ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ НЕПЛАНАРНОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЫ
PHOTOELECTRIC CONVERTER BASED ON NONPLANAR SEMICONDUCTOR STRUCTURE

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую с помощью охлаждаемых фотоэлектрических преобразователей. Изобретение может быть использовано для обеспечения электрической и тепловой энергией отдельных автономных объектов, например систем связи, наблюдения и т.д., потребляющих мощность 1-50, а также для нагрева хладагента, используемого в системе охлаждения фотоэлектрического преобразователя на основе непланарной структуры. Нагретый хладагент может использоваться для обогрева помещений.
Известен фотоэлектрический преобразователь солнечной энергии в электрическую, содержащий полупроводниковую пластину из кремния с контактной сеткой на лицевой стороне, состоящей из проходящих без разрыва параллельно поперечной оси с определенным шагом друг от друга узких токосъемных полос, пересекаемых под углом 90° двумя более широкими токосборными полосами, расположенными симметрично по обе стороны пластины (RU 2179352 С1, опублик. 10.02.2002).
Недостатком данного преобразователя является большая величина занимаемой полезной площади при относительно небольшой площади активной поверхности в сравнении с фотоэлектрическим преобразователем на основе непланарной полупроводниковой структуры.
Известна многоцелевая солнечная батарея, содержащая матрицу фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), преобразующих солнечную энергию в электрическую и тепловую, устройство для передачи энергии от ФЭП к внешним потребителям, систему циркуляции хладагента (RU 2164722 С2, опубл. 27.03.2001). При солнечном освещении солнечная батарея вырабатывает электрическую энергию, идущую к потребителю, а по каналам охлаждения проходит хладагент, в том числе воздух, снимающий тепло с ФЭП. Это тепло может быть использовано для обогрева помещений и в других бытовых целях при циркуляции хладагента по замкнутому циклу. В теплое время года, при работе по открытому циклу, нагрев воздуха может быть использован для создания тяги вентиляции помещений.
Недостатком данного преобразователя является то, что для передачи тепловой энергии от фотопреобразователя к хладагенту используется сложная конструкция системы охлаждения.
Прототипом изобретения является фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) автономной солнечной электростанции. (RU 2331822 С1, опубл. 20.08.2008). ФЭП содержит параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии, несущую конструкцию с фотоэлектрическим датчиком и фотоэлектрическим преобразователем, расположенным по фокусной линии параболоцилиндрического концентратора, установленного на штанге поворотного механизма с возможностью поворота вокруг оси на угол не менее 180°, причем ось расположена в одной плоскости с активной поверхностью фотоэлектрического преобразователя, а вход поворотного механизма соединен с выходом фотоэлектрического датчика. Предлагаемое изобретение должно обеспечить увеличение времени работы фотоэлектрических преобразователей в номинальном режиме путем исключения их перегрева.
Недостатком данного ФЭП является относительно небольшая активная поверхность структуры при относительно большой занимаемой полезной площади прибора, кроме того, конструкцию установки значительно усложняет поворотный механизм и организация системы охлаждения.
Указанный технический результат в изобретении достигается следующим образом.
Фотоэлектрический преобразователь на основе непланарной эпитаксиальной структуры содержит корпус, в котором расположена цилиндрическая эпитаксиальная структура, выполненная из цилиндрической полой подложки из полупроводникового материала, на внешней поверхности которой расположен, по крайней мере, один эпитаксиальный слой из полупроводникового материала.
На поверхности этого слоя расположен внешний цилиндрический металлический контакт. На внутренней стороне подложки расположен внутренний цилиндрический металлический контакт. К цилиндрическим металлическим контактам подсоединены токосъемные элементы.
Под цилиндрической эпитаксиальной структурой расположен фокусирующий отражатель, выполненный в виде выгнутой пластины параболоцилиндрической формы. На внутренней поверхности пластины нанесен отражающий слой.
Над цилиндрической эпитаксиальной структурой расположена прозрачная фокусирующая линза выгнутой параболоцилиндрической формы, закрепленная на фокусирующем отражателе. Диаметр линзы меньше диаметра фокусирующего отражателя.
