ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области преобразования световой энергии в электрическую.
2
Известны различные фотоэлектрические преобразователи, принцип действия которых основан на внутреннем фотоэлектрическом эффекте в полупроводниковых материалах. Наиболее распространенные из них Si. GaAs. CdTe, CulnSe. Основная сфера их применения - преобразование солнечного света в электричество. Простейшая конструкция такого прибора на основе монокристаллического кремния показана на Фиг.1.
Устройство прибора таково. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины р-типа сформирован р-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.Работает прибор следующим образом. Когда солнечный элемент освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в р-слое вблизи р-n-перехода, подходят к р-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в р-слой. В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а р-слой - положительный. [1] Такого рода преобразователь может быть принят нами за аналог.
За прототип может быть принят солнечный элемент каскадного типа. В типичном многопереходном солнечном элементе (Фиг.2) одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны. при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д. Суть принципа его работы заключается в следующем. В фотоэлементе, изображенном на Фиг.1. свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны. а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позволяют многослойные структуры из двух и более солнечных элементов с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. [2,3] Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше.
Общим недостатком аналога и прототипа является тот факт, что часть световой энергии тратится на нагрев солнечного элемента и не используется для преобразования в электрическую энергию. Обычно используемая часть спектра солнечного излучения лежит в диапазоне длин волн λ=0,5÷1 мкм. Излучение с λ>1,2 мкм классическому фотоэлектрическому преобразованию не поддается, хотя только в области ИК спектра излучения Солнца в интервале λ=0,75÷3 мкм содержится до 44% всей солнечной энергии, доходящей до Земли. Это понижает КПД преобразования и стимулирует деградацию прибора под действием повышенной температуры.
Для устранения указанного недостатка предлагается создать гибридный преобразователь, в котором часть тепловой энергии будет преобразовываться в электрическую за счет присоединения к фотоэлементу термоэлектропреобразователя на основе термовольтаического эффекта. [4] Принцип действия последнего основан на возникновении электродвижущей силы при создании в полупроводнике градиента примесных (дефектных) ионов.
Технический результат, достигаемый при использовании предложенного решения заключается в повышении КПД преобразования солнечной энергии в электрическую.
Для достижения предложенного технического результата было разработан гибридный элемент для преобразования световой энергии в электрическую, содержащий фотоэлектрический преобразователь, причем в фотоэлектрическом преобразователе для повышения эффективности преобразования и повышения временной стабильности преобразователя в качестве последнего каскада применен термоэлектрический элемент, работающий на основе термовольтаического эффекта.
В качестве термоэлектрического элемента на основе термовольтаического эффекта может быть применен элемент на основе сульфида самария.
На Фиг.1.3 введены следующие обозначения:
1 - тыльный сплошной токосъемный электрод;
+
2 - слой кремния р-типа проводимости;
3 - кремний р-типа проводимости;
+
4 - слой кремния n--типа проводимости;
5 - просветляющее покрытие;
6 - фронтальный гребенчатый токосъемный электрод;
7 - клеящий слой прозрачного кремнийорганического каучука;
8 - защитное боросиликатное стекло;
9 - слой сульфида самария;
10 - первый токовый контакт;
11 - второй токовый контакт;
12 - подложка.
Предлагается формировать термоэлектропреобразователи на тыльной стороне фотоэлемента (Фиг.1, поз.1). Принципиальная схема предлагаемого гибридного преобразователя представлена на Фиг.3. (в). Преобразователь состоит из двух последовательно соединенных элементов: фотоэлектрического 3 (а) и термовольтаического 3 (б). На Фиг.3 (а) приведенным цифрам соответствуют следующие элементы:
Подложкой для термовольтаического элемента служит тыльный сплошной токосъемный электрод фотоэлектрического элемента. Выходное напряжение снимается с фронтального токосъемного электрода фотоэлектрического элемента и второго токового контакта термовольтаического элемента (Фиг.3, (б), поз.11)
Данная гибридная система работает следующим образом. Первоначально свет падает на фотоэлектрический элементпреобразователя, и он. улавливая часть световой энергии, преобразует ее в электрическую. Оставшаяся часть световой энергии нагревает тыльный сплошной токосъемный электрод. Теплота нагретого электрода преобразуется с помощью термовольтаического элемента в электроэнергию. Оба элемента могут быть соединены последовательно либо параллельно, если использовать дополнительный токовывод, подсоединенный к тыльному токосъемному электроду фотоэлектрического элемента.
