Моделирование тонкопленочных солнечных элементов со структурой халькопирита CuInSe2
https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-1-5-13
Аннотация
С помощью численного моделирования определены рабочие температуры тонкопленочного солнечного элемента на основе CuInSe2 и оптимизированы значения плотности мощности солнечного излучения, при которых не требуется стабилизация температурного режима данного элемента. Максимально возможное значение КПД ~14,8 % достигается при реальных условиях эксплуатации и поддерживается за счет поступающей тепловой энергии, как выделяющейся в этом элементе, так и инфракрасных излучений – солнца и окружающей среды. Модель предлагаемого тонкопленочного солнечного элемента была реализована в программной среде COMSOL Multiphysics с использованием модуля «Теплопередача». Определены рабочие температуры солнечного элемента без термостабилизации в условиях сезонного и суточного изменения температуры окружающей среды и плотности мощности солнечного излучения спектра AM1,5, максимальное значение которой варьировалось в пределах от 1 до 500 кВт/м2 при использовании концентраторов. Полученные значения рабочих температур тонкопленочного солнечного элемента использовались при определении основных его параметров в программе SCAPS-1D. Приведены графики зависимостей рабочей температуры, коэффициента полезного действия и коэффициента заполнения тонкопленочного солнечного элемента от плотности мощности солнечного излучения. Показано, что для получения максимально возможного КПД солнечного элемента необходимо использовать концентрированное солнечное излучение с максимальным значением плотности мощности 8 кВт/м2 в июле и 10 кВт/м2 в январе. В случае более низких и высоких этих величин необходима соответствующая термостабилизация рассматриваемого элемента. Также рассчитаны зависимости КПД, коэффициента заполнения и напряжения холостого хода от температуры стабилизации солнечного элемента, градиенты температур на границах раздела термоэлектрического слоя. Показано, что при выборе оптимальных значений термостабилизации эффективность предлагаемого солнечного элемента может составлять порядка 15 % и более.
Ключевые слова
Об авторах
А. К. ЕсманБеларусь
Адрес для переписки: Есман Александр Константинович – Белорусский национальный технический университет, просп. Независимости, 65, 220013, г. Минск, Республика Беларусь. Тел.: +375 17 331-00-50 ak_esman@bntu.by
Г. Л. Зыков
Беларусь
г. Минск
В. А. Потачиц
Беларусь
г. Минск
В. К. Кулешов
Беларусь
г. Минск
Список литературы
1. 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
2. Solar Cell Efficiency Tables (version 53) / M. A. Green [et al.] // Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 2019. Vol. 27. P. 3–12. https://doi.org/10.1002/pip.3102
3. Properties of Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells with New Record Efficiencies Up to 21.7 % / P. Jackson [et al.] // Phys. Status Solidi – Rapid Res. Lett. 2015. Vol. 9, Iss. 1. P. 28–31. https://doi.org/10.1002/pssr.201409520
4. Effects of Heavy Alkali Elements in Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells with Efficiencies Up to 22.6% / P. Jackson [et al.] // Phys. Status Solidi – Rapid Res. Lett. 2016. Vol. 10, Iss. 8. P. 583–586. https://doi.org/10.1002/pssr.201670747
5. Mandati, S. Pulsed Electrochemical Deposition of CuInSe2 and Cu(In,Ga)Se2 Semiconductor Thin-Films / S. Mandati, B. Sarada, S. R. Dey, S. V. Joshi // Semiconductors – Growth and Characterization. 2018. P. 109–132. https://doi.org/10.5772/intechopen.71857
6. Heriche, H. New Ultra Thin CIGS Structure Solar Cells Using SCAPS Simulation Program / H. Heriche, Z. Rouabah, N. Bouarissa // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42, Iss. 15. P. 9524–9532. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.02.099
7. Singh, P. Temperature Dependence of I V Characteristics and Performance Parameters of Silicon Solar Cell / P. Singh, S. N. Singh, M. Lal, M. Husain // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2008. Vol. 92, Iss. 12. P. 1611–1616. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2008.07.010
8. 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.
9. Analyze thermal effects with the Heat Transfer Module. COMSOL, Inc. USA. Режим доступа: https://www.comsol.com/heat-transfer-module (Дата доступа: 10.05.2019).
10. Моделирование тандемного тонкопленочного солнечного элемента на основе CuInSe2 / А. К. Есман [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2018. Т. 61, № 5. С. 385–395. https://doi.org/10.21122/1029-2018-61-5-385-395.
11. Есман, А. К. Моделирование характеристик солнечного элемента на основе CuInSe2 / А. К. Есман, Г. Л. Зыков, В. А. Потачиц // Приборостроение – 2018: материалы 11-й Междунар. Науч.-техн. конф., 14–16 ноября 2018 года, Минск, Республика Беларусь / Белорусский национальный технический университет; редкол.: О.К. Гусев [и др.]. Минск: БНТУ, 2018. С. 279–281.
12. Verschraegen, J. Numerical Modeling of Intraband Tunneling for Heterojunction Solar Cells in SCAPS / J. Verschraegen, M. Burgelman // Thin Solid Films. 2007. Vol. 515, Iss. 15. P. 6276–6279. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2006.12.049
13. Decock, K. Modelling Multivalent Defects in Thin-Film Solar Cells / K. Decock, S. Khelifi, M. Burgelman // Thin Solid Films. 2011. Vol. 519, Iss. 21. P. 7481–7484. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2010.12.039
14. 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. № 1 (26). С. 30–33.
Рецензия
Для цитирования:
Есман А.К., Зыков Г.Л., Потачиц В.А., Кулешов В.К. Моделирование тонкопленочных солнечных элементов со структурой халькопирита CuInSe2. Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2020;63(1):5-13. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-1-5-13
For citation:
Esman A.K., Zykov G.L., Potachits V.A., Kuleshov V.K. Simulation of Thin-Film Solar Cells with a CuInSe2 Chalcopyrite Structure. ENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations. 2020;63(1):5-13. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-1-5-13