OVERVIEW ANALYSIS OF TECHNOLOGIES OF PHOTOELECTRIC CONVERSION OF SOLAR RADIATION ENERGY INTO ELECTRICAL
The development of renewable energy technologies for the conversion of solar radiation en-ergy into electrical energy has led to a significant increase in the capacity of solar power generation and requires continues updating of forecasts of technically achievable potential of the Sun's energy...
Збережено в:
| Дата: | 2023 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2023
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/394 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103619594452992 |
|---|---|
| author | Karpchuk, H. Budko, V. |
| author_facet | Karpchuk, H. Budko, V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "H. Karpchuk",
"institution": "National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine."
},
{
"author": "V. Budko",
"institution": "National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine. Institute of Renewable Energy NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine."
}
] |
| author_sort | Karpchuk, H. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:18Z |
| description | The development of renewable energy technologies for the conversion of solar radiation en-ergy into electrical energy has led to a significant increase in the capacity of solar power generation and requires continues updating of forecasts of technically achievable potential of the Sun's energy when using photovoltaic and new generations equipments. The purpose of this article is to analysis of the exist-ing technologies of photoelectric conversion of solar radiation into electrical energy and the prospects for their use. The paper provides an analysis of three basic technologies for converting solar radiation into electrical energy: thermodynamic, photoelectric, and combined. The analysis of thermodynamic energy conversion technologies of solar radiation shows its effectiveness when direct solar radiation predomi-nates, which in the conditions of Ukraine occurs only in the southern regions. With this in mind, photoe-lectric conversion technologies for four generations: silicon, thin film, dye and perovskite, which are most suitable for the temperate latitudes of our country, are considered in more details. They all have differ-ences in electrical parameters, manufacturing technology, materials and efficiency. For these photovolta-ic technologies, the work provides mathematical dependencies that allow determining electrical charac-teristics, parameters for comparing them with each other, and structural diagrams for a visual representa-tion of the differences between them. The development of photovoltaic technologies according to the data of the world's leading laboratories in the field of photoenergy is considered, which demonstrates the constant development of solar electric technologies in the direction of increasing the efficiency of their operation. The scientific propositions and conclusions formulated in the work are based on the con-ducted theoretical studies, which provide justification for further studies of the theoretically and practi-cally achievable potential of using the theoretically and practically achievable potential of converting solar energy into electrical energy. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2023.2(73).32-38 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:39:01Z |
| format | Article |
| fulltext |
32
Відновлювана енергетика. №2/2023 | Сонячна енергетика
УДК 621.311.243 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2023.2(73)32-38
АНАЛІЗ ТЕХНОЛОГІЙ ФОТОЕЛЕКТРИЧНОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ СОНЯЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
НА ЕЛЕКТРИЧНУ ЕНЕРГІЮ
Отримано 15 трав. 2023; рекомендовано до публікації 22 чер. 2023
Доступно онлайн 30 чер. 2023
Г. Л. Карпчук1, В. I. Будько2
Автор для кореспонденції: Василь Будько,
e-mail: solar_budko@ukr.net
Розвиток технологій відновлюваної енергетики з пере-
творення енергії сонячного випромінювання на електричну
зумовив значний приріст потужностей сонячної електроенергетики, а також спонукає постійно онов-
лювати прогнози з технічно досяжного потенціалу енергії Сонця при застосуванні фотоелектричного
обладнання та устаткування нових поколінь. Мета цієї статті – проведення аналізу існуючих техноло-
гій фотоелектричного перетворення сонячного випромінювання на електричну енергію та перспективи
їх використання. У роботі наведено аналіз трьох базових технологій перетворення сонячного випроміню-
вання на електричну енергію: термодинамічну, фотоелектричну та комбіновану. Аналіз технологій тер-
модинамічного перетворення енергії сонячного випромінювання показує свою ефективність при перева-
жанні прямого сонячного випромінювання, що в умовах України спостерігається тільки в південних регіо-
нах. З огляду на це більш деталізовано розглянуто технології фотоелектричного перетворення для чо-
тирьох поколінь: кремнієвих, тонкоплівкових, барвникових та перовскітових, які найбільше підходять для
помірних широт нашої країни. Усі вони мають відмінності за електричними параметрами, технологією
виробництва, матеріалами та ефективністю. Для цих фотоелектричних технологій у роботі наведено
математичні залежності, які дають змогу визначити електричні характеристики, параметри для їх по-
рівняння між собою та структурні схеми для наочного зображення відмінностей між ними. Розглянуто
досягнення в розробці фотоелектричних технологій за даними провідних світових лабораторій у сфері
фотоенергетики, які демонструють сталий розвиток сонячних електричних технологій і підвищення
ефективності їх роботи. Наукові положення та висновки, що сформульовані в роботі, базуються на про-
ведених теоретичних дослідженнях, які надають обґрунтування подальшого вивчення теоретично та
практично досяжного потенціалу перетворення сонячної енергії на електричну.
