Планарный высоковольтный фотоэлектрический модуль
PLANAR HIGH-VOLTAGE PHOTOELECTRIC MODULE

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям.
Известны фотоэлектрические модули, содержащие электрически соединенные между собой планарные фотоэлектрические элементы, расположенные в одной плоскости в герметичной оболочке между верхним и нижним защитным покрытиями (патент РФ №2410796, МПК H01L 31/04, опубл. 27.01.2011; патент. РФ №2526894, МПК H01L 31/042, опубл. 27.08.2014).
Недостатками известных фотоэлектрических модулей являются низкое выходное напряжение, высокая зависимость мощности от равномерности освещения и не достаточно высокая надежность.
Известен фотоэлектрический модуль на основе матричных фотоэлектрических элементов. Кремниевые фотоэлектрические элементы содержат несколько вертикальных р-n переходов и рабочая поверхность перпендикулярна р-n переходам (Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. - стр. 144-147).
Недостатками известного фотоэлектрического модуля низкая технологичность, сложность массового изготовления, плохая совместимость с технологиями изготовления и использования планарных фотоэлектрических модулей, низкая эффективность при однократном излучении.
Известен фотоэлектрический модуль, содержащий двухпереходные двухсторонние фотоэлектрические элементы (патент. США №2009/0095341 А1, МПК H01L 31/048, H01L 31/052, опубл. 16.04.2009
Недостатками известного фотоэлектрического модуля низкая технологичность, плохая совместимость с технологиями изготовления и использования планарных фотоэлектрических модулей, низкое выходное напряжение и не достаточно высокая надежность.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является планарный фотоэлектрический модуль, содержащий электрически соединенные между собой планарные фотоэлектрические элементы, расположенные в одной плоскости в герметичной оболочке между верхним и нижним защитным покрытиями (Оборудование возобновляемой и малой энергетики. Справочник-каталог / под ред. П.П. Безруких - М: ООО ИД ЭНЕРГИЯ, 2005. - стр. 68-70). Фотоэлектрические элементы выполнены на кремниевой пластине и содержат один р-n переход. Большая часть фотоэлектрических элементов или все фотоэлектрические элементы соединены последовательно для получения требуемого значения выходного напряжения.
Недостатками известного технического решения являются низкое выходное напряжение, высокая зависимость мощности от равномерности освещения, не достаточно высокая надежность, низкая эффективность при концентрированном излучении.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение выходного напряжения, снижение зависимости мощности от равномерности освещения и повышение надежности, повышение эффективности при концентрированном излучении.
В результате использования предлагаемого изобретения повышается выходное напряжение, снижается зависимость мощности от равномерности освещения и повышается надежность, повышается эффективность при концентрированном излучении за счет использования высоковольтных планарных фотоэлектрических элементов, которые представляют собой несколько расположенных друг на друге последовательно соединенных единичных фотопреобразователей, причем толщина фотоэлектрических элементов соизмерима с толщиной традиционного планарного кремниевого фотопреобразователя с одним р-n переходом, а другие размеры совпадают с размерами традиционного планарного кремниевого фотопреобразователя с одним р-n переходом, при этом лицевая или лицевая и тыльная поверхности модуля являются рабочими, все фотоэлектрические элементы могут быть соединены параллельно при обеспечении того же или большего выходного напряжения, фотоэлектрический модуль может включать элементы, концентрирующие излучение на рабочих поверхностях фотоэлектрических элементов
Вышеуказанный результат достигается тем, что в предлагаемом планарном высоковольтном фотоэлектрическом модуле, содержащем электрически соединенные между собой планарные фотоэлектрические элементы, расположенные в одной плоскости в герметичной оболочке между верхним и нижним защитным покрытиями, согласно изобретению фотоэлектрические элементы включают пластину из полупроводникового материала, например кремния, на которой с одной или обеих сторон по всей площади пластины расположены чередующиеся слои р и n типа таким образом, что фотоэлектрические элементы представляют собой несколько расположенных друг на друге последовательно соединенных единичных фотопреобразователей, причем толщина фотоэлектрических элементов соизмерима с толщиной традиционного планарного кремниевого фотопреобразователя с одним р-n переходом, а другие размеры совпадают с размерами традиционного планарного кремниевого фотопреобразователя с одним р-n переходом, при этом лицевая или лицевая и тыльная поверхности модуля являются рабочими.
В варианте планарного высоковольтного фотоэлектрического модуля все фотоэлектрические элементы соединены параллельно.
