ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК H01L31/256 

Изобретение относится к средствам для преобразования световой энергии в электрическую и может быть использовано в гелиоэнергетике.

Фотопреобразователь (ФП) может быть следующих типов: монокристаллический, поликристаллический и аморфный. Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные ФП имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, который выше, чем у ФП, изготовленных из аморфного кремния.

Прежде всего ФП - это многослойная конструкция. В состав слоев входят слои лицевого и тыльного металлических электродов, заключенный между ними р-n - переход, состоящий из полупроводникового слоя первого типа проводимости и полупроводникового слоя второго противоположного первому типа проводимости (RU 2099818 C1, 20.12.1997, H01L 31/06, В.О.Вальднер и др., Д 2) (Фиг.1).

В последние годы разработаны новые типы материалов для ФП. Например, тонкопленочные ФП из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти ФП в последнее время также коммерчески используются (Фотоэлектрические системы. Перспективы. Состав. Параметры. С.Карабанов, Ю.Кухмистров, Электронные компоненты, 2000, №5, Д 1).

Одним из основных технических показателей работы ФП является КПД преобразования энергии света в электрическую. КПД ФП определяется как отношение максимальной мощности ФП к общей мощности излучения, падающей на его поверхность при стандартных тестовых условиях (СТУ). Эти условия предполагают:

- инсоляция 1000 Вт/м²

- солнечный спектр AM 1.5 (на широте 45°);

- температура элемента 25°C (это важно, так как эффективность ФП падает при повышении его температуры).

Среднее значение КПД коммерческих ФП составляет на сегодня 11…15% (Д 1).

Несмотря на появление новых материалов и технологий, малое значение КПД ФП (11-15%) является едва ли не самой значимой технической задачей в гелиоэнергетике. Существует несколько основных направлений в решении этой проблемы.

1. Создание эффективных оптических концентраторов в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн, в том числе планарных.

2. Создание эффективных антибликовых и противоотражающих покрытий.

3. Создание систем по утилизации излишнего тепла или фильтрации на входе системы инфракрасной составляющей спектра.

4. Создание новых полупроводниковых составляющих, значительно уменьшающих стоимость ФП, а следовательно, дающих возможность увеличения «фоточувствительной» площади ФП без существенного изменения стоимости системы в целом.

Известен ФП (Фиг.1), в состав слоев которого входят слои лицевого и тыльного металлических электродов, заключенный между ними р-n - переход, состоящий из полупроводникового слоя первого типа проводимости и полупроводникового слоя второго противоположного первому типа проводимости (RU 2099818 C1, 20.12.1997, H01L 31/06, В.О.Вальдер и др., Д 2). Указанный ФП выбран в качестве наиболее близкого аналога. Недостатками его являются неполное использование энергии падающего света, «узкополостность» фоточувствительности, отсутствие приспособлений для утилизации избыточного тепла и, как следствие, низкий КПД.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение КПД ФП.

Согласно первому варианту исполнения ФП (п.1 формулы изобретения) технический результат достигается тем, что в фотоэлектрическом преобразователе, содержащем рабочие слои: лицевого (1) и тыльного (2) металлических электродов, заключенный между ними р-n - переход (3), состоящий из полупроводникового слоя первого типа проводимости (4) и полупроводникового слоя второго противоположного первому типа проводимости (5), подложку (13.1) для нанесения указанных слоев выполняют в виде геометрического тела (6) длиной L с двумя торцами А (7) и Б (8) (Фиг.2), в сечении (9), перпендикулярном длине L, представляющем собой плоскую фигуру площадью S произвольной формы (Фиг.3), продиктованной поставленной задачей и/или технологическими возможностями. Например, это может быть параллелепипед, цилиндр, конус (усеченный), пирамида, призма и т.п. (Фиг.3). Иными словами, фигура с площадью S может быть ограничена линией, образованной алгебраическими кривыми, или трансцендентными кривыми, или ломаной линией, или их комбинацией (Найдено в Интернет 24.01.2008, http://www.informika.ru/text/database/geom/Geometry, Южно-уральский Государственный университет, Компьютерный конспект лекций по начертательной геометрии, Глава 2, Д 3).

Рабочие слои наносят на поверхность геометрического тела вдоль измерения L и, как вариант исполнения, на один из торцов А или Б. При этом вводят дополнительный отражающий слой (10), расположенный таким образом, что электромагнитные волны достигают его, предварительно пройдя все остальные, указанные рабочие слои. Таким образом, энергия электромагнитных волн, проходящих через торец (А и/или Б) геометрического тела, образующего подложку и многократно отраженных от поверхности, образованной рабочими слоями с отражающим слоем, поглотится максимально (Фиг.4).

