Высокоэффективные фотоэнергосистемы на основе каскадных солнечных батарей

Истощение ископаемых энергетических ресурсов и значительное загрязнение планеты при использовании традиционных источников энергии на электростанциях приводят к необходимости более широкого использования возобновляемых источников энергии, в первую очередь, солнечной энергии. В 2012 году общая мощность установленных в мире солнечных батарей превысила знаковый рубеж 100 ГВт. А уже по итогам 2016 года полная установленная мощность фотоэнергетики в мире составляла более 300 ГВт. Такой быстрый рост солнечной энергетики определяется государственной поддержкой, повышением энергоэффективности и снижением себестоимости производства фотоэлектрических модулей. Благодаря этому солнечная энергетика достигла в ряде регионов мира конкурентоспособности (паритета) с сетевой электроэнергией без дополнительных мер государственной поддержки. Не менее актуальной является проблема повышения эффективности и ресурса работы космических солнечных батарей нового поколения для повышения обороноспособности страны, выполнения программ космических исследований и развития космических технологий – одного из приоритетов технологического прорыва РФ.Перед исследователями и разработчиками солнечных батарей стоит задача повышения конкурентоспособности солнечной энергетики. Имеется несколько путей решения этой задачи. В разрабатываемых в проекте фотоэнергосистемах на основе каскадных солнечных батарей снижение стоимости «солнечного» электричества достигается за счет увеличения КПД батарей, за счет снижения количества полупроводникового материала при использовании систем концентрирования света и за счет увеличения суточного энергосъема, обеспечиваемого системами слежения за Солнцем. Предлагаемые в проекте подходы основаны на разработке и создании высокоэффективных каскадных солнечных элементов с КПД более 40% совместно с системами концентрирования солнечного излучения. Использование линз Френеля с кратностью концентрирования более 500 крат позволяет пропорционально снизить расход полупроводникового материала, доля которого в общей стоимости оказывается менее 10%. Время, за которое солнечная батарея на основе каскадных концентраторных батарей произведет столько же энергии, сколько было затрачено на ее создание, составляет менее одного года, что в несколько раз меньше, чем в случае кремниевых батарей. Использование концентраторных солнечных батарей с установками слежения за Солнцем позволяет в разы увеличить суточный энергосъем с единицы площади батарей. Лучшая температурная стабильность и слежение за положением Солнца обеспечивают увеличение на 25-30% количества электроэнергии, вырабатываемой каскадными солнечными батареями, по сравнению с кремниевыми батареями. Важным является повышение энергоэффективности и ресурса работы космических солнечных батарей на основе каскадных солнечных элементов и фотоэлектрических модулей на их основе с концентраторами солнечного излучения. Наиболее перспективным путем решения этих задач является разработка технологии каскадных солнечных батарей.Новым является создание GaInAs субэлемента с произвольной шириной запрещенной зоны с соответствующим сдвигом длинноволнового края фоточувствительности в ИК область спектра. Для решения этой задачи будут выполнены исследования путей создания методом МОС-гидридной эпитаксии совершенных метаморфных буферных слоев GaInAs на GaAs подложках со сниженной концентрацией прорастающих в фотоактивную область дислокаций и увеличенной эффективностью собирания неосновных носителей тока, генерированных светом в p-n переходах на основе GaInAs слоев. Имеется перспектива для дальнейшего увеличения КПД при разработке структур ФЭП с количеством каскадов более трех. Будут достигнуты реальные значения КПД фотоэлектрического преобразования концентрированного солнечного излучения более 45% в 4-каскадных гетероструктурах. Будет достигнуто увеличение КПД и радиационной стойкости каскадных солнечных элементов для космических солнечных батарей, в том числе, на основе фотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения. Будет достигнута удельная мощность до 400 Вт/м2 и срок активной работы на околоземных орбитах более 20 лет.Будет выполнен комплекс исследований структур и технологий, обеспечивающих снижение резистивных и оптических потерь в солнечных элементах, работающих при сверхвысоких интенсивностях солнечного излучения, концентрированного до 500-1000 крат. Будут исследованы и разработаны структуры и технологии новых типов антиотражающих покрытий, обеспечивающих снижение коэффициента отражения на фотоактивной поверхности солнечного элемента до величины менее 1%. Будут исследованы и разработаны новые методы изготовления защитных покрытий на чипах солнечных элементов, работающих в экстремальных условиях облучения концентрированным солнечным излучением.Будет достигнуто повышение оптической эффективности концентраторов солнечного излучения, что необходимо для повышения общей энергоэффективности фотоэлектрических модулей на основе каскадных солнечных элементов и концентраторов (линз Френеля) солнечного излучения. Будет осуществлено согласование характера распределения облученности, определяемого аберрационными эффектами в линзе Френеля, с параметрами субэлементов в каскадном солнечном элементе. Будут разработаны вторичные концентрирующие элементы, необходимые для расширения функциональных возможностей фотоэлектрических установок с концентраторными модулями в части снижения требований к точности ориентации в направлении на Солнце.Будут созданы установки с улучшенной точностью слежения за Солнцем (трекеров), что необходимо при использовании каскадных солнечных батарей на основе фотоэлектрических модулей с концентраторами излучения. Будут созданы установки для исследования и характеризации каскадных солнечных элементов, концентраторных фотоэлектрических модулей и солнечных батарей на их основе. Будет создана элементная база для устройств мониторинга фотоэнергосистем и для создания интеллектуальных систем управления потоком энергии в локальных энергосистемах.