Полупроводниковое фотоэлектрическое устройство

Полезная модель относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, и технологии их изготовления, в частности к полупроводниковым фотоэлектрическим устройствам.
При освещении солнечным излучением полупроводникового фотоэлектрического устройства большая часть световой энергии расходуется на его нагревание за счет поглощения в полупроводнике и в других конструкционных элементах. Следовательно приобретает важное значение поиск путей охлаждения фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения при их длительной эксплуатации, особенно при преобразовании концентрированного солнечного излучения.
Известна конструкция фотоэлектрического устройства [Проблема перегрева солнечных панелей: https://ecotech-sun.com.ua/a343857-problema-peregreva-solnechnyh.html (WindRail, 2018)], в которой обеспечивается эффективное ветряное охлаждение за счет сформированных каналов для продува воздуха на тыльной стороне устройства. Однако, для продува воздуха по каналам необходимы специальные вентиляторы, что требует дополнительных энергетических затрат, или фотоэлектрические устройства необходимо устанавливать на высоте, например, на крышах зданий, с учетом направления ветра.
Существует конструкция фотоэлектрического устройства [Linxiao Zhu, Aaswath Raman, Ken Xingze Wang, Marc Abou Anoma and Shanhui Fan. Radiative cooling of solar cells. // Optica, Vol. 1, No. 1, July 2014, P. 32-38. http://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.1.000032], в которой охлаждение осуществляется с помощью воды, кроме этого устройство является «солнечным самоваром», в котором при помощи дополнительного устройства перегретая вода используется для получения пресной воды. Недо-Недостатками этой конструкции являются: наличие дополнительных устройств для получения пресной воды, что приводит к усложнению конструкции и повышению себестоимости энергетического устройства; нагрев радиатора до температуры 100-120°С для эффективного получения пресной воды, что приводит к резкому снижению эффективности устройства.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой конструкции является фотоэлектрическое устройство [Renyuan Li, Yusuf Shi, Mengchun Wu, Seunghyun Hong and Peng Wang. Photovoltaic panel cooling by atmospheric water sorption-evaporation cycle. // Nature Sustainability www.nature.com/natsustain. https://doi.org/10.1038/s41893-020-0535-4],
включающее панель из солнечных элементов (СЭ), на которую с обратной стороны установлена дополнительная пластина из пористого материала, за счет которой осуществляется охлаждение СЭ. Пластина поглощает влагу из воздуха ночью, когда прохладно, и испаряет поглощенную влагу днем.
Данная конструкция обладает следующими недостатками:
1. Для собирания достаточного количества влаги ночью в регионах с сухой погодой требуется выбрать пластину из пористого материала большой толщины, что приводит к усложнению конструкции.
2. Большая толщина пористой пластины приводит к повышению инертности процесса охлаждения, т.е. СЭ не успевают охлаждаться, что приводит к уменьшению эффективности СЭ из-за высокой температуры.
Полезная модели направлена на повышение эффективности полупроводникового фотоэлектрического устройства и снижение рабочей температуры за счет диффузионного испарения воды из контейнера для воды через пластину из пористого материала, расположенную на тыльной стороне контейнер-радиатора.
к
пл
пл
м
м
к
а
Это достигается тем, что полупроводниковое фотоэлектрическое устройство, включающее солнечную панель из полупроводниковых солнечных элементов с фронтальной контактной сеткой и тыльным сплошным контактом, и охлаждающую пластину из пористого материала, выполнено так, чтобы между тыльным контактом и охлаждающей пористой пластиной установливают металлический плоский контейнер-радиатор с продольными или поперечными ребрами, расположенными по периметру контейнера, и камерой для воды. Геометрические размеры контейнера - радиатора по длине и ширине равны размерам солнечной панели, высота контейнера составляет h=(3-5) мм, на задней стенке контейнера между ребрами выполнены отверстия диаметром =(1-10)d, расстояние между соседними отверстиями  задняя поверхность контейнера полностью покрывается пластиной из пористого материала с толщиной d=(0,1-1)d (d - толщина металла, из которого сформирована задняя стенка контейнера - радиатора), камеру для воды снабжают входной и выходной трубками, входная трубка подключена к расширительному баку, установленному на высоте большей, чем верхний уровень солнечной панели. Установленные по продольным или поперечным краям контейнера ребра имеют высоту h, достаточную для прохождения потока воздуха, служащего для отвода паров воды, выделяемых пористой пластиной.