Однако подложка ФП может быть не абсолютно прозрачна, а выполнена из материала, обладающего свойствами режекторного и/или полосового оптического фильтра в указанных диапазонах длин волн, причем фильтрующие свойства материала подложки могут быть различны вдоль длины L. Этого можно добиться либо соответствующим легированием материала подложки, либо оптическим соединением в единую подложку различных материалов (например, по технологии соединения оптического волокна). Общеизвестно, что любой оптический материал имеет различное поглощение различных спектральных составляющих солнечного света. Следовательно, используя различные фоточувствительные материалы (фоточувствительные материалы имеют максимальную чувствительность в сравнительно узких диапазонах длин волн) на различных расстояниях от оптического входа ФП, образованного торцом/торцами А, Б подложки (Фиг.2), можно увеличить эффективность работы полупроводниковых слоев ФП в целом.

Согласно второму варианту исполнения ФП (п.6 формулы изобретения) технический результат достигается тем, что в фотоэлектрическом преобразователе, содержащем рабочие слои: лицевого (1) и тыльного (2) металлических электродов, заключенный между ними р-n - переход (3), состоящий из полупроводникового слоя первого типа проводимости (4) и полупроводникового слоя второго противоположного первому типа проводимости (5), подложку (13.1 и 13.2) для нанесения указанных слоев выполняют в виде геометрического тела длиной L с двумя торцами А и Б, в сечении, перпендикулярном длине L, представляющем собой плоскую фигуру площадью S произвольной формы (Х), продиктованной поставленной задачей и/или технологическими возможностями. Например, это может быть параллелепипед, цилиндр, конус (усеченный), пирамида, призма и т.п. Иными словами, фигура с площадью S может быть ограничена линией, образованной алгебраическими кривыми, или трансцендентными кривыми, или ломаной линией, или их комбинацией (Д 3), при этом геометрическое тело, образующее подложку, выполнено полым, т.е. образует прямую каналовую поверхность (Д 3), а стенка (11) (Фиг.5), образованная полостью, параллельна длине L и имеет толщину H, которая может различаться, как в направлениях, перпендикулярных длине L, так и в направлении, параллельном длине L, причем рабочие слои наносят на внешнюю поверхность геометрического тела вдоль длины L и/или на поверхность, образованную полостью подложки (Фиг.5). При этом вводят дополнительный отражающий слой, расположенный таким образом, что электромагнитные волны достигают его, предварительно пройдя все остальные, указанные рабочие слои. Существенными отличиями исполнения изобретения по п.6 от исполнения изобретения по п.1 являются конструкционные особенности подложки, а именно наличие полости внутри нее. Наличие полости позволяет уменьшить вес конструкции, наносить рабочие слои и отражающий слой как на внешнюю поверхность подложки, так и на внутреннюю, образованную полостью (Фиг.5), а также использовать указанную полость для утилизации излишнего тепла и поддержания рабочей температуры рабочих слоев ФП. Геометрические параметры полости определяются толщиной стенки H, при известных параметрах плоской фигуры, образующей сечение, перпендикулярное длине L. Значение толщины стенки H может быть равным по всему объему геометрического тела, а может, вследствие технических и/или технологических ограничений, различаться.

Сбор и утилизацию тепла можно производить с помощью различных теплоносителей. Например, с помощью воздушных потоков или потоков инертной, оптически прозрачной жидкости, обладающей высокой теплопроводностью и низкой электронной проводимостью. Для того чтобы процесс утилизации тепла сделать более эффективным, в подложке предусмотрены отверстия (12) - через стенку подложки в ее полость, с размерами и формой, позволяющими свободно протекать теплоносителю (Фиг.5). Если теплоносителем является жидкость, то она может обладать оптическими фильтрующими свойствами, как и материал подложки.

Значение вышеупомянутой длины L (длина геометрического тела, образующего подложку) теоретически не имеет ограничений, а практически ограничивается только технологическими возможностями и реализуемыми задачами, также как форма и площадь S плоской фигуры, образующей сечение, перпендикулярное длине L (Фиг.3).

На фиг.1 приведена схема расположения рабочих слоев ФП;

на фиг.2 приведен ФП согласно первому варианту исполнения ФП;

на фиг.3 приведены примеры форм подложки ФП согласно изобретению;

на фиг.4 даны пояснения к работе ФП согласно изобретению;

на фиг.5 приведен ФП согласно второму варианту исполнения ФП.

