ФОТОЭЛЕМЕНТ
PHOTOCELL

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к преобразователям энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию и может быть использовано в производстве фотоэлементов.
Уровень техники
В настоящее время в мире все большее внимание уделяется развитию альтернативной энергетики, в том числе солнечной энергетики. Начиная с 2005 года, производство фотоэлектрических элементов растет на 30% ежегодно и, по прогнозам Fraunghofer Institute, солнечная энергетика будет производить более 50% потребляемой электроэнергии в мире.
Кремний является основным материалом производства фотоэлементов (более 90% рынка) в силу распространенности в природе, стабильности, отсутствия токсичности и др. побочных свойств, при высоких показателях КПД.
Однако ввиду непрямого характера запрещенной зоны кремния и, как следствие, низкой абсорбции, толщина фоточувствительного слоя кремния в фотоэлементе значительно превышает толщину фоточувствительных слоев материалов, используемых в тонкопленочных фотоэлементах (CdTe, CIGS). Увеличенный расход материала негативно влияет на стоимость кремниевых фотоэлементов.
Из уровня техники известны способы снижения расхода кремния на основе технологий тонких пленок на аморфном и микрокристаллическом кремнии. Однако КПД полученных фотоэлементов (6-8%) значительно уступает фотоэлементам на монокристаллах (13-15%).
Для снижения расхода кремния на монокристаллах, известны способы изготовления фотоэлементов на основе монокристаллических частиц. В частности, из уровня техники известен фотоэлемент, состоящий из множества сферических частиц, внутренняя часть которых выполнена с одним типом проводимости, в то время как внешняя часть выполнена с обратным типом проводимости, содержащий токосъемные контакты и изолятор, между контактами и зонами проводимости (патент US 3,998,659, публ. 21.12.1976, прототип).
Недостатком данного фотоэлемента является высокий расход кремния из-за значительного диаметра сферических частиц 650-850 мкм, обусловленного технологическими особенностями производства и низкими показателями абсорбции кремния.
Из уровня техники известно, что размещение частиц серебра на поверхности кремниевого фотоэлемента увеличивает коэффициент абсорбции по всему спектру электромагнитного излучения, с пиками в ближней области ИК-диапазона за счет эффекта поверхностного плазмонного резонанса (Surface Plasmon enhanced silicon solar cells. S.Pillai et.al, Journal of Applied Physics 101, 093105, 2007). Увеличение абсорбции позволяет снизить толщину кремниевого фоточувствительного слоя.
2
Однако предложенная методика нанесения серебряных частиц требует нанесения дополнительного слоя диэлектрика (SiO) толщиной 30 нм поверх фоточувствительного слоя, что увеличивает стоимость и количество операций по изготовлению фотоэлемента.
Сведения, раскрывающие сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании монокристаллического кремниевого фотоэлемента для преобразования электромагнитного излучения в электроэнергию со сниженной толщиной фоточувствительного слоя и расходом сырья.
Технические результаты, достигаемые при реализации заявляемого изобретения, заключаются в снижении толщины фоточувствительного слоя за счет увеличения абсорбции по всему спектру электромагнитного излучения и концентрации электромагнитного излучения в области фоточувствительного слоя с помощью эффекта поверхностного плазмонного резонанса; снижении затрат на изготовление фотоэлемента - за счет снижения расхода сырья и уменьшения операций по его изготовлению.
Вышеизложенные преимущества позволяют значительно снизить себестоимость вырабатываемой электроэнергии с помощью автономных источников на фотоэлементах - за счет снижения стоимости ватта установленной мощности.
Поставленный технический результат достигается за счет того, что фотоэлемент характеризуется тем, что фотоэлемент, состоящий из множества сферических частиц, внутренняя часть которых выполнена с одним типом проводимости, в то время как внешняя часть выполнена с обратным типом проводимости, содержащий токосъемные контакты и изолятор, расположенный между контактами и зонами проводимости, отличается тем, что изолирующий слой выбирают из оптически прозрачного диэлектрика, содержащего металлические частицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего электромагнитного излучения.
Указанный фотоэлемент работает следующим образом: электромагнитное излучение возбуждает в металлических частицах на поверхности металл-диэлектрик коллективные колебания свободных электронов (поверхностный плазмонный резонанс), которые в свою очередь обеспечивают излучение волн и их концентрацию в области фоточувствительного слоя. Таким образом диаметр сфер может быть снижен до длины свободного пробега электрона в кремнии (30-50 мкм) без потерь в абсорбции.
Сопряжение фотоэлемента с нагрузкой в виде работающего электрического устройства или аккумулятора позволяет создать автономный источник электроэнергии со значительно сниженным показателем стоимости ватта установленной мощности.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, изолирующий слой содержит металлические частицы размером 2-10 нм.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, изолирующий слой содержит металлические частицы размером 11-20 нм.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, изолирующий слой содержит металлические частицы размером 21-1200 нм.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, изолирующий слой содержит металлические частицы нескольких типоразмеров, оптимизированных под соответствующие максимумы спектра падающего излучения.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, фотоэлемент может содержать инкапсулирующий слой, выполненный из оптически прозрачного диэлектрика, содержащего металлические частицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего электромагнитного излучения.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, фотоэлемент может содержать антиотражательный слой.
Краткое описание чертежа
Вышеуказанные и иные признаки и преимущества настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем описании предпочтительных вариантов его осуществления, приводимых со ссылками на чертежи, на которых изображено:
схематическое изображение фотоэлемента, где:
1 - инкапсулирующий слой поликарбоната
2 - прозрачный фронтальный электрод
3 - n-слой
4 - p-слой
5 - изолирующий слой с металлическими частицами
6 - тыльный электрод.
Осуществление изобретения
Для изготовления фотоэлемента в соответствии с чертежом, осуществляют следующие операции.
Сферы p-проводимости методом прессования помещают в поликарбонат, содержащий серебряные частицы. На выступающих верхушках формируют n-слой методом ионной имплантации фосфором. Полученный слой n-типа покрывают прозрачным электродом, например оксидом титана. Проводник покрывают инкапсулирующим слоем поликарбоната. Нижний слой поликарбоната стравливают до появления частиц и укладывают на алюминиевую фольгу. Через фольгу пропускают электрический ток, чтобы приварить частицы кремния к фольге методом контактной сварки.
Возможность реализации подтверждается приведенным выше примером, но не ограничивается им.