Методология моделирования фотоэлектрических процессов для оптимизации технологии халькогенидных тонкопленочных полупроводниковых структур солнечных элементов Г.С. Хрипунов, В.А. Геворкян, П.П. Гладышев Дубна 2014

МИРОВОЙ РЫНОК CЭ В 2008 году установленная мощность ФЭП – МВт: Испания – 41,3% Германия – 27,8% США – 6%. Темпы увеличения мирового рынка ФЭП - 53%. 89% - ФЭП на основе кристалического кремния ; 6% - пленочные ФЭП на основе теллурида кадмия ; 4% - пленочные ФЭП на основе аморфного гидрогенизированного кремния ; 1% - пленочные ФЭП на основе диселенида меди и индия.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ Включение систем энергоснабжения основе СЭ в государственную энергетическую систему. Дотационная поддержка цены на солнечную электроэнергию за счет прибыли энергетических компаний. Беспроцентные ссуды населению нва покупку СЭ

Преимущества тонкопленочных элементов: Низкая стоимость; Малый расход материала; Малое потребление энергии на производство; Более короткий период окупаемости. Рис. Прогноз в потребности СЭ В США доля тонкопленочных СЭ в сегменте рынка достигла 39 %.

Аналитики компании IDTechEx считают, что рост рынка СЭ на основе CdTe будет продолжаться и достигнет 15 миллиардов дол. США к 2019 Программа развития компании First Solar

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО СЭ НА ОСНОВЕ CdTe НА СТЕКЛЯННЫХ ПОДЛОЖКАХ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА

CSS ТЕХНОЛОГІЯ CdTe

9 ПРЕИМУЩЕСТВА ГИБКИХ СЭ Использование рулонной технологии. Снижение веса ФЭП на 98%. Достижение рекордных значений электрической мощности на единицу веса приборной структуры (для военного и космического использования ). Возможность монтажа на поверхности любых форм. Создание автономных малогабаритных источников энергии ( в том числе для чрезвычайных ситуаций).

СЕГМЕНТЫ РЫНКА

СЭ GLASS/ITO/CdTe/CdS/Cu/Au

ТЕХНОЛОГИЯ ФОМИРОВАНИЯ СЭ

ТЕХНОЛОГИЯ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

Исходя из эквивалентной схемы и вытекающего из нее уравнения для плотности тока, протекающего через нагрузку, была разработана методология моделирования фотоэлектрических процессов для оптимизации технологии халькогенидных тонкопленочных полупроводниковых структур солнечных элементов

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА СЭ J н = -J ф +J о {exp[е(U н -J н R п )/(АkТ)]-1}+(U н - JR п )/R ш, где J н – плотность тока, протекающего через нагрузку; е - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; Т - температура солнечного элемента ; U н – падение напряжения на нагрузке.

Согласно эквивалентной схеме СЭ количественными характеристиками фотоэлектрических процессов являются световые диодные характеристики солнечного элемента: плотность фототока (J ф ), плотность диодного тока насыщения (J о ), коэффициент идеальности диода (А), последовательное сопротивление (R п ) и шунтирующее сопротивление (R ш ), рассчитываемые на единицу площади СЭ. Связь эффективности СЭ со световыми диодными характеристиками в неявном виде описывается теоретической световой ВАХ СЭ: J н =-J ф +J о {exp[е(U н -J н R п )/(АkТ)]-1}+(U н -JR п )/R ш, (1) где J н – плотность тока, протекающего через нагрузку; е - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; Т - температура солнечного элемента ; U н – падение напряжения на нагрузке. Анализируя это выражение, можно показать, что с ростом J ф, R ш и с уменьшением J о, А, R п эффективность СЭ возрастает.

Путем аппроксимации экспериментально полученных значений I н и U н, теоретическим выражением (1) можно определить выходные параметры, световые диодные характеристики и КПД СЭ. При этом можно лишь качественно идентифицировать влияние световых диодных характеристик на выходные параметры и эффективность СЭ. В то же время для идентификации физических механизмов, определяющих КПД СЭ важно устанавливать количественную связь. Это позволяет определять доминирующие световые диодные характеристики. В результате появляется возможность существенно уменьшить объем экспериментальных исследований по установлению физические закономерности влияния технологических параметров изготовления и конструкции пленочных СЭ на основе CdS/CdTe на их эффективность. Этапы реализации этого подхода представлены на следующем слайде.

Этапы определения физических закономерностей влияния технологических параметров изготовления на эффективность СЭ

ИЗМЕРЕНИЕ СВЕТОВЫХ ВАХ

ИЗМЕРЕНИЕ ФОТОЧУСТВИТЕЛЬНОСТИ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СВЕТОВЫХ ДИОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НА КПД СЭ. Таким образом, реализуется разработанный алгоритм Оптимизации структуры и конструкции СЭ.

Спасибо за внимание!