Solar photocells irradiated by coherent radiation
In the article, considered the spectrum of solar radiation and comparison with the spectral absorption of silicon and other semiconductors. Stated of the idea of irradiation of solar cells by coherent radiation. Considered spectrums of photocells and lasers. Shown how much energy has to have photon...
Збережено в:
| Дата: | 2017 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2017
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/61 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103112206352384 |
|---|---|
| author | Bondarenko, D. |
| author_facet | Bondarenko, D. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "D. Bondarenko",
"institution": "Institute of Renewable Energy, NAS of Ukraine"
}
] |
| author_sort | Bondarenko, D. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:08Z |
| description | In the article, considered the spectrum of solar radiation and comparison with the spectral absorption of silicon and other semiconductors. Stated of the idea of irradiation of solar cells by coherent radiation. Considered spectrums of photocells and lasers. Shown how much energy has to have photon for efficient ionization of atoms in solar cells. Selected semiconductor materials for efficient transformation light to electricity. Considered the energy efficiency and some fields realization of lasers for the irradiance of solar cells. |
| first_indexed | 2025-07-17T11:37:11Z |
| format | Article |
| fulltext |
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 2 59
УДК 621.316
Д.В.Бондаренко, канд.техн.наук (Інститут відновлюваної енергетики НАН України, Київ)
Сонячні фотоелектричні модулі під дією когерентного опромінення
В роботі викладено ідею опромінення сонячних фотоелектричних модулів когерентним випромінюванням. Розглянуто спе-
ктри фотоелементів та оптичних квантових генераторів. Підібрані напівпровідникові матеріали для ефективного пере-
творення світла в електроенергію. Рогзглянуто енергоефективність. Бібл. 6, табл. 1, рис. 3.
Ключові слова: сонячна енергетика, сонячний модуль, когерентне випромінювання, лазер, спектр поглинання і випроміню-
вання, енергетична ефективність.
Orcid: 0000-0002-5629-930X
Впровадження відновлюваних джерел енер-
гії, а саме сонячних фотоперетворювачів, спону-
кає нас до дослідження різних режимів роботи,
різних факторів впливу та різних чинників, які
створюють електричну генерацію.
Так, при побудові фотоелектричних систем
живлення для генерації електроенергії
традиційно використовується сонячне світло.
Сонячне випромінювання має досить широкий
спектр (рис. 1) [1], що дає можливість використо-
вувати різні за спектральними властивостями
фотоперетворювачі.
Рис. 1. Сонячний спектр.
При розробці сонячних фотоперетворювачів
переважним є використання кремнію в різних
агрегатних станах та структурах, наприклад,
монокристалічного та полікристалічного кремнію
(c-Si), аморфного кремнію (a-Si) або
тонкоплівкового кремнію. Також у використанні
мають перспективу різні комплексні
напівпровідники, такі як арсенід галію (GaAs),
телурід кадмію (CdTe) чи CIGS (CuIn(Ga)Se).
Спектральні характеристики цих елементів
зображені на рис. 2.
Рис. 2. Спектри поглинання напівпровідників.
З рис. 2 видно, що спектри поглинання ба-
гатьох напівпровідників є досить широкими, то-
му це не накладає жорстких вимог для спек-
тральних характеристик опромінення в області
видимого світла. Так, наприклад, спектр погли-
нання кремнію має розширений характер із-за
непрямозонних переходів. Крім того, домішки,
які виникають при виготовленні кремнієвих пла-
стин для сонячних фотоелементів, також впли-
вають на розширення спектра. Теплові режими
роботи сонячних фотоелементів так само приво-
дять до збільшення діапазону поглинання.
З точки зору вивчення властивостей перетво-
рення світла в електричну енергію та з
практичної точки зору досить цікавим є
дослідження процесів у фотоелементі при
опромінюванні його когерентним світловим по-
током. Когерентність – це властивість хвилі
зберігати свої частотні, поляризаційні та фазові
© Д.В.Бондаренко, 2017
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 2 60
характеристики [2, 3]. У розумінні квантової
теорії світла можна сказати, що фотони
світлового потоку мають однакову енергію (час-
тоту), однакову амплітуду, однаково
поляризовані та рухаються в одному й тому ж
напрямку. Ідеальним генератором оптичного ко-
герентного випромінювання є лазер, який інакше
називається оптичним квантовим генератором.
