RU2531768C1 - Double-sided solar photoconverter (versions) - Google Patents
Double-sided solar photoconverter (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2531768C1 RU2531768C1 RU2013120152/28A RU2013120152A RU2531768C1 RU 2531768 C1 RU2531768 C1 RU 2531768C1 RU 2013120152/28 A RU2013120152/28 A RU 2013120152/28A RU 2013120152 A RU2013120152 A RU 2013120152A RU 2531768 C1 RU2531768 C1 RU 2531768C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensitized
- mesostructures
- oxide
- solar
- conductive
- 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
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, а именно к устройствам для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую на основе сенсибилизированных металло-оксидных солнечных элементов. Наиболее успешно настоящее изобретение может быть применено в отдельно стоящих солнечных фотопреобразователях малой и средней площади для выработки электричества в условиях малого и диффузного освещения низкой интенсивности, в частности внутри помещения.The invention relates to the field of solar photovoltaics, and in particular to devices for the direct conversion of solar energy into electrical energy based on sensitized metal-oxide solar cells. Most successfully, the present invention can be applied in free-standing small and medium-sized solar photoconverters to generate electricity in low and diffuse low-intensity lighting conditions, in particular indoors.
В последнее десятилетие в мире сформировалась огромная быстро развивающаяся индустрия производства солнечных панелей, которая показывает ежегодный прирост ~40%. Так, мощность произведенных в 2011 г. 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 и солнечных элементов (СЭ). Наряду с развитием солнечной фотоэнергетики, ориентированной для работы с интенсивными потоками света на открытом пространстве (outdoor conditions), в последние годы важным направлением стало проведение адаптации СЭ для работы при низкой освещенности: в условиях затенения и при диффузной освещенности, в частности внутри помещения, где преобладает спектр отраженного света (indoor conditions).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 and solar cells (SC). Along with the development of solar photovoltaics, oriented to work with intense light flows in open space (outdoor conditions), in recent years, an important direction has been the adaptation of solar cells to work in low light: in shading and in diffuse lighting, in particular indoors, where the prevailing spectrum of reflected light (indoor conditions).
Эффективность работы СЭ в условиях стандартного прямого солнечного излучения (интенсивность освещения AM 1.5 или 1000 Вт/м2) определяется специально подбираемыми параметрами, которые не совпадают с характеристиками СЭ, ориентированных на работу в условиях низкой и диффузной освещенности (10-100 Вт/м2). Следует отметить, что в реальных условиях, в которых большую часть времени функционирует фотопреобразователь (ФП), расположенный на широте средней или северной Европы или средней полосы России, преобладает низкая и даже диффузная освещенность. 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).The efficiency of solar cells in standard direct sunlight (illumination intensity AM 1.5 or 1000 W / m 2 ) is determined by specially selected parameters that do not coincide with the characteristics of solar cells oriented to work in low and diffuse light conditions (10-100 W / m 2 ) It should be noted that in real conditions, in which the photoconverter (FP) is located most of the time, located at the latitude of central or northern Europe or central Russia, low and even diffuse illumination prevails. 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 ).
СЭ так называемого 3-го поколения на основе сенсибилизированных металло-оксидных (МО) мезоструктур в последние годы вызывают все больший интерес 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, при этом КПД преобразования света достигает 12%, что превышает эффективность тонкопленочных СЭ на основе аморфного кремния (~6-7%) и не уступает эффективности СЭ на основе микроморфного кремния.SC of the so-called 3rd generation based on sensitized metal oxide (MO) mesostructures in recent years have been of increasing interest due to their peculiarity to utilize solar energy with almost constant efficiency regardless of the light intensity in the range of 10-1000 W / m 2 , as well as regardless of the angle of incidence of light, that is, under diffuse illumination conditions, while the light conversion efficiency reaches 12%, which exceeds the efficiency of thin-film SCs based on amorphous silicon (~ 6-7%) and is not inferior to awns micromorph solar cells based on silicon.