В другом варианте планарного высоковольтного фотоэлектрического модуля рабочей поверхностью модуля является лицевая поверхность и между лицевыми поверхностями фотоэлектрических элементов и верхним защитным покрытием расположены элементы, увеличивающие концентрацию излучения на рабочей поверхности фотоэлектрических элементов.
В другом варианте планарного высоковольтного фотоэлектрического модуля лицевая и тыльная поверхности модуля являются рабочими и с обеих сторон фотоэлектрических элементов с двумя рабочими поверхностями, между ними и защитными покрытиями расположены элементы, увеличивающие концентрацию излучения на рабочих поверхностях фотоэлектрических элементов.
В другом варианте планарного высоковольтного фотоэлектрического модуля защитное покрытие, расположенное над рабочими поверхностями фотоэлектрических элементов одновременно является концентратором или набором концентраторов солнечного излучения.
В другом варианте планарного высоковольтного фотоэлектрического модуля рабочей поверхностью модуля является лицевая поверхность и между лицевыми поверхностями фотоэлектрических элементов и верхним защитным покрытием расположены элементы, увеличивающие концентрацию излучения на рабочей поверхности фотоэлектрических элементов, а между фотоэлектрическими элементами и нижним защитным покрытием расположены элементы, отводящие тепло от фотоэлектрических элементов.
В другом варианте планарного высоковольтного фотоэлектрического модуля рабочей поверхностью модуля является лицевая поверхность, верхнее защитное покрытие, одновременно является концентратором или набором концентраторов солнечного излучения, а между фотоэлектрическими элементами и нижним защитным покрытием расположены элементы, отводящие тепло от фотоэлектрических элементов.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, 2 и 3, где на фиг. 1 представлена схема конструкции планарного высоковольтного фотоэлектрического модуля в поперечном разрезе с лицевой рабочей поверхностью и параллельной коммутацией всех фотоэлектрических элементов, на фиг. 2 представлен вид сверху, на фиг. 3 представлена схема конструкции фотоэлектрического элемента, входящего в состав планарного высоковольтного фотоэлектрического модуля.
Планарный высоковольтный фотоэлектрический модуль состоит из фотоэлектрических элементов 1 с лицевой рабочей поверхностью 2, расположенных между верхним защитным покрытием 3 и нижним защитным покрытием 4. Верхнее защитное покрытие 3 выполнено из прозрачного материала. Фотоэлектрические элементы соединены параллельно с помощью верхних контактных полос 5 и нижних контактных полос 6 и, соответственно, верхней шины 7 и нижней шины 8. Верхняя 7 и нижняя 8 шины, с присоединенными к ним контактными полосами изолированы друг от друга с помощью изолирующей прокладки 9. Контакты на лицевых (верхних) поверхностях 2 фотоэлектрических элементов 1 и соединенные с ними контактные полосы 5 изолированы друг от друга с помощью диэлектрической пленки 10; тыльные поверхности 11 фотоэлектрических элементов 1 и соединенные с ними нижние контактные полосы 6 изолированы друг от друга с помощью диэлектрической пленки 12.
На фиг. 3 показан вариант конструкции фотоэлектрического элемента, входящего в состав планарного высоковольтного фотоэлектрического модуля, например, представленного на фиг. 1.
+
Фотоэлектрический элемент включает пластину (подложку) 13 из полупроводникового материала р типа, например кремния, лицевую 2 и тыльную 11 поверхности. С одной стороны по всей площади пластины 13 расположены чередующиеся слои р и n типа 14, с другой стороны расположен слой р таким образом, что фотоэлектрические элементы представляют собой несколько расположенных друг на друге последовательно соединенных единичных фотопреобразователей 15, при этом толщина фотоэлектрического элемента соизмерима с толщиной традиционного планарного кремниевого фотопреобразователя с одним р-n переходом, а другие размеры совпадают с размерами традиционного планарного кремниевого фотопреобразователя с одним р-n переходом. Фотоэлектрический элемент односторонний: рабочей поверхностью, на которую поступает солнечное излучение, является только лицевая поверхность 2 фотоэлектрического элемента.
Когда все фотоэлектрические элементы 1 соединены параллельно, ток на выходе фотоэлектрического модуля будет равен сумме токов всех фотоэлектрических элементов 1, а напряжение - наименьшему выходному напряжению фотоэлектрических элементов 1. При этом изменение равномерности освещения фотоэлектрического модуля или ухудшение характеристик, выход из строя одного или части фотоэлектрических элементов 1 не окажет существенного влияния на работу других фотоэлектрических элементов 1.
