Сонячний модуль високопотужної енергетики

Винахід відноситься до пристроїв, які призначені для перетворення сонячної енергії в електричну та працюють в режимі великих стр умів, і можуть бути використані в сонячних батареях високопотужної енергетики. Пряме перетворення сонячної енергії в електричну у всі х відомих випадках ведеться за допомогою сонячного елемента (СЕ) - фотоелектричного перетворювача (ФЕП) сонячної енергії, який представляє собою фоточутли вий шар, при освітленні якого, в ньому здійснюється оптична генерація вільних носіїв заряду, які в свою чергу розділюються за допомогою потенційного бар'єру (ПБ), створеного в структурі СЕ. Відомі СЕ можна розділити по способу створення в них ПБ: СЕ з бар'єром Шотткі (СЕ-БШ); СЕ на основі МДН-структури (СЕ-МДН); СЕ з гомо і гетеро р-n переходами; СЕ з р-І-n структурою (СЕ-ріn); які відрізняються технологічним способом створення у вихідному матеріалі ПБ. ПБ СЕ створюється при використанні: 1 - різниці робіт виходу електронів з металу та напівпровідника (до цього методу відносяться СЕ-БШ і СЕ-МДН); 2-контактної різниці потенціалів, яка виникає на межі розділу напівпровідникових матеріалів з протилежним типом провідності (до цього методу відносяться СЕ-ріn і СЕ з гомо і гетеро р-n переходами). До останньої групи СЕ відносяться структури, область з протилежним типом провідності в яких створюється слідуючими методами: 1 - введенням відповідних домішок (CE-pin, СЕ з гомо і гетеро р-n переходами); 2 - інверсією типу провідності (Інверсний шар (ІШ)) в підкладках р-типу за допомогою: а використання різниці робіт виходу електронів Із металу і напівпровідника; б - використання високої густини позитивного заряду в діоксиді кремнію (SіО2) та нітриді кремнію (Si3N4). Відомі модулі фотоелектричних перетворювачів (ФЕП) сонячної енергії з інверсним шаром (ФЕПІШ): ФЕПІШ з структурою МДН [Thomas R.E. "int. Electron Devices Meet., Washington D.C., 1978" New York., N.Y., 1978, 82-85]. Він складається з МДН-решітки, яка контактує з інверсним шаром, створеним позитивним зарядом в окислі SiO2, який наноситься методом хімічного осадження з парової фази. В якості підкладки використовують моно-кристалічний Si з провідністю р-типу. Однак пристрій має: високий питомий опір інверсного шару, який обумовлений низькою густиною позитивного заряду в SiO2, нанесеному методом хімічного осадження з парової фази; використання підкладки з монокристалічного кремнію та тильного контакту на основі Au, що веде до збільшення собівартості ФЕП і електричної енергії, отриманої з його допомогою. ФЕПІШ на основі полікристалічного Si р-типу [Schorner R., Hezel R. "ІЕЕЕ Trans. Electron Devices", 1981, №12, 1466-1469 і Hezel R. "16th IEEE Photovoltaic Spec. Conf., San Diego, Calif., 1982. Conf. Rec."], де з метою зменшення питомого опору інверсного шару використовується осаджена в ВЧ-плазмі плівка Si3N4, яка володіє більшою густиною позитивного заряду порівняно з SiO2. Додаткове збільшення густини заряду в Si3N4 досягається введенням в плазму Si3N4 цезію і відповідною термообробкою отриманого шару. Однак слід відмітити, що: 1 - величина густини заряду, яку можливо забезпечити в шарі SI3N4 є обмеженою і не перевищує 1014 см -2, крім того, дослідження в цій області [Alam M.K., Yeow Y.T. "Appl.Phys.Lett.", 1980, №5, 469-470] показують, що залежність вихідної напруги від фіксованого заряду в окислі має насичення при густині заряду, яка перевищує 5×1011 см -2, а це свідчить про те, що зменшення питомого опору Інверсного шару є також обмеженим (при роботі ФЕП в режимі великих струмів навіть невисокий питомий опір Інверсного шару приводить до значних втрат потужності); 2 - використання методів додаткового збільшення густини заряду в шарі Si3N4 веде до ускладнення технологічного процесу та підвищення собівартості ФЕП. ФЕПІШ [Burte E.P., Kezel R. "j Appl.Phys." 1984. №4, 1183-1187], де для зменшення загального питомого опору структури використовується низькоомна підкладка на основі монокристалічного Si р+-типу, на яку методом хімічного осадження з парової фази наноситься тонка полікристалічна плівка Si р-типу провідності. Інверсія в полікристалічній плівці створюється додатнім зарядом, який міститься в плівці SI3N4, отриманій осадженням в ВЧ-плазмі. Однак слід відмітити, що: 1 - використання підкладки з високолегованого P+-SI приводить до значного зменшення дифузійної довжини носіїв заряду, що в свою чергу є причиною рекомбінаційних втрат фотогенерованих носіїв в підкладках з товщиною, яка перевищує дифузійну довжину; 2 - застосування в якості підкладок монокристалічних пластин p+-Si, на які осаджуються полікристалічні плівки p-Si; веде до збільшення матеріаломісткості структури