Термовольтаический преобразователь может преобразовывать в электричество любое получаемое им дополнительное тепло даже при отрицательных температурах. [5] Преобразование осуществляется за счет наличия в полупроводниковом материале градиента примесных атомов, дающих донорные уровни вблизи дна зоны проводимости. В результате, при нагревании материала вблизи области с максимальной концентрацией примесей в зоне проводимости образуется некоторое число дополнительных электронов. Эти электроны диффундируют в сторону области с минимальной концентрацией примесей (примесных донорных уровней). Этот поток электронов обуславливает возникновение электродвижущей силы (аналог эффекта Зеебека. только там поток электронов возникает за счет разницы температур двух областей образца). Наличие такого дополнительного преобразователя обеспечивает работоспособность данной гибридной системы.
КПД фотоэлектрических элементов находится на уровне 20%. Расчетный КПД элемента, работающего на термовольтаическом эффекте, составляет порядка 30%. [6] Таким образом данная гибридная конструкция дает принципиальную возможность получить КПД преобразования 44%.
Пример.
1,04
Был взят один элемент солнечной батареи типа БСК-2. К нему прикреплен с помощью контактола, обеспечивающего хороший электрический и тепловой контакт, макет термоэлектрического преобразователя, работающего на основе термовольтаического эффекта. Он представлял собой двухслойную структуру сэндвичевого типа, где один слой был изготовлен из SmS, а второй - из SmS с избытком самария, SmS. Таким образом был изготовлен гибридный элемент. Предварительно с элемента солнечной батареи были сняты при оптимальном освещении вольтамперная характеристика и график зависимости рассеиваемой мощности в сопротивлении нагрузки от напряжения на нем Фиг.4 по схеме Фиг.5. Затем такие же данные были сняты с гибридного элемента (схема на Фиг.6) и представлены на Фиг.7. Из полученных данных следует, что при одинаковом освещении простой солнечный элемент выдает максимальную электрическую мощность 17.8 мВт, а гибридный - 20,6 мВт (Фиг.8). Таким образом мы имеем повышение мощности на 16%. а значит и такое же повышение КПД преобразования. Это соответствует задаче, решаемой предлагаемой полезной моделью.
Литература:
1. М.Мейтин // Электроника: наука, технология, бизнес, 6/2000, с.40-46.
2. Yang J., Banerjee A., Lord K.. Guha S. Correlation of Component Cells with High Efficiency Amorphous Silicon Alloy Triple-Junction Solar Cells and Modules. - Proc. Of the 2nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion, July 1998. Vienna, Austria.
3. Guha S.. Yang J., Banerjee A., Glatfelter T. Amorphous Silicon Alloy Solar Cells for Space Application. - Proc. of the 2nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion. July 1998, Vienna, Austria..
4. B.B.Каминский, А.В.Голубков, М.М.Казанин. И.В.Павлов, С.М.Соловьев. Н.В.Шаренкова. Патент на изобретение №2303834. Термоэлектрический генератор (варианты) и способ изготовления термоэлектрического генератора. Приоритет изобретения 22 июня 2005.
5. Каминский B.B., Дидик В.А.. Казанин М.М., Романова М.В., Соловьев С.М. Термовольтаический эффект в поликристаллическом SmS. Письма ЖТФ. 2009, т.35. в.21, C.16-22.
6. V.V.Kaminski, LN.Vasil'ev, M.M.Kazanin, S.M.Solov'ev and A.V.Golubkov "Electromotive force generation in SmS based nanostructures" - Fifth ISTC scientific Advisory Committee Seminar "Nanotechnologies in the area of physics, chemistry and biotechnology". St.Petersburg, May 27-29 2002. p.131-134.