RU2531767C1 - Tandem solar photoconverter - Google Patents
Tandem solar photoconverter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2531767C1 RU2531767C1 RU2013120153/28A RU2013120153A RU2531767C1 RU 2531767 C1 RU2531767 C1 RU 2531767C1 RU 2013120153/28 A RU2013120153/28 A RU 2013120153/28A RU 2013120153 A RU2013120153 A RU 2013120153A RU 2531767 C1 RU2531767 C1 RU 2531767C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- solar
- tandem
- photoconverter
- metal oxide
- solar cell
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
Abstract
Description
Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, в частности к устройствам для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Наиболее успешно настоящее изобретение может быть применено в солнечных энергоустановках для работы в условиях как высокой, так и низкой освещенности.The invention relates to the field of solar photovoltaics, in particular to devices for the direct conversion of solar energy into electrical energy. Most successfully, the present invention can be applied in solar power plants for operation in both high and low light conditions.
В последнее десятилетие в мире сформировалась огромная быстро развивающаяся индустрия производства солнечных панелей, которая показывает ежегодный прирост ~40%. Так, мощность произведенных в 2011 году 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 (ФП) и солнечных элементов (СЭ). Важной характеристикой ФП является эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую (КПД). Однако определяющим фактором конкурентоспособности ФП является чисто экономический параметр - стоимость ватта производимой им мощности, который сейчас составляет в мире 2-3 доллара США за один ватт.In the last decade, a huge rapidly growing industry for the production of solar panels has formed in the world, which shows an annual increase of ~ 40%. So, the capacity of solar panels produced in 2011 in the world exceeded 20 GW, and the annual turnover of funds associated with the research, production and development of the infrastructure of solar cells and panels amounted to about 100 billion US dollars. The development of solar energy requires continuous improvement of the parameters of photoconverters (FP) and solar cells (SC). An important characteristic of AF is the efficiency of conversion of solar energy into electrical energy (Efficiency). However, the determining factor in the competitiveness of the FP is a purely economic parameter - the cost of a watt of the power it produces, which now amounts to 2-3 US dollars per watt in the world.
Наряду с этим в последнее время особое внимание уделяется эффективности работы СЭ не только в условиях стандартного прямого солнечного излучения (AM 1.5 или 1000 Вт/м2), но и при низкой освещенности (10-100 Вт/м2), то есть в тех реальных условиях, в которых большую часть времени функционирует СЭ, расположенный на широте средней или северной Европы или средней полосы России. 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).Along with this, special attention has recently been paid to the efficiency of solar cells, not only in standard direct solar radiation (AM 1.5 or 1000 W / m 2 ), but also in low light (10-100 W / m 2 ), that is, in those real conditions in which most of the time SE operates, located on the latitude of central or northern Europe or central Russia. Traditional solar cells based on crystalline or amorphous silicon have proven themselves to work in high light conditions, as well as in the atmospheric sun (under AM0 illumination). However, due to its structural and structural features, the efficiency (Efficiency) of silicon elements at low or diffuse illumination significantly decreases (by 50-60% at an illumination of 10 W / m 2 ).
В последние годы все больший интерес вызывают СЭ так называемого 3-го поколения на основе сенсибилизированных металлооксидных (МО) мезоструктур 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.In recent years, the so-called 3rd generation solar cells based on sensitized metal oxide (MO) mesostructures based on their peculiarity utilize solar energy with practically unchanged efficiency regardless of the light intensity in the range of 10-1000 W / m 2 , and also regardless angle of incidence of light, that is, in conditions of diffuse illumination.
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%.Known SC based on sensitized nanocrystalline titanium dioxide (US patent No. 4927721, publ. 05.22.1990), designed to generate electricity in direct sunlight, which consists of a nanocrystalline titanium dioxide layer with a thickness of about 10 μm, sensitized by dye molecules that absorb light radiation in the range of 400-700 nm. Depending on the type of sensitizer used, the efficiency of converting solar energy into electrical energy varies from 5 to 12%.
