КОНЦЕНТРАТОРНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
CONCENTRATING SOLAR CELL

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к устройствам преобразования световой энергии в электрическую, и может быть использовано в концентраторных фотоэлектрических модульных установках.
При разработке солнечных элементов, работающих при высоких значениях концентрации солнечного излучения, одним из ключевых моментов является конструкция верхнего металлического электрода. С одной стороны, для уменьшения электрических потерь на контакте он должен обеспечить минимальное омическое сопротивление, с другой стороны, контактная сетка должна обеспечить минимальное затенение фоточувствительной области солнечного элемента. Учитывая, что в концентраторных солнечных элементах распределение солнечного излучения по поверхности фоточувствительной области происходит неравномерно, задача оптимизации топологии контактной сетки становится еще более сложной.
Известен концентраторный солнечный элемент (см. патент US № 4320250, МПК H01L 31/04, опубликован 16.03.1982), включающий подложку из полупроводниковой пластины, первый токосборный электрод, сформированный на тыльной поверхности подложки, легированный полупроводниковый слой, сформированный на верхней поверхности подложки, контактную сетку, сформированную на легированном полупроводниковым слое, и второй металлический электрод, сформированный методом электрогальваники на контактной сетке. Второй металлический электрод имеет ширину порядка менее 25 мкм, толщину по крайней мере больше ширины и, следовательно, резкие вертикальные контуры. Упомянутая контактная сетка имеет форму круга и выполнена в виде радиально расходящихся лучей из центра круга к краям. При этом каждый луч разделяется на два на расстоянии от центра к краю.
Известный элемент позволяет обеспечить равномерное собирание генерированных носителей заряда по всей площади солнечного элемента. К недостаткам известного решения относится сильное затенение, создаваемое такой контактной системой.
Известен концентраторный солнечный элемент для использования в концентраторах (см. патент US № 4227940, МПК H01L 31/06, опубликован 14.10.1980), включающий, как правило, круглую пластину, выполненную из кремния, имеющую проводимость от 0,5 до 1,5 Ом·см и имеющую тыльную и верхнюю поверхности. Пластина имеет диаметр около 2 дюймов, слой алюминия, сформированный на тыльной поверхности и воженный в кремниевую пластину с целью формирования р+ слоя, n+ слой, сформированный на верхней поверхности пластины, многослойную структуру металлического контакта выполненную на тыльной поверхности и обеспечивающую контакт к р+ слою, многослойную структуру металлического контакта сформированную на верхней поверхности и обеспечивающую контакт к n+ слою. Многослойная структура металлического контакта, сформированная на верхней поверхности, выполнена в виде двух осесимметричных шин, имеющих форму окружности, и примерно 300 радиально расходящихся клиновидных полосок. Примерно 150 клиновидных полосок проходят из области центра к краям контактной сетки, пересекая обе контактные шины, еще примерно 150 лучей выходят из первой контактной шины и соединяются со второй контактной шиной, находящейся на периферии контактной сетки. Еще одна окружность, имеющая очень малый диаметр, находится в центре фоточувствительной области, при этом не соприкасается с лучами.
Недостатками данной конструкции являются большая область затенения, а также неэффективное собирание генерированных носителей заряда в центре фоточувствительной области, где полоски контактной сетки, выполненные в виде радиальных лучей, не соприкасаются с центральной окружностью.
Известен концентраторный трехпреходный солнечный элемент (см. К.Nishioka, Т.Takamoto, Т.Agui, М.Kaneiwa, Y.Uraoka, Т.Fuyuki. - Solar Energy Materials and Solar Cells. - 90, 2006, 1308-1321), включающий нижний электрод, германиевую подложку с сформированным в ней переходом, переход на основе соединения GalnAs, переход на основе соединения GalnP, широкозонное окно, контактный слой GaAs, верхний серебряный электрод толщиной 5 мкм. Верхний электрод и расположенный под ним контактный слой GaAs сформированы в виде прямоугольной сетки, с двух сторон которой располагаются токосъемные шины, шириной 0,85 мм и длинной 7 мм. Расстояние между двумя упомянутыми шинами составляет 7 мм. Две упомянутые шины соединяются 55 токосъемными дорожками с шириной 7 мкм и расстоянием между дорожками 120 мкм.