Ключові слова: Фотоелектрична комірка, сонячне випромінювання, електрична енергія.
OVERVIEW ANALYSIS OF TECHNOLOGIES OF PHOTOELECTRIC CONVERSION OF SOLAR RADIATION
ENERGY INTO ELECTRICAL
Received 15 May. 2023; accepted 22 Jun. 2023
Available online 30 Jun. 2023
H. Karpchuk1, V. Budko2
Author for correspondence: Vasyl Budko,
e-mail: solar_budko@ukr.net
The development of renewable energy technologies for the
conversion of solar radiation en-ergy into electrical energy
has led to a significant increase in the capacity of solar power generation and requires continues updating of
1 аспірантка.
http://orcid.org/0000-0001-7062-2727
2 д-р техн. наук, доцент.
http://orcid.org/0000-0002-6219-4221
1, 2 НТУУ «Київський політехнічний інститут ім.
Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна;
1 Інститут відновлюваної енергетики НАН Ук-
раїни, м. Київ, Україна.
1 Postgraduate student.
http://orcid.org/0000-0001-7062-2727
2 Doctor of Tech. Science, assistant professor.
http://orcid.org/0000-0002-6219-4221
1,2 National Technical University of Ukraine «Igor Si-
korsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine.
2 Institute of Renewable Energy NAS of Ukraine, Kyiv,
Ukraine.
33
Відновлювана енергетика. №2/2023 | Сонячна енергетика
forecasts of technically achievable potential of the Sun's energy when using photovoltaic and new generations
equipments. The purpose of this article is to analysis of the exist-ing technologies of photoelectric conversion of
solar radiation into electrical energy and the prospects for their use. The paper provides an analysis of three
basic technologies for converting solar radiation into electrical energy: thermodynamic, photoelectric, and
combined. The analysis of thermodynamic energy conversion technologies of solar radiation shows its
effectiveness when direct solar radiation predomi-nates, which in the conditions of Ukraine occurs only in the
southern regions. With this in mind, photoe-lectric conversion technologies for four generations: silicon, thin
film, dye and perovskite, which are most suitable for the temperate latitudes of our country, are considered in
more details. They all have differ-ences in electrical parameters, manufacturing technology, materials and
efficiency. For these photovolta-ic technologies, the work provides mathematical dependencies that allow
determining electrical charac-teristics, parameters for comparing them with each other, and structural
diagrams for a visual representa-tion of the differences between them. The development of photovoltaic
technologies according to the data of the world's leading laboratories in the field of photoenergy is considered,
which demonstrates the constant development of solar electric technologies in the direction of increasing the
efficiency of their operation. The scientific propositions and conclusions formulated in the work are based on
the con-ducted theoretical studies, which provide justification for further studies of the theoretically and practi-
cally achievable potential of using the theoretically and practically achievable potential of converting solar
energy into electrical energy.
Keywords: Solar cell, solar radiation, electrical energy.
Перелік використаних скорочень та позначень
ФЕ – фотоелектричний елемент
TCO – Transparent oxide semiconductor (прозорий напівпровідниковий оксид)
Вступ. Протягом останніх десяти років спостерігається
стабільне нарощування потужності об’єктів відновлюва-
ної енергетики, що більшою мірою зумовлено енергети-
чними стратегіями / планами багатьох країн світу, спря-
мованими на стимулювання скорочення використання
традиційних викопних палив та переходу до відновлю-
ваних джерел енергії. Серед всіх видів відновлюваних
енергоресурсів левова частка припадає на перетво-
рення сонячного випромінювання з метою виробництва
електроенергії. За останні роки сонячна енергетика зна-
чно розвинулась, зокрема і технології фотоелектрич-
ного перетворення сонячного випромінювання на елек-
тричну енергію.
Постановка завдання. Провести аналіз технологій фотое-
лектичного перетворення та перспективи їх використання.
Виклад основного матеріалу. На сьогодні існує три ба-
зові технології перетворення сонячного випромінюван-
ня на електричну енергію, зокрема термодинамічна,
фотоелектрична та комбінована [1].
До сонячно-теплових технологій виробництва елект-
ричної енергії належать:
Електростанції з параболічними концентруючими коле-
кторами. Складаються з групи концентраторів з парабо-
лічною поверхнею (зазвичай виготовленою з посрібле-
ного акрилу), що відбиває сонячні промені на трубу (ро-
зміщену у фокусі вигнутого дзеркала), де відбувається
перетворення видимого спектра на інфрачервоний.
Отримана теплова енергія надається робочому тілу
(зазвичай масла / оливи, стійкі до високих температур),
що в подальшому переміщається до пароперетворю-
вача. Нагріте робоче тіло передає отриману теплову
енергію до водяного контуру для виробництва пари з
подальшою реалізацією циклу Ренкіна та отримання
електричної енергії. З метою ефективного виробітку
електричної енергії концентруючий колектор змінює
своє положення відповідно до руху Сонця над горизон-
том протягом світлої пори доби [2].
