ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H01L31/42 

Изобретение относится к области непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую и может быть использовано в фотоэлектрических модулях, применяемых преимущественно для энергопитания научной аппаратуры, устанавливаемой на космических кораблях, к которым предъявляются особенно жесткие требования в отношении уровня магнитных и электрических полей, возникающих при работе фотоэлектрических модулей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является фотоэлектрический модуль, содержащий фотопреобразователи с основными и вспомогательными токособирающими электродами и установленными на них пластинами из прозрачного материала, на внешних поверхностях которых расположены слои из электропроводного прозрачного материала, коммутационные шины, соединяющие фотопреобразователи, и опорную пластину (см. патент Франции N 2638568, кл. Н 01 L 31/05, 1989). В известном фотоэлектрическом модуле за счет применения электропроводных прозрачных слоев, размещаемых на внешних поверхностях прозрачных пластин, удается несколько скомпенсировать воздействие на научную аппаратуру электрических полей, возникающих при работе фотоэлектрического модуля.

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является его низкая эксплуатационная надежность вследствие низкого уровня совместимости фотоэлектрического модуля с научной аппаратурой космического корабля, поскольку в нем отсутствует система компенсации генерируемых модулем магнитных полей и недостаточно скомпенсированы электрические поля, возникающие в модуле. Кроме того, известный фотоэлектрический модуль имеет значительные габариты и вес, обусловленные сложностью конструкции системы компенсации электрических полей.

Технический результат изобретения заключается в повышении эксплуатационной надежности фотоэлектрического модуля за счет повышения уровня совместимости фотоэлектрического модуля с научной аппаратурой космического корабля посредством ослабления магнитных и электрических полей, генерируемых модулем, при одновременном улучшении его весо-габаритных характеристик.

Указанный технический результат достигается в фотоэлектрическом модуле, содержащем фотопреобразователи с основными и вспомогательными токособирающими электродами и установленными на них пластинами из прозрачного материала, на внешних поверхностях которых расположены слои из электропроводного прозрачного материала, коммутационные шины, соединяющие фотопреобразователи, опорную пластину и компенсационные проводники, подключенные к концевым фотопреобразователям и размещенные под всеми основными токособирающими электродами, при этом предпочтительно коммутационные проводники размещать под всеми последовательно соединенными фотопреобразователями; фотопреобразователи соединять в последовательно-параллельные ряды, размещая компенсационные проводники под каждым рядом; опорную пластину выполнять в виде ячеистой структуры и двух электропроводных листов, присоединяемых к ее противолежащим сторонам с выполнением углублений для размещения компенсационных проводников в листе, на котором размещаются фотопреобразователи, при этом компенсационные проводники фиксируются в углублениях при помощи адгезионного материала; компенсационные проводники выполняются в виде пластин, при этом ширину пластины выбирают не более ширины коммутационной шины, соединяющей параллельно включенные фотопреобразователи; основной токособирающий электрод размещается в центральной зоне фотопреобразователя, при этом формируются два симметричных и равных по площади освещаемых участка; дополнительно снабжать фотоэлектрический модуль электрическими проводниками, которые размещаются на электропроводных прозрачных слоях и соединяют эти слои между собой, электрические проводники, присоединяющие слои к плоскому электропроводному листу опорной пластины; дополнительно снабжать модуль электрическими выводами, один из которых присоединяется к конечному участку компенсационного проводника, а другой - к начальному фотопреобразователю; электрические выводы выполнять в виде электроизолированных скрученных проводников, которые размещаются у торцевой поверхности модуля.

