Ранее нами были представлены предварительные результаты по исследованию композита полиэтиленовая пленка-керамика на основе оксида железа с трехслойным каскадным преобразованием солнечного света и исследована его эффективность в солнечном воздухонагревателе, а также его спектральные характеристики в видимой и ближней ИК области спектра [1].  Было показано, что данный композит обладает в определенной степени способностью стабилизировать температуру, что может быть использовано не только в тепличных хозяйствах, но и в тех случаях, когда нежелателен сильный перегрев при высокой солнечной радиации.

Настоящая работа посвящена изучению возможности применения пленочно-керамических композитов на основе функциональной керамики для повышения эффективности кремниевых солнечных фотопреобразователей (ФП).

Максимальный КПД фотопреобразователей на основе кремниевых р-п переходов достигнут в лабораторных образцах ~ 24%, в промышленных ~16 – 18%.

Дело в том, что оптимальный диапазон преобразования солнечной энер­гии для кремниевых фотопреобразователей приходится на инфракрасный спектр с малой интенсивностью в солнечном потоке излучения, а поглощение более интенсивных коротких электромагнитных волн спектра солнечного излучения вызывает лишь изменение энтропии кристаллической решетки кремния [2,3].

Таким образом, проблема повышения эффективности фотопреобразователей на основе кремния, предназначенных для массового производства электриче­ской энергии из солнечной, зависит от спектрального состава и интенсивности преобразующей части спектра солнечного излучения. Однако здесь имеется много нерешенных вопросов. Необходимо развивать не только технологические решения конструкции самого фотопреобразователя на основе новых научных подходов, идей и механизмов [4], но также и систем, позволяющих преобразовать неиспользуемую высокоэнергетическую коротковолновую часть солнечного излучения в диапазон, в котором фотоэлементы имеют максимальный КПД. Кроме того, одной из главных проблем является снижение температуры на солнечных батареях, с целью предотвращения потери ЭДС, что не только снижает реальный КПД, но и требует использования дополнительных элементов для компенсации подобных потерь. В частности, для зарядки большинства 12-вольтовых аккумуляторов в оптимальном режиме, требуется 14,2-14,4 Вольта. В то же время, за счет перегрева, ЭДС ФП может снизиться на 18 и более процентов. В этом случае приходится компенсировать эти потери дополнительно включенными последовательно элементами. Тогда при нормальной же температуре,  наоборот, будет наблюдаться значительное повышение напряжения, подаваемого на аккумулятор, что также существенно снижает его срок службы. Таким образом, необходимо найти пути решения стабилизации температуры на ФП, для того, чтобы обеспечить высокоэффективную работу не только по преобразованию солнечного спектра в фототок, но и продления срока службы аккумуляторов. В любом случае мы вынуждены использовать аккумуляторы, так как в ночное время ФП не могут быть использованы, следовательно, необходимо запасать энергию для этого периода времени.

Учитывая сказанное, нами разработан ряд пленочно-керамических композитов, на основе полиэтиленовой пленки и функциональной керамики, которые позволяют решать данную проблему.

В частности, нами был разработан ряд пленочно-керамических композитов, использование которых в системе ФП позволяет в определенных пределах стабилизировать температуру. Настоящая работа посвящена изучению возможности применения таких пленочно-керамических композитов для повышения эффективности преобразования энергии Солнца кремниевыми ФП.

Как известно, повышение температуры фотобатареи на 3-4 градуса, в зависимости от их качества, приводит к снижению эффективности преобразования солнечной энергии примерно на 1%.

В качестве примера приводятся результаты по исследованию особенностей температурных характеристиках для трехслойного каскадного композита. Измерения проводились на устройстве, состоящем из двух одинаковых каркасов размерами 750х750х350 мм³. Один каркас полностью был покрыт трехслойной полиэтиленовой пленкой, причем первый слой представляет из себя полиэтиленовую пленку с добавками, преобразующими ультрафиолетовый диапазон в видимый. Это позволяет не только более эффективно использовать энергию солнечного света, но и защищает саму пленку от фотодеструкции, что значительно продлевает срок ее службы.  Второй каркас покрывался такой же полиэтиленовой пленкой, но нижний слой содержит два вида функциональной керамики. Суммарное содержание керамики в композите 2,5% (масс.) относительно полиэтилена.

