КОНЦЕНТРАТОРНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к солнечной энергетике, в частности к конструкции концентраторного солнечного элемента, и может быть использована в электронной промышленности для преобразования световой энергии в электрическую энергию.
Известны концентраторные солнечные элементы, включающие подложку, многослойную структуру, сформированную на подложке, фронтальный и тыльный омические контакты, антиотражающее покрытие и разделительную мезу. Известные солнечные элементы подвержены деградации под воздействием параметров окружающей среды: перепады температур, влажности, что приводит к снижению КПД в течение периода эксплуатации.
Известен концентраторный солнечный элемент (см. патент RU №2407108, МПК H01L 31/04, опубликован 20.12.2010), выполненный в форме прямоугольника и содержащий подложку, многослойную структуру, сформированную на подложке, с центральной фоточувствительной областью, контактный слой, сплошной нижний электрод и верхний электрод в виде контактной сетки, токоотвод.
Концентраторный солнечный элемент имеет повышенный КПД за счет уменьшения сопротивления верхнего контакта и, следовательно, уменьшения омических потерь. Недостатком известного концентраторного солнечного элемента является малый срок службы из-за отсутствия защитных покрытий на фоточувствительной области и разделительной мезе.
Известен концентраторный солнечный элемент (см. заявка ЕР 2194584, МПК H01L 31/042, опубликована 09.06.2010), включающий солнечный элемент, рамку, слой силикона, отражатель с окном для прохождения солнечного излучения, защитную стеклянную пластину, располагаемую на поверхности слоя силикона и отражателя.
Недостатком известного концентраторного солнечного элемента является низкий теплоотвод из-за герметизации солнечного элемента большим объемом силикона и стеклянной пластиной большой площади, обладающими низкой теплопроводностью.
Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является концентраторный солнечный элемент (см. заявка US 2010/0132793, МПК H01L 31/052, опубликована 03.06.2010), принятый за прототип. Концентраторный солнечный элемент-прототип включает фотоэлектрический преобразователь с фоточувствительной областью, сформированный на подложке, рамку за пределами фотоэлектрического преобразователя, слой оптического радиационно стойкого силикона, защитную светопрозрачную пластину, располагаемую на поверхности слоя полимерного материала и рамки, верхний электрод с токоотводом, нижний электрод с токоотводом и разделительную мезу. При этом толщина слоя полимерного материала составляет 1-2 мм, толщина светопрозрачной пластины 4-10 мм.
Недостатком концентраторного солнечного элемента-прототипа является низкий теплоотвод за счет герметизации солнечного элемента большим объемом полимерного материала и защитной светопрозрачной пластиной большой площади и толщины, что ведет к деградации солнечного элемента в периоде эксплуатации.
Задачей настоящего технического решения является разработка концентраторного солнечного элемента с улучшенным теплоотводом, позволяющим снизить его деградацию в период эксплуатации.
Поставленная задача достигается тем, что концентраторный солнечный элемент содержит фотоэлектрический преобразователь с фоточувствительной областью, сформированный на подложке, слой оптического радиационно стойкого силикона, светопрозрачную защитную пластину, верхний электрод с токоотводом, нижний электрод с токоотводом и разделительную мезу, при этом слой оптического радиационно стойкого силикона покрывает фоточувствительную область солнечного элемента, верхний электрод с токоотводом и разделительную мезу, а светопрозрачная защитная пластина расположена над фоточувствительной областью. Новым в заявляемом техническом решении является то, что площадь светопрозрачной защитной пластины равна площади фоточувствительной области солнечного элемента, а толщина h1 слоя оптического радиационно стойкого силикона и толщина h2 светопрозрачной защитной пластины лежат в интервале:
h1=2-5 мкм
h2=100-200 мкм.
Светопрозрачная защитная пластина может быть выполнена из стекла. На фронтальную поверхность светопрозрачной защитной пластины может быть нанесено антиотражающее покрытие.