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%.
Недостатком указанного известного сенсибилизированного МО СЭ является его использование 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 disadvantage of this known sensitized MO SE is its use 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.
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 a part of the solar spectrum with an emission intensity of AM1.5 (1000 W / m 2 ) in the spectral range of 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.
Главным недостатком этого известного тандемного ФП является использование им для выработки электричества только прямого потока фотонов, что не позволяет использовать полностью потенциальные возможности светового излучения. Недостатком является также 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.The main disadvantage of this well-known tandem AF is that it uses only the direct flux of photons to generate electricity, which does not allow using the full potential of light radiation. A disadvantage is also 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.
До последнего времени все известные ФП были односторонними - СЭ в них принимают свет только с одной стороны и только прямой поток фотонов, что в принципе не позволяет полностью использовать потенциальные возможности светового излучения и применять такие ФП в условиях низкой освещенности и в условиях диффузного освещения, в частности внутри помещения.Until recently, all known AFs were one-sided - SCs in them receive light only on one side and only a direct photon flux, which, in principle, does not allow to fully use the potential of light radiation and to use such AFs in low light conditions and in diffuse lighting particular indoor.
Лишь недавно появились объемные солнечные батареи (в отличие от обычных плоских), содержащие двусторонние кремниевые СЭ, см., например, RU 2446363, опубл. 27.03.2012. Двусторонние солнечные ФП на основе МО сенсибилизированных структур в настоящее время неизвестны.Only recently appeared voluminous solar cells (in contrast to conventional flat ones) containing bilateral silicon solar cells, see, for example, RU 2446363, publ. 03/27/2012. Bilateral solar AFs based on MO of sensitized structures are currently unknown.
В указанном патенте RU 2446363 предложена солнечная батарея, в которой кремниевые СЭ расположены внутри полого объема батареи и выполнены двусторонними. Во внутреннее пространство полого объема батареи направляется световой поток прямого солнечного излучения, по боковым поверхностям солнечной батареи установлены направляющие зеркала, которые направляют падающие на них солнечные лучи внутрь объема батареи, кроме того, на боковые поверхности и поверхности оснований солнечной батареи установлены полупрозрачные зеркала или пленки, образующие замкнутый объем. Внутреннее пространство объемной солнечной батареи заполняется воздухом (газом), который используют как для рассеяния солнечной энергии, так и для охлаждения элементов солнечной батареи до оптимальной температуры их функционирования.In said patent RU 2446363 a solar battery is proposed in which silicon solar cells are located inside the hollow volume of the battery and are double-sided. Luminous flux of direct solar radiation is directed into the interior of the hollow volume of the battery, guide mirrors are installed on the side surfaces of the solar battery, which direct the incident sunlight on them inside the battery, in addition, translucent mirrors or films are installed on the side surfaces and the bases of the solar battery forming a closed volume. The internal space of a volumetric solar battery is filled with air (gas), which is used both for the dissipation of solar energy and for cooling the solar cell elements to the optimum temperature of their functioning.
Данная объемная солнечная батарея позволит получать большее количество электрической энергии по сравнению с плоскими при одной и той же занимаемой площади поверхности, однако она, как и другие известные, предназначена для работы в условиях высокоинтенсивного прямого солнечного освещения, которое направляется во внутренний объем батареи, что исключает возможность работы системы в условиях низкой и диффузной освещенности. Кроме того, батарея отличается усложненной конструкцией.This volumetric solar battery will allow to receive a greater amount of electric energy compared to flat ones with the same occupied surface area, however, like other known ones, it is designed to operate in conditions of high-intensity direct sunlight, which is directed into the internal volume of the battery, which eliminates the ability to operate the system in low and diffuse lighting conditions. In addition, the battery has a complicated design.