Главным недостатком данного известного сенсибилизированного МО СЭ является ограниченный спектральный интервал (400-700 нм) поглощаемой световой энергии, что обусловлено абсорбирующими свойствами используемых органических сенсибилизаторов, которые не поглощают солнечное излучение в ближней инфракрасной области. Недостатком является также использование указанного МО СЭ 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.The main disadvantage of this known sensitized MO SE is the limited spectral range (400-700 nm) of the absorbed light energy, which is due to the absorbing properties of the used organic sensitizers, which do not absorb solar radiation in the near infrared region. The disadvantage is the use of the indicated MO SE only in direct sunlight and the absence of any data on its ability to utilize light in diffuse lighting conditions. In addition, with an increase in the area of the light-receiving surface of a given solar cell, the sequential resistance of the transparent contact unacceptably increases, which is reflected in a deterioration in the type of current-voltage characteristic, a decrease in the short-circuit current and the filling factor - as a result, the efficiency of the solar cells decreases.
В природе не существует материала, который смог бы одинаково эффективно преобразовывать весь диапазон спектра солнечного электромагнитного излучения в электрическую энергию, поэтому дальнейшее увеличение эффективности МО ФП возможно за счет конструирования тандемных схем различного типа.In nature, there is no material that could equally efficiently convert the entire range of the spectrum of solar electromagnetic radiation into electrical energy, so a further increase in the efficiency of MO FP is possible due to the construction of tandem schemes of various types.
Впервые тандемный солнечный ФП, состоящий из двух МО СЭ на основе сенсибилизированных мезоструктур диоксида титана, был предложен и опубликован О.И.Шевалеевским и сотр. в 2003 г. (О.Shevaleevskiy, L.Larina, K.S.Lim "Nanocrystalline tandem photovoltaic cell with twin dye-sensitized anodes" IEEE Conf. Publ. Proc. 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Vol.1, p.23-26 (2003)). Один СЭ данного тандемного ФП поглощает свет в диапазоне 400-600 нм, а второй эффективен в области спектра 600-1000 нм, в результате КПД ФП возрастает примерно на 50%.For the first time, a tandem solar AF, consisting of two MO FEs based on sensitized titanium dioxide mesostructures, was proposed and published by O.I.Shevaleevsky et al. in 2003 (O. Shevaleevskiy, L. Larina, KSLim "Nanocrystalline tandem photovoltaic cell with twin dye-sensitized anodes" IEEE Conf. Publ. Proc. 3 rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Vol.1, p.23- 26 (2003)). One SC of this tandem AF absorbs light in the range of 400–600 nm, and the second is effective in the spectral region of 600–1000 nm; as a result, the efficiency of the AF increases by about 50%.
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.Known tandem MO FP (US application No. 20070062576, publ. March 22, 2007) for generating electricity in direct sunlight, which consists of two sensitized MO SEs located one below the other, including two different sensitizers: TCPP-Pd and TCPP-Zn. The upper one (sensitized with TCPP-Pd dye) absorbs and utilizes part of the solar spectrum with an emission intensity of AM1.5 (1000 W / m 2 ) in the spectral range 400-600 nm and passes the remaining part of the light to the lower SC, which utilizes and converts into electricity the remainder of the spectrum in the range of 400-850 nm.
Недостатком этого известного тандемного МО ФП является 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. Недостатком этого известного тандемного ФП является также использование им для выработки электричества только прямого потока фотонов, что не позволяет использовать полностью потенциальные возможности светового излучения.The disadvantage of this known tandem MO FP is the low efficiency of converting light flux into electricity by the lower MO SE (utilizing the part of direct solar radiation remaining after passing through the upper SE). The low open circuit voltage of the lower SC, the value of which is inferior to the open circuit voltage of the upper SC, leads to the uncompensation of the electrical characteristics of this tandem FP both in parallel and in series connection of two tandem components. The latter leads to the loss of a significant part of the radiation useful for the upper SC (due to the use of the conversion layers of the upper and lower SC not optimized in thickness and spectral characteristics). As a result, the additional efficiency of using the tandem structure is low and adds less than 10% of the total efficiency of the tandem AF to the efficiency of the upper SC. The total efficiency of this tandem AF does not exceed 12.5% when lighting AM1.5 (1000 W / m 2 ), which differs little from the efficiency of the best MO solar cells of a standard (non-tandem) type for such light intensity. The disadvantage of this known tandem AF is also its use to generate electricity only a direct flux of photons, which does not allow to use the full potential of light radiation.