СЕ, ускладнення технологічного процесу і, відповідно, до збільшення собівартості ФЕП такого типу. ФЕПІШ [Okuyama Yoshi, Ma T-P. "Appl. Phys. Lett.", 1984. №6, 596-598], де для збільшення густини позитивного заряду в окислі SIO2 і відповідно для зменшення питомого опору інверсного шару ФЕП на основі полікристалічного SI р-типу використовується рентгенівське опромінення структури ФЕП. Однак слід відмітити що: 1 - використання рентгенівського опромінення дає можливість додатково збільшити густину позитивного заряду в SIO2 , але не більш ніж до 1013см -2, а це свідчить проте, що питомий опір ІШ зменшиться в недостатній мірі; 2 - використання рентгенівського опромінення в технологічному процесі створення ФЕП тягне за собою збільшення енергетичних витрат на створення ФЕП і необхідність використання обладнання, яке може запобігти опроміненню обслуговуючого персоналу, що негативно впливає на собівартість створення ФЕП такого типу. Найбільш близьким по технічній суті є сонячний модуль на основі ФЕПІШ з низьким питомим опором ІШ на основі SI р-типу [Chattopadhyay P. "Solid State Electron", 1988,31, №11,1641-1643], який складається з пластини напівпровідникового матеріалу р-типу, на якій розташовано тильний контакт, а на фронтальній поверхні розташовано шар окислу SiO2, поверх котрого розташовано шар Si3N4, в якому розміщені фронтальні інверсійна та струмозбираюча гребінки. Даний спосіб зменшення питомого опору ІШ полягає у використанні контактної Інверсійної гребінки, виготовленої з металу з низькою роботою виходу. Різниця робіт виходу електронів з металу та напівпровідника сприяє створенню високого додатнього поверхневого потенціалу, з яким в свою чергу обернено пропорційно пов'язана величина питомого опору ІШ. В запропонованій структурі ФЕП досягається саме низьке значення питомого опору ІШ з всіх відомих ФЕП цього типу. Однак пристрій має слідуючі особливості: обмеженість зменшення питомого опору ІШ, яка є наслідком складності використання металів з роботою виходу меншою ніж 3,5 еВ; відбивання значної частини падаючого на ФЕП світлового потоку від металевої Інверсійної гребінки, для виключення якого необхідно використання відповідних антивідбивних покрить; поглинання до 10% падаючого світлового потоку в металічних плівках інверсійної гребінки, що приводить до збільшення робочої температури ФЕП і, відповідно, до зменшення ККД фотоелектричного перетворення; використання дорогих металів з дуже низькою роботою виходу. В основу винаходу поставлено завдання створення сонячного модуля високопотужної енергетики в якому подачею зворотньої напруги з допоміжного сонячного елемента на прозору провідну Інверсійну гребінку та тильний контакт основного сонячного елемента забезпечується зменшення послідовного опору та стр уму насичення основного сонячного елемента і за рахунок цього досягається збільшення ККД фотоелектричного перетворення та можливість роботи сонячного модуля в режимі великих струмів. Поставлене завдання вирішується тим, що СМ ВПЕ, який містить СЕ, який складається з пластини напівпровідникового матеріалу р-типу, на якій розташовано тильний контакт, а на фронтальній поверхні розташовано шар діоксиду кремнію SіО2, поверх котрого розташовано шар нітриду кремнію SI3N4, в якому розміщені фронтальні Інверсійна та струмозбираюча гребінки, згідно винаходу містить два і більше сонячних елементи, один з котрих є допоміжний, а інші основні, фронтальна інверсійна гребінка основного сонячного елемента виконана з прозорого провідного матеріалу і з'єднана з тильним контактом допоміжного сонячного елемента, тильний контакт основного сонячного елемента з'єднано з струмозбираючою гребінкою допоміжного сонячного елемента. Виконання в основному сонячному елементі Інверсійної гребінки з прозорого провідного матеріалу та подача на неї зворотньої напруги з допоміжного сонячного елемента, веде до підвищення поверхневого потенціалу стр уктури ФЕПІШ, що спричиняє зменшення послідовного опору і струму насичення структури сонячного елемента, які є причиною підвищення вихідної потужності та його коефіцієнту заповнення, веде до збільшення ефективності фотоелектричного перетворення і дає можливість застосовувати сонячний модуль в сонячних батареях високопотужної енергетики при роботі в режимі великих струмів і крім вище перечислених має слідуючі переваги: - зменшення втрат потужності, пов'язаних з "розкидом" величини вихідного струму сонячних елементів які входять в склад сонячної батареї (СБ) (При послідовному з'єднанні СЕ в СБ вихідний струм СБ дорівнює величині найменшого струму одного Із СЕ, а вихідні струми інших СЕ з більшою величиною будуть зазнавати втрат на СЕ з самим високим опором, що приводить до збільшення робочої температури СЕ і пониження вихідних характеристик СБ); - зменшення вартості виробництва CM, яке полягає у відсутності тривалих високотемпературних процесів вирощування окислів та методів додаткового підвищення в них густини позитивного заряду. На фіг.1 зображений СМ; на фіг.2 -залежність поверхневого потенціалу та питомого поверхневого опору ІШ основного ФЕП від прикладеної напруги; на фіг.