Большой интерес представляет создание новых типов двусторонних солнечных ФП на основе сенсибилизированных МО СЭ, специально ориентированных на работу в условиях низкой интенсивности освещения и в условиях диффузного освещения, в частности внутри помещения.Of great interest is the creation of new types of bilateral solar AFs based on sensitized MO solar cells, which are specially oriented to work in conditions of low light intensity and in diffuse lighting conditions, in particular indoors.
Задачей заявляемого изобретения является разработка двустороннего солнечного ФП (вариантов), состоящего из СЭ на основе сенсибилизированных МО мезоструктур, который обеспечит увеличение эффективности преобразования световой энергии в электрическую как при высокой интенсивности излучения (AM1.5, 1000 Вт/м2), так и при низкой и диффузной освещенности, в том числе внутри помещения (с интенсивностью в пределах 10-100 Вт/м2). Заявляемый ФП должен отличаться также достаточно простой конструкцией.The objective of the invention is the development of a two-sided solar AF (options), consisting of SC based on sensitized MO mesostructures, which will increase the efficiency of conversion of light energy into electrical energy both at high radiation intensity (AM1.5, 1000 W / m 2 ), and at low and diffuse illumination, including indoors (with an intensity in the range of 10-100 W / m 2 ). The inventive FP should also differ in a fairly simple design.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:The solution to this problem is achieved by the proposed:
- двусторонним солнечным фотопреобразователем, содержащим два идентичных солнечных элемента на основе сенсибилизированных металло-оксидных мезоструктур, освещаемые поверхности которых ориентированы в противоположных направлениях, при этом оба солнечных элемента смонтированы на общем проводящем заднем контакте из гибкой металлической основы с нанесенным на обе ее поверхности проводящим покрытием, а верхние проводящие контакты представляют собой гибкие полимерные прозрачные пленки с нанесенным на них проводящим прозрачным покрытием.- a two-sided solar photoconverter containing two identical solar cells based on sensitized metal oxide mesostructures, the illuminated surfaces of which are oriented in opposite directions, while both solar cells are mounted on a common conductive rear contact made of a flexible metal base with a conductive coating deposited on both surfaces, and the upper conductive contacts are flexible polymer transparent films with a conductive transparent coating applied to them eat.
Сенсибилизированные металло-оксидные мезоструктуры нанесены на проводящее прозрачное покрытие на полимерных прозрачных пленках.Sensitized metal-oxide mesostructures are deposited on a conductive transparent coating on polymer transparent films.
В качестве сенсибилизированных металло-оксидных мезоструктур для обоих идентичных солнечных элементов могут использоваться сенсибилизированные нанокристаллические металло-оксиды, выбранные из группы: диоксид титана, оксид цинка, оксид никеля, оксид железа или их смеси.As sensitized metal oxide mesostructures for both identical solar cells, sensitized nanocrystalline metal oxides selected from the group: titanium dioxide, zinc oxide, nickel oxide, iron oxide, or mixtures thereof can be used.
В качестве сенсибилизированных металло-оксидных мезоструктур для обоих идентичных солнечных элементов могут использоваться сенсибилизированные мезоструктуры диоксида титана толщиной 5-15 мкм, состоящие из наночастиц диоксида титана среднего размера 10-100 нм.As sensitized metal oxide mesostructures for both identical solar cells, sensitized mesostructures of titanium dioxide 5-15 μm thick consisting of titanium dioxide nanoparticles of an average size of 10-100 nm can be used.
Диоксид титана может быть сенсибилизирован органическим красителем.Titanium dioxide can be sensitized with an organic dye.
Общий проводящий задний контакт может быть выполнен из металлической фольги с нанесенным на обе ее поверхности слоем платины толщиной 20-30 нм или слоем углеродных нанотрубок толщиной 30-300 нм.The common conductive back contact can be made of metal foil with a platinum layer 20-30 nm thick or a layer of carbon nanotubes 30-300 nm thick deposited on both its surfaces.
Проводящее прозрачное покрытие на полимерных прозрачных пленках может быть выполнено из оксида олова, допированного фтором или индием.The conductive transparent coating on polymer transparent films can be made of tin oxide doped with fluorine or indium.
