Кратко и по существу — какие микропроцессы уменьшают КПД при нагреве и какие методы терморегулирования для концентрированных СЭС наиболее перспективны.
Почему КПД падает при повышении температуры (микроскопические механизмы)
- Уменьшение разности энергетических зон (сужение запрещённой зоны): при увеличении $T$ ширина запрещённой зоны $E_g$ снижается, что повышает тёмный ток и снижает максимальное напряжение. Приблизительно $I_0$ растёт как
$$I_0\propto T^3{e}^{-E_g/(kT)},$$ а открытое напряжение подставочно задаётся
$$V_{oc}\approx \frac{kT}{q}\ln (\frac{I_{ph}}{I_0}+1).$$ Рост $I_0$ и множитель $kT/q$ приводят к заметному падению $V_{oc}$ (основной вклад в потерю КПД).
- Увеличение рекомбинации:
- Shockley–Read–Hall (SRH): заполнение и термальная активизация ловушек делает SRH-рекомбинацию эффективнее при повышенной $T$.
- Аугер-рекомбинация: при высоких уровнях инжекции (концентраторы) скорость Аугера растёт сильно ($R_{Auger}$ масштабируется как функции больших концентраций носителей, примерно $\propto n^{2}p$ или $\propto n^3$ в предельных случаях).
Рост рекомбинации уменьшает время жизни $\tau$ и диффузионную длину $L=\sqrt{D\tau }$, что снижает сбор фотогенерированных носителей.
- Увеличение тёмного/утечек и шунтовых потерь: тепловая активация путей утечки (поверхностных и переходных) увеличивает токи утечки и снижает FF.
- Снижение подвижности носителей из‑за рассеяния на фононах: с ростом $T$ падает $\mu$, уменьшаются коэффициенты диффузии $D=\mu kT/q$ и ток коллекции, что ухудшает заполнительный фактор (FF) и токи при плотных токах.
- Изменения на контактах и переходах: термическая агрегация, увеличение контактного сопротивления, термическая диффузия металлов/легирующих примесей, изменение барьерных высот и усиление термоионного (утечного) тока в швах/диодах.
Какие способы терморегулирования наиболее перспективны для концентрированных СЭС
(кратко — преимущества и ограничения)
1. Жидкостное активное охлаждение микроканалами (back‑side microchannel cooling)
- Очень высокая плотность отвода тепла, малый перепад температуры по ячейке.
- Подходит при концентрациях >> 100×; хорошо в паре с многослойными III–V ячейками.
- Требует насосов, герметичности, усложняет систему, но даёт лучшую плотность теплового потока.
2. Двухфазное охлаждение (кипение/испарение в микроканалах, тепловые трубы, испарительные пластины)
- Очень высокий тепловой поток удаления с небольшой ΔT.
- Эффективно для пиковых нагрузок; сложнее в реализации (контроль сухих зон и надежность).
3. Вапор‑чембер / тепловые трубы + радиатор (пассивно/гибридно)
- Хорошо распределяют тепло по большой площади радиатора; надёжнее, проще в обслуживании.
- Подходит для умеренных концентраций или в сочетании с активным жидкостным подводом.
4. Спектральное разделение (dichroic/spectral splitting)
- Удаляет длинноволновую (инфракрасную) часть спектра от PV‑ячейки и отправляет её в термальный приёмник (CPV‑T) или в теплоотвод.
- Снижает нагрев ячейки без потери общей энергетической утилизации (плюс возможность когенерации).
- Требует более сложной оптики и согласования потоков.
5. Сброс/использование тепла (CPV‑T, теплообмен и когенерация)
- Прямое извлечение отведённого тепла для выработки горячей воды/пара повышает общую эффективность установки.
- Экономически выгодно при хорошем тепловом спросе.
6. Выбор материалов/конструкции ячейки
- Многословные III–V (GaAs‑based) MJ‑ячейки имеют меньший температурный коэффициент ($d{V}_{oc}/dT$ меньший), лучше переносят концентрацию.
- Тонкоплёночные структуры с хорошим пассивом поверхности и низкой плотностью ловушек уменьшают SRH‑рост с $T$.
7. Терморазделяющие и фазопереносные решения (PCM, буферные системы)
- Снижают пиковые температуры при переменном инсоляции; полезны для кратковременных пиков.
8. Поверхностные радиаторы и селективное излучение
- Селективные излучающие покрытия (в инфракрасной полосе) для улучшения радиативного охлаждения; ограниченно полезно при высоком инсоляции, более эффективно ночью/при низкой концентрации.
Рекомендация для CPV (практически):
- Для высоких концентраций (>100×) наиболее перспективно сочетание: высокоэффективные многослойные III–V ячейки + жёсткое активное охлаждение (микроканалы или двухфазное) + оптическое спектральное разделение и использование тепла (CPV‑T). Это минимизирует падение $V_{oc}$ и рекомбинационные потери и позволяет рекуперировать тепло.
- Для средних концентраций (10–100×) эффективны комбинированные решения: вапор‑чембер + радиатор и частичное спектральное разделение; пассивные решения с хорошим теплоотводом и материалами с низким температурным коэффициентом.
Коротко о числовой зависимости (чтобы понимать масштаб):
- Основная потеря КПД идёт через падение $V_{oc}$ по закону диода: при росте $T$ тёмный ток $I_0$ экспоненциально растёт и $V_{oc}$ уменьшается (типично температурный коэффициент мощности для кремниевых СЭ — порядка $-0.4\%/{}^{\circ }\mathrm{C}$, для лучших III–V ячеек заметно меньше).
Если нужно — могу привести расчёт ожидаемого падения $V_{oc}$ и мощности для конкретной ячейки (дам исходные параметры: $I_{ph},I_0,E_g$, коэффициенты Аугера/SRH).