Преобразователь снабжен системой циркуляции воды, проходящей через внутреннюю полость цилиндрической эпитаксиальной структуры.
В частном случае в цилиндрической эпитаксиальной структуре полая цилиндрическая подложка и эпитаксиальный слой могут быть выполнены из кремния n-, р-типа.
3
5
x
1-x.
Также в цилиндрической эпитаксиальной структуре полая цилиндрическая подложка может быть выполнена из кремния n-, р-типа, эпитаксиальный слой выполнен из полупроводниковых соединений АB и/или твердых растворов на их основе, а между полой цилиндрической подложкой и эпитаксиальным слоем расположен эпитаксиальный переходный слой SiGe
3
5
Также в цилиндрической эпитаксиальной структуре полая цилиндрическая подложка может быть выполнена из GaAs, а эпитаксиальный слой выполнен из полупроводниковых соединений AB и/или твердых растворов на их основе.
Также в цилиндрической эпитаксиальной структуре внешний цилиндрический металлический контакт может быть выполнен из молибдена или алюминия или сплава In-Ti-Sn, а внутренний цилиндрический металлический контакт может быть выполнен из серебра или меди или титана.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид фотоэлектрического преобразователя на основе непланарной полупроводниковой структуры, на фиг.2-3 показаны схемы цилиндрических автоэпитаксиальных полупроводниковых структур для фотоэлектрических преобразователей, на фиг.4 изображена непланарная гетероэпитаксиальная структура фотоэлектрического преобразователя.
Фотоэлектрический преобразователь на основе непланарной эпитаксиальной структуры (фиг.1) содержит корпус (на чертеже не показан), в котором расположена цилиндрическая эпитаксиальная структура 1.
Под цилиндрической эпитаксиальной структурой 1 расположен фокусирующий отражатель 2, выполненный в виде выгнутой пластины параболоцилиндрической формы. На внутренней поверхности отражателя 2 нанесено отражающее покрытие 3, которое, в частности, может быть выполнено из серебра.
Над цилиндрической эпитаксиальной структурой 1 расположена фокусирующая прозрачная линза 4, закрепленная на отражателе 2 и выполненная в виде выгнутой пластины параболоцилиндрической формы.
Установка снабжена системой 5 циркуляции хладагента (воды), проходящей через внутреннюю полость цилиндрической эпитаксиальной структуры 1.
В общем случае фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде цилиндрической полой подложки из полупроводникового материала. На внешней поверхности подложки расположен, по крайней мере, один цилиндрический эпитаксиальный слой из полупроводникового материала, на поверхности которого расположен внешний цилиндрический металлический контакт. На внутренней стороне подложки расположен внутренний цилиндрический металлический контакт. К цилиндрическим металлическим контактам подсоединены токосъемные элементы.
На фиг.2 показан пример фотоэлектрического преобразователя, имеющего непланарную автоэпитаксиальную структуру, которая включает полую цилиндрическую подложку 6 из кремния n-типа (возможная толщина 600 мкм), цилиндрический эпитаксиальный слой 7 из кремния p-типа (возможная толщина 2 мкм), внешний цилиндрический металлический контакт 8 (возможный материал: серебро, медь), и внутренний цилиндрический металлический контакт 9 (возможный материал: молибден, алюминий).
На фиг.3 показан другой пример фотоэлектрического преобразователя с непланарной автоэпитаксиальной структурой, которая состоит из полой цилиндрической подложки 10 кремния n-типа (возможная толщина 600 мкм), эпитаксиального слоя 11 кремния (возможная толщина 250 нм), эпитаксиального слоя 12 кремния (возможная толщина 220 нм), эпитаксиального слоя 13 кремния р+-типа (возможная толщина 200 нм), внешнего цилиндрического металлического контакта 14 (возможный материал: серебро, медь), и внутреннего цилиндрического металлического контакта 15 (возможный материал: молибден, алюминий).
x
1-x
0,3
0,7
На фиг.4 показан пример фотоэлектрического преобразователя с непланарной гетероэпитаксиальной структурой, которая включает полую цилиндрическую подложку 16 кремния n-типа, (возможная толщина 600 мкм), переходный эпитаксиальный слой 17 SiGe, эпитаксиальный слой 18 GaAs (Si) n++-типа, эпитаксиальный слой 19 AlGaAs (С) р++-типа, внешний цилиндрический металлический контакт 20 (возможный материал: серебро, медь), и внутренний цилиндрический металлический контакт 21 (возможный материал: молибден, алюминий).