Из проведенных исследований следует, что использование композита с каскадным преобразованием при низких температурах окружающей среды, обеспечивает более высокую температуру по сравнению с обычной пленкой на 5-11 градусов, а при относительно высоких значениях температуры окружающей среды, наоборот, более низкую температуру на  9-14 градусов (таблица 1 и рис.1).

Таблица 1.

Разница температур в камерах из чистой полиэтиленовой пленки и трехслойного композита

Рис.1. Разница температур ∆Т в камерах из чистой полиэтиленовой пленки и трехслойного композита в зависимости от температуры окружающей среды Т.

∆Т =Т₁-Т₂, где Т₁ – температура под обычной пленкой, Т₂ – температура под пленочно-керамическим композитом.

Как следует из приведенных данных (рис.1), вначале наблюдается более высокая температура под композитной пленкой, затем, при температуре 15^оС наблюдается перегиб. При  температуре окружающей среды 25-27^оС температура под композитной пленкой и контрольной пленкой выравниваются. Далее, при дальнейшем повышении температуры окружающей среды наблюдается более низкая температура под композитной пленкой. Таким образом, композитная пленка на основе функциональной керамики обладает в определенной степени способностью стабилизировать температуру.

Для исследования влияния пленочно-керамических композитов на эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую, использовалась ФП (рис.2) на основе кремния, производства НПО «Квант» (эффективная площадь 66 см², состоящая из 20 последовательно соединенных элементов, ЭДС при 35^оС – 11 вольт). Измерения проводились в различных режимах, отличающихся тем, что рабочая поверхность ФП накрывалась штатным стеклом или полимер-керамическими композитными пленками.

Режим 1 покрытие штатным стеклом

Режим 2 Покрытие трехслойным пленочно-керамическим композитом с содержанием керамики 2,5% (масс.) в нижнем слое относительно полимера.

Режим 3 Покрытие однослойным пленочно-керамическим композитом с содержанием керамики 1,0% (масс.).

Режим 4 Покрытие однослойным пленочно-керамическим композитом с содержанием керамики 1,5% (масс.).

Режим 5 Покрытие однослойным пленочно-керамическим композитом с небольшим содержанием РЗЭ к керамике. Содержание керамики 0,5%* (масс.) относительно полимера.

Режим 6. То же, что и режим 6, но содержание керамики относительно полимера 1,0%* (масс.).

Режим 7 То же, что и режим 6, но содержание керамики относительно полимера 2,0%* (масс.).

Режим 8 То же, что и режим 6, но содержание керамики относительно полимера 5,0% ** (масс.).

Примечание.

*Использован керамический порошок со средним  размером гранул 0,5 мкм.

**Использован керамический порошок со средним  размером гранул 5 мкм.

Измерения проводились при температуре окружающей среды 35^оС

Рис.2. Внешний вид рабочей зоны фотопреобразователя.

Полученные результаты обобщены в таблице 2.

Таблица 2.

Зависимость основных параметров фотобатареи от режима измерения.

Примечание. ***Числитель – ток при данном режиме, знаменатель – отношение тока при данном режиме к току батареи с покрытием штатным стеклом.

**** Числитель – ЭДС при данном режиме, знаменатель – отношение ЭДС при данном режиме к ЭДС батареи с покрытием штатным стеклом. Измерения проводились при температуре окружающей среды 35^оС.

Измерения температуры проводились оптическим инфракрасным термометром IR-350 производства VOLTCRAFT (рабочий диапазон -50+112^оС, погрешность измерений 0,1 градус).

Зерновой состав определяли с помощью прибора для определения удельной поверхности порошковых материалов типа Т-3, ТУ25-11-779-77.

В результате проведенных исследований, показано, что замена штатного стекла на пленочно-керамический композит, позволяет снизить температуру ФП на 7-15 градусов, при температуре окружающей среды 35 градусов Цельсия, увеличить  ток на 9-18%, ЭДС – на 4-10%.

Была рассчитана суммарная эффективность композитных пленок Р при данной температуре на батарее Т, выраженная как произведение отношения изменения тока и ЭДС относительно батареи, где в качестве покрытия использовалось штатное стекло.

