История двухповерхностных солнечных элементов – Изображение: Xpert.Digital / Sunward Art|Shutterstock.com
Кремниевый солнечный элемент был впервые запатентован в 1946 году Расселом Олом во время работы в Bell Labs, а публично продемонстрирован в 1954 году Фуллером, Чапином и Пирсоном в том же исследовательском учреждении; однако эти ранние предложения представляли собой монофациальные элементы, обратная сторона которых не предназначалась для активной работы.
Первая теоретически предложенная двусторонняя солнечная батарея описана в японском патенте от 4 октября 1960 года, выданном Хироши Мори, сотрудником компании Hayakawa Denki Kogyo Kabushiki Kaisha (Hayakawa Electric Industry Co. Ltd.), которая впоследствии стала корпорацией Sharp. Предложенная батарея представляла собой двустороннюю структуру типа pnp с контактными электродами на двух противоположных краях.
Однако первые демонстрации двусторонних солнечных элементов и панелей были проведены в рамках советской космической программы на военных низкоорбитальных космических станциях «Салют-3» (1974) и «Салют-5» (1976). Эти двусторонние солнечные элементы были разработаны и изготовлены Бординой и др. в ВНИИТ (Всесоюзном научно-исследовательском институте источников энергии) в Москве, который в 1975 году стал российским производителем солнечных элементов КВАНТ. В 1974 году эта группа подала заявку на патент США, предложив элементы в виде миниатюрных параллельных трубок максимальным размером 1 мм х 1 мм х 1 мм, соединенных последовательно для достижения плотности 100 элементов/см². Как и в современных двусторонних солнечных элементах, они предложили использовать изотипные соединения pp+ вблизи одной из светоприемных поверхностей. В случае с «Салютом-3» небольшие экспериментальные панели с общей площадью ячеек 24 см² показали увеличение выработки энергии за один виток спутника до 34% по сравнению с односторонними панелями, использовавшимися в то время, благодаря альбедо Земли. Во время полета космической станции «Салют-5» было отмечено увеличение на 17–45% за счет использования двусторонних панелей (0,48 м² – 40 Вт).
PDF-файлы: Интересные данные, рисунки и графики по кремнию и литию.
Параллельно с этими российскими исследованиями, по другую сторону железного занавеса, полупроводниковая лаборатория Школы телекоммуникаций Мадридского технического университета под руководством профессора Антонио Луке независимо проводила комплексную исследовательскую программу по разработке промышленно применимых двусторонних солнечных элементов. В то время как патент Мори и прототипы космического аппарата ВНИИТ-КВАНТ были основаны на крошечных элементах без металлической сетки на поверхности и, следовательно, имели сложную взаимосвязь, больше напоминающую микроэлектронные устройства, находившиеся тогда на начальной стадии развития, Луке подал два испанских патента в 1976 и 1977 годах и один в США в 1977 году, которые стали предшественниками современных двусторонних солнечных элементов. Патенты Луке первыми предложили двусторонние солнечные элементы с одним элементом на кремниевой пластине, как это было в то время и остается сегодня с монофальными элементами, с металлическими сетками на обеих поверхностях. В них рассматривались как npp+, так и pnp структуры.
Разработка солнечных элементов на основе фотоэлектрических элементов (BSC) в полупроводниковой лаборатории велась в трех направлениях, что привело к защите трех докторских диссертаций Андресом Куэвасом (1980), Хавьером Эгуреном (1981) и Хесусом Санградором (1982). Научными руководителями первых двух диссертаций был Луке, а третьей — доктор Габриэль Сала из той же группы. Диссертация Куэваса была посвящена созданию первого патента Луке 1976 года, который благодаря своей транзисторной npn-структуре получил название «трансэлемент». Диссертация Эгурена была посвящена демонстрации второго патента Луке 1977 года, описывающего профиль легирования npp+, где изотопный переход pp+ расположен рядом с задней поверхностью элемента, создавая то, что в технологии солнечных элементов обычно называют «полем задней поверхности» (BSF). Эта работа привела к нескольким публикациям и дополнительным патентам. В частности, существенным оказался положительный эффект от уменьшения p-легирования в базе, поскольку снижение напряжения на эмиттерном переходе (передний pn-переход) компенсировалось увеличением напряжения на заднем изотипном переходе, одновременно обеспечивая большую длину диффузии неосновных носителей заряда, что увеличивает выходной ток при двустороннем освещении. В диссертации Санградора и третьем подходе к разработке, представленном в Мадридском техническом университете, был предложен так называемый вертикальный многопереходный солнечный элемент с краевым освещением, в котором p+nn+ ячейки расположены последовательно и освещаются с краев. Это высоковольтные элементы, для генерации тока в которых не требуется металлическая поверхностная сетка.
