СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к области гелиоэнергетики, в частности для преобразования солнечной энергии в электричество и может быть использовано при создании высокоэффективных автономных источников электроэнергии.
Известно устройство по способу [1], содержащее прозрачную подложку, на тыльной стороне которой последовательно нанесены: первый проводящий материал в виде прозрачной пленки металла или легированного оксида, второй материал в виде усеченных металлических пирамид, между которыми расположен слой полупроводникового органического материала, а на нем - пленка третьего проводящего материала, которая не имеет электрического контакта с остальными проводящими материалами, причем третий проводящий материал выполнен из металла и образует вместе со слоем полупроводникового материала барьер Шоттки.
Устройство не обеспечивает высокий КПД преобразования солнечного света в электрический ток, так весь спектральный ИК диапазон солнечной радиации (в спектре солнечного излучения достигшего земли ИК излучение составляет 53%). преобразуется в тепло, которое рассеивается в окружающей среде. Кроме этого, входная угловая апертура этого устройства ограничена и не собирает солнечное излучение, рассеянное атмосферой и отраженное от облаков, подстилающей поверхности (снега, воды).
Наиболее близким по технической сущности является солнечный элемент [2], содержащий прозрачную подложку, на тыльной стороне которой последовательно нанесены: прозрачная проводящая пленка, на которой сформированы металлические усеченные прямоугольные пирамиды, электрически соединенные между собой аналогичными пирамидами, меньшие основания которых электрически связаны с ней, причем между металлическими усеченными прямоугольными пирамидами последовательно нанесены слой полупроводникового материала и металлическая пленка, не имеющая электрического контакта с остальными токопроводящими материалами и образующая со слоем полупроводникового материала барьер Шоттки, а также диэлектрические концентраторы с зеркальной внешней поверхностью, расположенные на лицевой стороне прозрачной подложки напротив меньших оснований металлических усеченных прямоугольных пирамид и оптически связанные со слоем полупроводникового материала, а металлические усеченные прямоугольные пирамиды электрически соединены между собой аналогичными пирамидами параллельно, при этом на всех их больших основаниях нанесен слой полупроводникового материала, на котором сформированы инфракрасные приемники, соединенные последовательно или параллельно и содержащие, как минимум, по одному детектору и полуволновому вибратору, геометрические размеры которых заданы длиной волны преобразуемого инфракрасного излучения окружающей среды, а на каждом участке металлической пленки последовательно расположены батарея термоэлементов и радиатор, которые оптически связаны с инфракрасными приемниками.
Описанный солнечный элемент не обеспечивает достаточно высокой эффективности преобразования солнечной энергии из-за малой входной угловой апертуры, ограничивающей преобразование солнечного излучения как рассеянного атмосферой, так и отраженного от облаков и подстилающей поверхности.
Техническая задача - повышение эффективности преобразования солнечного излучения в электроэнергию за счет увеличения входной апертуры солнечного элемента.
Поставленная техническая задача решается тем, что солнечный элемент, содержащий подложку, проводящие элементы, последовательно расположенные полупроводниковый материал и прозрачную проводящую пленку, образующие первый барьер Шоттки, инфракрасные приемники, подложка выполнена проводящей, на которой расположены, как минимум, два первых электрически связанных проводящих элемента в виде треугольных призм, а вся оставшаяся площадь проводящей подложки и первых проводящих элементов покрыта последовательно первым слоем полупроводникового материала и прозрачной проводящей пленкой, на которой в непосредственной близости к первым проводящим элементам расположены второй проводящий элемент параллельно и третий проводящий элемент - ортогонально всем проводящим элементам, который электрически связан только со вторым проводящим элементом, при этом на тыльной стороне проводящей подложки последовательно нанесены второй слой полупроводникового материала, образующий с ней второй барьер Шоттки и инфракрасные приемники.
Для эффективного решения поставленной технической задачи высота второго потенциального барьера Шоттки в полтора раза меньший высоты первого потенциального барьера Шоттки.
