КПД солнечных элементов: рекорды и методы измерения¶

КПД солнечных элементов — это отношение электрической мощности, вырабатываемой фотоэлектрическим преобразователем, к мощности падающего на него солнечного излучения. Данный показатель выражается в процентах и является ключевой характеристикой эффективности преобразования света в электроэнергию. Методы измерения КПД стандартизированы для обеспечения сопоставимости результатов, полученных разными лабораториями и производителями.

¶Стандартные условия измерений

Для корректного сравнения эффективности различных солнечных элементов измерения проводятся при стандартных условиях (Standard Test Conditions, STC). Эти условия включают три параметра: интенсивность излучения 1000 Вт/м², спектр излучения AM1.5 (Air Mass 1.5) и температуру элемента 25 °C. Спектр AM1.5 моделирует солнечный свет, прошедший через атмосферу под углом 48,2° от зенита, что соответствует средним условиям для большинства регионов планеты.

Измерения проводятся с использованием имитаторов солнечного излучения — импульсных или стационарных источников света, спектральные характеристики которых корректируются фильтрами. Калибровка оборудования выполняется по эталонным элементам, сертифицированным в аккредитованных лабораториях.

¶Методы измерения

Существует несколько методов определения КПД, различающихся по точности и сложности.

¶Метод вольт-амперной характеристики

Основной метод измерения заключается в снятии вольт-амперной характеристики (ВАХ) элемента при стандартных условиях. В процессе измерения регистрируется зависимость тока от напряжения, по которой определяются ключевые параметры: ток короткого замыкания, напряжение холостого хода и максимальная выходная мощность. КПД рассчитывается как отношение максимальной мощности к произведению интенсивности излучения на площадь элемента.

¶Дифференциальный метод

Применяется для высокоточных измерений и предполагает использование дифференциальных спектральных измерений. Метод позволяет учитывать нелинейность фототока и более точно определять вклад каждой спектральной составляющей излучения.

¶Квантовая эффективность

Для анализа потерь и определения потенциальных путей повышения КПД измеряется внешняя квантовая эффективность (EQE) — отношение числа собранных электронов к числу падающих фотонов при каждой длине волны. Интегрирование EQE по спектру AM1.5 позволяет рассчитать фототок, который сравнивается с измеренным значением для верификации результатов.

¶Рекордные значения КПД

Рекордные показатели КПД фиксируются и подтверждаются независимыми сертификационными центрами, такими как Национальная лаборатория возобновляемой энергетики США (NREL) и Институт систем солнечной энергетики им. Фраунгофера (ISE).

¶Многопереходные элементы

Наибольшие значения КПД демонстрируют многопереходные (каскадные) элементы на основе III-V соединений (например, GaInP/GaAs/Ge). В 2024 году компания Fraunhofer ISE сообщила о достижении КПД 47,6 % для четырехпереходного элемента под концентрированным излучением (интенсивность 665 солнц). Для однопереходных элементов на основе GaAs рекорд составляет около 29,1 %.

¶Кремниевые элементы

Для коммерческих кремниевых элементов (гомопереходных) рекордный КПД составляет около 26,8 % (элемент компании LONGi, подтверждён в 2022 году). Гетеропереходные кремниевые элементы (HJT) достигли КПД 26,6 % в лабораторных условиях. Тандемные структуры «перовскит-кремний» показали КПД 34,6 % в 2024 году (исследователи KAUST).

¶Перовскитные элементы

Тонкоплёночные перовскитные солнечные элементы демонстрируют стремительный рост эффективности: рекордный подтверждённый КПД достиг 26,1 % в 2023 году (университет Кореи). Однако данные элементы показывают нестабильность характеристик при длительной эксплуатации, что ограничивает их коммерческое применение.

¶Погрешности и корректность измерений

При измерении КПД возможны систематические ошибки, связанные с неточностью калибровки имитатора, температурными отклонениями и несоответствием спектра излучения эталонному. Для минимизации погрешностей применяются следующие меры:

• использование референсных элементов, калиброванных по первичным эталонам;
• контроль температуры образца с точностью до ±0,5 °C;
• измерение площади элемента с учётом частичного затенения контактными решётками.

Разница между заявленным и реальным КПД коммерческих модулей обычно составляет 1–3 процентных пункта из-за потерь на соединениях, оптических потерях и неоднородности материала.

¶Значение стандартизации

Стандартизация условий измерений (IEC 60904, ГОСТ Р 51594) обеспечивает сопоставимость результатов, публикуемых производителями и исследовательскими группами. Без единых стандартов сравнение эффективности различных технологий было бы некорректным, а заявленные рекорды — не имели бы практической ценности для оценки потенциала технологий.