- двусторонним солнечным фотопреобразователем, содержащим два идентичных солнечных элемента на основе сенсибилизированных металло-оксидных мезоструктур, освещаемые поверхности которых ориентированы в противоположных направлениях, при этом оба солнечных элемента смонтированы на общем проводящем заднем контакте из стеклянной пластины, с нанесенным на обе ее поверхности проводящим покрытием, а верхние проводящие контакты представляют собой стеклянные пластины с нанесенным на них проводящим прозрачным покрытием.- a two-sided solar photoconverter containing two identical solar cells based on sensitized metal-oxide mesostructures, the illuminated surfaces of which are oriented in opposite directions, while both solar cells are mounted on a common conductive rear contact from a glass plate with a conductive coating applied to both surfaces, and the upper conductive contacts are glass plates coated with a conductive transparent coating.
Сенсибилизированные металло-оксидные мезоструктуры нанесены на проводящее прозрачное покрытие на стеклянных пластинах, используемых в качестве верхних проводящих контактов.Sensitized metal oxide mesostructures are deposited on a transparent conductive coating on glass plates used as upper conductive contacts.
В качестве сенсибилизированных металло-оксидных мезоструктур для обоих идентичных солнечных элементов могут использоваться сенсибилизированные нанокристаллические металло-оксиды, выбранные из группы: диоксид титана, оксид цинка, оксид никеля, оксид железа или их смеси.As sensitized metal oxide mesostructures for both identical solar cells, sensitized nanocrystalline metal oxides selected from the group: titanium dioxide, zinc oxide, nickel oxide, iron oxide, or mixtures thereof can be used.
В качестве сенсибилизированных металло-оксидных мезоструктур для обоих идентичных солнечных элементов могут использоваться сенсибилизированные мезоструктуры диоксида титана толщиной 5-15 мкм, состоящие из наночастиц диоксида титана среднего размера 10 - 100 нм.As sensitized metal oxide mesostructures for both identical solar cells, sensitized mesostructures of titanium dioxide 5-15 μm thick consisting of titanium dioxide nanoparticles of average size 10-100 nm can be used.
Диоксид титана может быть сенсибилизирован органическим красителем.Titanium dioxide can be sensitized with an organic dye.
Проводящее покрытие, нанесенное на обе поверхности стеклянной пластины, используемой в качестве общего проводящего заднего контакта, может быть выполнено из слоя платины толщиной 20-30 нм или слоя углеродных нанотрубок толщиной 30-300 нм.A conductive coating applied to both surfaces of a glass plate used as a common conductive back contact can be made of a platinum layer 20-30 nm thick or a layer of carbon nanotubes 30-300 nm thick.
Проводящее прозрачное покрытие на стеклянных пластинах, используемых в качестве верхних проводящих контактов, может быть выполнено из оксида олова, допированного фтором или индием.The conductive transparent coating on glass plates used as top conductive contacts may be made of tin oxide doped with fluorine or indium.
Толщина слоя мезоструктур диоксида титана или другого МО, размеры нанокристаллов МО и технология формирования мезоструктур подобраны таким образом, чтобы обеспечить эффективную работу предлагаемого ФП (вариантов) как при высокой интенсивности излучения (AM1.5, 1000 Вт/м2), так и при низкой и диффузной освещенности, в частности внутри помещения, где интенсивность светового потока находится в пределах 10-100 Вт/м2.Mesostructures layer thickness of titanium dioxide or other MO, MO nanocrystals size and technology of mesostructures selected so as to ensure effective operation of the proposed OP (embodiment) as in a high radiation intensity (AM1.5, 1000 W / m 2) and at a low and diffuse illumination, in particular indoors, where the intensity of the light flux is in the range of 10-100 W / m 2 .
