Полупроводниковая солнечная батарея на основе концентратора из фоточувствительных зеркальных полупрозрачных металлических электродов с использованием термоэлектрического преобразования Российский патент 2019 года по МПК H02S40/22 H01L31/68 

Полупроводниковая солнечная батарея на основе концентратора из фоточувствительных зеркальных полупрозрачных металлических электродов с использованием термоэлектрического преобразования

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности, касается преобразования солнечной радиации в электрическую энергию.

Известен концентратор лучей [1]. Недостатком известного устройства являются тепловые потери при преобразовании фотонов, так как часть фотонов вместо преобразования в электричество будет поглощаться и формировать паразитные тепловыделения.

Целью предлагаемого изобретения является создание полупроводниковой солнечной батареи на основе концентратора из фоточувствительных зеркальных полупрозрачных металлических электродов с использованием термоэлектрического эффекта на полупроводниковом p-n-переходе для преобразования максимального количества фотонов в электричество.

Техническим результатом является одновременное использование сразу нескольких эффектов: преобразование солнечной радиации в электричество на полупроводниковом p-n-переходе, фотоэффект на металлическом электроде с низким уровнем работы выхода электронов и термоэлектрический эффект Зеебека по выработке электроэнергии за счет перепада температур, полученного от нагрева солнечными лучами, а также концентрация солнечных лучей между параллельными зеркальными полупрозрачными металлическими электродами для организации многократного прохождения фотонами полупроводникового p-n-перехода.

Указанный технический результат достигается тем, что для повышения эффективности солнечной батареи она имеет форму полуцилиндра, главная ось которого ориентирована на северный полюс. Это позволяет в течении светового дня максимально использовать солнечную радиацию без механического поворота солнечной батареи за движущимся солнцем, так как при любом положении солнца относительно полуцилиндрической солнечной батареи все фотоны после многократных переотражений на металлических зеркальных полупрозрачных электродах будут либо преобразованы в электричество на полупроводниковых p-n-переходах, либо примут участие в фотоэффекте при выбивании электронов из металлических электродов с низким уровнем работы выхода, либо будут поглощаться и нагревать полупроводниковый спай и металлические электроды, что позволит выработать термоэлектричество. Таким образом, все фотоны будут так или иначе преобразованы в электричество. В отличие от прежних способов преобразования солнечной энергии с невысокими показателями КПД, можно достичь большей эффективности за счет того, что все эффекты не просто суммируются (механическая совокупность различных преобразователей приводит к потерям на каждом отдельном преобразователе), а одновременно будут использованы на одном и том же полупроводниковом p-n-переходе, формирующем элементарную ячейку солнечной батареи. Заявленная солнечная батарея недостатки одного способа преобразования использует, как достоинства другого способа. В результате, большая часть солнечной радиации будет эффективно преобразована в электрическую энергию с минимальными паразитными потерями.

На фиг. 1 изображена схема по преобразованию солнечной радиации в электрическую энергию. Электроэнергия с солнечной батареи снимается с отрицательного металлического электрода 1 и положительного металлического электрода 2. Полупроводниковые зоны p-типа 6 и n-типа 7 образуют в верхней части солнечной батареи p-n-переходы, находящиеся в запертом состоянии. В нижней части отдельные компоненты p-n-переходов объединены с помощью металлических спаев 3, которые обдуваются вентилятором 9 для дополнительного теплоотвода и для создания низкой температуры относительно более высокой температуры p-n-перехода, нагреваемого сверху солнечными лучами. При наличии перепада температур между верхним p-n-переходом и нижним спаем солнечная батарея вырабатывает электроэнергию на основе термоэлектрического эффекта Зеебека. В то же время солнечные лучи, проходя сквозь p-n-переход, как указано на фиг. 1 создают неравновесную концентрацию зарядов и вырабатывают электроэнергию дополнительно к электроэнергии термогенератора. Металлические зеркальные полупрозрачные электроды 4 и 5, играющие роль концентратора солнечных лучей позволят фотонам многократно отразиться и несколько раз пройти через p-n-переход (изготовленный оптически прозрачным за счет малой толщины), каждый раз вырабатывая электричество. Те фотоны, которые нагреют металлические зеркальные полупрозрачные электроды 4 и 5 или полупроводники 6 и 7, также позволят выработать дополнительную электроэнергию за счет термоэлектрического эффекта Зеебека. Кроме того, металлические зеркальные полупрозрачные электроды 4 и 5 вместе с диэлектрической поверхностью 8 образуют ячейку, из которой откачан воздух. Для металлического зеркального полупрозрачного электрода 4 выбирается металл с высоким уровнем работы выхода электронов, а для электрода 5 – с низким уровнем выхода электронов. Это позволит под действием фотонов металлическому зеркальному полупрозрачному электроду 5 терять электроны, а металлическому зеркальному полупрозрачному электроду 4 приобретать, за счет фотоэффекта в металлах. Тем самым будет получено дополнительное электричество. Металлические зеркальные полупрозрачные электроды со стороны полупроводника максимально отражают фотоны обратно в сторону p-n-перехода, а с противоположной стороны, за счет полупрозрачности, позволяют большей части фотонов пройти в сторону p-n-перехода. Другая часть фотонов продолжит переотражение от других металлических зеркальных полупрозрачных электродов и зеркала 10 внутри солнечной батареи, имеющей форму полуцилиндра.

Заявленная солнечная батарея в едином устройстве выгодно сочетает достоинства и недостатки всех известных способов преобразования фотонов в электричество. Причем то, что являлось недостатком и паразитными потерями (тепло, отражение, поглощение, рекомбинация и т.д.) для одного способа, для другого способа является основой функционирования и позволяет интегрально сочетать в одном преобразователе все виды энергий для повышения КПД до 60%.

Полупроводниковую солнечную батарею на основе концентратора из фоточувствительных зеркальных металлических электродов с использованием термоэлектрического преобразования можно изготовить при помощи аддитивных технологий на 3D принтере для последующего использования в качестве альтернативного источника электроэнергии в военной технике, космической аппаратуре, для бытовых и промышленных нужд.

Литература

1. Концентратор лучей для солнечной батареи с веерным расположением зеркальных отражающих электродов: патент №2615041. Опубл. 03.04.2017. Бюл. №10.

Использование: в области электроэнергетики для преобразования солнечной радиации в электрическую энергию. Технический результат – повышение эффективности за счет преобразования максимального количества фотонов в электричество. Полупроводниковая солнечная батарея на основе концентратора из фоточувствительных зеркальных полупрозрачных металлических электродов с использованием термоэлектрического преобразования выполнена в виде полуцилиндра, состоящего из чередующихся сегментов полупроводниковых материалов p- и n-типов, соединенных зеркальными металлическими электродами. Каждый металлический электрод состоит из двух полупрозрачных металлических электродов с разной работой выхода электронов, причем эти электроды по краям соединены диэлектрической поверхностью, а в пространстве между электродами откачан воздух для возникновения фотоэффекта. 1 ил.

Полупроводниковая солнечная батарея на основе концентратора из фоточувствительных зеркальных полупрозрачных металлических электродов с использованием термоэлектрического преобразования, выполненная в виде полуцилиндра, состоящего из чередующихся сегментов полупроводниковых материалов p- и n-типов, соединенных зеркальными металлическими электродами, отличающаяся тем, что каждый металлический электрод состоит из двух полупрозрачных металлических электродов с разной работой выхода электронов, причем эти электроды по краям соединены диэлектрической поверхностью, а в пространстве между электродами откачан воздух для возникновения фотоэффекта.