ФП на фиг.1 содержит рабочие слои: лицевого (1) и тыльного (2) металлических электродов, заключенный между ними р-n - переход (3), состоящий из полупроводникового слоя первого типа проводимости (4), полупроводникового слоя второго противоположного первому типа проводимости (5), и отражающий слой (10), нанесенные на подложку (13.1) или подложку (13.2). В первом варианте исполнения изобретения применима подложка (13.1), расположенная между входящим потоком электромагнитного излучения и рабочими слоями с отражающим слоем. Во втором варианте исполнения применима как подложка (13.1), расположенная между входящим потоком электромагнитного излучения и рабочими слоями с отражающим слоем, так и подложка (13.2), расположенная между рабочими слоями с отражающим слоем и входящим потоком электромагнитного излучения.

На фиг.2 приведен ФП согласно первому варианту исполнения ФП, т.е. без полости внутри подложки. Фиг.2 демонстрирует, каким образом может быть реализована возможность использования материалов подложки с различными оптическими свойствами и различной спектральной фоточувствительностью (15, 16), с условной границей между ними (14).

На фиг.3 приведены примеры вариантов форм подложек ФП.

На фиг.4 приведена схема прохождения электромагнитных волн (светового потока, световых лучей) внутри подложки. На чертеже изображен вариант, когда торец А является входным для электромагнитных волн, а на торец Б нанесены рабочие слои с отражающим слоем.

На фиг.5 приведен ФП согласно второму варианту исполнения ФП с полостью внутри подложки. Фиг.5 демонстрирует, каким образом может быть реализована возможность утилизации тепла с помощью полости и боковых отверстий (12).

Предлагаемый в первом и втором вариантах исполнения ФП работает следующим образом.

Энергия электромагнитных волн, проходящих через торец (А и/или Б) геометрического тела, образующего подложку, многократно отражается от поверхности, образованной рабочими слоями с отражающим слоем (Фиг.4). Фотоны, по любым причинам отраженные после первого попадания на фоточувствительный слой ФП, остаются «внутри» подложки ФП, что многократно увеличивает вероятность их полного использования. Дополнительно введенный отражающий слой возвращает «внутрь» подложки фотоны, прошедшие насквозь через рабочие слои. Те из фотонов, которые долетят до противоположного торца подложки, отразятся от него, и повторят обратный путь с многократными отражениями к входному торцу.

Подложка ФП может быть выполнена из материала, обладающего свойствами режекторного и/или полосового оптического фильтра в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн. Фильтрующие свойства материала подложки могут быть различны вдоль длины L. Этого можно добиться либо соответствующим легированием материала подложки, либо оптическим соединением в единую подложку различных материалов (например, по технологии соединения оптического волокна). Общеизвестно, что любой оптический материал имеет различное поглощение различных спектральных составляющих солнечного света. Следовательно, используя различные фоточувствительные материалы (фоточувствительные материалы имеют максимальную чувствительность в сравнительно узких диапазонах длин волн) на различных расстояниях от оптического входа ФП, образованного торцом/торцами А, Б подложки (Фиг.2), можно увеличить эффективность работы полупроводниковых слоев ФП в целом за счет расширения спектра поглощения.

Отличием исполнения изобретения по п.6 от исполнения изобретения по п.1 являются конструкционные особенности подложки, а именно наличие полости внутри нее. Наличие полости позволяет уменьшить вес конструкции, наносить рабочие слои и отражающий слой как на внешнюю поверхность подложки, так и на внутреннюю, образованную полостью (Фиг.5). Очень важным преимуществом является появляющаяся в этом случае возможность утилизации излишнего тепла и поддержания рабочей температуры рабочих слоев ФП. Сбор и утилизацию тепла можно производить с помощью различных теплоносителей. Например, с помощью воздушных потоков или потоков инертной, оптически прозрачной жидкости, обладающей высокой теплопроводностью и низкой электронной проводимостью. Для того чтобы процесс утилизации тепла сделать более эффективным, в подложке предусмотрены отверстия (12) - через стенку подложки в ее полость, с размерами и формой, позволяющими свободно протекать теплоносителю (Фиг.5). Если теплоносителем является жидкость, то она может обладать оптическими фильтрующими свойствами, как и материал подложки. Более того, для надежной герметизации рабочих слоев в случае нанесения их на внутреннюю поверхность полости, полость внутри подложки может быть заполнена оптически прозрачным материалом, а торцы герметически запаяны или заклеены оптически прозрачными крышками.

Таким образом, предлагаемая конструкция ФП может найти широкое применение в составе модулей солнечных электростанций, а предложенные варианты выполнения ФП позволяют значительно увеличить КПД ФП за счет более полного использования инсоляции.

