Результат интеллектуальной деятельности: ДВУСТОРОННИЙ СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, а именно к устройствам для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую на основе сенсибилизированных металло-оксидных солнечных элементов. Наиболее успешно настоящее изобретение может быть применено в отдельно стоящих солнечных фотопреобразователях малой и средней площади для выработки электричества в условиях малого и диффузного освещения низкой интенсивности, в частности внутри помещения.

В последнее десятилетие в мире сформировалась огромная быстро развивающаяся индустрия производства солнечных панелей, которая показывает ежегодный прирост ~40%. Так, мощность произведенных в 2011 г. в мире солнечных батарей превысила величину в 20 ГВт, а годовой оборот средств, связанных с исследованием, производством и разработкой инфраструктуры солнечных элементов и панелей, составил около 100 млрд. долларов США. Развитие солнечной энергетики требует постоянного совершенствования параметров фотопреобразователей и солнечных элементов (СЭ). Наряду с развитием солнечной фотоэнергетики, ориентированной для работы с интенсивными потоками света на открытом пространстве (outdoor conditions), в последние годы важным направлением стало проведение адаптации СЭ для работы при низкой освещенности: в условиях затенения и при диффузной освещенности, в частности внутри помещения, где преобладает спектр отраженного света (indoor conditions).

Эффективность работы СЭ в условиях стандартного прямого солнечного излучения (интенсивность освещения AM 1.5 или 1000 Вт/м²) определяется специально подбираемыми параметрами, которые не совпадают с характеристиками СЭ, ориентированных на работу в условиях низкой и диффузной освещенности (10-100 Вт/м²). Следует отметить, что в реальных условиях, в которых большую часть времени функционирует фотопреобразователь (ФП), расположенный на широте средней или северной Европы или средней полосы России, преобладает низкая и даже диффузная освещенность. Традиционные СЭ на основе кристаллического или аморфного кремния хорошо зарекомендовали себя для работы в условиях сильной освещенности, а также при заатмосферном солнце (при освещении AM0). Однако в силу своих конструкционных и структурных особенностей эффективность (КПД) кремниевых элементов при низкой или диффузной освещенности существенно падает (на 50-60% при освещенности 10 Вт/м²).

СЭ так называемого 3-го поколения на основе сенсибилизированных металло-оксидных (МО) мезоструктур в последние годы вызывают все больший интерес благодаря своей особенности утилизировать солнечную энергию практически с неизменной эффективностью независимо от интенсивности освещения в пределах 10-1000 Вт/м², а также независимо от угла падения света, то есть в условиях диффузной освещенности, при этом КПД преобразования света достигает 12%, что превышает эффективность тонкопленочных СЭ на основе аморфного кремния (~6-7%) и не уступает эффективности СЭ на основе микроморфного кремния.

Известен СЭ на основе сенсибилизированного нанокристаллического диоксида титана (патент США №4927721, опубл. 22.05.1990), предназначенный для выработки электричества в условиях прямого солнечного освещения, который состоит из нанокристаллического слоя диоксида титана толщиной около 10 мкм, сенсибилизированного молекулами красителя, абсорбирующего световое излучение в диапазоне 400-700 нм. В зависимости от типа использованного сенсибилизатора эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую варьируется от 5 до 12%.

Недостатком указанного известного сенсибилизированного МО СЭ является его использование только в условиях прямого солнечного освещения и отсутствие каких-либо данных о его способности утилизировать свет в условиях диффузной освещенности. Кроме того, при увеличении площади принимающей свет поверхности данного СЭ неприемлемо возрастает последовательное сопротивление прозрачного контакта, что выражается в ухудшении вида вольт-амперной характеристики, падении величины тока короткого замыкания и фактора заполнения - в результате падает КПД СЭ.

Известен тандемный МО ФП (заявка США №20070062576, опубл. 22.03.2007) для выработки электричества в условиях прямого солнечного освещения, который состоит из двух расположенных один под другим сенсибилизированных МО СЭ, включающих два разных сенсибилизатора: TCPP-Pd и TCPP-Zn. Верхний из них (сенсибилизированный красителем TCPP-Pd) поглощает и утилизирует часть солнечного спектра с интенсивностью излучения AM1.5 (1000 Вт/м²) в спектральном диапазоне 400 - 600 нм и пропускает оставшуюся часть света к нижнему СЭ, который утилизирует и превращает в электричество оставшуюся часть спектра в диапазоне 400-850 нм.