Електростанції з геліостатними концентраторами. Скла-
даються з великої кількості дзеркал, що відбивають со-
нячні промені на верхню частину вежі, виготовлену з
матеріалів стійких до високих температур. Вежа розта-
шовується в центрі поля геліостатних концентраторів,
що дозволяє нагрівати робоче тіло (зазвичай воду) до
необхідної температури. Отримана водяна пара напра-
вляється до парової турбіни, яка з’єднана з ротором
електрогенератора, що в результаті приводить до виро-
бництва електричної енергії [3].
Електростанції з лінійними рефлекторами Френеля.
Складаються з масиву рефлекторів Френеля, які відрі-
зняються від параболічних концентраторів тим, що
площина, яка відбиває сонячні промені, плоска або ви-
гнута. Лінійні рефлектори Френеля відбивають соня-
чне випромінювання на приймач, що являє собою ста-
ціонарну конструкцію, встановлену над вежею, а та-
кож над рефлекторами й уздовж них, де утворюється
пара та подається на турбіну для генерації електричної
енергії [4].
34
Відновлювана енергетика. №2/2023 | Сонячна енергетика
Електростанції з параболічними концентраторами та-
рілчастого типу. Складаються з параболічних концент-
раторів тарілчастого типу, які фокусують сонячні про-
мені на приймач, що встановлений у фокусній точці кон-
центратора. Існує два типи таких приймачів: плоскі та
порожнинні. Концентратор може змінювати своє поло-
ження відповідно до руху Сонця впродовж світлої пори
доби. Для ефективного використання такого концентра-
тора використовується електричний генератор Стірлі-
нга – Брайтона. Коли коефіцієнт концентрації переви-
щує 3000, тиск і температура в приймачі досягають
200 бар та 700–750 оС відповідно для отримання пере-
грітої пари, що надалі застосовується для виробництва
електричної енергії [5].
Фотоелектичні технології виробництва електрич-
ної енергії базуються на використанні явища внутріш-
нього фотоелектричного ефекту, який виникає в неод-
норідних напівпровідникових кристалах під час дії на
них сонячного випромінювання (рис. 1). Неоднорід-
ність напівпровідника отримують шляхом легування
того самого матеріалу різними домішками або шля-
хом з’єднання напівпровідників з різною шириною
забороненої зони чи за рахунок зміни хімічного
складу напівпровідника.
Рис. 1. Фотоелектричний ефект [6]
Fig. 1. Photoelectric effect [6]
Такі кристали мають p-n перехід, через який проходять
електрони та дірки, внаслідок чого в ньому виникає на-
правлений електричний струм. У шарі n-типу в резуль-
таті дії фотонів електрони з надлишковою енергією пе-
реходять у зону p-типу. Тоді як унаслідок падіння та по-
глинання напівпровідником фотонів сонячних променів
деякі з них утворюють пари електронів та дірок. Якщо ці
пари перебувають достатньо близько до p-n переходу,
його електричне поле спричиняє розділення зарядів на
електрони та протони, що рухаються до шару n- та p-
типу відповідно. Таким чином, якщо підключити наван-
таження до фотоелемента (ФЕ), то через нього буде про-
тікати струм доти, доки на поверхню ФЕ падатиме соня-
чне випромінювання.
Напівпровідникові ФЕ поділяють на чотири покоління [7]:
─ I покоління – кремнієві кристалічні;
─ II покоління – тонкоплівкові;
─ III покоління – барвникові;
─ IV покоління – перовскіти.
До першого покоління належать монокристалічні та по-
лікристалічні ФЕ, які на сьогодні є найпоширенішими на
ринку серед усіх поколінь.
Монокристалічні ФЕ виготовляють з чистого монокрис-
талічного кремнію, який має цілісну структуру кристалі-
чної решітки та майже не містить домішок. Полікриста-
лічні ФЕ, своєю чергою, виготовляються з полікристаліч-
ного кремнію, який розплавляють та відливають у зли-
тки, які надалі розрізаються на тонкі пластини та поєд-
нують у цілі комірки. У комерційних полікристалічних
ФЕ коефіцієнт корисної дії нижче, ніж у монокристаліч-
них, а саме від 15 до 17 % та від 17 до 22 % відповідно
[8]. Рівняння, що відображає електричні характеристики
монокристалічного ФЕ:
, (1)
де: iф – фотострум ФЕ, А; iд – зворотний струм насичення
ФЕ, А; q = 1,6∙10-19 Кл – заряд електрона; k = 1,38∙10-
23 Дж/К – стала Больцмана; А – коефіцієнт неідеальності
діода; Т – робоча температура ФЕ, К; rпар – шунтуваль-
ний опір ФЕ, Ом; rпос – послідовний опір ФЕ, Ом; i – вихі-
дний струм ФЕ, А; u – вихідна напруга ФЕ.
