Деградационные процессы в тонкопленочных солнечных элементах

• Автор: Зезин, Денис Анатольевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 129 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Основные типы солнечных элементов второго поколения и их надёжность
1.1. Основные типы солнечных элементов второго поколения
1.2. Деградации солнечных элементов на основе гидрогенезированного аморфного кремния
1.3. Деградация поликристаллических тонкоплёночных солнечных элементов
Выводы по главе
Постановка задач исследования
2. Деградация солнечных элементов на основе аморфных полупроводниковых пленок
2.1. Эксперимент и обработка экспериментальных данных
2.2. Предпосылки для построения модели
2.3. Построение модели темновой деградации
2.3. Расчеты
Выводы по главе
3. Деградация поликристаллических солнечных элементов
Выводы по главе
4. Метод учета деградации солнечных элементов при расчёте их надёжности
4.1. Классификация солнечных батарей по их надёжности
4.2. Оценка продолжительности жизненного цикла солнечной электростанции
Выводы по главе
Заключение
Литература
Приложения
Приложение 1. Ежегодная выработка энергии всеми электростанциями мира
Приложение 2. Таблица параметров образцов а-БиН до начала эксперимента
Приложение 3. Листинги расчётных программ
Листинги к главе
Листинги к главе
Листинг к главе

Введение
Актуальность темы.
Запасы минеральных ресурсов даже самых богатых стран не безграничны, поэтому вопрос создания источников энергии, альтернативных традиционным, весьма актуален. Современной науке известны несколько способов получения энергии с помощью возобновляемых источников, однако только потенциал солнечной энергетики может обеспечить наши текущие потребности в электроэнергии [1].
Солнечная энергетика сегодня вырабатывает примерно в 100 раз меньше чем традиционные источники [2] (см. приложение 1). Тем не менее, рост производства солнечных батарей в последние шесть лет хорошо описывается экспоненциальной зависимостью, в то время как рост традиционной энергетики линеен. Если темпы строительства солнечных электростанций останутся прежними, то уже к 2020 году производство электроэнергии солнечными батареями будет сравнимо с прогнозируемой выработкой традиционных электростанций. Проблема заключается в том, что увеличение мощностей с нуля до современных 90 ГВ потребовало больше 20 лет, при этом капитальные вложения (в пересчёте на один год) можно признать несущественными по сравнению с другими сферами деятельности человека. Иначе выглядит задача за оставшиеся 10 лет построить в 100 раз больше мощностей. Даже с учётом снижающейся стоимости солнечных батарей, к 2020 году суммарно нужно будет вложить около 10 трлн. $. И эта сумма, которую придётся изыскать только для покупки собственно солнечных батарей. С учётом транспортировки, монтажа, и стоимости сопутствующей электротехники придётся потратить в несколько раз больше. Кроме того, солнечные батареи занимают много места. Для строительства придётся выделить площадь примерно равную площади Великобритании (240000 кв. км), покупка земли также увеличит расходы. Очевидно, что такие траты не окажутся фатальными, если их распределить примерно до 2050 года. Тогда возникнет новая проблема: смогут ли те батареи, которые мы установили сейчас доработать до
2050 года без сбоев? Не произойдёт ли так, что достроив к 2050 году необходимое количество мощностей, мы обнаружим, что половина наших солнечных электростанций уже вышла из строя, ведь производители сейчас гарантируют в среднем 20 лет работы, при этом до момента отказа батареи гарантированно потеряют 10-20% мощности.
В этой связи, для дальнейшего развития солнечной энергетики необходимо с одной стороны обеспечить высокую надёжность солнечных батарей, которая позволит увеличить срок службы батареи и снизить затраты на производство солнечной энергии. С другой стороны необходимо внедрять энергоёмкие тонкоплёночные технологии, которые могли бы за сравнительно небольшое время обеспечить масштабное производство для покрытия больших площадей (например, технология roll to roll).
При проектировании солнечной электростанции необходимо не только произвести расчёты её максимальных электротехнических показателей, но и оценить потерю пиковой мощности электростанции, связанную с выходом из строя элементов системы. Поскольку строительство солнечных электростанций (СЭС) началось сравнительно недавно, то стандартных подходов оценки их времени жизни нет. В то же время, ошибки проекта на начальном этапе могут приводить к значительным трудностям, как на стадии строительства, так и эксплуатации станции.
В связи с этим, основная цель работы заключалась в выявлении основных процессов, приводящих к деградации тонкоплёночных солнечных элементов и батарей на их основе, их анализе, объяснении, и построении расчетных моделей, которые бы позволили оценить влияние конструктивно-технологических параметров и условий эксплуатации на деградацию солнечных элементов и длительность жизненного цикла солнечных электростанций.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:

Рис. 2.8. Зависимость плотности вероятности гауссового распределения от относительного изменения шунтирующего сопротивления солнечных элементов после их длительной выдержки в условиях солнечной засветки и в темноте
Средние значения для образцов, засвеченных в ходе эксперимента: 3975/4375 [Ом/см2], для образцов, не подвергавшихся засветке: 5612/5850 [Ом/см2].
На рис. 2.8. представлено изменение пиковой мощности образцов.
4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 15 16 17 18 19 21 24 25 26 27 28 29 31 32 33 34 35
Номер образца