Наиболее близким к заявляемому тандемному солнечному ФП является тандемный солнечный ФП для выработки электричества в условиях прямого солнечного освещения с интенсивностью излучения AM 1.5, который представляет собой сочетание МО СЭ на основе мезоскопического слоя сенсибилизированного диоксида титана толщиной 10 мкм и твердотельного СЭ на основе CIGS (Cu-In-Ga-Se), описанный в работе: P.Liska, К.Trampi, М.Gratzel "Nanocrystalline dye-sensitized solar cell/copper indium gallium selenide thin-film tandem showing greater than 15% conversion efficiency." Appl. Phys. Lett., 88 (2006), 203103 (прототип). Его конструкция представляет собой два расположенных один под другим СЭ, верхний из которых является МО СЭ, который поглощает и утилизирует часть солнечного спектра в диапазоне 400-700 нм и пропускает оставшуюся часть солнечного спектра к нижнему твердотельному СЭ типа CIGS, который утилизирует и превращает в электричество световое излучение в спектральном диапазоне 700-1200 нм.Closest to the claimed tandem solar AF is a tandem solar AF for generating electricity in direct sunlight with a radiation intensity of AM 1.5, which is a combination of MO SC based on a mesoscopic layer of sensitized titanium dioxide with a thickness of 10 μm and solid state SC based on CIGS (Cu- In-Ga-Se) described by P. Liska, K. Trampi, M. Gratzel "Nanocrystalline dye-sensitized solar cell / copper indium gallium selenide thin-film tandem showing greater than 15% conversion efficiency." Appl. Phys. Lett., 88 (2006), 203103 (prototype). Its design consists of two solar cells located one below the other, the upper of which is the MO solar cell, which absorbs and utilizes part of the solar spectrum in the range 400–700 nm and passes the remaining part of the solar spectrum to the lower solid state solar cell of the CIGS type, which utilizes and converts into electricity light radiation in the spectral range of 700-1200 nm.
Главным недостатком тандемного солнечного ФП-прототипа является его предназначенность для использования только в условиях прямого солнечного освещения высокой интенсивности AM 1.5, когда КПД данного тандемного ФП достигает 15%. При работе в условиях низкой и диффузной освещенности эффективность ФП-прототипа значительно уменьшается. Это объясняется несогласованностью энергетических характеристик преобразования света верхним и нижним СЭ тандемной системы, обусловленной значительной толщиной мезоскопического слоя диоксида титана (10 мкм) в верхнем СЭ и структурными особенностями нижнего твердотельного СЭ. Значение разницы напряжения холостого хода в верхнем и нижнем СЭ ФП-прототипа составляет не менее 0.2 В, что приводит к дополнительному снижению КПД преобразования световой энергии при любой освещенности, так как не позволяет осуществить режим параллельного электрического подключения к нагрузке верхнего и нижнего СЭ.The main disadvantage of the tandem solar AF prototype is its intended use only in direct sunlight with high intensity AM 1.5, when the efficiency of this tandem AF reaches 15%. When working in conditions of low and diffuse illumination, the efficiency of the FP prototype is significantly reduced. This is explained by the inconsistency of the energy characteristics of light conversion by the upper and lower solar cells of the tandem system, due to the significant thickness of the mesoscopic titanium dioxide layer (10 μm) in the upper solar cells and the structural features of the lower solid-state solar cells. The value of the difference in open circuit voltage in the upper and lower SE of the FP prototype is at least 0.2 V, which leads to an additional decrease in the efficiency of conversion of light energy in any light condition, since it does not allow the parallel electrical connection to the load of the upper and lower SE.