В фотопреобразователе (ФП), содержащем рабочие слои: лицевого и тыльного металлических электродов, заключенный между ними p-n - переход, состоящий из полупроводникового слоя первого типа проводимости и полупроводникового слоя второго противоположного первому типа проводимости, подложку, для нанесения указанных слоев выполняют в виде геометрического тела длиной L с двумя торцами А и Б, в сечении, перпендикулярном длине L, представляющем собой плоскую фигуру площадью S произвольной формы. При этом рабочие слои наносят на поверхность геометрического тела вдоль измерения L и, как вариант исполнения, на один из торцов А или Б, а при наличии полости внутри геометрического тела - на внутреннюю поверхность полости. Также дополнительно вводят отражающий слой, расположенный таким образом, что электромагнитные волны достигают его, предварительно пройдя все остальные, указанные рабочие слои. Технический результат - увеличение КПД ФП. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Фотоэлектрический преобразователь, содержащий слои лицевого и тыльного металлических электродов, заключенный между ними p-n-переход, состоящий из полупроводникового слоя первого типа проводимости и полупроводникового слоя второго противоположного первому типа проводимости, отличающийся тем, что подложку для нанесения указанных слоев выполняют в виде геометрического тела длиной L с двумя торцами А и Б в сечении, перпендикулярном длине L, представляющем собой плоскую фигуру площадью S произвольной формы, ограниченную линией, образованной алгебраическими кривыми, или трансцендентными кривыми, или ломаной линией, или их комбинацией, причем рабочие слои наносят на поверхность геометрического тела вдоль длины L, и введен дополнительный отражающий слой, расположенный таким образом, что электромагнитные волны достигают его, предварительно пройдя все остальные указанные рабочие слои.

2. Фотоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из материала, прозрачного для электромагнитных волн, соответствующих инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому диапазонам длин волн.

3. Фотоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из материала, обладающего свойствами режекторного или полосового оптического фильтра в указанных диапазонах длин волн, причем фильтрующие свойства материала подложки могут быть различны вдоль длины L.

4. Фотоэлектрический преобразователь по любому из пп.2, 3, отличающийся тем, что вдоль длины L полупроводниковые слои из состава рабочих слоев имеют различную чувствительность к воздействию электромагнитного излучения одного диапазона длин волн.

5. Фотоэлектрический преобразователь по любому из пп.2, 3, отличающийся тем, что дополнительно нанесены рабочие слои на один из торцов А или Б.

6. Фотоэлектрический преобразователь, содержащий слои лицевого и тыльного металлических электродов, заключенный между ними p-n-переход, состоящий из полупроводникового слоя первого типа проводимости и полупроводникового слоя второго противоположного первому типа проводимости, отличающийся тем, что подложкой для нанесения указанных слоев является геометрическое тело длиной L с двумя торцами А и Б в сечении, перпендикулярном длине L, представляющем собой плоскую фигуру площадью S произвольной формы, образованную кривыми второго порядка, или n-угольник, где n - натуральные числа, или их комбинацию, при этом геометрическое тело, образующее подложку, выполнено полым, а стенка, образованная полостью, параллельна длине L и имеет толщину Н, которая может различаться, как в направлениях, перпендикулярных длине L, так и в направлении, параллельном длине L, причем рабочие слои наносят на внешнюю поверхность геометрического тела вдоль длины L и/или на поверхность, образованную полостью подложки, и введен дополнительный отражающий слой, расположенный таким образом, что электромагнитные волны достигают его, предварительно пройдя все остальные указанные рабочие слои.

7. Фотоэлектрический преобразователь по п.6, отличающийся тем, что подложка выполнена из материала, прозрачного для электромагнитных волн, соответствующих инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому диапазонам длин волн.

8. Фотоэлектрический преобразователь по п.6, отличающийся тем, что подложка выполнена из материала, обладающего свойствами режекторного и/или полосового оптического фильтра в указанных диапазонах длин волн, причем фильтрующие свойства материала подложки могут быть различны вдоль длины L.

9. Фотоэлектрический преобразователь по п.6, отличающийся тем, что вдоль измерения L полупроводниковые слои из состава рабочих слоев имеют различную чувствительность к воздействию электромагнитного излучения одного диапазона длин волн.

10. Фотоэлектрический преобразователь по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что полость подложки заполнена материалом прозрачным для электромагнитных волн, соответствующих инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому диапазонам длин волн, а торцы герметически запаяны или заклеены оптически прозрачными крышками.

11. Фотоэлектрический преобразователь по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что подложка вдоль длины L имеет боковые отверстия, проходящие насквозь, по меньшей мере, через одну стенку подложки.

12. Фотоэлектрический преобразователь по п.11, отличающийся тем, что по полости подложки и через боковые отверстия циркулирует теплоноситель.

13. Фотоэлектрический преобразователь по п.12, отличающийся тем, что теплоносителем является жидкость, обладающая свойствами режекторного и/или полосового оптического фильтра в указанных диапазонах длин волн.