Основные преимущества бипланарных солнечных элементов
Дополнительные преимущества в выработке электроэнергии: по сравнению с солнечными элементами P-типа, солнечные элементы N-типа, как правило, значительно повышают эффективность. Двусторонние солнечные элементы, благодаря своей способности генерировать электроэнергию с обеих сторон и более высокой эффективности системы, будут иметь более широкие перспективы применения и особенно подходят для районов с обильными снегопадами и распределенными системами генерации, такими как крыши, заборы и шумозащитные барьеры.
КПД тыльной стороны ячейки может достигать более 19%, а падающие задние лучи могут использоваться для повышения генерирующей способности системы, при этом увеличение мощности на единицу площади составляет от 10% до 30%.
Стеклянный модуль с двухсторонней технологией улавливает свет как с лицевой, так и с обратной стороны модуля. Увеличение улавливания света повышает эффективность модуля. На активной обратной стороне модуля может быть достигнута общая мощность до 360 Вт (290 Вт только на лицевой стороне / 320–360 Вт всего).
Повышение эффективности зависит от радиационной обстановки (атмосферы и фонового излучения).
Пример солнечной системы с двусторонними солнечными модулями.
В 1979 году лаборатория полупроводников была преобразована в Институт солнечной энергии (IES-UPM), который под руководством Луке, первым директором, продолжил интенсивные исследования в области двусторонних солнечных элементов в первое десятилетие XXI века. Например, в 1994 году два бразильских аспиранта Института солнечной энергии, Адриано Моэлеке и Изете Занеско, вместе с Луке разработали и создали двусторонний солнечный элемент, достигший эффективности 18,1% на лицевой стороне и 19,1% на обратной; это был двусторонний рекорд в 103% (на тот момент рекордная эффективность для односторонних элементов составляла чуть менее 22%).
📣 Подходящие солнечные модули для промышленности, розничной торговли и муниципалитетов.
Все из одного источника: решения по солнечным модулям, специально разработанные для вашей фотоэлектрической системы! Рефинансируйте или компенсируйте потери в будущем за счет собственного производства электроэнергии.
🎯 Для инженеров по солнечной энергии, сантехников, электриков и кровельщиков
Консультации и планирование, включая необязательную смету расходов. Мы объединяем вас с сильными партнерами в области фотоэлектрических систем.
👨🏻 👩🏻 👴🏻 👵🏻 Для частных домовладений
Мы представлены в разных регионах немецкоязычных стран. У нас есть надежные партнеры, которые проконсультируют вас и реализуют ваши пожелания.
- Планируйте фотоэлектрические системы для складов, коммерческих и промышленных помещений.
- Промышленное предприятие: спланируйте фотоэлектрическую систему под открытым небом или систему открытого пространства.
- Планируйте солнечные системы с фотоэлектрическими решениями для экспедирования грузов и контрактной логистики.
- Солнечные системы B2B, фотоэлектрические решения и консультации
Консультации по солнечным модулям от Xpert.Solar – помощь и советы по выбору подходящего солнечного модуля.
Konrad Wolfenstein
Буду рад стать вашим личным консультантом.
Вы можете связаться со мной, заполнив контактную форму ниже или просто позвоните мне по телефону +49 89 89 674 804 .
Я с нетерпением жду нашего совместного проекта.
Напиши мне
Xpert.Digital – Konrad Wolfenstein
Xpert.Digital — это промышленный центр с упором на цифровизацию, машиностроение, логистику/внутреннюю логистику и фотоэлектрическую энергетику.
С помощью нашего решения для развития бизнеса на 360° мы поддерживаем известные компании, начиная с нового бизнеса и заканчивая послепродажным обслуживанием.
Аналитика рынка, маркетинг, автоматизация маркетинга, разработка контента, PR, почтовые кампании, персонализированные социальные сети и привлечение потенциальных клиентов являются частью наших цифровых инструментов.
Дополнительную информацию можно узнать на сайте: www.xpert.digital – www.xpert.solar – www.xpert.plus
Оставаться на связи