На фиг.1 представлена блок схема для двух вариантов заявляемого двустороннего солнечного ФП - первый вариант смонтирован на гибкой проводящий основе, второй - на стеклянных проводящих подложках.Figure 1 presents a block diagram for two variants of the inventive two-sided solar AF - the first option is mounted on a flexible conductive base, the second on glass conductive substrates.
В предлагаемом двустороннем солнечном ФП (вариантах) имеется идентичная с обеих сторон конструкция двух СЭ, ориентированных в противоположных направлениях. Свет на оба СЭ падает либо через гибкие прозрачные полимерные пленки 1 (вариант 1), либо через стеклянные подложки 1 (вариант 2), при этом и пленки, и стеклянные подложки покрыты прозрачным проводящим слоем оксида олова 2, допированного фтором (FTO: fluoride tin oxide) или индием (ITO: indium tin oxide), и являются верхними проводящими контактами. Затем свет поступает на слой мезоструктур металло-оксида 3, сенсибилизированного органическим красителем, нанесенный на прозрачный проводящий слой верхних проводящих контактов. Оба идентичных СЭ смонтированы на общем заднем несущем контакте 4, выполненном либо из металлической фольги, покрытой с двух сторон тонким проводящим слоем 5 из платины или углеродных нанотрубок (вариант 1), либо в виде стеклянной подложки, покрытой с двух сторон тонким проводящим слоем 5 из платины или углеродных нанотрубок (вариант 2). Слой сенсибилизированных мезоструктур металло-оксида 3 примыкает к проводящим слоям 5 общего заднего несущего контакта 4.In the proposed two-sided solar FP (options), there is an identical design on both sides of two solar cells oriented in opposite directions. Light falls on both SCs either through flexible transparent polymer films 1 (option 1) or through glass substrates 1 (option 2), while both films and glass substrates are coated with a transparent conductive layer of
Пример.Example.
Функционирование предлагаемого двустороннего солнечного ФП было испытано на изготовленном лабораторном образце, состоящем из двух идентичных МО СЭ, смонтированных на общем заднем контакте. В каждом из СЭ верхний прозрачный контакт был выполнен из прозрачной в видимой области спектра полимерной пленки, покрытой со стороны объема СЭ проводящим слоем оксида олова, допированного фтором (FTO), толщиной 30 нм с удельной электропроводностью 10 Ом·см. На поверхности проводящего слоя был сформирован слой МО мезоструктур, состоящий из наночастиц диоксида титана (TiO2) размером 20-30 нм и толщиной около 10 мкм. В мезоскопическом слое отдельные наночастицы ТЮ2 имели между собой электрический контакт и образовывали пористую структуру с размерами пор около 20 нм. Поверхность мезопористой структуры была покрыта монослоем молекул сенсибилизатора N719 (DYESOL, Австралия), абсорбирующего световое излучение в диапазоне 400-700 нм. Пространство мезослоя заполнялось йод-содержащим электролитом, сам мезопористый слой обоих СЭ примыкал к общему заднему контакту ФП, выполненному из гибкой металлической фольги (алюминий), поверхность которой с обеих сторон была покрыта напыленным проводящим слоем платины толщиной 20 нм.The functioning of the proposed two-sided solar AF was tested on a manufactured laboratory sample consisting of two identical MO solar cells mounted on a common rear contact. In each SC, the upper transparent contact was made of a polymer film transparent in the visible spectral region, coated on the side of the SC volume with a conductive layer of tin oxide doped with fluorine (FTO), 30 nm thick with a conductivity of 10 Ohm · cm. An MO layer of mesostructures consisting of titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticles with a size of 20-30 nm and a thickness of about 10 μm was formed on the surface of the conductive layer. In the mesoscopic layer, individual TU2 nanoparticles were in electrical contact with each other and formed a porous structure with pore sizes of about 20 nm. The surface of the mesoporous structure was covered with a monolayer of molecules of the sensitizer N719 (DYESOL, Australia), absorbing light radiation in the range 400-700 nm. The space of the mesolayer was filled with an iodine-containing electrolyte, the mesoporous layer of both SCs adjoined the common back contact of the FP made of a flexible metal foil (aluminum), the surface of which was coated on both sides with a sprayed conductive layer of platinum with a thickness of 20 nm.
