Выбор оптимального просветляющего покрытия для задач солнечной энергетики Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 681.7.064.454

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ПРОСВЕТЛЯЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ЗАДАЧ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ А.А. Немкова, Э.С. Путилин

Проведен расчет эффективности различных просветляющих покрытий для защитных стекол солнечного элемента на основе монокристаллического кремния. Показано, что трехслойное покрытие наиболее эффективно как в случае нормального падения солнечного излучения, так и при наклонном падении. Ключевые слова: солнечный элемент, просветляющее покрытие

Введение

Альтернативные и возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнечного света, гидро- и геотермальная энергия, во всем мире привлекают все больше внимания. Растущий интерес к ним вызван экологическими соображениями, с одной стороны, и ограниченностью традиционных земных ресурсов - с другой. Особое место среди альтернативных и возобновляемых источников энергии занимают фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии, изучение которых превратилось в отдельное научное направление - фотовольтаику.

Для регионов с низкой интенсивностью солнечного излучения актуальной задачей является увеличение эффективности работы солнечных коллекторов. Это достигается за счет нанесения просветляющих покрытий на защитные стекла или непосредственно на фронтальную поверхность солнечных элементов. В первом случае увеличивается количество прошедшего через стекло излучения, а во втором снижается отражение от поверхности солнечного элемента.

В работах [1, 2] проведен анализ и оптимизация просветляющих покрытий на поверхности кремниевых солнечных элементов. Целью данной работы было исследование различных конструкций просветляющих покрытий для защитного стекла солнечной батареи и выбор оптимальной из них. Для каждой конструкции была рассчитана интегральная эффективность с учетом распределения интенсивности солнечного излучения по спектру и спектральной чувствительности солнечного элемента.

Просветляющие покрытия

Наиболее простой способ уменьшения интенсивности света, отраженного от поверхности стекла или другой прозрачной среды, состоит в создании однослойной поверхностной пленки с более низким показателем преломления, чем у подложки. Изменяя оптическую толщину пленок, можно сместить минимум отражения в различные участки спектра, что сопровождается изменением окраски поверхности с пленкой.

С помощью двухслойной пленки можно полностью уничтожить отражение света от поверхности прозрачного вещества, независимо от его показателя преломления. Однако значение коэффициента отражения, близкое к нулю, может быть получено только для определенной узкой области спектра. При этом для других длин волн коэффициент отражения может принимать достаточно высокие значения.

Необходимость расширения спектральной области, охватываемой просветлением, на весь видимый диапазон спектра послужила причиной перехода к более сложным покрытиям. Увеличение числа слоев и общей оптической толщины создает условия для его ахроматизации.

Наиболее эффективный способ получения широкополосных просветляющих покрытий - это использование неоднородных пленок, у которых показатель преломления постепенно изменяется от значения, равного показателю преломления подложки, до значения, характеризующего окружающую среду, например воздух (п = 1). Закон изме-

нения показателя преломления может быть разным - линейным, экспоненциальным и др. Практически получаемые неоднородные пленки характеризуются ступенчатым изменением показателя преломления. Ширина области с низким отражением увеличивается с ростом числа ступеней, способствующим плавному изменению показателя преломления.

Солнечные элементы на основе кремния

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые непосредственно преобразуют солнечное излучение в электричество. Большая часть коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния.

СЭ может быть следующих типов: монокристаллические, поликристаллические и аморфные. Различие между этими формами - в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные СЭ имеют разный КПД преобразования энергии излучения. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, который выше, чем у СЭ, изготовленных из аморфного кремния.

На рис. 1 представлены кривые спектральной чувствительности солнечных элементов на основе моно-, поликристаллического и аморфного кремния [3]. В данной работе для проведения расчетов был выбран СЭ на основе монокристаллического кремния как наиболее широко используемого.