3
5
x
1-x
Переходный эпитаксиальный слой 16 используется для согласования периодов кристаллических решеток материала подложки (кремний) и эпитаксиальных слоев AB и твердых растворов на их основе. Регулируя состав переходного слоя SiGe, достигается оптимальная величина его периода решетки.
Толщина и состав эпитаксиальных слоев 18, 19 определяются длиной волны преобразуемой составляющей светового излучения.
Фотоэлектрический преобразователь на основе непланарной структуры работает следующим образом. Перед началом работы фотоэлектрический преобразователь ориентируется так, что продольная ось цилиндрической эпитаксиальной структуры 1 находится под углом 0° к горизонту (горизонтально). При этом фокусирующая линза 4 располагается наверху, а фокусирующий отражатель 2 внизу. Рассеянное солнечное излучение фокусируется с помощью фокусирующей прозрачной линзы 4. Часть фокусированного излучения подается на активную поверхность цилиндрической структуры 1, остальная часть - на внутреннюю поверхность отражателя 2, после отражения от которой - на активную поверхность цилиндрической структуры 1.
ус
Поглощение и преобразование потока солнечного излучения происходит в слоях цилиндрической эпитаксиальной структуры. Тот или иной слой может поглощать, отражать или пропускать излучение соответствующей длины волны в зависимости от ширины запрещенной зоны материала слоя и толщины слоя. При этом мощность генерируемой фотоэлектрическим преобразователем энергии прямо пропорциональна площади активной поверхности цилиндрической эпитаксиальной структуры. Использование цилиндрической активной поверхности способствует уменьшению полезной площади, занимаемой фотоэлектрическим преобразователем при большой величине площади активной поверхности. При этом использование в конструкции фотоэлектрического преобразователя на основе цилиндрической эпитаксиальной структуры фокусирующего отражателя параболоцилиндрической формы обеспечивает увеличение коэффициента усиления К=2,5-3.
В представленной конструкции значительно упрощается система теплосъема. Хладагент проходит через внутреннюю полость цилиндрической эпитаксиальной структуры, тем самым эта структура является трубкой для прохождения хладагента. При этом вырабатываемое тепло принимается всей поверхностью хладагента, что увеличивает эффективность теплосъема, то есть большее количество тепла будет передаваться от структуры к хладагенту. За счет этого обеспечивается термостабильность фотоэлектрического преобразователя и минимизируется отрицательное влияние коэффициента температурной зависимости КПД. При обычных условиях, как правило, данная величина достигает абсолютной величины потерь КПД до 0,5-1% на каждый °С прироста температуры.
Улучшение основных электрических характеристик фотоэлектрического преобразователя на основе непланарной структуры (КПД, напряжение холостого хода, ток короткого замыкания) достигается за счет отсутствия краевых эффектов в цилиндрической эпитаксиальной структуре, улучшения характеристик эпитаксиальных цилиндрических слоев (однородность толщины, состава), обеспечиваемое равномерным распределением температурных полей в реакторе при проведении процесса эпитаксии на цилиндрическую подложку.
Сравнительные характеристики электрических параметров фотоэлектрических преобразователей на основе планарной и непланарной автоэпитаксиальных структур на основе кремния.
Параметр
Значения для ФЭПов на основе планарных структур
Значения для ФЭПов на основе непланарных структур
КПД, %
17-18
19-21
Коэф. заполнения ВАХ,
76
82-86
Напряжение холостого хода, В
0,58-0,61
0,6-0,7
Ток короткого замыкания, А
4,8-5,2
5,0-5,8
Напряжение при максимальной мощности, В
0,48
0,5
Ток при максимальной мощности, А
4,5-4,7
4,7-4,9