RU175868U1 - Солнечный элемент с композитным PMMA+Ag просветляющим покрытием - Google Patents

Солнечный элемент с композитным PMMA+Ag просветляющим покрытием Download PDF

Info

Publication number
RU175868U1
RU175868U1 RU2017125589U RU2017125589U RU175868U1 RU 175868 U1 RU175868 U1 RU 175868U1 RU 2017125589 U RU2017125589 U RU 2017125589U RU 2017125589 U RU2017125589 U RU 2017125589U RU 175868 U1 RU175868 U1 RU 175868U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
solar cell
pmma
antireflection coating
silicon
silicon nitride
Prior art date
Application number
RU2017125589U
Other languages
English (en)
Inventor
Олег Николаевич Гадомский
Игорь Александрович Щукарев
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет"
Priority to RU2017125589U priority Critical patent/RU175868U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU175868U1 publication Critical patent/RU175868U1/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Abstract

Полезная модель относится к оптоэлектронике. Солнечный элемент с композитным PMMA+Ag просветляющим покрытием состоит из кремниевого солнечного элемента и просветляющего покрытия из нитрида кремния, при этом поверх интерференционного просветляющего покрытия из нитрида кремния нанесен слой из полиметилметакрилата с наночастицами серебра в полимерной матрице (PMMA+Ag). Полезная модель позволяет увеличить генерацию электрической энергии в кремниевом солнечном элементе в течение светового дня на 12%. 3 ил.