При освещении поверхностей СЭ двустороннего ФП в объеме слоя МО мезоструктур 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 верхним контактам СЭ. Роль электролита в объеме мезопористой структуры заключается в восполнении носителей заряда в молекулах красителя через редокс-пару от заднего контакта СЭ, выполненного из платины. Подключение нагрузки осуществляется через верхний и нижний проводящие контакты. Предлагаемый двусторонний солнечный ФП показал высокую эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую при высокой и низкой интенсивности освещенности.When illuminating the surfaces of FEs of a two-sided phase transition in the volume of the MO layer of mesostructures, the process involves the capture of light quanta by sensitizer molecules, electron transfer from the ground to the excited state of the sensitizer molecule, and, as the next stage, electron transfer from the sensitizer molecule to the conduction band of titanium dioxide. Next, diffusion electron transfer occurs through the bulk of the mesolayer to the upper contacts of the solar cells. The role of the electrolyte in the volume of the mesoporous structure is to replenish the charge carriers in the dye molecules through a redox pair from the back contact of the SC made of platinum. The load is connected via the upper and lower conductive contacts. The proposed two-sided solar AF has shown high efficiency in converting solar energy into electrical energy at high and low light intensities.
На фиг.2 приведена вольт-амперная (В-А) характеристика предлагаемого двустороннего МО ФП площадью 1 см2 при его освещении с обеих сторон светом интенсивностью 50 Вт/м2. Приведенная В-А характеристика показывает, как изменяется величина плотности фототока для каждого из двух СЭ двустороннего ФП в зависимости от приложенного напряжения. Приведена также В-А характеристика для суммарной величины плотности фототока от обоих СЭ двустороннего ФП. Полученные данные позволяют вычислить коэффициент полезного действия (КПД) предлагаемого ФП - один из наиболее важных показателей ФП, характеризующий эффективность преобразования света, которая определяется отношением получаемой от ФП электрической мощности к мощности падающего на его СЭ светового излучения и выражается в %. КПД предлагаемого двустороннего ФП, когда каждая из сторон освещается светом интенсивностью 50 Вт/м2, составляет 4,2%. Параметры представленной В-А характеристики свидетельствует о том, что предлагаемый двусторонний ФП показывает высокое значение плотности фототока в условиях низкой освещенности, то есть в таких условиях, в которых у других известных типов ФП плотность фототока значительно уменьшается, следствием чего является пропорциональное понижение КПД. В-А характеристика получена в условиях, моделирующих двустороннее освещение МО СЭ интенсивностью 50 Вт/м, что соответствует диффузному режиму освещения преимущественно отраженным светом внутри помещения. Относительно высокие значения полученных параметров В-А характеристики свидетельствуют о перспективности использования предлагаемого двустороннего МО ФП для работы внутри помещения.Figure 2 shows the volt-ampere (VA) characteristic of the proposed two-sided MO FP 1 cm 2 when it is illuminated on both sides by light with an intensity of 50 W / m 2 . The BA characteristic shown shows how the photocurrent density for each of the two SCs of a two-sided phase varies depending on the applied voltage. The BA characteristic is also given for the total photocurrent density from both SCs of a two-sided phase transition. The data obtained allow us to calculate the efficiency (efficiency) of the proposed FP - one of the most important indicators of the FP, characterizing the efficiency of light conversion, which is determined by the ratio of the electric power received from the FP to the power of the light radiation incident on its SC and expressed in%. The efficiency of the proposed two-way AF, when each side is illuminated with light with an intensity of 50 W / m 2 , is 4.2%. The parameters of the presented BA characteristic indicate that the proposed two-sided phase transition shows a high photocurrent density in low light conditions, that is, under conditions in which other known types of phase transition density significantly decrease, resulting in a proportional decrease in efficiency. The VA characteristic was obtained under conditions simulating the two-sided illumination of MO solar cells with an intensity of 50 W / m, which corresponds to the diffuse illumination regime mainly by reflected light indoors. The relatively high values of the obtained VA characteristics indicate the prospects of using the proposed two-sided MO FP for indoor use.