Введение в модуль компенсационных проводников, подключенных к концевым (по отношению направления электрического тока в модуле) фотопреобразователям, наряду с расположением компенсационных проводников под каждым основным токособирающим электродом и, таким образом, под всеми этими электродами, позволяет создать в зонах протекания собираемых с фотопреобразователя токов систему компенсации магнитного поля, выполненную в виде расположенных вблизи проводников с противоположным направлением токов в них. При этом вес и габариты системы компенсации минимальны, поскольку компенсационные проводники соответствуют лишь зонам основных токособирающих электродов, а сама система легко модифицируется в зависимости от конфигурации электрических соединений в модуле. Так, при параллельно-последовательном соединении фотопреобразователей компенсационные проводники пролегают под всеми последовательно соединенными преобразователями, образуя непрерывную линию под коммутационными шинами, соединяющими фотопреобразователи модуля. При последовательно-параллельном соединении фотопреобразователей в виде рядов компенсационные проводники пролегают под каждым рядом, что обеспечивает минимальные вес и габариты. Размещение компенсационных проводников в углублениях опорной пластины, выполненных в электропроводном листе, на котором располагаются фотопреобразователи, позволяет улучшить весо-габаритные характеристики модуля, поскольку компенсационные проводники не только компенсируют магнитные поля, создаваемые фотопреобразователями, но также служат в качестве составных элементов опорной пластины, выполняя функции несущих элементов конструкции модуля. Кроме того, электропроводные стенки углублений служат дополнительными элементами, экранирующими магнитные поля. Выполнение опорной пластины в виде ячеистой структуры, противоположные стороны которой присоединены к электропроводным листам, позволяет получить систему, обладающую высокой механической прочностью при минимальном весе, при этом электропроводные листы используются в качестве элементов системы компенсации электрических и магнитных полей, генерируемых модулем. Углубления в листе опорной пластины могут быть получены посредством выдавливания, а компенсационные проводники фиксируются в них при помощи адгезионного материала, что повышает прочность опорной пластины. Предпочтительно компенсационные проводники выполнять в виде плоских пластин, что позволяет получать углубления минимального объема. Ширину пластины при этом выбирают не более ширины коммутационной шины, соединяющей между собой параллельно расположенные фотопреобразователи, так как при этом отсутствует эффект затенения токогенерирующих поверхностей фотопреобразователей. Введение в состав модуля дополнительных электрических проводников, присоединяемых к прозрачным электропроводным слоям, позволяет соединить их в единую систему, размещенную на пластинах фотопреобразователей, которую при помощи дополнительных электрических проводников присоединяют к плоскому электропроводному листу опорной пластины. Это обеспечивает компенсацию электрических полей, генерируемых фотопреобразователями, поскольку функционирует единая экранирующая поверхность, соединенная с электропроводным листом опорной пластины. Предпочтительно основной токособирающий электрод в каждом фотопреобразователе размещать в центральной зоне с формированием двух симметричных и имеющих одинаковую освещаемую поверхность участков с расположением компенсационного проводника под этим электродом, что позволяет обеспечить максимальную компенсацию магнитного поля при минимальном весе. Введение в состав фотоэлектрического модуля электрических выводов, один из которых присоединен к фотопреобразователям, расположенным в начале электрической цепи фотоэлектрического модуля и называемым поэтому начальными фотопреобразователями, а другой - к концевому участку компенсационного провода с размещением выводов у торцевой поверхности модуля, позволяет свести к минимуму суммарный вес модуля. Выполнение электрических выводов в виде электроизолированных скрученных проводников обеспечивает компенсацию магнитных полей в зоне расположения электрических выводов.

На фиг. 1 изображен фотоэлектрический модуль в изометрической проекции, общий вид; на фиг. 2-5 - поперечные сечения различных зон фотоэлектрического модуля в плоскостях А-А, Б-Б, В-В и Г-Г соответственно (см. фиг. 1), на фиг. 6 - концевой участок фотоэлектрического модуля в зоне размещения электрических выводов.

Фотоэлектрический модуль содержит фотопреобразователи 1, каждый из которых снабжен основными токособирающими электродами 2, вспомогательными токособирающими электродами 3, выполняемыми обычно в виде тонких параллельно расположенных полосок, пластинами 4 из прозрачного материала, на внешних поверхностях которых расположены слои 5 из электропроводного прозрачного материала; коммутационные шины 6, посредством которых соединяются между собой смежные фотопреобразователи, перемычки 7 из проводящего материала, соединяющие смежные электропроводные прозрачные слои, контактные полоски 8, размещенные на поверхностях электропроводных прозрачных слоев, компенсационные проводники 9, опорную пластину 10, состоящую из ячеек 11, образующих ячеистую структуру, электропроводные слои 12, 13, углубления 14 для размещения в них компенсационных проводников, дополнительные электрические проводники 15, 16, слои 17 из адгезионного материала, слои 18 из электроизоляционного материала, вспомогательный электрический проводник 19, электроизоляционный слой 20, размещаемый в углублениях, и электрические выводы 21.