P=(Ii/Io)●(Ui/Uo),

где Ii – ток ФП при данном режиме, Io – ток кремниевой фотоэлектрической батареи без покрытия, Ui – ЭДС ФП при данном режиме, Uо – ЭДС со штатным стеклом. Она возросла при данных условиях на 14-25%, в зависимости от применяемого композита.

Как следует из приведенных данных, максимальное снижение температуры относительно штатного стекла, наблюдается в режиме 7, где используется покрытие однослойным пленочно-керамическим композитом с небольшим содержанием РЗЭ в керамике. Причем, содержание керамики составляет 2,0% (масс.) относительно полимера. В то же время, можно заметить, что в этом режиме снижается ток, вырабатываемый ФП по сравнению с режимами 5 и 6, которые отличаются только лишь содержанием керамики в композите: -  соответственно 0,5%  и 1,0%(масс.). Из сказанного следует, что с увеличением содержания керамики в композите преобразование части солнечного спектра, вызывающего перегрев ФП полнее трансформируется в дальнее инфракрасное излучение, которое не вызывает разогрева, но одновременно идет и преобразование большей части солнечного спектра, который участвует в выработке фототока. Если сравнить суммарную эффективность Р для данных режимов, то четко видео, что режим 6 является наиболее оптимальным.

Режим 8 показывает интересную закономерность. Хотя содержание керамики в данном композите в 2,5 раза выше, чем в композите, который использовался в режиме 7, фототок оказался выше. Следовательно, необходимо подбирать не только концентрацию и состав функциональной керамики в композите, но и проводить тщательный подбор ее зернового состава.

Наихудшим оказался режим 3, но и для него Эффективность Р оказалась выше на 14%, по сравнению со штатным стеклом.

По ЭДС лучшие значения были получены для режима 5, а наихудшие – для режима 3, хотя и в этом случае он превосходит ЭДС ФП при использовании штатного стекла.

Следует сказать, что функциональная керамика с содержанием РЗЭ преобразует коротковолновую часть солнечного излучения, преимущественно, в излучение с длиной волны около 16 мкм, что и позволяет получать более низкие температуры, по сравнению с трехслойным композитом, в котором используется функциональная керамика на основе оксидов железа и других элементов, имеющая максимумы в ИК-диапазоне 3,3 и 9,7 мкм.

Также необходимо учитывать, что для испытаний была использована ФП выпуска более двадцатилетней давности. Ее средний реальный КПД находится на уровне 8%. Современные батареи имеют значительно боле высокий КПД – 15-16%. Нельзя без проведения дополнительных исследований декларировать, что и их КПД возрастет пропорционально, при использовании пленочно-керамического композита, как это наблюдалось для батарей старого типа. Но можно ожидать с высокой степенью вероятности, что даже в этом случае удастся решить проблемы, связанные со снижением ЭДС из-за их перегрева. Нужно также подчеркнуть, что основной недостаток таких покрытий – не обеспечивается достаточная механическая защита элементов от воздействия внешней среды. В связи с этим необходимо обратить внимание на более тщательный подбор полимера с комплексом необходимых характеристик, как по спектральному пропусканию, механической прочности и т.д.

Выводы.

Следует учитывать, что мы привели первые результаты применения пленочно-керамических композитов в полупроводниковой фотоэнергетике. Но даже они показывают насколько перспективно это направление, особенно если учитывать, что кремниевые солнечные фотопреобразователи являются на сегодняшний день одними из самых перспективных систем для преобразования энергии возобновляемых источников, в частности, Солнца. Для более эффективного преобразования солнечной энергии в фототок необходимо развивать дальнейшие исследования как в области создания функциональной керамики и композитов на ее основе, так и в области выбора пленочной компоненты для обеспечения максимальной эффективности, прочности и долговечности.

1. Р.Х.Рахимов, В.П.Ермаков, М.Р.Рахимов. Гелиотехника 2011.
2. Т.А.Джалалов, Э.З.Имамов, Р.А.Муминов. Гелиотехника. 2010, №4, стр. 3-8.
3. Р.А.Муминов., Э.З.Имамов, Т.А.Джалалов. Новые механизмы повышения эффективности фотопреобразователей в условиях наличия нановключений в кристалле. Проблемы энерго- и ресурсосбережения, 2011, 37-48.
4. R.Sheller, V.I.Klimov. Phys.Rev.Lett. 2006. v96. p.097402-1-4.

Все статьи автора «rakhimov»