Главным недостатком этого известного тандемного ФП является использование им для выработки электричества только прямого потока фотонов, что не позволяет использовать полностью потенциальные возможности светового излучения. Недостатком является также низкая эффективность преобразования светового потока в электричество нижним МО СЭ (утилизирующим оставшуюся после прохождения через верхний СЭ часть прямого солнечного излучения). Низкое напряжение холостого хода нижнего СЭ, значение которого уступает величине напряжения холостого хода верхнего СЭ, приводит к раскомпенсации электрических характеристик данного тандемного ФП как при параллельном, так и при последовательном подсоединении двух составляющих тандема. Последнее приводит к потере значительной части полезного для верхнего СЭ излучения (вследствие применения не оптимизированных по толщине и спектральным характеристикам преобразующих слоев верхнего и нижнего СЭ). В результате добавочная эффективность использования тандемной структуры является невысокой и прибавляет к эффективности работы верхнего СЭ менее 10% от общего значения КПД тандемного ФП. Суммарный КПД данного тандемного ФП не превышает при освещении AM1.5 (1000 Вт/м²) значение в 12,5%, что мало отличается от КПД лучших МО СЭ стандартного (не тандемного) типа для такой световой интенсивности.

До последнего времени все известные ФП были односторонними - СЭ в них принимают свет только с одной стороны и только прямой поток фотонов, что в принципе не позволяет полностью использовать потенциальные возможности светового излучения и применять такие ФП в условиях низкой освещенности и в условиях диффузного освещения, в частности внутри помещения.

Лишь недавно появились объемные солнечные батареи (в отличие от обычных плоских), содержащие двусторонние кремниевые СЭ, см., например, RU 2446363, опубл. 27.03.2012. Двусторонние солнечные ФП на основе МО сенсибилизированных структур в настоящее время неизвестны.

В указанном патенте RU 2446363 предложена солнечная батарея, в которой кремниевые СЭ расположены внутри полого объема батареи и выполнены двусторонними. Во внутреннее пространство полого объема батареи направляется световой поток прямого солнечного излучения, по боковым поверхностям солнечной батареи установлены направляющие зеркала, которые направляют падающие на них солнечные лучи внутрь объема батареи, кроме того, на боковые поверхности и поверхности оснований солнечной батареи установлены полупрозрачные зеркала или пленки, образующие замкнутый объем. Внутреннее пространство объемной солнечной батареи заполняется воздухом (газом), который используют как для рассеяния солнечной энергии, так и для охлаждения элементов солнечной батареи до оптимальной температуры их функционирования.

Данная объемная солнечная батарея позволит получать большее количество электрической энергии по сравнению с плоскими при одной и той же занимаемой площади поверхности, однако она, как и другие известные, предназначена для работы в условиях высокоинтенсивного прямого солнечного освещения, которое направляется во внутренний объем батареи, что исключает возможность работы системы в условиях низкой и диффузной освещенности. Кроме того, батарея отличается усложненной конструкцией.

Большой интерес представляет создание новых типов двусторонних солнечных ФП на основе сенсибилизированных МО СЭ, специально ориентированных на работу в условиях низкой интенсивности освещения и в условиях диффузного освещения, в частности внутри помещения.

Задачей заявляемого изобретения является разработка двустороннего солнечного ФП (вариантов), состоящего из СЭ на основе сенсибилизированных МО мезоструктур, который обеспечит увеличение эффективности преобразования световой энергии в электрическую как при высокой интенсивности излучения (AM1.5, 1000 Вт/м²), так и при низкой и диффузной освещенности, в том числе внутри помещения (с интенсивностью в пределах 10-100 Вт/м²). Заявляемый ФП должен отличаться также достаточно простой конструкцией.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:

- двусторонним солнечным фотопреобразователем, содержащим два идентичных солнечных элемента на основе сенсибилизированных металло-оксидных мезоструктур, освещаемые поверхности которых ориентированы в противоположных направлениях, при этом оба солнечных элемента смонтированы на общем проводящем заднем контакте из гибкой металлической основы с нанесенным на обе ее поверхности проводящим покрытием, а верхние проводящие контакты представляют собой гибкие полимерные прозрачные пленки с нанесенным на них проводящим прозрачным покрытием.

Сенсибилизированные металло-оксидные мезоструктуры нанесены на проводящее прозрачное покрытие на полимерных прозрачных пленках.

В качестве сенсибилизированных металло-оксидных мезоструктур для обоих идентичных солнечных элементов могут использоваться сенсибилизированные нанокристаллические металло-оксиды, выбранные из группы: диоксид титана, оксид цинка, оксид никеля, оксид железа или их смеси.