Недостатком данной конструкции является то обстоятельство, что она оптимизирована под солнечное излучение, распределенное равномерно по площади солнечного элемента, в то время как в концентраторной солнечной энергоустановке солнечное излучение, падающее на солнечный элемент, распределено неравномерно, с максимальной концентрацией в центре солнечного элемента.
Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и совокупности существенных признаков является конструкция концентраторного солнечного элемента, принятого за прототип (см. В. Galiniana, С.Algora, I. Rey-Stolle. - Comparison of 1D and 2D analysis of the front contact influence on GaAs concentrator solar cell performance. - Solar Energy Materials and Solar Cells. - 90, 2006, 2589-2604), включающая подложку со сформированной на ней гетероструктурой, контактный слой, нижний сплошной электрод и верхний электрод, выполненный в виде контактной сетки. Упомянутая контактная сетка формирует фоточувствительную область солнечного элемента в виде квадрата со сторонами размером 1 мм. Контактная сетка включает токосъемные шины шириной 100 мкм, расположенные по периметру фоточувствительной области, и угловые токосъемные полоски шириной 5 мкм, выходящие из токосъемных шин перпендикулярно сторонам квадрата и попарно соединяющиеся своими концами. Упомянутые токосъемные полоски, выходящие из середины каждого края фоточувствительной области, соединены в виде креста. Токосъемные дорожки и шины имеют удельное поверхностное сопротивление 0,35 Ом/.
Известная конструкция концентраторного солнечного элемента-прототипа позволяет достичь меньших потерь, связанных с затенением фоточувствительной области солнечного элемента, по сравнению с предыдущими вариантами исполнения контактной сетки. К недостаткам данного технического решения относится недостаточно высокий коэффициент полезного действия (КПД) концентраторного солнечного элемента, работающего при высоких степенях концентрации солнечной энергии (500-1000 солнц). Причиной указанного недостатка является неоптимальная конструкция контактной сетки. При концентрации солнечного излучения основная часть падающего света приходится на центральную область солнечного элемента, а токосъем осуществляется с его углов. Для данной геометрии контактной системы носителям заряда, собранным в центре фоточувствительной площадки, необходимо проделать максимальный путь от центра к краям и далее по токосъемным шинам к углам солнечного элемента, что, учитывая электрическое сопротивление контактных дорожек, приводит к дополнительному падению напряжения и, следовательно, уменьшению КПД солнечного элемента.
Задачей заявляемого технического решения является создание концентраторного солнечного элемента, имеющего повышенный КПД за счет уменьшения сопротивления верхнего контакта и, следовательно, уменьшения омических потерь.
Поставленная задача решается тем, что концентраторный солнечный элемент, выполнен в форме прямоугольника с соотношением длин сторон, находящимся в интервале от 1 до 1,5, и включает подложку, многослойную структуру, сформированную на подложке, с центральной фоточувствительной областью, контактный слой, сплошной нижний электрод и верхний электрод в виде контактной сетки. Контактная сетка содержит, по меньшей мере, одну токосъемную шину, расположенную по периметру фоточувствительной области, и токосъемные полоски. Токосъемные полоски эквидистантно выходят из по меньшей мере одной токосъемной шины под углом 35-55° к сторонам упомянутого прямоугольника и параллельные друг другу в пределах каждого из четырех сегментов, лежащих между взаимно перпендикулярными плоскостями, проведенными через середины противолежащих сторон упомянутого прямоугольника. По меньшей мере в одном углу прямоугольника к токосъемной шине прикреплен токоотвод, например, ультразвуковой (термозвуковой) сваркой или пайкой.
В концентраторном солнечном элементе токосъемные полоски одного сегмента могут быть смещены относительно токосъемных полосок соседнего сегмента вдоль линии раздела этих сегментов на расстояние d=1/2D, где D -расстояние между проксимальными концами соседних полосок.
Токосъемные полоски двух соседних сегментов могут быть расположены симметрично относительно плоскости, проходящей по линии раздела этих сегментов, при этом каждая токосъемная полоска одного сегмента может быть соединена с симметричной ей токосъемной полоской соседнего сегмента. В частности, соединение симметричных полосок соседних сегментов может быть выполнено сопряжением.
Проксимальный конец каждой токосъемной полоски одного сегмента может быть отделен зазором от проксимального конца симметричной ей токосъемной полоски соседнего сегмента.