Description

Полезная модель относится к оптоэлектронике и может быть использована для увеличения генерации электрической энергии в кремниевом солнечном элементе в течение светового дня.
Известны различные типы просветляющих покрытий для кремниевых солнечных элементов [М.М. Колтун, Оптика и метрология солнечных элементов, М.: Наука 1985; Г.В. Розенберг, Оптика тонкослойных покрытий, Физматгиз, Москва, 1958; М. Борн, Э. Вольф, Основы оптики, Наука, М.: 1973], основанные на принципе интерференционного оптического просветления.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является солнечный элемент с просветляющим покрытием из нитрида кремния [Дорофеев С.Г., Кононов Н.Н., Звероловлев В.М., Зиновьев К.В., Суханов В.Н., Суханов Н.М., Грибов Б.Г. Применение тонких пленок из наночастиц кремния для увеличения эффективности солнечных элементов в журнале, ФТП, т. 48, № 3, с. 375-383, 2014], который обладает относительно небольшой генерацией электрической энергии в солнечном элементе, что является недостатком. Он состоит из кремниевого солнечного элемента и просветляющего покрытия из нитрида кремния. В данной полезной модели будет показано, что нанесение композитного слоя из полиметилметакрилата с наночастицами серебра в полимерной матрице (PMMA+Ag) поверх интерференционного просветляющего покрытия из нитрида кремния позволяет достигнуть увеличения генерации электрической энергии в кремниевом солнечном элементе в течение светового дня на 12% по сравнению с генерацией электрической энергии в кремниевом солнечном элементе с интерференционным просветляющим покрытием из нитрида кремния.
На фиг. 1 схематично показана схема предлагаемой полезной модели, которая может быть использована для увеличения генерации электрической энергии в кремниевом солнечном элементе в течение светового дня. Структура включает в себя следующие конструктивные элементы: 1 - кремниевый солнечный элемент, 2 - интерференционное просветляющее покрытие из нитрида кремния 3 - слой нанокомпозита PMMA+Ag.
Характерные отличия заявляемой полезной модели от указанного аналога заключаются в том, что:
a) отражательная и пропускательная способности просветляющего покрытия из метаматериала PMMA+Ag слабо зависят от длины волны в интервале от 400 до 1200 нм;
b) отражательная и пропускательная способности просветляющего покрытия из метаматериала PMMA+Ag слабо зависят от оптических свойств обрамляющих сред;
c) метод нанесения слоев из PMMA+Ag значительно дешевле метода вакуумного напыления, применяемого в настоящее время.
Для получения слоев из композитного материала PMMA+Ag на различных поверхностях нами разработана технология пневматического распыления наносуспензии с наночастицами серебра [O.N. Gadomsky, N.M. Ushakov, Nanocomposite antireflection coating in the form of thick film and the method of its making Ru, 2456710 from 20.07.2012; V.E. Katnov, O.N. Gadomsky, S.N. Stepin., R.R. Katnova, Method of the making of the antireflection coating Ru, 2554608 from 27.06.2015].
Качество покрытия PMMA+Ag определялось с помощью измерения его оптического пропускания на стекле. На фиг. 2 представлены экспериментальные спектры пропускания чистой стеклянной подложки (кривая 2), кривая 1 соответствует показаниям прибора без образцов. Полимерная пленка на стекле (кривая 3), как и следовало ожидать, уменьшает оптическое пропускание стекла. Композитный PMMA+Ag слой увеличивает оптическое пропускание стекла на 8% (кривая 4). Толщина полимерной и композитных пленок во всех образцах одинаковая и равна 17 мкм, весовое содержание серебра в композите равно 5%. Наночастицы серебра с радиусом около 2.5 нм равномерно распределены в композитных слоях. В технологии синтеза нанокомпозита предусмотрено образование стабилизирующих оболочек на поверхности наночастиц серебра. Показатель преломления стабилизирующих оболочек совпадает с показателем преломления диэлектрической матрицы (полиметилметакрилат с показателем преломления 1.492).
Эффективность солнечного элемента, согласно общепринятому определению, вычислим как отношение
Figure 00000001
,
где
Figure 00000002
- фактор, определяющий отношение максимальной мощности солнечного элемента к произведению
Figure 00000003
,
Figure 00000004
- напряжение холостого хода,
Figure 00000005
- ток короткого замыкания,
Figure 00000006
- иррадиация, измеряемая в
Figure 00000007
,
Figure 00000008
- поверхность солнечного элемента в
Figure 00000009
.
Эффективность просветляющего покрытия солнечных элементов принято определять с помощью фототока короткого замыкания [Н.Н. Клюй, В.Г. Литовченко, А.Н. Лукьянов, Журнал Технической Физики, 76, 122-126, 2006]:
Figure 00000010
,
где
Figure 00000011
- заряд электрона,
Figure 00000012
и
Figure 00000013
- нижняя и верхняя границы длин волн солнечного излучения,
Figure 00000014
- число фотонов на длине волны
Figure 00000015
в единицу времени в падающем солнечном излучении,
Figure 00000016
- пропускательная способность просветляющего покрытия,
Figure 00000017
- квантовый выход солнечного элемента. Число фотонов
Figure 00000018
в формуле можно вычислить с помощью спектра солнечного излучения [М.М. Колтун, Оптика и метрология солнечных элементов, М.: Наука 1985]. Для этого достаточно
Figure 00000019
разделить на энергию одного фотона
Figure 00000020
на соответствующей длине волны. При этом предполагалось, что квантовый выход
Figure 00000021
, то есть каждый квант света производит электронно-дырочную пару в кремнии.
Запишем формулу для тока короткого замыкания солнечного элемента в зависимости от времени
Figure 00000022
в течение дня, например, от полудня до заката. Учитывая формулу , а также выражение для спектральной плотности солнечного излучения, используя понятие воздушной массы [М.М. Колтун, Оптика и метрология солнечных элементов, М.: Наука 1985], получим следующую формулу:
Figure 00000023
,
где
Figure 00000024
- число фотонов в космическом солнечном излучении АМО с длиной волны
Figure 00000025
, падающих на единицу поверхности солнечного элемента в единицу времени,
Figure 00000026
- оптическое пропускание в зависимости от времени и длины волны,
Figure 00000027
- квантовый выход солнечного элемента как функция
Figure 00000028
и
Figure 00000029
. Безразмерная величина
Figure 00000030
в зависимости от зенитного угла
Figure 00000031
определяется эмпирической формулой [М.М. Колтун, Оптика и метрология солнечных элементов, М.: Наука 1985]:
Figure 00000032
,
При этом зенитный угол зависит от времени как
Figure 00000033
,
где
Figure 00000034
- склонение,
Figure 00000035
- географическая широта,
Figure 00000036
- часовой угол. Для вычисления часового угла используется формула
Figure 00000037
.
Оптическое пропускание композитного слоя с квазинулевым показателем преломления вычислим с помощью формулы [O.N. Gadomsky, I.A. Schukarev, Optics Communications, 348, 38, 2015]:
Figure 00000038
,
где индекс
Figure 00000039
соответствует учету двух
Figure 00000039
-поляризованных волн внутри и вне слоя [О.Н. Гадомский, И.В. Гадомская, Письма в ЖЭТФ, 98, 7, 2013],
Figure 00000040
- показатель преломления подстилающей среды 3,
Figure 00000041
- угол преломления в подстилающей среде 3,
Figure 00000042
- угол падения во внешней среде 1,
Figure 00000043
- отношение сечений световых пучков в средах 3 и 1, соответственно.
Величины
Figure 00000044
определяются как:
Figure 00000045
где
Figure 00000046
- толщина слоя,
Figure 00000047
- угол преломления на границе 1-2 композитного слоя,
Figure 00000048
- нефренелевские коэффициенты отражения и преломления на границах слоя [22].
Учитывая формулы и то, что
Figure 00000049
, оптическое пропускание (6) можно аппроксимировать приближенной формулой:
Figure 00000050
,
Отношение
Figure 00000051
определяется из условия нормировки
Figure 00000052
. Формула объясняет практически на зависящее от длины волны оптическое пропускание композитного слоя.
На фиг. 3 представлены зависимости фототока, вычисленные с помощью эмпирической формулы . На фиг. 3 отчетливо виден тот резерв увеличения фототока, который достигается за счет применения композитного просветляющего покрытия PMMA+Ag. Вычисления проведены для естественного света, когда оптическое пропускание является средним арифметическим оптического пропускания s и p-поляризованных волн.
Благодаря значительному увеличению продолжительности эффективной генерации электрической энергии в кремниевом солнечном элементе достигается 12% увеличение генерации электрической энергии в течение светового дня по сравнению с генерацией электрической энергии в кремниевом солнечном элементе с интерференционным просветляющим покрытием из нитрида кремния.

