Моделирование тандемного тонкопленочного солнечного элемента на основе CuInSe2

Тонкопленочные солнечные элементы CuInSe₂ зарекомендовали себя как перспективные материалы для солнечной энергетики. Одной из главных задач исследователей является поиск путей повышения эффективности солнечных элементов. В данной работе предложена оригинальная структура тонкопленочного солнечного элемента на основе тандемного соединения фотоэлектрического преобразователя, состоящего из слоев CuInSe₂ и CdS, и термоэлектрического слоя, выполненного на основе CuInSe₂. Трехмерная модель предлагаемого тонкопленочного солнечного элемента была реализована в программной среде COMSOL Multiphysics с использованием модуля «Теплопередача». Моделирование осуществлялось для географических координат г. Минска с учетом суточного и сезонного изменения как температуры окружающей среды, так и плотности мощности солнечного излучения спектра AM1.5, максимальное значение которой может быть достигнуто порядка 500 кВт/м² при использовании концентраторов. Рассчитано распределение температуры и градиентов температуры в каждом слое солнечного элемента без стабилизации и со стабилизацией температуры тыльной стороны подложки, а также при отсутствии и наличии теплоизоляции торцов подложки. Приведены графики градиентов температуры термоэлектрического слоя и изменения температуры фотоэлектрического преобразователя солнечного элемента. В результате моделирования показано, в какой степени происходит неравномерный нагрев как поверхности тонкопленочного солнечного элемента, так и его слоев в условиях суточного и сезонного изменения температуры и плотности мощности солнечного излучения. При воздействии концентрированного солнечного излучения поверхность фотоэлектрического преобразователя солнечного элемента без термостабилизации подложки может нагреваться до 700 °C. Рабочая температура фотоэлектрического преобразователя на уровне не более 2,35 °C в январе и 14,23 °C в июле поддерживалась за счет термостабилизации тыльной стороны подложки предложенного устройства. Это позволило достичь увеличения выходной мощности солнечного элемента как путем суммирования фото- и термоэлектрических выходных напряжений, так и концентрации солнечного излучения.

1. Новиков, Г. Ф. Солнечные преобразователи третьего поколения на основе Cu-In-Ga-(S, Se) / Г. Ф. Новиков, М. В. Гапанович // Успехи физических наук. 2017. Т. 187, № 2. С. 173–191. https://doi.org/10.3367/ufnr.2016.06.037827

2. The Copper Indium Selenium (CuInSe2) Thin-Films Solar Cells for Hybrid Photovoltaic Thermal Collectors (PVT) / H. Haloui [et al.] // Energy Procedia. 2015. Vol. 74. P. 1213–1219. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.07.765

3. Easily Realizable Heterojunction CdS/CuInSe2 Thin-Films Photovoltaic Application / A. Mandjoub [et al.] // Chalcogenide Letters. 2015. Vol. 12, No 2. P. 59–66.

4. Infiltrated Photonic Crystals for Light-Trapping in CuInSe2 Nanocrystal-Based Solar Cells / S. Dottermusch [et al.] // Optics express. 2017. Vol. 25, No 12. P. A502–A514. https://doi.org/10.1364/oe.25.00a502

5. Sadewasser, S. Materials Efficient Deposition and Heat Management of CuInSe2 Mic-

6. ro-Concentrator Solar Cells / S. Sadewasser, P. M. P. Salome, H. Rodriguez-Alvarez // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2017. Vol. 159. P. 496–502. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2016.09.041

7. Flexible CuInSe2 Nanocrystal Solar Cells on Paper / V. R. Voggu [et al.] // ACS Energy Lett. 2017. Vol. 2, No 3. P. 574–581. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.7b00001

8. Davis, M. W. Prediction of Building Integrated Photovoltaic Cell Temperatures / M. W. Davis, A. H. Fanney, B. P. Dougherty // J. Sol. Energy Eng. 2001. Vol. 123, No 2. P. 200–210. https://doi.org/10.1115/1.1385825

9. Есман, А. К. Повышение энергоэффективности тонкопленочных солнечных элементов на основе соединения CuIn1-xGaxSe2 / А. К. Есман, В. А. Потачиц, Г. Л. Зыков // Проблемы физики, математики и техники. 2016. Т. 26, № 1. С. 30–33.

10. Способ изготовления тонкопленочного солнечного элемента: пат. 20481 Респ. Беларусь: МПК H 01L 31/18, H 01L 31/0264 / А. К. Есман, В. К. Кулешов, Г. Л. Зыков [и др.]; дата публ. 30.10.2016.

11. Patel, Ch. Performance Improvement of Solar PV Cells Using Various Cooling Methods: a Review / Ch. Patel, P. Shah, A. I. Pandey // International Journal on Recent Trends in Computing and Communication. 2017. Vol. 5, Iss. 11. P. 194–198.

12. Повышение вырабатываемой электроэнергии тонкопленочным солнечным элементом на основе CuInSe2 / А. К. Есман [и др.] // Инновационные технологии обучения физико-математическим и профессионально-техническим дисциплинам: материалы IX Междунар. науч.-практ. интернет-конф., Мозырь, 21–24 марта 2017 г. / УО МГПУ имени И. П. Шамякина; редкол.: И. Н. Ковальчук (отв. ред.) [и др.]. Мозырь, 2017. С 138–139.

13. Есман, А. К. Высокоэффективный тонкопленочный солнечный элемент / А. К. Есман, В. А. Потачиц, Г. Л. Зыков // Приборостроение-2017: Материалы Х Междунар. науч.-техн. конф., 1–3 нояб. 2017 г., Минск, Республика Беларусь / Белорусский национальный технический университет; редкол.: О. К Гусев [и др.]. Минск: БНТУ, 2017. С. 364–366.

14. Analyze Thermal Effects with the Heat Transfer Module [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.comsol.com/heat-transfer-module. Date of access: 19.03.2018.

15. Алферов, Ж. И. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики / Ж. И. Алферов, В. М. Андреев, В. Д. Румянцев // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38, вып. 8. С. 937–948.

16. A review of Solar Photovoltaic Concentrators / M. Khamooshi [et al.] // International Journal of Photoenergy. 2014. Vol. 2014. P. 958521-1–17. https://doi.org/10.1155/2014/958521

17. Parasol and Solar Irradiation. Created in COMSOL Multiphysics 5.3a [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.comsol.com/model/download/466231/applications.parasol_and_solar_irradiation.pdf. Date of access: 19.03.2018.