Фоточувствительная область в концентраторном солнечном элементе может быть выполнена в форме круга; в форме круга, сплющенного с четырех сторон упомянутого прямоугольника; в форме квадрата со срезанными углами.
Контактная сетка может содержать четыре одинаковых осесимметричных токосъемных шины, отделенных друг от друга зазором вблизи осей симметрии прямоугольника.
Наиболее предпочтительным является вариант, когда токосъемные полоски эквидистантно выходят из по меньшей мере одной токосъемной шины под углом 45° к сторонам упомянутого прямоугольника.
В заявляемой конструкции концентраторного солнечного элемента обеспечивается минимальная длина контактных полосок от центра солнечного элемента, т.е. области с максимальной концентрацией солнечного излучения, до токосъемной шины, в результате чего минимизируются потери на сопротивление контактной сетки. Данное преимущество позволяет достичь увеличения КПД заявляемого концентраторного солнечного элемента по сравнению с известным концентраторным солнечным элементом-прототипом.
Прямоугольная форма концентраторного солнечного элемента обусловлена необходимостью проведения резки полупроводниковой пластины на отдельные элементы. Оптимальной формой концентраторного солнечного элемента является квадрат (соотношение сторон равно 1), так как проекция падающего концентрированного солнечного излучения на солнечный элемент имеет форму круга или круга, сплющенного с четырех сторон, то при возрастании соотношения сторон прямоугольника до 1,5 возрастает доля площади солнечного элемента, не принимающей участие в генерации носителей заряда, что приводит к неэффективному использованию материала. Угол, под которым расположены токосъемные полоски к сторонам упомянутого прямоугольника, определяется из условий обеспечения минимального электрического сопротивления для части тока, генерированного в центральной области солнечного элемента, где концентрация солнечного излучения достигает максимального значения. Оптимальным значением данного угла является величина в 45°. При использовании углов, меньших или больших 35-55°, значительно возрастают потери на электрическом сопротивлении контактной сетки, и теряется конкурентное преимущество по сравнению с прототипом. Одинаковое расстояние между токосъемными полосками и их параллельность обуславливаются необходимостью обеспечения равномерного токосъема.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 приведен вид сбоку концентраторного солнечного элемента-прототипа в поперечном сечении по А-А;
на фиг.2 показан вид сверху концентраторного солнечного элемента-прототипа;
на фиг.3 приведен вид сбоку заявляемого концентраторного солнечного элемента в поперечном сечении по Б-Б;
на фиг.4 показан вид сверху заявляемого концентраторного солнечного элемента со смещенными токосъемными полосками и четырьмя осесимметричными токосъемными шинами;
на фиг.5 показан вид сверху заявляемого концентраторного солнечного элемента с симметрично расположенными разомкнутыми токосъемными полосками и четырьмя осесимметричными токосъемными шинами;
на фиг.6 показан вид сверху заявляемого концентраторного солнечного элемента с симметрично расположенными токосъемными полосками, соединенными проксимальными концами, и одной токосъемной шиной;
на фиг.7 показан вид сверху заявляемого концентраторного солнечного элемента с симметрично расположенными токосъемными полосками, соединенными сопряжением проксимальными концами, и одной токосъемной шиной.
Концентраторный солнечный элемент-прототип 1 включает нижний электрод 2, подложку 3, сформированную на ней гетероструктуру 4, контактный слой 5, верхний электрод, состоящий из токосъемной шины 6 и токосъемных полосок 7. Конструкция верхнего электрода концентраторного солнечного элемента-прототипа видна на фиг.2.