Светопрозрачная защитная пластина может быть прикреплена к слою силикона с помощью светопрозрачного адгезива.
Слой оптического радиационно стойкого силикона может быть прикреплен к фоточувствительной области солнечного элемента, верхнему электроду с токоотводом и разделительной мезе с помощью светопрозрачного адгезива.
2
Светопрозрачная защитная пластина, расположенная над фоточувствительной областью солнечного элемента и равная ей по площади, обеспечивает улучшение теплоотвода солнечного элемента по сравнению с прототипом, за счет уменьшения площади материала, примыкающего к фотоэлектрическому преобразователю и обладающего низкой теплопроводностью, а также за счет того, что не закрываются токоотводы. Толщины слоя силикона более 5 мкм и светопрозрачной защитной пластины более 200 мкм приводят к снижению теплоотвода из-за низкой теплопроводности данных материалов. Концентраторный солнечный элемент предназначен для работы при высоких степенях концентрирования солнечного излучения более 500 крат, в этих условиях плотности фототока превышают 10 А/см. При этом снижение теплоотвода приводит к падению КПД преобразования солнечного излучения в электроэнергию, что свидетельствует о деградации солнечного элемента. Тем не менее при толщине слоя силикона менее 2 мкм и светопрозрачной пластины менее 100 мкм снижаются защитные функции покрытий и снижается механическая прочность светопрозрачной пластины.
Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где приведено схематическое изображение концентраторного солнечного элемента.
Разработанная конструкция концентраторного солнечного элемента включает фотоэлектрический преобразователь 1 с фоточувствительной областью 2, сформированный на подложке 3. На тыльной поверхности подложки сформирован сплошной нижний электрод 4 с токоотводом 5, на фронтальной поверхности фотоэлектрического преобразователя 1 сформирован верхний электрод 6 в виде контактной сетки с токоотводом 7. Рабочая область солнечного элемента ограничена разделительной мезой 8. Поверхность фоточувствительной области 2, верхнего электрода 6, токоотвода 7 и разделительной мезы 8 покрыта слоем оптического радиационно стойкого силикона 9. Светопрозрачная защитная пластина 10 расположена над фоточувствительной областью 2 солнечного элемента, при этом площадь светопрозрачной защитной пластины 10 равна площади фоточувствительной области 2 солнечного элемента. Толщины слоев оптического радиационно стойкого силикона 9 h1, светопрозрачной защитной пластины 10 h2 удовлетворяют соотношениям: h1=2-5 мкм, h2=100-200 мкм.
Светопрозрачная защитная пластина 10 может быть выполнена из стекла.
На фронтальную поверхность светопрозрачной защитной пластины 10 может быть нанесено антиотражающее покрытие 11. Толщина h3 антиотражающего покрытия 11 может составлять 0,05-0,1 мкм, что обеспечивает минимальный коэффициент отражения излучения в рабочем диапазоне длин волн концентраторного солнечного элемента.
Светопрозрачная защитная пластина 10 может быть прикреплена к слою силикона 9 с помощью светопрозрачного адгезива.
Слой оптического радиационно стойкого силикона 9 может быть прикреплен к фоточувствительной области 2 солнечного элемента, верхнему электроду 6 с токоотводом 7 и разделительной мезе 8 с помощью светопрозрачного адгезива.
Толщина светопрозрачного адгезива менее 0,1 мкм и более 0,2 мкм технологически нецелесообразны.