До другого покоління належать тонкоплівкові ФЕ з
аморфного кремнію (a-Si), кадмію телуриду (CdTe), се-
леніду міді індія галію (CIGS), полімерні. На рис. 2 по-
казана структура тонкоплівкової комірки. Принцип ро-
боти таких ФЕ також базується на явищі фотоелектрич-
ного ефекту, але на відміну від ФЕ І покоління, при їх
виробництві тонкий шар напівпровідникового фотое-
лектричного матеріалу наноситься на металеву, скляну
або пластикову дуже тонку основу, наприклад фольгу.
Вони є набагато дешевшими за кристалічні кремнієві
ФЕ, але при цьому мають значно нижчий коефіцієнт пе-
ретворення сонячного випромінювання на електричну
енергію (від 5 до 9 %).
35
Відновлювана енергетика. №2/2023 | Сонячна енергетика
Рис. 2. Структура тонкоплівкової електричної комірки [6]
Fig. 2. Structure of a thin-film solar cell [6]
До третього покоління належать барвникові ФЕ, що
походять від тонкоплівкових фотоелементів, але на від-
міну від яких є органічними. Для виготовлення органіч-
них ФЕ використовуються донорний і акцепторний тип
органічних матеріалів, які утворюють гетероперехід, що
сприяє розділенню екситона на два носії. Утворені носії
переносяться до електродів за допомогою тих самих ор-
ганічних матеріалів, які використовуються для генерації
екситона. Матеріал класичних органічних ФЕ повинен
мати як хороші властивості сприймання сонячного ви-
промінювання, так і хороші властивості переносу носіїв.
Барвникові ФЕ виконують ці дві вимоги, оскільки гене-
рація заряду відбувається на межі напівпровідника та
органічного барвника, а транспортування заряду здійс-
нюється напівпровідником та електролітом. Тобто опти-
мізацію спектральних властивостей можна здійснити
шляхом модифікації лише барвника, тоді як властивості
переносу носіїв можна покращити шляхом оптимізації
складу напівпровідника та електроліту [9].
Барвниковий ФЕ складається з механічної основи, по-
критої прозорими провідниковими оксидами (TCO),
напівпровідникової плівки (зазвичай TiO2), сенсибіліза-
тора, адсорбованого на поверхні напівпровідника, еле-
ктроліту, що містить окисно-відновний медіатор, а та-
кож протиелектрода, здатного регенерувати окисно-
відновний медіатор (рис. 3). Як напівпровідник для фо-
тоелектрода часто використовується діоксид титану,
оскільки він є дешевим, широко доступним та нетокси-
чним, як сенсибілізатор використовуються комплексні
сполуки рутенію, а окисно-відновною парою є трийодид
/ йод.
Фотони, що потрапляють на поверхню барвникового
ФЕ, поглинаються сенсибілізатором, що своєю чергою
спричинює його збудження. Збуджений сенсибілізатор
вводить електрон у зону провідності напівпровідника,
залишаючи сенсибілізатор в окисленому стані. Введе-
ний електрон через напівпровідник проходить до фото-
електрода, звідки через зовнішнє навантаження проті-
кає до протиелектрода, щоб зменшити окисно-віднов-
ний медіатор, який своєю чергою відновлює сенсибілі-
затор.
Рис. 3. Схематична структура барвникового фотоелемента [9]
Fig. 3. Schematic structure of a dye-sensitized solar cell [9]
Цей ФЕ являє собою регенеративний та стабільний при-
стрій перетворення енергії, але в ньому можуть вини-
кати небажані реакції, які призводять до рекомбінації
введених електронів з окисленим сенсибілізатором або
з окисленою окисно-відновною парою на поверхні TiO2,
що в підсумку зменшує ефективність такого ФЕ в цілому.
36
Відновлювана енергетика. №2/2023 | Сонячна енергетика
Загальна ефективність барвникового ФЕ залежить від
оптимізації та сумісності кожного з цих компонентів, зо-
крема напівпровідникової плівки разом зі спектраль-
ними реакціями барвника. Також важливими факто-
рами є велика площа поверхні й товщина напівпровід-
никової плівки, що призводить до збільшення наванта-
ження на барвник, а відповідно, і до збільшення оптич-
ної щільності і, як наслідок, збільшення ефективності по-
глинання світла.
Важливою характеристикою барвникового ФЕ є віднос-
ний показник перетворення монохроматичного фотона
на струм (IPCE), який дозволяє порівняти світлозбира-
льну ефективність сенсибілізаторів у ФЕ з подібними
структурами. Він визначається як відношення кількості
електронів, утворених світлом у зовнішньому контурі,
до кількості падаючих фотонів:
λ =
λ ⋅Φ
JфсIPCE( ) , (2)
де: Jфс – густина фотоелектричного струму, А/м2; λ – до-
вжина хвилі, м; Φ – потік фотонів, с-1м-2.