Задачей заявляемого изобретения является разработка тандемного солнечного ФП нового типа, в котором каждый из СЭ тандема будет осуществлять эффективное преобразование солнечного излучения независимо от его интенсивности и угла падения света, но верхний МО СЭ будет вносить основной вклад при низких значениях интенсивности излучения, а нижний элемент - при высоких значениях интенсивности излучения, что позволит увеличить эффективность преобразования световой энергии в электрическую в условиях малой и диффузной освещенности. Повышение эффективности преобразования энергии света при любой освещенности будет достигаться также улучшением согласованности энергетических характеристик преобразования света верхним и нижним СЭ тандемной системы благодаря уменьшению толщины мезоскопического слоя металлооксида в верхнем МО СЭ и выбору нижнего твердотельного СЭ и снижению разницы напряжения холостого хода в верхнем и нижнем СЭ тандемной системы до 0.1 В.The objective of the invention is to develop a tandem solar AF of a new type, in which each of the solar cells of the tandem will efficiently convert solar radiation regardless of its intensity and angle of incidence of light, but the upper MO SE will make the main contribution at low radiation intensities, and the lower element at high radiation intensities, which will increase the efficiency of conversion of light energy into electrical energy in low and diffuse light conditions. An increase in the efficiency of light energy conversion under any illumination will also be achieved by improving the consistency of the energy characteristics of light conversion by the upper and lower solar cells of the tandem system due to a decrease in the thickness of the mesoscopic layer of metal oxide in the upper MO of the solar cells and the choice of lower solid-state solar cells and a decrease in the difference in open circuit voltage in the upper and lower solar cells of the tandem systems up to 0.1 V.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым тандемным солнечным фотопреобразователем, содержащим два расположенных один под другим солнечных элемента, верхний из которых является металлооксидным солнечным элементом на основе мезоскопического слоя сенсибилизированного металлооксида, а нижний - твердотельным солнечным элементом, в котором мезоскопический слой сенсибилизированного металлооксида верхнего солнечного элемента имеет толщину 5.0-5.5 мкм, а в качестве нижнего твердотельного солнечного элемента фотопреобразователь содержит солнечный элемент на основе моно- или мультикристаллического кремния, при этом разница значений напряжения холостого хода верхнего и нижнего солнечных элементов фотопреобразователя не превышает 0,1 В и осуществляется режим параллельного электрического подключения к нагрузке верхнего и нижнего СЭ.The solution to this problem is achieved by the proposed tandem solar photoconverter, containing two solar cells located one below the other, the upper of which is a metal oxide solar cell based on a mesoscopic layer of sensitized metal oxide, and the bottom is a solid-state solar cell in which the mesoscopic layer of sensitized metal oxide of the upper solar cell has a thickness 5.0-5.5 microns, and as the lower solid-state solar cell photoconverter l contains a solar cell based on mono- or multicrystalline silicon, while the difference in the open circuit voltage of the upper and lower solar cells of the photoconverter does not exceed 0.1 V and a parallel electrical connection to the load of the upper and lower solar cells is carried out.
В качестве мезоскопического слоя сенсибилизированного металлооксида можно использовать сенсибилизированные нанокристаллические металлооксиды, выбранные из группы: диоксид титана, оксид цинка, оксид никеля, оксид железа или их смеси.As the mesoscopic layer of sensitized metal oxide, you can use sensitized nanocrystalline metal oxides selected from the group: titanium dioxide, zinc oxide, nickel oxide, iron oxide, or mixtures thereof.
Мезоскопический слой сенсибилизированного металлооксида толщиной 5.0-5.5 мкм верхнего солнечного элемента тандемного фотопреобразователя нанесен на проводящее прозрачное покрытие на освещаемой стеклянной пластине.A mesoscopic layer of sensitized metal oxide with a thickness of 5.0-5.5 μm of the upper solar cell of the tandem photoconverter is applied to a conductive transparent coating on the illuminated glass plate.
Проводящее прозрачное покрытие, нанесенное на освещаемую стеклянную пластину в верхнем солнечном элементе, может быть выполнено из оксида олова, допированного фтором или индием.The conductive transparent coating deposited on the illuminated glass plate in the upper solar cell can be made of tin oxide doped with fluorine or indium.