Claims (1)

  1. Солнечный элемент с композитным PMMA+Ag просветляющим покрытием, состоящий из кремниевого солнечного элемента и просветляющего покрытия из нитрида кремния, отличающийся тем, что поверх интерференционного просветляющего покрытия из нитрида кремния нанесен слой из полиметилметакрилата с наночастицами серебра в полимерной матрице (PMMA+Ag).
RU2017125589U 2017-07-17 2017-07-17 Солнечный элемент с композитным PMMA+Ag просветляющим покрытием RU175868U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017125589U RU175868U1 (ru) 2017-07-17 2017-07-17 Солнечный элемент с композитным PMMA+Ag просветляющим покрытием

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017125589U RU175868U1 (ru) 2017-07-17 2017-07-17 Солнечный элемент с композитным PMMA+Ag просветляющим покрытием

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU175868U1 true RU175868U1 (ru) 2017-12-21

Family

ID=63853500

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017125589U RU175868U1 (ru) 2017-07-17 2017-07-17 Солнечный элемент с композитным PMMA+Ag просветляющим покрытием

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU175868U1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2750366C1 (ru) * 2020-10-23 2021-06-28 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1054490A (zh) * 1987-10-29 1991-09-11 国营722厂 随机信号调制法
RU2456710C1 (ru) * 2011-01-18 2012-07-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) Нанокомпозиционное просветляющее покрытие в виде толстой пленки и способ его получения
CN104167457A (zh) * 2014-08-27 2014-11-26 河海大学常州校区 一种太阳能电池及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1054490A (zh) * 1987-10-29 1991-09-11 国营722厂 随机信号调制法
RU2456710C1 (ru) * 2011-01-18 2012-07-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) Нанокомпозиционное просветляющее покрытие в виде толстой пленки и способ его получения
CN104167457A (zh) * 2014-08-27 2014-11-26 河海大学常州校区 一种太阳能电池及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Дорофеев С.Г. и др, Применение тонких пленок из наночастиц кремния для увеличения эффективности солнечных элементов. - ФТП, т. 48, с. 375-383, 2014. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2750366C1 (ru) * 2020-10-23 2021-06-28 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dewan et al. Light trapping in thin-film silicon solar cells with integrated diffraction grating
Berger et al. Commercial white paint as back surface reflector for thin-film solar cells
Fleischer et al. Improving solar cell efficiency with optically optimised TCO layers
Chander et al. A study on spectral response and external quantum efficiency of mono-crystalline silicon solar cell
Steenhoff et al. Paper I: Ultrathin Resonant-Cavity-Enhanced Solar Cells with Amorphous Germanium Absorbers
Eyderman et al. Light-trapping optimization in wet-etched silicon photonic crystal solar cells
Sai et al. Light trapping effect of patterned back surface reflectors in substrate-type single and tandem junction thin-film silicon solar cells
Politanskyi et al. Simulation of anti-reflecting dielectric films by the interference matrix method
Beye et al. Optimization of SiNx single and double layer ARC for silicon thin film solar cells on glass
Khezripour et al. Optimized design of silicon-based moth eye nanostructures for thin film solar cells
RU175868U1 (ru) Солнечный элемент с композитным PMMA+Ag просветляющим покрытием
Hovhannisyan Single-layer antireflection coatings for GaAs solar cells
Hu et al. Study on the photoelectric conversion efficiency of solar cells with light trapping arrays
Topič Comparison of measured performance and theoretical limits of gaas laser power converters under monochromatic light
Fathima et al. Antireflection coating application of zinc sulfide thin films by nebulizer spray pyrolysis technique
Mitra et al. Improvement of photon management in partial rear contact solar cells using a combination of DBR and Mie scatterers
Zhang et al. Plasmon enhancement of optical absorption in ultra-thin film solar cells by rear located aluminum nanodisk arrays
Rajan et al. Optimization of multi-layered anti-reflective coatings for ultra-thin Cu (In, Ga) Se 2 solar cells
Gadomsky et al. Antireflection nanocomposite thick film coatings with quasi-zero refractive index for solar cells
Rajan et al. Optical enhancement of ultra-thin CIGS solar cells using multi-layered antireflection coatings
Shabat et al. The effects of triple-layer Anti-reflection coating on current density of solar cell
Saravanan et al. The role of photonic and plasmonic modes in ultrathin amorphous silicon solar cells using finite difference time domain method
Shahamat et al. Performance improvement of an ultra-thin amorphous silicon solar cell using multilayers chirped diffraction back gratings
Esmaeili Germezgholi et al. Optical Absorption Enhancement in Thin Film Silicon Solar Sells: The Effect of Antireflection Coatings and Back-Reflectors
Faiza et al. Spectral splitting optimization for highly efficient hybrid photovoltaic devices by using Na3AlF6, Y2O3 and TiO2 beam splitter