Настоящий концентраторный солнечный элемент работает следующим образом. Концентрированное солнечное излучение проходит через светопрозрачную защитную пластину 10, с антиотражающим покрытием 11, через слой оптического радиационно стойкого силикона 9 и поглощается на фоточувствительной области 2 фотоэлектрического преобразователя 1. В фотоэлектрическом преобразователе 1 осуществляется преобразование солнечного излучения в электрический ток, который отводится через верхний электрод 6 с токоотводом 7 и нижний электрод 4 с токоотводом 5. При этом перепады температур и влажности не оказывают существенного влияния на работу концентраторного солнечного элемента, за счет герметизации и защиты поверхности фоточувствительной области 2, верхнего электрода 6, токоотвода 7 и разделительной мезы 8 слоем оптического радиационно стойкого силикона 9 и светопрозрачной защитной пластиной 10. Теплоотвод от концентраторного солнечного элемента осуществляется через верхний электрод 6 с токоотводом 7 и нижний электрод 4 с токоотводом 5. Герметизация фотоэлектрического проеобразователя 1 слоем оптического радиационно стойкого силикона 9 и светопрозрачной защитной пластины 10 не приводит к снижению теплоотвода за счет малой толщины герметизирующих покрытий и расположения светопрозрачной защитной пластины 10 только над фоточувствительной областью 2.
Пример 1.
3
5
x
2
Был изготовлен концентраторный солнечный элемент, включающий фотоэлектрический преобразователь, выполненный на основе АВгетероструктуры GaInP/GaInAs/Ge с фоточувствительной областью, сформированной на подложке Ge р-типа. На тыльной поверхности подложки Ge сформирован сплошной нижний электрод путем осаждения слоев Ag(Mn)/Ni/Au, на фронтальной поверхности гетероструктуры сформирован верхний электрод в виде контактной сетки путем осаждения слоев Au(Ge)/Ni/Au. К нижнему и верхнему электроду подведены токоотводы, выполненные из золотой проволоки. Рабочая область солнечного элемента ограничена разделительной мезой. Поверхность фоточувствительной области, верхнего электрода, токоотвода и разделительной мезы покрыта слоем оптического радиационно стойкого силикона марки Эластосил S690 толщиной 2-5 мкм с подслоем светопрозрачного адгезива марки Праймер G790 толщиной 0,1 мкм. Поверхность слоя оптического радиационно стойкого силикона покрыта светопрозрачной пластиной, выполненной из кварцевого стекла, толщиной 100 мкм с подслоем светопрозрачного адгезива марки Праймер G790 толщиной 0,1 мкм и с антиотражающим покрытием TiO/SiO (при х близком к 2) толщиной 0,1 мкм на фронтальной стороне пластины. При этом площадь светопрозрачной пластины равна площади фоточувствительной области.
Пример 2.
3
5
x
2
у
Был изготовлен концентраторный солнечный элемент, включающий фотоэлектрический преобразователь, выполненный на основе АВгетероструктуры GaInP/GaInAs/Ge с фоточувствительной областью, сформированной на подложке Ge p-типа. На тыльной поверхности подложки Ge сформирован сплошной нижний электрод путем осаждения слоев Cr/Au, на фронтальной поверхности гетероструктуры сформирован верхний электрод в виде контактной сетки путем осаждения слоев Au(Ge)/Pt/Au. К нижнему и верхнему электроду подведены токоотводы, выполненные из золотой проволоки. Рабочая область солнечного элемента ограничена разделительной мезой. Поверхность фоточувствительной области, верхнего электрода, токоотвода и разделительной мезы покрыта слоем оптического радиационно стойкого силикона марки Эластосил S692 толщиной 2-5 мкм с подслоем светопрозрачного адгезива марки Праймер G790 толщиной 0,2 мкм. Поверхность слоя оптического радиационно стойкого силикона покрыта светопрозрачной пластиной, выполненной из оптического стекла марки ВК7, толщиной 200 мкм с подслоем светопрозрачного адгезива марки Праймер G790 толщиной 0,2 мкм и с антиотражающим покрытием ТiO/АlО (при x близком к 2, у близком к 3) толщиной 0,05 мкм на фронтальной стороне пластины. При этом площадь светопрозрачной пластины равна площади фоточувствительной области.
2
Результатом технического решения стало создание концентраторного солнечного элемента с улучшенными параметрами теплоотвода при преобразовании концентрированного солнечного излучения интенсивностью до 20 Вт/см, что позволило снизить степень деградации солнечного элемента и увеличить срок службы.