Загальний коефіцієнт корисної дії фотоелектричного пе-
ретворення барвникових ФЕ визначається як:
⋅ ⋅
η = фс хх
c
J U ff
I
(3)
де: Uхх – напруга холостого ходу, В; ff – коефіцієнт запо-
внення комірки; Iс – інтенсивність світла, Вт/м2.
Напруга холостого ходу фотоелемента визначається як
різниця енергій між рівнем Фермі твердого тіла при
освітленні та потенціалом Нернста окисно-відновної
пари в електроліті. А коефіцієнт заповнення визнача-
ється як відношення фактичної максимальної потужно-
сті ФЕ до його максимальної теоретичної потужності:
= макс.ф
макс.т
P
ff
P
(1)
де: Pмакс.т = Iкз2·Uхх – максимальна теоретична потужність
ФЕ, Вт; Iкз – струм короткого замикання ФЕ, А.
Коефіцієнт заповнення може мати значення від 0 до 1 і
відображає електричні та електрохімічні втрати, що ви-
никають під час роботи барвникового ФЕ.
Ефективність ФЕ зазвичай визначається фотофізичними
та електрохімічними властивостями сенсибілізатора че-
рез потенціал окислення, який встановлює максима-
льно можливу напругу холостого ходу, а також через
властивості поглинання, яка визначає струм короткого
замикання, а загальна динаміка переносу електронів
впливатиме на втрати.
До четвертого покоління належать перовскітові ФЕ
(ПС ФЕ), які вперше були отримані в 2009 році, з ефекти-
вністю 3,8 % [10]. Подальші наукові дослідження з удо-
сконалення їхньої структури дозволили суттєво підви-
щити показник ефективності перетворення енергії
сонячного випромінювання на електричну енергію до
25,2 % [11]. Вони походять від барвникових ФЕ, в яких
замість барвника використовується тонкий шар перовс-
кіту. Основним компонентом ПС ФЕ є гібридний органі-
чно-неорганічний галогенід металу, який ефективно по-
глинає сонячне випромінювання (структури ABX3 типу,
де під A можливе застосування катіона метиламонію
(MA+, CH3NH3+) або формамідинового катіона (FA+,
CH(NH2)2+). B – це катіон таких металів, як свинець (Pb2+),
германій (Ge2+) або олово (Sn2+), а X – це аніон галогену,
такий як йодид ( ), бромід ( ), хлорид ( ), гекса-
фторборат ( ) або тетрафторборат ( ))[12]. Напри-
клад, CH3NH3PbI3 має структуру перовскіту, який забез-
печує утворення n-p носіїв та поділ зарядів.
У типовому багатошаровому гетеропереході ПС ФЕ
(рис. 4) шар поглинального перовскіту розташований
між електронним і дірковим транспортними шарами.
При освітленні ФЕ в шарі перовскіту CH3NH3PbI3 утво-
рюються носії зарядів. Потік електронів і дірок спря-
мовується через відповідні транспортні шари до еле-
ктродів, один з яких має бути провідниковим окси-
дом, наприклад, легованим фтором оксиду олова
(FTO), уникаючи таким чином втрати через рекомбі-
націю [13].
Рис. 4. Загальна структура ПС ФЕ з багатошаровим
p-n гетеропереходом [14]
Fig. 4. The general structure of a planar perovskite solar
cell with p-n heterojunction [14]
Процес утворення та накопичення зарядів у ПС ФЕ ще
досі добре не вивчений через складну природу середо-
вища. Результати деяких досліджень динаміки пере-
носу заряду в ПС ФЕ дають змогу припустити, що пари
електронів та дірок утворюються одразу після освіт-
лення сонячним випромінюванням у середовищі перо-
вскіту і потім дисоціюють у вільні переноси зарядів, що
викликано різницею потенціалів між анодом і катодом.
На сьогодні існує два основних види ПС ФЕ: мезопо-
ристі й багатошарові структури. В мезопористих структу-
рах шари перовскіту сформовані пористим напівпровід-
ним метал-оксидним середовищем (наприклад, TiO2),
яке створює взаємопроникну мережу між двома фа-
зами й, таким чином, згенеровані фотоелектрони мо-
жуть бути перенесені через оксид титану до катоду, тоді
як дірки переносяться через перовскіт до аноду [15].
37
Відновлювана енергетика. №2/2023 | Сонячна енергетика
ПС ФЕ з багатошаровою структурою виготовляються з ви-
користанням міжфазових буферних шарів з електрон-
ними та дірковими транспортними матеріалами (ЕТМ та
ДТМ) і через заряди, утворені в фотоактивному середо-
вищі, можуть бути доставлені до електродів під впливом
внутрішнього потенціалу або зовнішньо-прикладеного
поля. В обох випадках ефективність ПС ФЕ залежить від
якості та морфології перовскітної плівки.