Мезоскопический слой сенсибилизированного металлооксида толщиной 5.0-5.5 мкм верхнего солнечного элемента может быть выполнен из наночастиц диоксида титана среднего размера 30 нм.A mesoscopic layer of sensitized metal oxide with a thickness of 5.0-5.5 μm of the upper solar cell can be made of titanium dioxide nanoparticles of an average size of 30 nm.
Мезоскопический слой сенсибилизированного металлооксида верхнего солнечного элемента может быть сенсибилизирован органическим красителем.The mesoscopic layer of sensitized metal oxide of the upper solar cell can be sensitized with an organic dye.
Благодаря уменьшению толщины мезоскопического слоя диоксида титана в верхнем МО СЭ и выбору в качестве нижнего твердотельного СЭ кремниевой пластины улучшается согласованность энергетических характеристик преобразования света верхним и нижним СЭ предлагаемого тандемного ФП и повышается эффективность преобразования энергии света, особенно в условиях малой и диффузной освещенности.Due to the decrease in the thickness of the mesoscopic titanium dioxide layer in the upper MO FE and the choice of the silicon solid plate as the lower solid-state SC, the consistency of the energy characteristics of light conversion by the upper and lower SCs of the proposed tandem AF improves and the efficiency of light energy conversion is improved, especially in low and diffuse light conditions.
Снижение разницы напряжения холостого хода в верхнем и нижнем СЭ предлагаемого ФП до 0.1 В было достигнуто в результате экспериментальных исследований влияния характеристик верхнего и нижнего СЭ на напряжение их холостого хода. Достигнутое значение разницы 0.1 В позволило осуществить параллельное подключение к нагрузке обоих СЭ тандемного ФП и дополнительно повысить КПД преобразования световой энергии в электрическую.A decrease in the difference in open circuit voltage in the upper and lower solar cells of the proposed FP to 0.1 V was achieved as a result of experimental studies of the influence of the characteristics of the upper and lower solar cells on their open circuit voltage. The achieved value of the difference of 0.1 V made it possible to carry out a parallel connection to the load of both SC tandem phase converters and to further increase the efficiency of conversion of light energy into electrical energy.
Следует отметить, что любые технические решения, использующие в конструкции ФП кремниевые СЭ и позволяющие увеличить их эффективность, дают большой экономический эффект вследствие широкой распространенности и высокой степени отработанности технологии изготовления кремниевых пластин.It should be noted that any technical solutions that use silicon SC in the FP design and allow increasing their efficiency give a great economic effect due to the widespread and high degree of development of silicon wafer manufacturing technology.
На фиг.1 представлена блок схема предлагаемого тандемного солнечного ФП.Figure 1 presents a block diagram of the proposed tandem solar FP.
В предлагаемом тандемном солнечном ФП 1 свет падает на стеклянную пластину 2, покрытую прозрачным проводящим слоем оксида олова 3, допированного фтором (FTO: fluoride tin oxide) или индием (ITO: indium tin oxide), через который поступает на мезоскопический слой сенсибилизированного металлооксида верхнего СЭ толщиной 5.0-5.5 мкм 4, нанесенный на прозрачный проводящий слой 3 на стеклянной пластине 2 и примыкающий к тонкому прозрачному проводящему контакту на основе платины 5, нанесенному на прозрачную стеклянную пластину 6. Непосредственно под указанной стеклянной пластиной 6 расположена примыкающая к ней сетка проводящих контактов 7, нанесенная на кремниевую пластину 8 нижнего СЭ тандемного ФП. Конструкцию ФП замыкает металлический контакт 9, нанесенный на кремниевую пластину 8 с противоположной стороны.In the proposed tandem solar AF 1, light is incident on a glass plate 2 coated with a transparent conductive layer of tin oxide 3 doped with fluorine (FTO: fluoride tin oxide) or indium (ITO: indium tin oxide), through which it enters the mesoscopic layer of sensitized upper metal oxide a thickness of 5.0-5.5 μm 4, deposited on a transparent conductive layer 3 on the glass plate 2 and adjacent to a thin transparent conductive contact based on platinum 5, deposited on a transparent glass plate 6. Directly under the specified glass Lastin 6 located adjacent thereto a grid of conductive contacts 7, deposited on a silicon wafer 8 of the lower tandem PT SE. The FP design is closed by a metal contact 9 deposited on the silicon wafer 8 from the opposite side.