В качестве сенсибилизированных металло-оксидных мезоструктур для обоих идентичных солнечных элементов могут использоваться сенсибилизированные мезоструктуры диоксида титана толщиной 5-15 мкм, состоящие из наночастиц диоксида титана среднего размера 10-100 нм.

Диоксид титана может быть сенсибилизирован органическим красителем.

Общий проводящий задний контакт может быть выполнен из металлической фольги с нанесенным на обе ее поверхности слоем платины толщиной 20-30 нм или слоем углеродных нанотрубок толщиной 30-300 нм.

Проводящее прозрачное покрытие на полимерных прозрачных пленках может быть выполнено из оксида олова, допированного фтором или индием.

- двусторонним солнечным фотопреобразователем, содержащим два идентичных солнечных элемента на основе сенсибилизированных металло-оксидных мезоструктур, освещаемые поверхности которых ориентированы в противоположных направлениях, при этом оба солнечных элемента смонтированы на общем проводящем заднем контакте из стеклянной пластины, с нанесенным на обе ее поверхности проводящим покрытием, а верхние проводящие контакты представляют собой стеклянные пластины с нанесенным на них проводящим прозрачным покрытием.

Сенсибилизированные металло-оксидные мезоструктуры нанесены на проводящее прозрачное покрытие на стеклянных пластинах, используемых в качестве верхних проводящих контактов.

В качестве сенсибилизированных металло-оксидных мезоструктур для обоих идентичных солнечных элементов могут использоваться сенсибилизированные нанокристаллические металло-оксиды, выбранные из группы: диоксид титана, оксид цинка, оксид никеля, оксид железа или их смеси.

В качестве сенсибилизированных металло-оксидных мезоструктур для обоих идентичных солнечных элементов могут использоваться сенсибилизированные мезоструктуры диоксида титана толщиной 5-15 мкм, состоящие из наночастиц диоксида титана среднего размера 10 - 100 нм.

Диоксид титана может быть сенсибилизирован органическим красителем.

Проводящее покрытие, нанесенное на обе поверхности стеклянной пластины, используемой в качестве общего проводящего заднего контакта, может быть выполнено из слоя платины толщиной 20-30 нм или слоя углеродных нанотрубок толщиной 30-300 нм.

Проводящее прозрачное покрытие на стеклянных пластинах, используемых в качестве верхних проводящих контактов, может быть выполнено из оксида олова, допированного фтором или индием.

Толщина слоя мезоструктур диоксида титана или другого МО, размеры нанокристаллов МО и технология формирования мезоструктур подобраны таким образом, чтобы обеспечить эффективную работу предлагаемого ФП (вариантов) как при высокой интенсивности излучения (AM1.5, 1000 Вт/м²), так и при низкой и диффузной освещенности, в частности внутри помещения, где интенсивность светового потока находится в пределах 10-100 Вт/м².

На фиг.1 представлена блок схема для двух вариантов заявляемого двустороннего солнечного ФП - первый вариант смонтирован на гибкой проводящий основе, второй - на стеклянных проводящих подложках.

В предлагаемом двустороннем солнечном ФП (вариантах) имеется идентичная с обеих сторон конструкция двух СЭ, ориентированных в противоположных направлениях. Свет на оба СЭ падает либо через гибкие прозрачные полимерные пленки 1 (вариант 1), либо через стеклянные подложки 1 (вариант 2), при этом и пленки, и стеклянные подложки покрыты прозрачным проводящим слоем оксида олова 2, допированного фтором (FTO: fluoride tin oxide) или индием (ITO: indium tin oxide), и являются верхними проводящими контактами. Затем свет поступает на слой мезоструктур металло-оксида 3, сенсибилизированного органическим красителем, нанесенный на прозрачный проводящий слой верхних проводящих контактов. Оба идентичных СЭ смонтированы на общем заднем несущем контакте 4, выполненном либо из металлической фольги, покрытой с двух сторон тонким проводящим слоем 5 из платины или углеродных нанотрубок (вариант 1), либо в виде стеклянной подложки, покрытой с двух сторон тонким проводящим слоем 5 из платины или углеродных нанотрубок (вариант 2). Слой сенсибилизированных мезоструктур металло-оксида 3 примыкает к проводящим слоям 5 общего заднего несущего контакта 4.

Пример.