Треба зазначити, що останнім часом дуже
швидко розвивається напрямок створення оптич-
них квантових генераторів на основі
напівпровідників. Спектри випромінювання ба-
гатьох напівпровідників (особливо груп 3 та 5)
співпадають зі спектром видимого світла, для їх
живлення використовується низька напруга, вони
мають малі розміри, процес виготовлення є
порівняно нескладним та недорогим. А останні
досягнення в області фізики напівпровідників
дають можливість виготовлення лазерів усього
видимого спектра від червоного до фіолетового.
Спектр, наприклад, напівпровідникового одно-
модового AlGaAs-лазера має вигляд, представле-
ний на рис. 3 [4]. Ми бачимо, що це досить вузь-
ка смужка з деяким розширенням. Центр спектра
співпадає з найбільш максимальним потоком
фотонів, а його розташування на шкалі частот
залежить від властивостей активного середовища
лазера. Треба зазначити, що розширення спектра
лазерного випромінювання залежить від багатьох
факторів, а саме: від конструкції та принципу
роботи лазера, від робочої температури, від
конструкції резонатора (резонатор, як і активне
середовище, є необхідним елементом виникнення
когерентного випромінювання) та ін.
Рис. 3. Спектр випромінювання AlGaAs-лазера.
Спектральні характеристики інших напів-
провідникових лазерів наведені в таблиці 1 [5].
Таблиця 1. Напівпровідникові лазери
Колір
Довжина хвилі,
нм
Напівпровідник
Синій 405-465 InGaN
Зелений 510-525 InGaN
Червоний 630-670 AlGaInP
Інфрачервоний 650-880 AlGaAs
Інфрачервоний 980-1654 InGaAsP
Інфрачервоний 1877-3330 GaInAsSb
Отже, при опроміненні фотоелемента лазер-
ним променем ми маємо світловий потік, який
має вузьку спектральну складову з максималь-
ною амплітудою. Таким чином, якщо ми будуємо
систему, яка має основним джерелом енергії ла-
зер, для побудови фотоелемента було б доцільно
застосовувати напівпровідник, який має макси-
мальну поглинаючу здатність у даній області
спектра.
Базуючись на викладеному, робимо висно-
вок, що для побудови фотоелемента було б при-
родно використовувати напівпровідник, такий же
як і для побудови напівпровідникового лазера.
Тому що спектр поглинання та спектр
випромінювання будуть базуватися на одному й
тому ж активному переході в напівпровіднику.
Крім того, треба враховувати ще спектр погли-
нання середовища, через яке буде розповсюджу-
ватись випромінювання, що також буде висувати
певні вимоги до складу напівпровідників.
Таким чином, можемо зробити висновок, що
використання арсеніду галію в обох пристроях
виглядає природно і енергетично вигідно, але
системи, де в якості випромінювача
використовується арсенід-галієвий лазер, а в
якості поглинача світла кремнієвий фотоелемент,
також є доцільним рішенням.
Розглянувши пару GaAs-фотомодуль – GaAs-
лазер, ми бачимо, що максимум випромінювання
знаходиться на 880 нм – це ближня інфрачервона
область. І спектр поглинання починається з такої
ж довжини хвилі (рис. 2), що є узгодженим. Але
треба мати "запас" по енергії фотона, оскільки
енергія, яку віддає фотон при внутрішньому
фотоефекті, має вигляд [6]:
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 2 61
hν = Те + Ii + Тя, (1)
де Те – кінетична енергія електрона; Тя – кінетич-
на енергія ядра віддачі; Ii – енергія іонізації; ν –
частота опромінення; h – постійна Планка.
Також треба враховувати різні паразитні
процеси при поглинанні та розповсюдженні
фотонів. Таким чином, треба збільшити енергію,
а отже і частоту випромінювання випро-
мінювача. Це успішно можна зробити, додаючи
алюміній у твердий розчин арсеніду галію. При
цьому ширина забороненої зони трикомпонент-
ного напівпровідника буде збільшуватись, а от-
же, буде збільшуватись і енергія випромінених
фотонів. Ця технологія є дуже розповсюдженою
і випробуваною при виготовленні напів-
провідникових оптоелектронних пристроїв. От-
же, регулюючи кількість алюмінію в розчині, ми
можемо плавно зміщувати центр спектра
випромінювання в червону, більш енергетичну
область, при цьому знаходячи максимум
генерації електроенергії. Поверхневий аналіз
показує, що використання AlGaAs-лазера, який
має максимум спектра на довжині хвилі 670 нм
(червоне світло), є прийнятним.