ПримерExample
Функционирование предлагаемого тандемного солнечного ФП было проверено на изготовленном лабораторном образце, состоящем из верхнего СЭ на основе диоксида титана и нижнего СЭ на основе монокристаллического кремния, которые были электрически подсоединены к нагрузке по параллельной схеме. Верхний СЭ был смонтирован на прозрачной стеклянной подложке, нижняя часть которой, по ходу светового потока, была покрыта прозрачным электрическим контактом на основе оксида олова, допированного фтором (FTO), толщиной 30 нм с удельной электропроводностью 10 Омхсм. На поверхности проводящего слоя был сформирован мезоскопический слой металлооксида толщиной 5.5 мкм, состоящий из наночастиц диоксида титана (TiCb) среднего размера 30 нм. В мезоскопическом слое отдельные наночастицы ТiО2 имели между собой электрический контакт и образовывали пористую структуру с размерами пор около 20 нм. Поверхность мезопористой структуры в своем объеме была покрыта монослоем молекул сенсибилизатора N719 (DYESOL, Австралия). Пространство мезослоя заполнялось йодсодержащим электролитом, сам мезопористый слой примыкал к заднему прозрачному контакту в виде напыленного на вторую (нижнюю) прозрачную стеклянную подложку слоя платины толщиной 20 нм. При освещении поверхности верхнего СЭ в объеме мезоскопического слоя 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 верхнему контакту МО СЭ, выполненному из допированного оксида олова. Роль электролита в объеме мезопористой системы заключается в восполнении носителей заряда в молекулах красителя через редокс-пару от заднего контакта СЭ, выполненного на основе платины.The operation of the proposed tandem solar FP was tested on a manufactured laboratory sample consisting of an upper SC based on titanium dioxide and a lower SC based on single-crystal silicon, which were electrically connected to the load in a parallel circuit. The upper SC was mounted on a transparent glass substrate, the lower part of which, along the luminous flux, was coated with a transparent electric contact based on fluorine doped tin oxide (FTO), 30 nm thick with a conductivity of 10 Ohmcm. A 5.5-μm thick mesoscopic metal oxide layer was formed on the surface of the conductive layer, consisting of titanium dioxide (TiCb) nanoparticles of an average size of 30 nm. In the mesoscopic layer, individual TiO 2 nanoparticles had electrical contact with each other and formed a porous structure with pore sizes of about 20 nm. The surface of the mesoporous structure in its volume was covered with a monolayer of molecules of the sensitizer N719 (DYESOL, Australia). The space of the mesolayer was filled with iodine-containing electrolyte, the mesoporous layer itself was adjacent to the rear transparent contact in the form of a 20 nm thick platinum layer deposited on the second (lower) transparent glass substrate. When the surface of the upper solar cell is illuminated in the volume of the mesoscopic layer, the process of capture of light quanta by sensitizer molecules occurs, the electron is transferred from the ground to the excited state of the sensitizer molecule, and as the next stage, the electron is transferred from the sensitizer molecule to the conduction band of titanium dioxide. Next, diffusion electron transfer through the bulk of the mesolayer to the upper MO MO contact made of doped tin oxide occurs. The role of the electrolyte in the volume of the mesoporous system is to replenish the charge carriers in the dye molecules through a redox pair from the back contact of the SC made on the basis of platinum.