Вольтамперна характеристика ПС ФЕ визначається з од-
нодіодної моделі фотоелемента й відповідно до рів-
няння 1 [15].
На сьогодні в лабораторних умовах вдалося досягти висо-
ких показників ефективності для різних технологій фотое-
лектричних комірок. Як показано на рис. 5, найбільший по-
казник ефективності для першого покоління – 27,6 %, дру-
гого – 35,5 %, третього – 15 %, четвертого – 26 %.
Рис. 5. Розвиток ефективності фотоелектричних комірок [16]
Fig. 5. Photovoltaic cell efficiency development [16]
Висновки. Аналіз технологій фотоелектричного перет-
ворення енергії сонячного випромінювання показав ро-
звиток різних технологій виробництва фотоелементів,
що підтримує сталий розвиток сонячної енергетики.
Нові технології ІІ та ІІІ покоління фотоелектричного пе-
ретворення є перспективними, але на сьогодні мають
низький показник ефективності, до 10 % порівняно з І
поколінням, ефективність яких доходить до 30–35 %.
Але при цьому ефективність технології IV покоління ся-
гає 26 %, що робить її конкурентною з I поколінням. Про-
ведений аналіз надає підґрунтя для подальшого розра-
хунку технічно та практично досяжного потенціалу пе-
ретворення сонячної енергії на електричну, беручи за
основу технології I–IV поколінь, що дозволить їх порів-
няти за кількісним показником.
ПОСИЛАННЯ
1. Aqachmar Z. Solar technologies for electricity
production: An updated overview. International journal
of hydrogen energy. 2021. Vol. 46. No. 60. P. 30790–
30817. (Eng)
2. Zhang H. L. Concentrated solar power plants: Review
and design methodology. Renewable and sustainable
energy reviews. 2013. Vol. 22. P. 466–481. (Eng)
3. Islam M. T. A comprehensive review of state-of- art
concentrating solar power (CSP) technologies: Current
status and research trends. Renewable and sustainable
energy reviews. 2018. Vol. 91. P. 987–1018. (Eng)
4. Ghodbane M. A numerical simulation of a linear Fresnel
solar reflector direct to produce steam for power plant.
Journal of Cleaner Production. 2019. Vol. 231. P. 494–
508. (Eng)
5. Lopez O. On the thermal performance of flat and cavity
receivers for a parabolic dish concentrator and
low/medium temperatures. Solar energy. 2020. Vol. 199.
P. 911–923. (Eng)
6. Kalogirous S. A. Solar Energy Engineering: Processes and
Systems / S. A. Kalogirous. – London: Academic Press,
2009. 760 с. (Eng)
7. Richhariya G., Kumar A. Photovoltaic solar energy
conversion. Chapter 2 – Solar cell technologies. Elsevier.
2020. P. 27–50. (Eng)
8. Types of solar panels: which one is the best choice? (on
the date 29.12.2021). Solar Reviews. URL:
https://www.solarreviews.com/blog/pros-and-cons-of-
monocrystalline-vs-polycrystalline-solar-panels (дата
звернення 19.09.2022). (Eng)
9. Nazeeruddin Md. K., Baranoff E., Grätzel M. Dye-
sensitized solar cells: A brief overview. Solar Energy.
2011. Vol. 85. P. 1172–1178. (Eng)
38
Відновлювана енергетика. №2/2023 | Сонячна енергетика
10. Assadia M., Bakhoda S. Recent progress in perovskite
solar cells. Renewable and Sustainable Energy Reviews.
2018. Vol. 81. P. 2812–2822.
11. Hwang, Y. J. 7.7% efficient all-polymer solar cells.
Advanced materials. 2015. Vol. 27. P. 4578–4584.
12. Q. Wali, F. Iftikhar. Advances in stable and flexible
perovskite solar cells. Current Applied Physics. 2020.
Vol. 20. P. 720–737.
13. B. Zhua, Y. Huang. Novel fuel cell with nanocomposite
functional layer designed by perovskite solar cell
principle. Nano Energy. 2015. Vol. 19. P. 156–164.
14. M. Liu, M. Johnston. Efficient planar heterojunction
perovskite solar cells by vapour deposition. Nature.
2013. Vol. 501. P. 395–398.
15. P. Tonui, S. Oseni. Perovskites photovoltaic solar cells: An
overview of current status. Renewable and Sustainable
Energy Reviews. 2018. Vol. 91. P. 1025–1044.