З -залежність коефіцієнту корисної дії CM від прикладеної напруги та рівень коефіцієнту корисної дії CM з двох послідовно з'єднаних ФЕПІШ традиційної конструкції, де 1 - тильний металічний контакт; 2 - шар Si р-типу провідності; 3 - Інверсний шар n-типу провідності; 4 - гнучкі провідники міжелементних з'єднань; 5 - шар окислу SіО2; 6 - контактна струмозбираюча гребінка; 7 - шар Si3N4; 8 - інверсійна гребінка; 9 - електричні виводи; 10 - діелектрична підкладка; 11 - основний сонячний елемент; 12 - допоміжний сонячний елемент; 14 - залежність поверхневого потенціалу структури основного ФЕП від прикладеної напруги; 13 - залежність питомого поверхневого опору ІШ основного ФЕП від прикладеної напруги; 15 - залежність коефіцієнту корисної дії CM від прикладеної напруги; 16 - рівень коефіцієнту корисної дії CM з двох послідовно з'єднаних ФЕПІШ традиційної конструкції. Сонячний модуль містить два і більше сонячних елементи, один з котрих є допоміжний 12, а Інші основні 11 і розташовані на діелектричній підкладці 10. Вивід генерованої напруги здійснюється за допомогою електричних контактів 9. Сонячні елементи виконані на основі пластин SI р-типу 2, на яких розташовано тильні контакти 1, а на фронтальній поверхні - шар SiO2 5, поверх котрого нанесено шар Si3N4 7, в якому розміщено контактні струмозбираючі гребінки 6. Вбудований позитивний потенціал в SIО2 5 та SI3N4 7 створює в Sl-p 2 Інверсний шар 3. Основний СЕ 11 крім того на фронтальній поверхні між полосами контактної струмозбираючої гребінки 6 містить Інверсійну гребінку 8, яка виконана з прозорого провідного матеріалу і з'єднана за допомогою гнучкого провідника 4 з тильним контактом 1 допоміжного сонячного елемента 12, тильний контакт 1 основного сонячного елемента 11 з'єднано за допомогою гнучкого провідника 4 з контактною струмозбираючою гребінкою 6 допоміжного сонячного елемента 12. Внаслідок використання на основному СЕ 11 напруги з допоміжного СЕ 12, яка подається у зворотньому включенні на інверсійну гребінку 8 і тильний контакт 1 структури ФЕПІШ, досягається суттєве підвищення величини поверхневого потенціалу y s основного ФЕП 11 (фіг.2). Збільшення поверхневого потенціалу y s є причиною значного (до 104 раз) зменшення питомого поверхневого опору Ri інверсного шару 3 (фіг.2), оскільки вони пов'язані між собою оберненою експоненційною залежністю (Chattopadhyay P. "Solid State Electron., 1988,31, №11, 1641-1643) де y s - поверхневий потенціал. Завдяки цьому досягається різке зменшення опору Інверсного шару Rlnv Із збільшенням напруги, прикладеної до інверсійної гребінки 8 основного ФЕП 11. А це в свою чергу сприяє різкому зменшенню послідовного опору Rs основного сонячного елемента 11. Зменшення Rs веде до суттєвого зменшення втрат вихідної потужності, які пов'язані Із проходженням великих струмів через структур у СЕ при його роботі в сонячних батареях високопотужної енергетики. Крім того, зростання величини поверхневого потенціалу веде до лінійного підвищення висоти потенційного бар'єру основного ФЕП І, відповідно, до експотенційного зменшення його струму насичення Іо. Таким чином, зменшення Іо І Rs веде до суттєвого підвищення вихідної потужності І ККД основного ФЕП (фіг.3). Фронтальні шари SiO2 5 i Si3N4 7 основного 11 та допоміжного 12 ФЕП володіють великою густиною позитивного заряду, який індукує в p-Si 2 ІШ 3 з n-типом провідності. Виникає р-n перехід, який володіє внутрішнім електричним полем. При попаданні світла на фотоактивну площу основного 11 та допоміжного 12 ФЕП в них генеруються пари носіїв заряду, які розділюються електричним полем р-n переходу І направляються до поверхні напівпровідника, де збираються фронтальною контактною струмозбираючою гребінкою 6 І тильним контактом 1. Таким чином на виводах 9 ФЕП 11 та 12 створюється різниця потенціалів. Різниця потенціалів з виводів допоміжного ФЕП 12 подається на фронтальну Інверсійну гребінку 8 (додатній потенціал) І на тильний металічний контакт 1 (від'ємний потенціал) основного ФЕП 11. Це приводить до створення на фронтальній поверхні напівпровідника додаткового поверхневого потенціалу, що веде за собою зміну характеристик інверсного шару 3 в сторону зменшення його питомого опору, що принципово важливо при роботі ФЕП в режимі великих стр умів.