Шляхи підвищення ККД сонячних панелей

Сьогодні для функціонування СЕС застосовуються напівпровідникові фотоелементи, які представляють собою напівпровідникові діоди великої площі. Влітає в pn-перехід світловий квант, генерує пару електрон-дірки, при цьому, на виходах фотодіода створюється перепад напруги (близько 0,5 В).

ККД кремнієвої сонячної батареї – близько 16%. Чому ж ККД настільки низький? Для того щоб сформувати електронно-діркову пару, потрібна певна енергія. Якщо прилетівший світловий квант має малу енергією, то генерація пари не відбудеться. В цьому випадку квант світла просто пройде крізь кремній, як крізь звичайне скло. Ось чому кремній є прозорим для інфрачервоного світла далі 1.2 мкм. Якщо ж світловий квант прилетить з більшою енергією, ніж потрібно для генерації (зелене світло), пара утворюється, але надлишок енергії просто піде в нікуди. При синьому і ультрафіолетовому світлі (енергія якого є дуже високою), квант може не встигнути долетіти до самих глибин p-n переходу.

Перспективи сонячної енергетики

Для того щоб сонячне світло не відбивався від поверхні сонячної батареї, на неї наноситься спеціальне противідбивне покриття (таке покриття наносять і на лінзи фотооб’єктивів). Текстуру поверхні роблять нерівною (у вигляді гребінки). В цьому випадку світловий потік, відбившись від поверхні один раз, повертається знову.

ККД фотоелементів збільшують, комбінуючи між собою фотоелементи, на основі різних напівпровідників і з різною енергією, необхідною для генерації пари електрон-дірка. Для триступеневих кремнієвих фотоелементів досягається ККД в 44% і навіть вище. Принцип роботи тьохступеневого фотоелемента заснований на тому, що спочатку ставиться фотоелемент, який ефективно поглинає саме синє світло, а червоне і зелене, пропускає. Другий фотоелемент поглинає зелене, третій – інфрачервоне. Однак триступінчасті фотоелементи сьогодні дуже дорогі, тому, повсюдно використовуються більш дешеві одноступінчасті фотоелементи, які за рахунок ціни випереджають триступінчасті за показником Ват / $.

Гігантськими темпами розвиває виробництво кремнієвих фотоелементів Китай, за рахунок чого вартість одного вата знижується. У Китаї вона складає приблизно 0,5 доларів за Ват.
Основними типами кремнієвих фотоелементів є:
• Монокристалічні
• Полікристалічні
ККД монокристалічних фотоелементів, які є більш дорогими, трохи вище (всього лише на 1%), ніж ККД полікристалічних. Полікристалічні кремнієві фотоелементи сьогодні забезпечують найбільш дешеву вартість 1 Вата генеруючої електроенергії.
Кремнієві сонячні батареї не можуть служити вічно. За 20 років експлуатації в умовах агресивного середовища найдосконаліші з них втрачають до 15-ти відсотків своєї первісної потужності. Є підстави вважати, що в подальшій перспективі деградація сонячних батарей сповільнюється.

Винахідники в усіх країнах світу пробують збільшити економічну рентабельність сонячних електростанцій. Якщо, наприклад, взяти маленький ефективний кремнієвий фотоелемент і параболічне дзеркало, можна досягти ККД в 40% замість 16, при цьому, дзеркало набагато дешевше, ніж сонячна батарея. Але для того щоб стежити за сонцем, потрібна надійна механіка. Величезна дзеркальна поворотна тарілка повинна бути надійно укріплена і захищена від потужних вітрових поривів і агресивних чинників навколишнього середовища. Друга проблема полягає в тому, що параболічні дзеркала не можуть фокусувати розсіяне світло. Якщо сонце зайшло навіть через не щільні хмари, вироблення енергії за допомогою параболічної системи впаде до нуля. У звичних сонячних батарей в цих умовах вироблення теплової енергії теж серйозно знижується, але не до нуля. Сонячні батареї з параболічними дзеркалами занадто дорогі по монтажніій вартості і затратні в обслуговуванні.
Американською компанією Solyndra при підтримці уряду були сконструйовані сонячні фотоелементи круглої форми. Вони монтувалися на дахах, пофарбованих у білий колір. Сонячні батареї круглої форми виготовляли шляхом напилення провідникового шару (у випадку з Solyndra використовувався Copper indium gallium (di) selenide) на скляні труби. Фактична ефективність круглих батарей становила близько 8,5%, що нижче дешевших кремнієвих. Solyndra, що отримала державні гарантії по величезному кредиту, збанкрутувала. В технології, економічна ефективність від яких була вельми сумнівною з самого початку, американська економіка вклала чималі кошти.

Є ще один шлях. Він відображений в проекті Desertec – передача електроенергії з Африки в Європу. За допомогою ЛЕП в вечірній пік споживання електрики можна передавати електроенергію від СЕС, які знаходяться в тих районах земної кулі, де в цей час в розпалі сонячний день. Але цей спосіб до переходу на надпровідники вимагає величезних фінансових витрат, а також, всіляких узгоджень між різними державами.