16. NREL. Cell Efficiency.
https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-
cell-efficiencies.pdf
REFERENCES
1. Aqachmar Z. Solar technologies for electricity
production: An updated overview. International journal
of hydrogen energy. 2021. Vol. 46, No. 60. P. 30790–
30817. (Eng)
2. Zhang H. L. Concentrated solar power plants: Review
and design methodology. Renewable and sustainable
energy reviews. 2013. Vol. 22. P. 466–481. (Eng)
3. Islam M. T. A comprehensive review of state-of- art
concentrating solar power (CSP) technologies: Current
status and research trends. Renewable and sustainable
energy reviews. 2018. Vol. 91. P. 987–1018. (Eng)
4. Ghodbane M. A numerical simulation of a linear Fresnel
solar reflector direct to produce steam for power plant.
Journal of Cleaner Production. 2019. Vol. 231. P. 494–
508. (Eng)
5. Lopez O. On the thermal performance of flat and cavity
receivers for a parabolic dish concentrator and
low/medium temperatures. Solar energy. 2020. Vol. 199.
P. 911–923. (Eng)
6. Kalogirous S.A. Solar Energy Engineering: Processes and
Systems / S.A. Kalogirous. – London: Academic Press.
2009. 760 с. (Eng)
7. Richhariya G., Kumar A. Photovoltaic solar energy
conversion. Chapter 2 – Solar cell technologies. Elsevier.
2020. P. 27–50. (Eng)
8. Types of solar panels: which one is the best choice? (on
the date 29.12.2021). Solar Reviews. URL:
https://www.solarreviews.com/blog/pros-and-cons-of-
monocrystalline-vs-polycrystalline-solar-panels (дата
звернення 19.09.2022). (Eng)
9. Nazeeruddin Md. K., Baranoff E., Grätzel M. Dye-
sensitized solar cells: A brief overview. Solar Energy.
2011. Vol. 85. P. 1172–1178. (Eng)
10. Assadia M., Bakhoda S. Recent progress in perovskite
solar cells. Renewable and Sustainable Energy Reviews.
2018. Vol. 81. P. 2812-2822.
11. Hwang, Y. J. 7.7% efficient all-polymer solar cells.
Advanced materials. 2015. Vol. 27. P. 4578–4584.
12. Q. Wali, F. Iftikhar. Advances in stable and flexible
perovskite solar cells. Current Applied Physics. 2020.
Vol. 20. P. 720–737.
13. B. Zhua, Y. Huang. Novel fuel cell with nanocomposite
functional layer designed by perovskite solar cell
principle. Nano Energy. 2015. Vol. 19. P. 156–164.
14. M. Liu, M. Johnston. Efficient planar heterojunction
perovskite solar cells by vapour deposition. Nature.
2013 Vol. 501. P. 395–398.
15. P. Tonui, S. Oseni. Perovskites photovoltaic solar cells: An
overview of current status. Renewable and Sustainable
Energy Reviews. 2018. Vol. 91. P. 1025–1044.
16. NREL. Cell Efficiency.
https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-
cell-efficiencies.pdf
|
| id | veorgua-article-394 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:11:05Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/81/62236ef830ec6caf4a7ec1a269d4e381.pdf |
| spelling | veorgua-article-3942026-07-18T06:32:18Z OVERVIEW ANALYSIS OF TECHNOLOGIES OF PHOTOELECTRIC CONVERSION OF SOLAR RADIATION ENERGY INTO ELECTRICAL АНАЛІЗ ТЕХНОЛОГІЙ ФОТОЕЛЕКТРИЧНОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ СОНЯЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НА ЕЛЕКТРИЧНУ ЕНЕРГІЮ Karpchuk, H. Budko, V. Solar cell, solar radiation, electrical energy. Фотоелектрична комірка, сонячне випромінювання, електрична енергія. The development of renewable energy technologies for the conversion of solar radiation en-ergy into electrical energy has led to a significant increase in the capacity of solar power generation and requires continues updating of forecasts of technically achievable potential of the Sun's energy when using photovoltaic and new generations equipments. The purpose of this article is to analysis of the exist-ing technologies of photoelectric conversion of solar radiation into electrical energy and the prospects for their use. The paper provides an analysis of three basic technologies for converting solar radiation into electrical energy: thermodynamic, photoelectric, and combined. The analysis of thermodynamic energy conversion technologies of solar radiation shows its effectiveness when direct solar radiation predomi-nates, which in the conditions of Ukraine occurs only in the southern regions. With this in mind, photoe-lectric conversion technologies for four generations: silicon, thin film, dye and perovskite, which are most suitable for the temperate latitudes of our country, are considered in more details. They all have differ-ences in electrical parameters, manufacturing technology, materials and efficiency. For these photovolta-ic technologies, the work provides mathematical dependencies that allow determining electrical charac-teristics, parameters for comparing them with each other, and structural diagrams for a visual representa-tion of the differences between them. The development of photovoltaic technologies according to the data of the world's leading laboratories in the field of photoenergy is