Верхний СЭ абсорбирует примерно 30% мощности солнечного излучения в диапазоне 400-700 нм, а 70% света проходят к нижнему СЭ тандемной структуры, выполненному на основе монокристаллического кремния, фотоактивному в диапазоне 400-1100 нм. Верхний контакт кремниевого СЭ представляет собой сетку из узких металлических полос, которая примыкает к нижней стеклянной подложке МО СЭ и кремниевой пластине. На противоположной стороне кремниевой пластины напылен задний металлический контакт.The upper solar cell absorbs approximately 30% of the solar radiation power in the range 400–700 nm, and 70% of the light passes to the lower solar cell of the tandem structure made on the basis of single-crystal silicon, photoactive in the range 400–1100 nm. The upper contact of the silicon SC is a network of narrow metal bands that is adjacent to the lower glass substrate of the MO SC and the silicon wafer. On the opposite side of the silicon wafer, a back metal contact is sprayed.
Подключение к нагрузке предлагаемого тандемного ФП осуществляется по параллельной схеме, когда соединяются вместе верхние контакты обоих СЭ и их нижние контакты. Данный опытный тандемный ФП показал возможность эффективной работы при высокой и низкой интенсивности освещенности.Connection to the load of the proposed tandem AF is carried out in a parallel circuit, when the upper contacts of both SCs and their lower contacts are connected together. This experimental tandem AF showed the possibility of efficient operation at high and low light intensities.
Вольт-амперная (В-А) характеристика предлагаемого тандемного ФП площадью 2 см2 при освещении интенсивностью света 100 Вт/м2 приведена на фиг.2. Суммарная плотность тока короткого замыкания составляет 2.3 мА/см2, напряжение холостого хода - 0,68 В, фактор заполнения - 0,72 и КПД - 11,2%. Представленная В-А характеристика свидетельствует о том, что заявляемый тандемный солнечный ФП обладает высокой эффективностью преобразования солнечной энергии в условиях низкой освещенности, то есть в таких условиях, где другие известные типы ФП теряют значительную часть своей эффективности. В-А характеристика предлагаемого тандемного ФП получена при освещенности низкой интенсивности=100 Вт/м2, что моделирует условия пасмурной погоды.Volt-ampere (VA) characteristic of the proposed tandem AF with an area of 2 cm 2 when illuminated with a light intensity of 100 W / m 2 is shown in Fig.2. The total short circuit current density is 2.3 mA / cm 2 , the open circuit voltage is 0.68 V, the filling factor is 0.72 and the efficiency is 11.2%. The presented BA characteristic indicates that the claimed tandem solar AF has high efficiency in converting solar energy in low light conditions, that is, in such conditions where other known types of AF lose a significant part of their efficiency. VA characteristic of the proposed tandem AF is obtained at low-intensity illumination = 100 W / m 2 , which simulates cloudy weather conditions.
Таким образом, предлагаемый тандемный солнечный ФП осуществляет прямое преобразование световой энергии в электрическую независимо от интенсивности солнечного излучения и угла падения света и обеспечивает увеличение эффективности преобразования световой энергии в электрическую, в том числе в условиях малой и диффузной освещенности.Thus, the proposed tandem solar AF performs direct conversion of light energy into electrical energy regardless of the intensity of solar radiation and the angle of incidence of light and provides an increase in the efficiency of conversion of light energy into electrical energy, including in low and diffuse lighting conditions.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013120153/28A RU2531767C1 (en) | 2013-05-06 | 2013-05-06 | Tandem solar photoconverter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013120153/28A RU2531767C1 (en) | 2013-05-06 | 2013-05-06 | Tandem solar photoconverter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2531767C1 true RU2531767C1 (en) | 2014-10-27 |
Family
ID=53382103
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013120153/28A RU2531767C1 (en) | 2013-05-06 | 2013-05-06 | Tandem solar photoconverter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2531767C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2617041C1 (en) * | 2015-12-25 | 2017-04-19 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Solar pv module with stationary concentrator (versions) |