СЭ на основе кремния обладают высокой эффективностью преобразования солнечной энергии только при прямом световом воздействии и высоких интенсивностях освещения - не ниже 1000 Вт/м2. При уменьшении освещенности КПД кремниевых ФП резко падает. На фиг.3 представлены сравнительные данные, которые демонстрируют степень уменьшения КПД с уменьшением интенсивности освещения для кремниевого ФП и для предлагаемого МО ФП. Представленные зависимости наглядно демонстрируют преимущества МО СЭ по сравнению с кремниевыми СЭ при функционировании ФП в условиях низкой освещенности. Так, в условиях низкой освещенности интенсивностью 10 Вт/м2 относительная эффективность предлагаемого МО ФП почти в 2 раза превышает эффективность ФП на основе кремния.Silicon-based solar cells have high solar energy conversion efficiency only under direct light exposure and high illumination intensities - not lower than 1000 W / m 2 . With decreasing illumination, the efficiency of silicon phase transitions decreases sharply. Figure 3 presents comparative data that demonstrate the degree of decrease in efficiency with a decrease in the intensity of illumination for silicon FP and for the proposed MO FP. The presented dependences clearly demonstrate the advantages of MO solar cells as compared to silicon solar cells under the operation of phase transitions in low light conditions. So, in low light conditions with an intensity of 10 W / m 2, the relative efficiency of the proposed MO FP is almost 2 times higher than the efficiency of a silicon-based FP.
Таким образом, предлагаемый двусторонний солнечный ФП (варианты) на основе сенсибилизированных МО СЭ обеспечивает прямое преобразование световой энергии в электрическую с высокой эффективностью как при высокой интенсивности излучении (AM1.5, 1000 Вт/м2), так и при низкой и диффузной освещенности, в том числе внутри помещения (с интенсивностью в пределах 10-100 Вт/м2), и отличается достаточно простой конструкцией.Thus, the proposed two-sided solar AF (options) based on sensitized MO SC provides direct conversion of light energy into electrical energy with high efficiency both at high radiation intensity (AM1.5, 1000 W / m 2 ), and at low and diffuse illumination, including indoors (with an intensity in the range of 10-100 W / m 2 ), and has a fairly simple design.
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013120152/28A RU2531768C1 (en) | 2013-05-06 | 2013-05-06 | Double-sided solar photoconverter (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013120152/28A RU2531768C1 (en) | 2013-05-06 | 2013-05-06 | Double-sided solar photoconverter (versions) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2531768C1 true RU2531768C1 (en) | 2014-10-27 |
Family
ID=53382104
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013120152/28A RU2531768C1 (en) | 2013-05-06 | 2013-05-06 | Double-sided solar photoconverter (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2531768C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2626752C1 (en) * | 2016-04-26 | 2017-07-31 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Tandem metal oxide solar element |
RU190887U1 (en) * | 2019-05-24 | 2019-07-16 | федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук" | SOLAR ELEMENT BASED ON PLATE NANOCRYSTALS (AL, GA) AS WITH TRANSVERSE HETERO-TRANSMISSIONS |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4927721A (en) * | 1988-02-12 | 1990-05-22 | Michael Gratzel | Photo-electrochemical cell |
US20070062576A1 (en) * | 2003-09-05 | 2007-03-22 | Michael Duerr | Tandem dye-sensitised solar cell and method of its production |
UA55862U (en) * | 2010-06-24 | 2010-12-27 | Александр Викторович Корнараки | Double-sided solar collector with liquid absorber |
RU2446363C2 (en) * | 2009-10-19 | 2012-03-27 | Магомедриза Салихович Гамидов | Method and device for creation of high-efficiency solar battery (versions) |