8, 600 мА/Вт

500

400 300 200 100 0

300 500 700 900 1100

длина волны, нм

Рис. 1. Спектральная чувствительность солнечных элементов

Результаты расчетов

В расчетах использовались три стандартные конструкции просветляющих покрытий - одно-, двух- и трехслойное:

1. ni = 1,45, nidi = Хс/4;

2. П1 = 1,92, П2 = 1,45, n1d1 = md2 = V4;

3. n1 = 1,65, n2 = 1,92, n3 = 1,45, n1d1 = n3d3 = Xo/4, n2d2 = Xo/2.

Здесь X0 - контрольная длина волны, которая характеризует оптическую толщину слоев. В качестве материала подложки было выбрано стекло с показателем преломле-

ния по = 1,52. Были рассмотрены случаи как нормального падения излучения на стекло с покрытием, так и падения под углом. В первом случае интегральная эффективность покрытия рассчитывалась по формуле

1200 ^ ^ -Щ,.о) ■ Л

Ро)=

400 б(^)шах 5(.)

1200 - 400

Здесь Q(.) - распределение интенсивности солнечного излучения по спектру согласно стандартному спектру наземного солнечного излучения АМ 1,5; 8(Х) - спектральная чувствительность СЭ. Эти значения были нормированы в спектральном интервале 400-1200 нм. Т(Х, .0) - коэффициент пропускания просветляющего покрытия.

Рассчитанное значение Р(Х0) характеризует эффективность использования данного просветляющего покрытия для определенного СЭ. На рис. 2 представлены кривые, соответствующие трем конструкциям просветляющих покрытий. Можно видеть, что для трехслойного покрытия наблюдается наибольшая эффективность для некоторого интервала .0, максимум соответствует значению Х0 = 628 нм. Для однослойного покрытия характерна наименьшая зависимость эффективности от контрольной длины волны.

тах

0,45

Б

1 слой

— 2 слоя

3 слоя

400

1200

600 800 1000 контрольная длина волны, нм

Рис. 2. Интегральная эффективность покрытий при нормальном падении

Для случая падения под углом был рассчитан интеграл для интервала углов падения солнечного излучения от 0 до 90°. Соответственно, для коэффициента пропускания покрытия была введена зависимость от угла:

0,5п 1200

| | ^^---^^ . щ, .0,д) - ак-

0 400 ^^)тах 5

Р 0) = ■

ах

та:

(1200 - 400) ■ 0,5п

На рис. 3 представлены рассчитанные значения. Здесь также трехслойное просветляющее покрытие имеет наибольшую эффективность, и максимальное ее значение соответствует Х0 = 699 нм.

0,39 0,38 0,37 0,36 0,35 0,34 0,33 0,32

А 1

1 _—■-щ--- X

—■— 1 слой А 2 слоя Ф 3 слоя

400

600

800

1000

1200

F

контрольная длина волны, нм

Рис. 3. Интегральная эффективность покрытий при наклонном падении

Заключение

Для задач солнечной энергетики были рассмотрены конструкции просветляющих покрытий, наносимых на защитные стекла солнечных элементов. Критерием для выбора оптимального покрытия была его интегральная эффективность, рассчитанная с учетом распределения интенсивности солнечного излучения по спектру и спектральной чувствительности солнечного элемента. Были рассмотрены случаи нормального падения солнечного излучения на поверхность стекла с покрытием и наклонного падения в интервале углов от 0 до 90°.

Для обоих вариантов наибольшей эффективностью обладает трехслойное просветляющее покрытие. При этом для однослойного покрытия наблюдается наименьшая зависимость эффективности от толщины слоя.

Литература

1. J. Zhao, Martin A. Green. Optimized antireflection coatings for high-efficiency silicon solar cells // IEEE Transactions on electron devices. - 1991. - Vol. 38. - № 8. - P. 19251934.

2. Daniel J. Aiken. High performance anti-reflection coatings for broadband multi-junction solar cells // Solar Energy Materials & Solar Cells. - 2000. - Vol. 64. - P. 393-404.

3. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приемники излучения. - СПб: Папирус, 2003. - 528 с.

Немкова Анастасия Александровна — Санкт-Петербургский государственный универ-

ситет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, anastasia.nemkova@yahoo.com

Путилин Эдуард Степанович — Санкт-Петербургский государственный универ-

ситет информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, eputilin@yandex.ru