Так само, регулюючи компоненти
напівпровідника в фотоелементі, ми можемо на-
близити генерацію до максимального значення.
Енергетичну ефективність процесів перетво-
рення електричної енергії через оптичну складо-
ву знову в електричну можна оцінити за ККД
кожного з окремих пристроїв. Так, ККД
напівпровідникових лазерів складає 30%, ККД
фотоелементів із монокристалічного кремнію –
до 20%, а ККД фотоелементів з арсеніду галію
складає до 30%, а при концентрації випромі-
нювання навіть до 35%. Таким чином, сумарний
ККД буде 6% або більше 10% відповідно. Це є не
дуже значною величиною в галузі енергетики,
однак лазерне опромінення як елемент
енергетичної складової використання сонячних
фотоелементів є дуже перспективним. Так, при
використанні видаленого обладнання, яке жи-
виться від фотобатареї, "підсвічування" її в
нічний час покращить енергетичні характеристи-
ки системи в цілому. Також при недостатності
сонячного випромінювання опромінення лазером
може суттєво збільшити потужність генерації
невеликих за розміром фотобатарей. Окремо
розглядається використання когерентного
випромінювання як основного елемента передачі
енергії на віддалені або рухомі системи. Так, малі
літальні апарати можуть живитися від
фотоелементів, які дистанційно опромінюються
лазерним променем. Це збільшує їх строк роботи
без підзарядки до нескінченності.
Когерентне випромінювання є більш
вигідним з точки зору випромінювача та погли-
нача. Тому що випромінювач витрачає отриману
енергію на створення потоку фотонів більш
ефективно, а конструкція поглинача фотонів для
підвищення ефективності не потребує створення
багатошарових структур, оскільки когерентне
вузькоспектральне випромінювання потребує
тільки одного поглинаючого елемента.
1. https://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight
2. https://uk.wikipedia.org/wiki/Когерентність
3. Вакуленко М. О. Тлумачний словник із фізики //
М.О. Вакуленко, О.В. Вакуленко. — К. : Видавничо-
поліграфічний центр «Київський університет», 2008. – 767 с.
4. http://ldselection.com/tutorial/basics-of-laser-
diode/chapter1-basics-of-laser-diode/
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_diode
6. http://nuclphys.sinp.msu.ru/ihem/ihem03.htm
REFERENCES
1. https://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight
2. https://uk.wikipedia.org/wiki/Когерентність
3. Vakulenko M. Dictionary of Physics // M. Vakulenko,
OV Vakulenko. - K: Publishing and printing center "Kyiv
University", 2008. - 767 p.
4. http://ldselection.com/tutorial/basics-of-laser-
diode/chapter1-basics-of-laser-diode/
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_diode
6. http://nuclphys.sinp.msu.ru/ihem/ihem03.htm
Д.В.Бондаренко, канд.техн.наук (Институт возобновляемой
энергетики НАН Украины, Киев)
Солнечные фотоэлектрические модули под воздействием
когерентного излучения
В работе рассмотрен спектр солнечного излучения и срав-
нен со спектром поглощения кремния и других полупровод-
ников. Изложена идея облучения солнечных фотоэлектри-
ческих модулей когерентным излучением. Рассмотрены
спектры фотоэлементов и оптических квантовых генера-
торов. Показано, какую энергию должен иметь фотон для
эффективной ионизации атомов в солнечном фотоэлемен-
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 2 62
те. Подобраны полупроводниковые материалы для эффек-
тивного преобразования света в электроэнергию. Рассмот-
рена энергоэффективность и некоторые области примене-
ния лазеров для облучения солнечных фотоэлементов.
Библ. 6, табл. 1, рис. 3.
Ключевые слова: солнечная энергетика, солнечный модуль,
когерентное излучение, лазер, спектр поглощения и излуче-
ния, энергетическая эффективность.
Bondarenko D. (Institute of renewable energy of NAS of
Ukraine, Kyiv)
Solar photocells irradiated by coherent radiation
In article, considered the spectrum of solar radiation and com-
paration with the spectrum absorption of silicon and other semi-
conductos. Stated of the idea of irradiation of solar cells by co-
herent radiation. Considered spectrums of photo cells and la-
sers. Shown how much energy have to have photon for efficient
ionization of atoms in solar cells. Selected semiconductor mate-
rials for efficient transformation light to electricity. Considered
the energy efficiency and some fields realization of lasers for
irradiance of solar cells. References 6, table 1, figures 3.