Функционирование предлагаемого двустороннего солнечного ФП было испытано на изготовленном лабораторном образце, состоящем из двух идентичных МО СЭ, смонтированных на общем заднем контакте. В каждом из СЭ верхний прозрачный контакт был выполнен из прозрачной в видимой области спектра полимерной пленки, покрытой со стороны объема СЭ проводящим слоем оксида олова, допированного фтором (FTO), толщиной 30 нм с удельной электропроводностью 10 Ом·см. На поверхности проводящего слоя был сформирован слой МО мезоструктур, состоящий из наночастиц диоксида титана (TiO₂) размером 20-30 нм и толщиной около 10 мкм. В мезоскопическом слое отдельные наночастицы ТЮ2 имели между собой электрический контакт и образовывали пористую структуру с размерами пор около 20 нм. Поверхность мезопористой структуры была покрыта монослоем молекул сенсибилизатора N719 (DYESOL, Австралия), абсорбирующего световое излучение в диапазоне 400-700 нм. Пространство мезослоя заполнялось йод-содержащим электролитом, сам мезопористый слой обоих СЭ примыкал к общему заднему контакту ФП, выполненному из гибкой металлической фольги (алюминий), поверхность которой с обеих сторон была покрыта напыленным проводящим слоем платины толщиной 20 нм.

При освещении поверхностей СЭ двустороннего ФП в объеме слоя МО мезоструктур происходит процесс захвата квантов света молекулами сенсибилизатора, перенос электрона из основного в возбужденное состояние молекулы сенсибилизатора и в качестве следующей стадии перенос электрона из молекулы сенсибилизатора в зону проводимости диоксида титана. Далее происходит диффузионный перенос электрона через объем мезослоя к верхним контактам СЭ. Роль электролита в объеме мезопористой структуры заключается в восполнении носителей заряда в молекулах красителя через редокс-пару от заднего контакта СЭ, выполненного из платины. Подключение нагрузки осуществляется через верхний и нижний проводящие контакты. Предлагаемый двусторонний солнечный ФП показал высокую эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую при высокой и низкой интенсивности освещенности.

На фиг.2 приведена вольт-амперная (В-А) характеристика предлагаемого двустороннего МО ФП площадью 1 см² при его освещении с обеих сторон светом интенсивностью 50 Вт/м². Приведенная В-А характеристика показывает, как изменяется величина плотности фототока для каждого из двух СЭ двустороннего ФП в зависимости от приложенного напряжения. Приведена также В-А характеристика для суммарной величины плотности фототока от обоих СЭ двустороннего ФП. Полученные данные позволяют вычислить коэффициент полезного действия (КПД) предлагаемого ФП - один из наиболее важных показателей ФП, характеризующий эффективность преобразования света, которая определяется отношением получаемой от ФП электрической мощности к мощности падающего на его СЭ светового излучения и выражается в %. КПД предлагаемого двустороннего ФП, когда каждая из сторон освещается светом интенсивностью 50 Вт/м², составляет 4,2%. Параметры представленной В-А характеристики свидетельствует о том, что предлагаемый двусторонний ФП показывает высокое значение плотности фототока в условиях низкой освещенности, то есть в таких условиях, в которых у других известных типов ФП плотность фототока значительно уменьшается, следствием чего является пропорциональное понижение КПД. В-А характеристика получена в условиях, моделирующих двустороннее освещение МО СЭ интенсивностью 50 Вт/м, что соответствует диффузному режиму освещения преимущественно отраженным светом внутри помещения. Относительно высокие значения полученных параметров В-А характеристики свидетельствуют о перспективности использования предлагаемого двустороннего МО ФП для работы внутри помещения.

СЭ на основе кремния обладают высокой эффективностью преобразования солнечной энергии только при прямом световом воздействии и высоких интенсивностях освещения - не ниже 1000 Вт/м². При уменьшении освещенности КПД кремниевых ФП резко падает. На фиг.3 представлены сравнительные данные, которые демонстрируют степень уменьшения КПД с уменьшением интенсивности освещения для кремниевого ФП и для предлагаемого МО ФП. Представленные зависимости наглядно демонстрируют преимущества МО СЭ по сравнению с кремниевыми СЭ при функционировании ФП в условиях низкой освещенности. Так, в условиях низкой освещенности интенсивностью 10 Вт/м² относительная эффективность предлагаемого МО ФП почти в 2 раза превышает эффективность ФП на основе кремния.

Таким образом, предлагаемый двусторонний солнечный ФП (варианты) на основе сенсибилизированных МО СЭ обеспечивает прямое преобразование световой энергии в электрическую с высокой эффективностью как при высокой интенсивности излучении (AM1.5, 1000 Вт/м²), так и при низкой и диффузной освещенности, в том числе внутри помещения (с интенсивностью в пределах 10-100 Вт/м²), и отличается достаточно простой конструкцией.