Совокупность указанных признаков позволяет повысить эффективность преобразования солнечного излучения в электроэнергию за счет увеличения входной апертуры солнечного элемента в которую поступает как прямое солнечное излучение, так и рассеянное, отраженное излучение и радиация окружающей среды.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1, 2, на которых приведены вид сверху и сечение солнечного элемента, где:
1 - проводящая подложка,
2 - первые проводящие элементы,
3 - первый слой полупроводникового материала,
4 - прозрачная проводящая пленка,
5 - второй проводящий элемент,
6 - третий проводящий элемент,
7 - второй слой полупроводникового материала,
8 - инфракрасные приемники.
В солнечном элементе на лицевой стороне проводящей подложки 1 сформированы первые проводящие элементы 2, которые электрически соединены друг с другом и через проводящую подложку 1. На всю поверхность полученной структуры последовательно нанесены: первый слой полупроводникового материала 3 и прозрачная проводящая пленка 4, образующая с первым слоем полупроводникового материала 3 первый барьер Шоттки. На прозрачной проводящей пленке 4 между парами первых проводящих элементов 2 в непосредственной близости к ним расположены второй проводящий элемент 5 параллельно и третий проводящий элемент 6 - ортогонально всем указанным проводящим элементам, который электрически связан только со вторым проводящим элементом 5. На тыльной стороне проводящей подложки 1 последовательно нанесены второй слой полупроводникового материала 7, образующий с ней второй барьер Шоттки и инфракрасные приемники 8, имеющие омический контакт со вторым слоем полупроводникового материала 7.
В конкретном исполнении проводящая подложка 1 - пластина из нержавеющей стали на основе никеля, например, ХН28Т толщиной 2 мм. Первые 2, второй 5 и третий 6 проводящие элементы выполнены в виде треугольных призм методами фотолитографии из никеля. Первый слой полупроводникового материала 3 это пленка поликристаллического кремния толщиной 0,6 мкм нанесенного в вакууме. Прозрачная проводящая пленка 4 - это тонкий (50 нм) слой никеля, выполненный по вакуумной технологии. Второй слой полупроводникового материала 7 это пленка высокоомного поликристаллического кремния толщиной 1,5 мкм нанесенного в вакууме. Инфракрасные приемники 7 выполнены травлением из металлической пленки и как в прототипе представляют собой антенные элементы микронных размеров.
Работа солнечного элемента осуществляется следующим образом. Входная апертура солнечного элемента с лицевой стороны представляет собой сумму угловых апертур всех первых барьеров Шоттки, расположенных на верхних гранях первых проводящих элементов 2. Солнечное излучение прямое, отраженное от облаков и рассеянное атмосферой параллельно поступает на поверхность прозрачной проводящей пленки 4, второго 5 и третьего 6 проводящих элементов под разными углами. Все солнечные лучи, попадающие во входную апертуру, проходят через прозрачную проводящую пленку 4 и поглощаются в первом слое полупроводникового материала 3. В результате этого в нем происходит генерирование положительных и отрицательных электрических зарядов, которые разделяются первым барьером Шоттки. Одновременно аналогично происходит преобразование солнечного излучения, отраженного от поверхностей второго 5 и третьего 6 проводящих элементов, которое попадает также с лицевой стороны во входную апертуру. Таким образом, общая энергия солнечного электромагнитного излучения, поступившая во входную апертуру устройства с лицевой стороны преобразуется в разность электрических потенциалов между первыми проводящими элементами 2 и электрически соединенными вторым 5 и третьим 6 проводящими элементами. А энергия солнечного излучения, отраженного от подстилающей поверхности, поступает во входную апертуру солнечного элемента с тыльной стороны и поглощается вторым слоем полупроводникового материала 7. В результате этого в нем происходит генерирование электрических зарядов, разделяемых вторым барьером Шоттки, электродами которого являются проводящая подложка 1 и металлические части инфракрасных приемников 8.. При этом следует отметить, что вся энергия электромагнитных волн инфракрасного излучения как от естественных, так и от искусственных источников, поступившая на инфракрасные приемники 8. также преобразуется в электричество.
В предлагаемой полезной модели существенно повышается эффективность преобразования солнечной энергии в электричество, так как позволяет осуществлять утилизацию как прямого, отраженного и рассеянного, так и вторичного солнечного излучения, включая искусственные и природные источники тепла.
Источники информации:
1. Пат США №7314773.
2. Патент на пол. модель РБ №6182. 2010 г. - прототип.