Кратко и по делу — сначала физика, затем влияние спектра на разные технологии и практические шаги.
1) Почему КПД падает при нагреве — основные механизмы
- Общее: мощность модуля $P=V_{oc}{I}_{sc}FF$. Температурный эффект в первую очередь через $V_{oc}$.
- Открытое напряжение: приблизительно
$$V_{oc}\approx \frac{kT}{q}\ln \left(\frac{I_{ph}}{I_0}\right),$$ где $I_{ph}$ — фототок, $I_0$ — обратный насыщающий ток, $k$ — постоянная Больцмана, $q$ — заряд электрона. При увеличении $T$ $I_0$ растёт экспоненциально, поэтому $V_{oc}$ падает.
- Ток короткого замыкания $I_{sc}$ слабо растёт с $T$ (увеличение генерации и увеличенное поглощение), но эффект мал по сравнению с падением $V_{oc}$.
- Заполнение (FF) тоже обычно снижается при нагреве из‑за уменьшения $V_{oc}$ и увеличения сопротивлений.
- Итог: мощность уменьшается примерно линейно: для малых $\Delta T$ $$\Delta P\approx P\cdot {\alpha }_P\Delta T,$$ где типичный температурный коэффициент ${\alpha }_P$ зависит от технологии (см. ниже).
- Дополнительные мелкие эффекты: увеличение рекомбинации (термическая активация ловушек), уменьшение ширины запрещённой зоны $E_g$ (Varshni):
$$E_g(T)=E_g(0)-\frac{\alpha T^2}{T+\beta },$$ что смещает краевой отсечный спектр и влият на $V_{oc}$ и $I_{sc}$.
2) Типичные температурные коэффициенты (приблизительно)
- кристаллический кремний (c‑Si): ${\alpha }_P\approx -0.3\%÷-0.5\%{/}^{\circ }C$.
- CIGS: $\approx -0.2\%÷-0.4\%{/}^{\circ }C$.
- CdTe: $\approx -0.2\%÷-0.3\%{/}^{\circ }C$.
- GaAs / высокоэффективные III–V: гораздо меньший (порядка $-0.03\%÷-0.1\%{/}^{\circ }C$).
- Перовскиты: варьируют, обычно лучше c‑Si (меньше по модулю), но нестабильны.
3) Как изменения спектра влияют на разные фотоэлементы — физика
- Основная формула для фототока:
$$I_{sc}=q\int \Phi (\lambda )EQE(\lambda )d\lambda ,$$ где $\Phi (\lambda )$ — спектральный поток фотонов, $EQE(\lambda )$ — внешняя квантовая эффективность.
- Важные факторы спектра:
- смещение краснее (утро/вечер, большой воздуховой путь, облачность) уменьшает долю коротковолновых фотонов; это выгодно для низкозонных (узкозонных) материалов, которые собирают NIR (c‑Si, CIGS), хуже для высокозонных (CdTe, GaAs, перовскит с большим $E_g$), т.к. уменьшается энергия на фотонах и частично уменьшается фотоэффект в видимой.
- спектральное насыщение NIR увеличивает $I_{sc}$ у c‑Si (порог ~$E_g\approx 1.12$ eV, ${\lambda }_g\approx 1100$ nm). Материалы с $E_g$ выше (CdTe $\sim 1.45$ eV, GaAs $\sim 1.43$ eV) отсекают NIR и выигрывают при голубом/видимом спектре.
- облачность и диффузный свет меняют соотношение прямого/диффузного и спектр (диффузный часто более коротковолновый из‑за рассеяния), что может относиться по‑разному к материалам.
- Следствие: разные технологии по‑разному реагируют на сезонные/суточные сдвиги спектра; при рассвете/закате c‑Si относительно выигрывает за счёт NIR, CdTe/ GaAs — при ярком голубом дневном солнце.
4) Практические решения для улучшения суммарной выработки (при сезонных/суточных изменениях спектра и температуры)
Приоритеты (экономика и простота → сложные решения):
- Конструкторские/монтажные
- обеспечить хорошую вентиляцию под панелями: увеличить зазор, использовать стояки/кронштейны — снижает рабочую температуру на $5÷15^{\circ }C$ и даёт выигрыш примерно $|{\alpha }_P|\times \Delta T$ (например $\Delta T=10^{\circ }C$ → ~4% для c‑Si).
- оптимальный угол наклона и ориентировка; в климатах с много рассветно‑закатной выработки — увеличить наклон для лучшего сбора низкого солнца.
- чистка и предотвращение загрязнений (пыль увеличивает поглощение и локальный нагрев).
- Технологические и системные
- выбирать модуль с меньшим температурным коэффициентом для горячего климата (thin‑film, GaAs, некоторые CIGS/CdTe модули).
- использовать двунаправленные (bifacial) панели + повышение альбедо (светлая кровля), что повышает долю диффузного и отражённого света.
- трекеры (односоединный/двухосный) — особенно эффективны там, где прямой компонент доминирует; уменьшают влияние утренне‑вечернего спектрального смещения на проекцию.
- модульная оптимизация MPPT/микроинверторы — улучшает сбор при неоднородной температуре и спектре (частые частичные затенения, разный угол падения).
- Тепловые решения
- пассивное охлаждение (алюминиевый радиатор, увеличенная конвекция), активное охлаждение (водяное или воздушное) — эффективны, но требуют экономического обоснования; PV‑T (комбинация фото и тепла) даёт суммарную энергию полезнее в системах с нуждой в тепле.
- использование фазовых переходных материалов (PCM) для нивелирования пиковых температур (редко коммерчески оправдано).
- Оптические и материал‑ориентированные меры
- антиотражающие покрытия и текстурирование для улучшения EQE в нужных диапазонах (оптимизировать под тип климата: больше на NIR или на видимый).
- спектральное разделение / тандемные ячейки (перовскит/Si) — радикально повышают суммарную эффективность и уменьшают чувствительность к спектральным сдвигам, но дороже и сложнее.
- Мониторинг и управление
- мониторинг температуры и спектра на площадке; адаптивный MPPT и прогнозирование (использовать прогноз погоды/спектра для управления трекером или направлением).
- проектирование с учётом сезонной выработки (выбор модуля по суммарной годовой выработке, а не только по STC).
5) Практическая оценка эффекта охлаждения
- Примерный расчёт: модуль c‑Si с ${\alpha }_P=-0.4\%{/}^{\circ }C$, рабочая температура без вентиляции $T_{op}=60^{\circ }C$, при лучшей вентиляции $T_{op}=45^{\circ }C$ → $\Delta T=-15^{\circ }C$ → относительный выигрыш $\approx 0.4\%\times 15=6\%$ в энергии.
6) Короткие рекомендации на практике
- Для тёплого климата: ставьте панели выше от кровли для конвекции, выбирайте модули с низким $|{\alpha }_P|$ (thin‑film/CIGS/CdTe), используйте bifacial + повышенное альбедо.
- Для мест с переменной облачностью/диффузным светом: модули с хорошей EQE в видимой (CdTe, перовскит, GaAs) и MPPT на уровне модулей.
- Для максимальной годовой выработки: оптимизируйте сочетание вентиляции, ориентации, очистки и современного трекинга/электроники; при возможности рассмотрите тандемные решения или PV‑T.
Если нужно, могу дать конкретные числа для вашего региона/крыши (оценка потерь по температуре и спектру, выбор типа модулей и окупаемость охлаждения) — пришлите климатические данные и параметры установки.