| RU2626752C1 (en) * | 2016-04-26 | 2017-07-31 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Tandem metal oxide solar element |
| RU2698533C1 (en) * | 2018-10-02 | 2019-08-28 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран) | Metal oxide solar cell |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1650814A1 (en) * | 2004-10-20 | 2006-04-26 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Tandem thin film solar cell |
| US20070062576A1 (en) * | 2003-09-05 | 2007-03-22 | Michael Duerr | Tandem dye-sensitised solar cell and method of its production |
| US20120325284A1 (en) * | 2009-12-22 | 2012-12-27 | Oerlikon Solar Ag, Truebbach | Thin-film silicon tandem solar cell and method for manufacturing the same |
-
2013
- 2013-05-06 RU RU2013120153/28A patent/RU2531767C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070062576A1 (en) * | 2003-09-05 | 2007-03-22 | Michael Duerr | Tandem dye-sensitised solar cell and method of its production |
| EP1650814A1 (en) * | 2004-10-20 | 2006-04-26 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Tandem thin film solar cell |
| US20120325284A1 (en) * | 2009-12-22 | 2012-12-27 | Oerlikon Solar Ag, Truebbach | Thin-film silicon tandem solar cell and method for manufacturing the same |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Nanocrystalline dye-sensitized solar cell/copper indium gallium selenide thin-film tandem showing greater than 15% conversion efficiency//Liska P. et al.//Appl. Phys. Lett., 2006, #88. * |
| Nanocrystalline tandem photovoltaic cell with twin dye-sensitized anodes//Shevaleevskiy O. et al.//IEEE Conf. Publ. Proc. 3rd, 2003, vol.1, pp.23-26 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2617041C1 (en) * | 2015-12-25 | 2017-04-19 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Solar pv module with stationary concentrator (versions) |
| RU2626752C1 (en) * | 2016-04-26 | 2017-07-31 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Tandem metal oxide solar element |
| RU2698533C1 (en) * | 2018-10-02 | 2019-08-28 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран) | Metal oxide solar cell |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kumar et al. | Functionalized metal oxide nanoparticles for efficient dye-sensitized solar cells (DSSCs): A review | |
| Milichko et al. | Solar photovoltaics: current state and trends | |
| Bagher et al. | Types of solar cells and application | |
| Ali et al. | Advances in nanostructured thin film materials for solar cell applications | |
| Kouhnavard et al. | A review of semiconductor materials as sensitizers for quantum dot-sensitized solar cells | |
| Grätzel | The advent of mesoscopic injection solar cells | |
| Wang et al. | A novel high-performance photovoltaic–thermoelectric hybrid device | |
| Kumar | Organic solar cells: device physics, processing, degradation, and prevention | |
| CN102214661B (en) | Thin film solar battery capable of absorbing sunlight with wide spectrum | |
| Yang et al. | Performance degradation of dye-sensitized solar cells induced by electrolytes | |
| Wang et al. | Experimental and simulation analysis of the dye sensitized solar cell/Cu (In, Ga) Se2 solar cell tandem structure | |
| Kartikay et al. | Recent advances and challenges in solar photovoltaic and energy storage materials: future directions in Indian perspective | |
| Rawal et al. | Dye sensitized Solar Cells: the emerging technology | |
| RU2531767C1 (en) | Tandem solar photoconverter | |
| Chander et al. | Comparison of different types of solar cells–a review | |
| Alfa et al. | Fabrication and Characterisation of Titanium Dioxide Based Dye Sensitized Solar Cell using Flame of the Forest Dye | |
| Fan et al. | Perovskite/silicon-based heterojunction tandem solar cells with 14.8% conversion efficiency via adopting ultrathin Au contact | |
| Hao et al. | A hybrid tandem solar cell based on hydrogenated amorphous silicon and dye-sensitized TiO2 film | |
| RU2626752C1 (en) | Tandem metal oxide solar element | |
| Van Roosmalen | Molecular-based concepts in PV towards full spectrum utilization | |
| RU2531768C1 (en) | Double-sided solar photoconverter (versions) | |
| CN202167502U (en) | Film solar battery of wide spectrum absorption | |
| Hardani et al. | Fabrication of dye natural as a photosensitizers in dye-sensitized solar cells (DSSC) | |
| RU2698533C1 (en) | Metal oxide solar cell | |
| Lyu | Design, synthesis and study of functional organometallic ruthenium complexes for dye-sensitized solar cells and photoelectrochemical cells |