Key words: solar energy, solar cell, coherent radiation, laser,
spectrum absorption and radiation, energy efficient.
SYNOPSES
In article, considered the spectrum of solar radiation and com-
paration with the spectrum absorption of silicon and other semi-
conductos. Stated of the idea of irradiation of solar cells by co-
herent radiation. Considered spectrums of photo cells and lasers.
Shown how much energy have to have photon for efficient ioni-
zation of atoms in solar cells. Selected semiconductor materials
for efficient transformation light to electricity. Considered the
energy efficiency and some fields realization of lasers for irradi-
ance of solar cells.
Стаття надійшла до редакції 23.03.17
Остаточна версія 24.05.17
|
| id | veorgua-article-61 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:03:01Z |
| publishDate | 2017 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/f8/804759760bdc9a63e9ba4434e66b10f8.pdf |
| spelling | veorgua-article-612026-07-18T06:32:08Z Solar photocells irradiated by coherent radiation Солнечные фотоэлектрические модули под воздействием когерентного излучения Сонячні фотоелектричні модулі під дією когерентного опромінення Bondarenko, D. solar energy solar cell coherent radiation laser spectrum absorption and radiation energy efficient сонячна енергетика сонячний модуль когерентне випромінювання лазер спектр поглинання і випромінювання енергетична ефективність солнечная энергетика солнечный модуль когерентное излучение лазер спектр поглощения и излучения энергетическая эффективность In the article, considered the spectrum of solar radiation and comparison with the spectral absorption of silicon and other semiconductors. Stated of the idea of irradiation of solar cells by coherent radiation. Considered spectrums of photocells and lasers. Shown how much energy has to have photon for efficient ionization of atoms in solar cells. Selected semiconductor materials for efficient transformation light to electricity. Considered the energy efficiency and some fields realization of lasers for the irradiance of solar cells. В работе рассмотрен спектр солнечного излучения и сравнен со спектром поглощения кремния и других полупроводников. Изложена идея облучения солнечных фотоэлектрических модулей когерентным излучением. Рассмотрены спектры фотоэлементов и оптических квантовых генераторов. Показано, какую энергию должен иметь фотон для эффективной ионизации атомов в солнечном фотоэлементе. Подобраны полупроводниковые материалы для эффективного преобразования света в электроэнергию. Рассмотрена энергоэффективность и некоторые области применения лазеров для облучения солнечных фотоэлементов. В роботі викладено ідею опромінення сонячних фотоелектричних модулів когерентним випромінюванням. Розглянуто спектри фотоелементів та оптичних квантових генераторів. Підібрані напівпровідникові матеріали для ефективного перетворення світла в електроенергію. Рогзглянуто енергоефективність. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2017-06-14 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/61 Vidnovluvana energetika ; No. 2 (49) (2017): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 59-62 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 2 (49) (2017): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 59-62 Відновлювана енергетика; № 2 (49) (2017): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 59-62 2664-8172 1819-8058 uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/61/41 Copyright (c) 2017 D. Bondarenko https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | solar energy solar cell coherent radiation laser spectrum absorption and radiation energy efficient Bondarenko, D. Solar photocells irradiated by coherent radiation |
| title | Solar photocells irradiated by coherent radiation |
| title_alt | Солнечные фотоэлектрические модули под воздействием когерентного излучения Сонячні фотоелектричні модулі під дією когерентного опромінення |
| title_full | Solar photocells irradiated by coherent radiation |
| title_fullStr | Solar photocells irradiated by coherent radiation |
| title_full_unstemmed | Solar photocells irradiated by coherent radiation |
| title_short | Solar photocells irradiated by coherent radiation |
| title_sort | solar photocells irradiated by coherent radiation |
| topic | solar energy solar cell coherent radiation laser spectrum absorption and radiation energy efficient |
| topic_facet | solar energy solar cell coherent radiation laser spectrum absorption and radiation energy efficient сонячна енергетика сонячний модуль когерентне випромінювання лазер спектр поглинання і випромінювання енергетична ефективність солнечная энергетика солнечный модуль когерентное излучение лазер спектр поглощения и излучения энергетическая эффективность |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/61 |
| work_keys_str_mv | AT bondarenkod solarphotocellsirradiatedbycoherentradiation AT bondarenkod solnečnyefotoélektričeskiemodulipodvozdejstviemkogerentnogoizlučeniâ AT bondarenkod sonâčnífotoelektričnímodulípíddíêûkogerentnogoopromínennâ |