Фотопреобразователи 1 обычно изготавливаются из высокоэффективных полупроводниковых материалов, например из кремния или арсенида германия. Основной токособирающий электрод 2 может быть расположен в центральной зоне фотопреобразователя 1, формируя при этом два симметричных и равных по площади поверхности освещаемых участка, на которых симметрично располагаются вспомогательные токособирающие электроды 3. Фотопреобразователи при помощи коммутационных шин 6 соединяются между собой обычно в последовательно-параллельные ряды (см. фиг. 1). К лицевым поверхностям фотопреобразователей 1 с помощью прозрачного адгезионного материала 17 присоединены пластины 4 из прозрачного материала, например из стекла, на внешних поверхностях которого имеются слои 5 из электропроводного прозрачного материала, например из окиси индия (см. фиг. 2). Между собой слои 5 соединены с использованием контактных полосок 8 и перемычек 7 из проводящего материала. При помощи дополнительных электрических проводников 15, 16 и вспомогательного электрического проводника 19 слои 5 всех фотопреобразователей 1 соединяются с плоским электропроводным листом 13 опорной пластины 10 (см. фиг. 4). Все фотопреобразователи 1 при помощи слоев адгезионного материала 17 закреплены на электропроводном листе 12 опорной пластины 10, на поверхность которого нанесен слой 18 из электроизоляционного материала (см. фиг. 3). В углублениях 14 электропроводного листа 12 предусмотрен электроизоляционный слой 20, на котором размещены компенсационные проводники 9, фиксируемые при помощи адгезионного материала 17 (см. фиг. 2). Компенсационные проводники 9 могут быть выполнены в виде отдельных элементов, соединяемых между собой, или в виде сплошного элемента требуемой конфигурации. Компенсационные проводники 9 предпочтительно выполнять в виде полос шириной 3-5 мм, которые располагаются непосредственно вблизи (на расстоянии 0,1-0,3 мм) от нижней плоскости фотопреобразователя 1 в зоне размещения основного токособирающего электрода 2. Компенсационные проводники 9 присоединены к концевым фотопреобразователям 1, при этом окончания компенсационных проводников 9 располагаются вблизи начальных фотопреобразователей 1. Конечный участок компенсационного проводника 9 присоединен к одному из электрических выводов 21, другой вывод при этом подключен к начальному фотопреобразователю (см. фиг. 6). Электрические выводы 21 предпочтительно выполнять в виде электроизолированных скрученных проводников с шагом скрутки 8-12 мм.

В составе космического корабля заявленный фотоэлектрический модуль работает следующим образом. При освещении лицевых поверхностей фотопреобразователей 1 генерируемый ими электрический ток, распределение которого по поверхности имеет сложную картину, собирается электродами 2 и 3. На фотоактивной части лицевой поверхности фотопреобразователя 1 ток течет к вспомогательным токособирающим электродам 3, а затем к основному токособирающему электроду 2. При использовании аналогичных электродов такой же характер распределения токов имеет место и на тыльной стороне фотопреобразователя 1, однако направление тока при этом противоположно "лицевому", благодаря чему происходит автокомпенсация генерируемых магнитных полей и увеличение градиента затухания электрических полей. В лицевых и тыльных основных токособирающих электродах 2 ток течет в одну сторону с линейно возрастающей плотностью, при этом магнитное поле от тока в электроде 2 компенсируется магнитным полем тока, протекающего в противоположном направлении по компенсационному проводнику 9, расположенному под этим электродом, и этот же фактор способствует увеличению градиента затухания электрического поля. Дополнительное снижение уровня электрического поля происходит за счет экранирования фотопреобразователя 1 слоями 5 из электропроводного прозрачного материала, который гальванически связан с электропроводным листом 13 опорной пластины 10.