При соединении по традиционной последовательно-параллельной схеме выходное напряжение планарного высоковольтного фотоэлектрического модуля будет превышать напряжение планарного фотоэлектрического модуля аналогичной конструкции с фотоэлектрическими элементами с одним р-n переходом пропорционально количеству единичных фотопреобразователей 15 в фотоэлектрических элементах 1.
Работает планарный высоковольтный фотоэлектрический модуль следующим образом.
Солнечное излучение поступает через верхнее защитное покрытие 3 на лицевую поверхностью 2 фотоэлектрических элементов 1. Толщина слоев 14 обеспечивает прозрачность и поступление излучения на все единичные фотопреобразователи 15. Происходит поглощение фотонов в единичных фотопреобразователях 15, сопровождающееся образованием электронно-дырочных пар и появлением избыточных носителей заряда. Электронно-дырочные пары разделяются полем, что вызывает фототок. Поглощение приводит к возникновению фотоЭДС и, при подключении внешней сети к выводам фотоэлектрического модуля, к току в этой сети. Электрический ток через верхние контактные полосы 5, фотоэлектрические элементы 1 и нижние контактные полосы 6 протекает по верхней шине 7 и нижней шине 8, между положительным и отрицательным выводами фотоэлектрического модуля. Выходное напряжение каждого фотоэлектрического элемента 1 будет равно сумме напряжений всех единичных фотопреобразователей 15 этого фотоэлектрического элемента 1.
Если чередующиеся слои р и n типа 14 расположены с обеих сторон пластины 13 и тыльная поверхность 11 фотоэлектрических элементов 1 также является рабочей, то на нее также поступает излучение через нижнее защитное покрытие 4, которое в этом случае также выполнено из прозрачного материала.
Предложенный фотоэлектрический модуль является и планарным, и высоковольтным, что позволяет объединить достоинства обеих конструкций, обеспечить более эффективное преобразование электромагнитного излучения, увеличить напряжение, изготавливать по планарной, наиболее отработанной технологии высоковольтные фотоэлектрические модули, эффективно использовать планарные фотоэлектрические модули для преобразования концентрированного излучения.
Пример выполнения планарного высоковольтного фотоэлектрического модуля.
+
+
+
+
+
+
…
+
+
Планарный высоковольтный фотоэлектрический модуль включает 36 кремниевых фотоэлектрических элементов, каждый из которых состоит из 36 единичных фотопреобразователей n-р-р и представляет собой n-р-р-n-р-р--n-р-р структуру, в которой единичные фотопреобразователи последовательно соединены благодаря туннельным переходам между высоколегированными слоями.
Фотоэлектрические элементы квадратной формы, со стороной квадрата 100 мм. Слои созданы на кремниевой пластине n- типа методом эпитаксиального выращивания и последовательно соединены благодаря туннельным переходам между высоколегированными слоями. Рабочей поверхностью является только лицевая поверхность фотоэлектрических элементов, при этом толщина фотоэлектрических элементов сопоставима с толщиной планарного фотоэлектрического элемента 100×100 мм с одним р-n переходом, а толщина фотоэлектрического модуля с толщиной традиционных планарных фотоэлектрических модулей
Фотоэлектрические элементы расположены в одной плоскости в девять рядов в каждом из которых по четыре фотоэлектрических элемента. К контактной сетке на лицевой поверхности и контакту на тыльной поверхности каждого фотоэлектрического элемента присоединены, соответственно, верхние и нижние контактные полосы. Верхние контактные полосы соединяют каждый фотоэлектрический элемент с верхней шиной, и нижние контактные полосы соединяют каждый фотоэлектрический элемент с нижней шиной. Таким образом все фотоэлектрические элементы в фотоэлектрическом модуле соединены параллельно. Верхняя и нижняя шины соединены с отрицательным и положительным выводами фотоэлектрического модуля.
В результате получается планарный высоковольтный фотоэлектрический модуль, представленный на фиг. 1 с фотоэлектрическими элементами, аналогичными фотоэлектрическому элементу, представленному на фиг. 2.
2
Размер планарного высоковольтного фотоэлектрического модуля 428×968 мм, площадь рабочей поверхности составляет 0,3772 м, толщина 30 мм. Выходной ток планарного высоковольтного фотоэлектрического модуля равен сумме токов всех фотоэлектрических элементов:
ФМ
ФЭi
где I - выходной ток фотоэлектрического модуля; I - выходной ток i-го фотоэлектрического элемента. Выходное напряжение планарного высоковольтного фотоэлектрического модуля составляет 80 В и равно выходному напряжению одного фотоэлектрического элемента с наименьшим напряжением, которое в свою очередь равно сумме напряжений 36 единичных фотопреобразователей этого фотоэлектрического элемента.