Выполнение стенок контейнера из металла обеспечивает механическую прочность, отверстия обеспечивают контакт воды с пористой пластиной, через которую осуществляется диффузионное испарение воды.
Полезная модель поясняется чертежами на фиг. 1, 2. Предложенное полупроводниковое фотоэлектрическое устройство содержит следующие конструкционные элементы (фиг. 1): полупроводниковая пластина (1) (пунктирная линия соответствует границе р-n-перехода); фронтальный металлический сеточный контакт СЭ (2); тыльный металлический сплошной контакт (3); металлический контейнер - радиатор (4) с продольными или поперечными ребрами (5), которые расположены по периметру, плоская камера для воды (6) с отверстиями (7) на внешней (задней) стенке контейнера; пластина из пористого материала (8). Плоская камера для воды (6) (фиг.1) снабжена входной (9) и выходной (10) трубками. Входная трубка (9) подключена через трубопровод (11) (фиг. 2) к расширительному баку (12), который установлен на высоте большей, чем верхний уровень солнечной панели.
Устройство работает следующим образом. Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь, выполненный в виде кремниевой пластины (1) (фиг. 1) с p-n-переходом (пунктирная линия), фронтальным металлическим сеточным контактом (2) и тыльным металлическим сплошным контактом (3), преобразует часть падающего солнечного излучения (hv) в электрическую энергию. Большая часть поглощенного солнечного излучения соответствует инфракрасной области спектра и вызывает нагрев полупроводникового фотоэлектрического преобразователя. При нагреве эффективность полупроводникового фотоэлектрического преобразователя уменьшается со скоростью порядка 0,5% /град. Поэтому для предотвращения нагрева, полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь снабжен металлическим радиатором (4) с продольными или поперечными ребрами (5), которые распроложены по периметру, и плоской камерой для воды (6). Задняя стенка контейнера - радиатора (6) имеет многочисленные отверстия (7) для вытекания воды и обеспечения контакта с пластиной из пористого материала (8), которая предотвращает свободную утечки воды из контейнера. Впитывая воду, вытекающую из отверстий, пластина из пористого материала обеспечивает последующее диффузионное испарение, причем при нагреве системы процесс испарения ускоряется. Приток воды в камеру (6) контейнера - радиатора (4) осуществляется за счет давления воды в расширительном баке (12) через входную трубку (9), которая подключена через трубопровод 11 (фиг.2) в расширительный бак (12). Выходная трубка (10) с обычным краном (кран не показан) служит для слива воды из камеры (6) контейнера - радиатора (4).
В качестве пластины из пористого материала может быть использован политетрафторэтилен; пористая матрица, выполненная из смеси фторированной добавки с нефторированной смолой, силикона или фторсиликона. Пластины из пористого материала могут быть изготовлены из пластиков, эластомеров, металлов, стекла и керамики, могут быть использованы комбинации пластиков, эластомеров, стекол или керамики. Такие материалы обеспечивают эффективный процесс диффузионного испарения воды.
Устройство работает как обычное полупроводниковой фотоэлектрическое устройство с улучшенными электрическим параметрами и более низкой рабочей температурой.
Предлагаемая полезная модель отличается простотой изготовления и более низкой рабочей температурой при освещении прямыми солнечными лучами, основные фотоэлектрические параметры устройства с системой охлаждения имеют более высокие значения, особенно по фотонапряжению. Предложенная конструкция полупроводникового фотоэлектрического устройства может быть использована в качестве низкотемпературного и, следовательно, высокоэффективного источника фотоэлектрической энергии.