considered, which demonstrates the constant development of solar electric technologies in the direction of increasing the efficiency of their operation. The scientific propositions and conclusions formulated in the work are based on the con-ducted theoretical studies, which provide justification for further studies of the theoretically and practi-cally achievable potential of using the theoretically and practically achievable potential of converting solar energy into electrical energy. Розвиток технологій відновлюваної енергетики з пере-творення енергії сонячного випромінювання на електричну зумовив значний приріст потужностей сонячної електроенергетики, а також спонукає постійно оновлювати прогнози з технічно досяжного потенціалу енергії Сонця при застосуванні фотоелектричного обладнання та устаткування нових поколінь. Мета цієї статті – проведення аналізу існуючих технологій фотоелектричного перетворення сонячного випромінювання на електричну енергію та перспективи їх використання. У роботі наведено аналіз трьох базових технологій перетворення сонячного випромінювання на електричну енергію: термодинамічну, фотоелектричну та комбіновану. Аналіз технологій термодинамічного перетворення енергії сонячного випромінювання показує свою ефективність при переважанні прямого сонячного випромінювання, що в умовах України спостерігається тільки в південних регіонах. З огляду на це більш деталізовано розглянуто технології фотоелектричного перетворення для чотирьох поколінь: кремнієвих, тонкоплівкових, барвникових та перовскітових, які найбільше підходять для помірних широт нашої країни. Усі вони мають відмінності за електричними параметрами, технологією виробництва, матеріалами та ефективністю. Для цих фотоелектричних технологій у роботі наведено математичні залежності, які дають змогу визначити електричні характеристики, параметри для їх порівняння між собою та структурні схеми для наочного зображення відмінностей між ними. Розглянуто досягнення в розробці фотоелектричних технологій за даними провідних світових лабораторій у сфері фотоенергетики, які демонструють сталий розвиток сонячних електричних технологій і підвищення ефективності їх роботи. Наукові положення та висновки, що сформульовані в роботі, базуються на проведених теоретичних дослідженнях, які надають обґрунтування подальшого вивчення теоретично та практично досяжного потенціалу перетворення сонячної енергії на електричну.  Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2023-07-17 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/394 10.36296/1819-8058.2023.2(73).32-38 Vidnovluvana energetika ; No. 2(73) (2023): Scientific and applied Journal renewable energy ; 32-38 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 2(73) (2023): Scientific and applied Journal renewable energy ; 32-38 Відновлювана енергетика; № 2(73) (2023): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 32-38 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2023.2(73) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/394/308 Copyright (c) 2023 H. Karpchuk, V. Budko https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | Solar cell solar radiation electrical energy. Karpchuk, H. Budko, V. OVERVIEW ANALYSIS OF TECHNOLOGIES OF PHOTOELECTRIC CONVERSION OF SOLAR RADIATION ENERGY INTO ELECTRICAL |
| title | OVERVIEW ANALYSIS OF TECHNOLOGIES OF PHOTOELECTRIC CONVERSION OF SOLAR RADIATION ENERGY INTO ELECTRICAL |
| title_alt | АНАЛІЗ ТЕХНОЛОГІЙ ФОТОЕЛЕКТРИЧНОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ СОНЯЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НА ЕЛЕКТРИЧНУ ЕНЕРГІЮ |
| title_full | OVERVIEW ANALYSIS OF TECHNOLOGIES OF PHOTOELECTRIC CONVERSION OF SOLAR RADIATION ENERGY INTO ELECTRICAL |
| title_fullStr | OVERVIEW ANALYSIS OF TECHNOLOGIES OF PHOTOELECTRIC CONVERSION OF SOLAR RADIATION ENERGY INTO ELECTRICAL |
| title_full_unstemmed | OVERVIEW ANALYSIS OF TECHNOLOGIES OF PHOTOELECTRIC CONVERSION OF SOLAR RADIATION ENERGY INTO ELECTRICAL |
| title_short | OVERVIEW ANALYSIS OF TECHNOLOGIES OF PHOTOELECTRIC CONVERSION OF SOLAR RADIATION ENERGY INTO ELECTRICAL |
| title_sort | overview analysis of technologies of photoelectric conversion of solar radiation energy into electrical |
| topic | Solar cell solar radiation electrical energy. |
| topic_facet | Solar cell solar radiation electrical energy. Фотоелектрична комірка сонячне випромінювання електрична енергія. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/394 |
| work_keys_str_mv | AT karpchukh overviewanalysisoftechnologiesofphotoelectricconversionofsolarradiationenergyintoelectrical AT budkov overviewanalysisoftechnologiesofphotoelectricconversionofsolarradiationenergyintoelectrical AT karpchukh analíztehnologíjfotoelektričnogoperetvorennâsonâčnogovipromínûvannânaelektričnuenergíû AT budkov analíztehnologíjfotoelektričnogoperetvorennâsonâčnogovipromínûvannânaelektričnuenergíû |