В заявленном фотоэлектрическом модуле удается повысить эксплуатационную надежность за счет обеспечения надежной компенсации магнитных и электрических полей при любом уровне генерируемой фотоэлектрическим модулем мощности. Кроме того, размещение компенсационных проводников в углублениях опорной пластины позволяет добиться снижения электрических и магнитных полей по торцам фотоэлектрического модуля за счет экранирующего эффекта, вызываемого электропроводными стенками углублений. При этом дополнительно удается снизить вес фотоэлектрического модуля и уменьшить его габариты, поскольку для креплений в фотоэлектрическом модуле используется минимальное количество адгезионного материала.

Заявленный фотоэлектрический модуль в отличие от известных позволяет соединять в параллельные цепи любое количество фотопреобразователей, что также способствует повышению его эксплуатационной надежности.

Использование: в области непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую, в фотоэлектрических модулях, применяемых для энергопитания космических кораблей. Сущность изобретения: фотоэлектрический модуль содержит фотопреобразователи, соединяемые при помощи коммутационных перемычек в параллельно-последовательные ряды, располагаемые на опорной пластине, состоящей из ячеистой структуры и прикрепленных к ней электропроводных листов. В листе, на котором расположены фотопреобразователи, выполнены углубления для размещения в них компенсационных проводников, соединяемых с концевыми фотопреобразователями. Компенсационные проводники пролегают под всеми последовательно соединенными фотопреобразователями, а поскольку направление тока в них противоположно, происходит компенсация магнитного поля, генерируемого модулем. Фотопреобразователи снабжены пластинами из прозрачного материала, на поверхностях которых расположены слои из электропроводного прозрачного материала. Слои при помощи дополнительных проводников присоединены к электропроводному листу опорной пластины, и это позволяет скомпенсировать генерируемые модулем электрические поля. Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационной надежности фотоэолектрического модуля за счет повышения уровня совместимости фотоэлектрического модуля с научной аппаратурой космического корабля посредством ослабления магнитных и электрических полей, генерируемых модулем, при одновременном улучшении его весо-габаритных характеристик 7 з.п. ф-лы. 6 ил.

1. Фотоэлектрический модуль, содержащий фотопреобразователи с основными и вспомогательными токособирающими электродами и установленными на них пластинами из прозрачного материала, на внешних поверхностях которых расположены слои из электропроводного прозрачного материала, коммутационные шины, соединяющие фотопреобразователи, и опорную пластину, отличающийся тем, что в него дополнительно введены компенсационные проводники, которые пролегают под фотопреобразователями в зонах размещения их основных токособирающих электродов, при этом компенсационные проводники соединены между собой и подключены к концевым фотопреобразователям. 2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что фотопреобразователи соединены параллельно-последовательно, при этом компенсационные проводники пролегают под всеми последовательно соединенными фотопреобразователями. 3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что фотопреобразователи соединены в последовательно-параллельные ряды, при этом компенсационные проводники пролегают под каждым рядом. 4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что опорная пластина выполнена в виде ячеистой структуры, противоположные стороны которой присоединены к электропроводным листам, при этом на поверхность одного из листов нанесен слой электроизоляционного материала, на котором при помощи слоев адгезионного материала закреплены фотопреобразователи, причем в этом листе выполнены углубления с электроизоляционным слоем, на котором размещены компенсационные проводники. 5. Модуль по п.4, отличающийся тем, что компенсационные проводники зафиксированы в углублениях при помощи адгезионного материала. 6. Модуль по п.4, отличающийся тем, что в него дополнительно введены электрические проводники, размещаемые на электропроводных прозрачных слоях и соединяющие их между собой, и электрические проводники, присоединяющие эти слои к плоскому электропроводному листу опорной пластины. 7. Модуль по п.1, отличающийся тем, что компенсационные проводники выполнены в виде пластин. 8. Модуль по п.7, отличающийся тем, что ширина пластины не превышает ширины коммутационной шины, соединяющей параллельно включенные фотопреобразователи.