RU2468305C1 (en) * | 2011-05-27 | 2012-11-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Аккорд" | Solar module |
-
2013
- 2013-05-06 RU RU2013120152/28A patent/RU2531768C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4927721A (en) * | 1988-02-12 | 1990-05-22 | Michael Gratzel | Photo-electrochemical cell |
US20070062576A1 (en) * | 2003-09-05 | 2007-03-22 | Michael Duerr | Tandem dye-sensitised solar cell and method of its production |
RU2446363C2 (en) * | 2009-10-19 | 2012-03-27 | Магомедриза Салихович Гамидов | Method and device for creation of high-efficiency solar battery (versions) |
UA55862U (en) * | 2010-06-24 | 2010-12-27 | Александр Викторович Корнараки | Double-sided solar collector with liquid absorber |
RU2468305C1 (en) * | 2011-05-27 | 2012-11-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Аккорд" | Solar module |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2626752C1 (en) * | 2016-04-26 | 2017-07-31 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Tandem metal oxide solar element |
RU190887U1 (en) * | 2019-05-24 | 2019-07-16 | федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук" | SOLAR ELEMENT BASED ON PLATE NANOCRYSTALS (AL, GA) AS WITH TRANSVERSE HETERO-TRANSMISSIONS |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Selvaraj et al. | Enhancing the efficiency of transparent dye-sensitized solar cells using concentrated light | |
Yang et al. | Photoelectric conversion beyond sunny days: all-weather carbon quantum dot solar cells | |
Saeed et al. | Recent developments in dye-sensitized photovoltaic cells under ambient illumination | |
JP2001148491A (en) | Photoelectric conversion element | |
Liu et al. | Integration of photoelectrochemical devices and luminescent solar concentrators based on giant quantum dots for highly stable hydrogen generation | |
Zhou et al. | Semi-transparent Cl-doped perovskite solar cells with graphene electrodes for tandem application | |
Peng et al. | Waveguide fiber dye-sensitized solar cells | |
Peng et al. | Integration of fiber dye-sensitized solar cells with luminescent solar concentrators for high power output | |
Lai et al. | Dual functional YVO4: Eu3+, Bi3+@ SiO2 submicron-sized core–shell particles for dye-sensitized solar cells: light scattering and downconversion | |
Jagtap et al. | Performance of N3 sensitized titania solar cell under artificial light ambience | |
Peng et al. | Influence of ZnO nano-array interlayer on the charge transfer performance of quantum dot sensitized solar cells | |
CN102915852A (en) | Dye-sensitized solar cell structure and preparation method thereof | |
Seo et al. | The fabrication of efficiency-improved W-series interconnect type of module by balancing the performance of single cells | |
Lai et al. | Enhanced omnidirectional light harvesting in dye-sensitized solar cells with periodic ZnO nanoflower photoelectrodes | |
Mohamed et al. | Factors affect dye sensitized solar cells performance | |
RU2531768C1 (en) | Double-sided solar photoconverter (versions) | |
Chander et al. | Comparison of different types of solar cells–a review | |
Singh et al. | Solar radiation and light materials interaction | |
RU2531767C1 (en) | Tandem solar photoconverter | |
US20100154880A1 (en) | Dye-sensitized solar cell, anode thereof, and method of manufacturing the same | |
Shital et al. | Monte Carlo simulation for optimization of a simple and efficient bifacial DSSC with a scattering layer in the middle | |
Alfa et al. | Fabrication and Characterisation of Titanium Dioxide Based Dye Sensitized Solar Cell using Flame of the Forest Dye | |
Gao et al. | Light engineering for bifacial transparent perovskite solar cells with high performance | |
CN202949381U (en) | Photovoltaic cell device for photovoltaic solar building integration | |
Van Roosmalen | Molecular-based concepts in PV towards full spectrum utilization |