяющих увеличивать КПД и снижать себестоимость панелей. А как следствие уменьшится и срок, в течение которого система энергосбережения на солнечной энергии окупит себя.

Сколько прослужат солнечные батареи?

В состав солнечных панелей не входят механические подвижные части, поэтому они достаточно надежны и долговечны. Как уже упоминалось выше, срок их службы составляет более 25 лет. При правильной эксплуатации они могут прослужить и 50 лет. Большим плюсом является то, что столь долгий срок службы обходится без крупных поломок, достаточно лишь систематически очищать зеркала фотоэлементов от пыли и других загрязнений. Это необходимо для лучшего поглощения энергии, а, следовательно, и для более высокого показателя КПД.

Долгий период службы является одним из главных критериев при принятии решения «приобретать или нет солнечные батареи». После того как батареи окупят сами себя, получаемая Вами электрическая энергия, будет абсолютно бесплатной. Даже если период окупаемости будет максимальным (порядка 6 лет), Вы как минимум 20-25 лет не будете платить за энергоресурсы.

Последние разработки, увеличивающие показатель КПД

Чуть ли не каждый день ученые по всему миру заявляют о разработке нового метода, позволяющего увеличить коэффициент полезного действия солнечных модулей. Познакомимся с самыми интересными из них. В прошлом году компания Sharp представила общественности солнечный элемент, эффективность которого составила 43,5%. Этой цифры они смогли добиться с помощью установки линзы для фокусировки энергии непосредственно в элементе.

Не отстают от компании Sharp и немецкие физики. В июне 2013 года они представили свой фотоэлемент площадью всего в 5,2 кв. мм, состоящий из 4-х слоев полупроводниковых элементов. Такая технология позволила добиться КПД в 44,7%. Максимальная эффективность в данном случае также достигается за счет помещения вогнутого зеркала в фокус.

В октябре 2013 года были опубликованы результаты работ ученых из Стэнфорда. Они разработали новый жаропрочный композит, способный увеличить производительность фотоэлементов. Теоретическое значение КПД составляет около 80%. Как мы писали выше, полупроводники, в состав которых входит кремний, способны поглощать лишь ИК-излучение. Так вот действие нового композитного материала направлено на перевод высокочастотного излучения в инфракрасное.

Следующими стали английский ученые. Они разработали технологию, способную увеличить эффективность элементов на 22%. Они предложили на гладкой поверхности тонкопленочных панелей разместить наношипы из алюминия. Этот металл был выбран по причине того, что солнечный свет им не поглощается, а, наоборот, рассеивается. Следовательно, увеличивается количество поглощаемой солнечной энергии. Отсюда и рост производительности солнечной батареи.

Здесь приведены лишь основные разработки, но дело ими не ограничивается. Ученые борются за каждую десятую долю процента, и пока им это удается. Будем надеяться, что в ближайшем будущем показатели эффективности солнечных батарей будут на должном уровне. Ведь тогда и выгода от использования панелей будет максимальной.

Статью подготовила Абдуллина Регина

В Москве уже применяют новые технологии освещения улиц и парков, я думаю, там экономическая эффективность была просчитана:

Всем прекрасно известно, что чем больше коэффициент полезного действия, тем лучше. Это правило распространяется и на КПД солнечных батарей. Благодаря новым технологиям и способам производства КПД фотоэлементов постоянно растет, правда очень медленно, но главное - прогресс не стоит на месте.

Ниже приведен график достижений эффективности разных производителей, с течением времени. Начиная с середины и до самого верха - полупроводники разрабатывались для новых рекордов и космических задач, стоимость соответствующая. Все что ниже уже доступно и реально приобрести в наше время.

Всем известно про КПД, но мало кто понимает откуда берутся эти значения в процентах и как они рассчитываются. Давайте попробуем разобраться.

Как правило, завод изготовитель указывает эффективность своих собранных модулей и эффективность отдельных солнечных элементов, из которых состоит солнечная батарея. Эти параметры, как и другие характеристики, указываются при так называемых стандартных условиях - STS, основными из них является инсоляция 1000Вт/м² и температура элементов 25°С при которых и снимаются технические характеристики, в том числе и эффективность.

В настоящее время добросовестные изготовители стали тестировать каждую произведенную ими солнечную батареи после сборки и делать распечатку индивидуальных параметров, которую вкладывают к каждой батарее. Делается это для подтверждения качества своих изделий.

Ниже приведена распечатка одной из солнечных батарей SY-100 от Suoyang energy:

Каждый модуль имеет свои индивидуальные характеристики. Если взять две одинаковые панели одной модели они все равно будут иметь немного разные параметры.

Солнечные батареи данного производителя имеют положительную толерантность, в итоге мы имеем 104,617 Вт и эффективность 15,74% (отдельный элемент 18,7%). Как он получил это значение?

Формула расчета эффективности солнечных батарей выглядит следующим образом:

КПД = Pсб/Sсб/10, где:

Pсб – мощность СБ;

Sсб – площадь СБ.

Подставим значения в формулу:

КПД = 104,617/(1,2*0,554)/10 = 15,74%

Все сходится, но возникает еще один вопрос: почему тогда КПД отдельных фотоэлементов выше? Ответ прост – все дело в том, что солнечная батарея состоит из множества фотоэлементов и между ними есть небольшое расстояние, которое не используется для выработки энергии, плюс алюминиевая рама тоже «занимает место», соответственно площадь увеличивается, а КПД при этом снижается.

Ниже приведены фотографии и видео некоторых попыток получения большей эффективности фотоэлементов, с помощью создания элементов сложной формы, принудительного охлаждения солнечных элементов и фокусирования света с помощью линз. Возможно новинки хорошо покажут себя, их пустят в массовое производство, и они станут доступными для нас с вами.

Это гибридная солнечная батарея Vitru, в борьбе за эффективность производитель борется с нагревом элементов. Вода в колбе охлаждает элементы, в следствие чего не снижается напряжение и не падает мощность.

Новинка пока не продается и находится в стадии тестирования, но как заявляет V3Solar, весь секрет в конусной форме и вращения конструкции, благодаря этому ячейки не успевают нагреваться и КПД не снижается в течении всего дня.