Концентраторный солнечный элемент 8 (см. фиг.3) включает нижний электрод 2, подложку 3, сформированную на ней гетероструктуру 4, контактный слой 9, верхний электрод (см. фиг.4), состоящий из четырех токосъемных шин 10 и токосъемных полосок 11. Фоточувствительная область 12 солнечного элемента 8 может иметь форму круга (см. фиг.4, 6), форму круга, сплющенного с четырех сторон упомянутого прямоугольника (см. фиг.7); форму квадрата со срезанными углами (см. фиг.5), что позволяет увеличить фотоактивную область 12 солнечного элемента 8. В каждом из четырех сегментов а, б, в и г фоточувствительной области 12 токосъемные полоски 11 параллельны друг другу. Контактные токосъемные полоски 11 располагают в сегментах а, б, в и г под углом 35-55° к боковой грани 13 солнечного элемента 8. Для более равномерного токосъема токосъемные полоски 11 (см. фиг.4) одного сегмента (например, а) могут быть смещены относительно токосъемных полосок 11 соседнего сегмента (например, б) вдоль линии раздела этих сегментов на расстояние d=1/2D, где D - расстояние между проксимальными концами 14 соседних полосок 11. Токосъемные полоски 11 (см. фиг.5) двух соседних сегментов (например, а и б) могут быть расположены симметрично относительно плоскости, проходящей по линии раздела этих сегментов. В случае, если реализация контактной сетки с контактными полосками 11 технологически окажется слишком сложной, каждая токосъемная полоска 11 одного сегмента (например, а) может быть соединена с симметричной ей токосъемной полоской 11 соседнего сегмента (например, б). В частности, соединение симметричных полосок 11 соседних сегментов (например, б и в) может быть выполнено сопряжением 15 (см. фиг.7). Как показано на фиг.5, проксимальный конец 14 каждой токосъемной полоски 11 одного сегмента (например, б) может быть отделен зазором 16 от проксимального конца 14 симметричной ей токосъемной полоски 11 соседнего сегмента (например, в), что позволяет увеличить фотоактивную площадь. В каждом углу квадрата к токосъемной шине 10 прикреплен ультразвуковой или термозвуковой микросваркой токоотвод 17, выполненный, например, в виде проволоки из золота.
Увеличение КПД заявляемого концентраторного солнечного элемента подтверждается проведенной численной оценкой. Конструкция контактной сетки концентраторного солнечного элемента-прототипа 1 представлена на фиг.2, а конструкция используемой в численной оценке контактной сетки заявляемого солнечного элемента 8 представлена на фиг.4. Размер фоточувствительной области 12 в обоих случаях будет равен 1 мм (длина стороны квадрата на фиг.2 и диаметр круга на фиг.4). Ширина контактных полосок 7 и 11 равна 5 мкм, удельное поверхностное сопротивление 0,35 Ом/. Ширина токосъемных шин 10, расположенных по периметру фоточувствительной области 12 (фиг.4), равна 100 мкм. Учитывая симметричность рисунка контактной сетки концентраторного солнечного элемента-прототипа 1 и концентраторного солнечного элемента 8, задача определения падения напряжения будет решаться только для области, составляющей 1/8 от всей площади солнечного элемента и выделенной жирной штриховой линией на фиг.2 и 4. Учитывая симметричность распределения интенсивности солнечного излучения, а также схожесть геометрии контактных полосок 7 и 11, различиями в падении напряжения на контактных полосках 7 и 11, представленных соответственно на фиг.2 и фиг.4, можно пренебречь. Таким образом, задача сводится к определению падения напряжения на токосъемных шинах 6 и 10 для двух указанных выше вариантов исполнения контактной сетки. Величина падения напряжения на токосъемной шине 6 и 10 между двумя контактными полосками 11 (n-1 и n) равна
k
n
где J - величина силы тока, протекающей по k-ой токосъемной полоске 11; m=5 - число токосъемных полосок 11 в рассматриваемой области; r -сопротивление участка токосъемной шины 6, 10 между контактными полосками 11 (n-1 и n), которое можно выразить как
n
n
s
где l - длина этого участка токосъемной шины 6, 10; W - его ширина в случае конструкции контактной сетки, представленной на фиг.2, или эффективная ширина для случая конструкции контактной сетки, представленной на фиг.4; ρ - удельное поверхностное сопротивление. С учетом формулы (1) суммарное падение напряжения на токосъемной шине 6, 10 может быть выражено следующим образом:
2
Считая, что падающее на солнечный элемент 1 и 8 концентрированное солнечное излучение распределено по закону Гаусса, а также что плотность тока короткого замыкания при одном солнце равна 14 мА/см, расчет по формуле (3) при концентрации 1000 солнц дает величину падения напряжения 60 мВ и 20 мВ соответственно для солнечных элемента 1 и солнечного элемента 8. Таким образом, заявляемая конструкция концентраторного солнечного элемента 8 позволяет в три раза уменьшить потери на сопротивлении контактной сетки при высоких уровнях концентрации солнечного излучения, что может дать увеличение абсолютного значения КПД на 0,5-1%. Дополнительным положительным эффектом может являться снижение стоимости концентраторного солнечного элемента 8 за счет уменьшения его размеров без уменьшения площади фоточувствительной области 12.