Фотовольтаїчна комірка

Реферат: Фотовольтаїчна комірка належить до галузі виробництва фотоелектричних систем перетворення сонячної енергії в електричну і може бути використана для виготовлення сонячних активних елементів. UA 75595 U (54) ФОТОВОЛЬТАЇЧНА КОМІРКА UA 75595 U UA 75595 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі виробництва фотоелектричних систем перетворення сонячної енергії в електричну і може бути використана для виготовлення сонячних активних елементів. Відомий сонячний елемент, до складу якого входять прозора підкладка з послідовно нанесеними на неї електродом, фоточутливим елементом на основі р-i-n переходу з аморфного кремнію, другого електрода і рефлектора [Thin film solar cells: fabrication, characterization and applications / Edited by J. Poortman, V. Atchipov. Wiley, 2006. P. 205]. Світло на таку структуру падає з боку підкладки. Фотоефект (генерація і розділення електронно-діркових пар) відбувається в активному шарі - р-i-n переході на основі аморфного кремнію, на який з двох боків нанесені електроди з прозорого електропровідного матеріалу. Для збільшення поглинання в активному шарі в структурі використовується відбивач - рефлектор (плівка металу), від якого відбивається назад частина світла, що пройшло крізь активний шар. Недоліком сонячного елемента на основі такої структури є низький ККД, обумовлений низьким коефіцієнтом поглинання світла в активному шарі, великими втратами світла в електродах і скляній підкладці (поглинається до 50 % від загальної кількості світла, поглиненого структурою), а також низьким коефіцієнтом просвітлення всієї структури. Як аналог вибрано інтерферометричну фотовольтаїчну комірку [US 20090078316А], що включає в себе оптичний резонатор, активну область, рефлектор і електроди до активної області, причому оптичний резонатор розміщений між активною областю і рефлектором, а електродами є провідні прозорі шари індій-олов'яного окислу (ІТО) або ZnO. Уся структура розміщується на скляній підкладці. У такій структурі активна область являє собою напівпровідниковий фоточутливий шар, на який з боку падіння світла нанесене просвітлювальне покриття з ІТО або ZnO, що відіграє одночасно роль електропровідного контакту до активної області. Рефлектор складається з металевого або діелектричного відбивального матеріалу. Оптичний резонатор являє собою або повітряний прошарок, або діелектричний шар, або шар прозорого провідного матеріалу, або їх комбінацію. Вибір структури і матеріалів оптичного резонатора визначається областю спектра, в якій має працювати прилад. Товщина резонатора може бути фіксованою, тоді прилад працює в статичному режимі. При роботі в динамічному режимі товщина резонатора може змінюватися в реальному часі за допомогою, наприклад механічного пристрою, який регулює повітряний зазор усередині резонатора, що змінює умови інтерференції і відповідно спектральний діапазон роботи приладу. Термін "інтерферометричний" означає, що прилад селективно поглинає і/або відбиває світло, використовуючи принципи оптичної інтерференції, незалежно від режимів його роботи. Коефіцієнт поглинання світла в активній області такого пристрою набагато вище аналога і може досягати в окремих прикладах виконання значення 0,8-0,9. Недоліком такої інтерферометричної фотовольтаїчної комірки є недостатньо високий ККД, що обумовлено поглинанням світла в шарах металевого рефлектора, а також невисокою ефективністю застосованого резонатора. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалити фотовольтаїчну комірку шляхом підвищення в ній величини коефіцієнта поглинання світла в активному шарі завдяки створенню більш ефективного оптичного резонатора. Поставлена задача вирішується тим, що фотовольтаїчна комірка, яка містить активну область, оптичний резонатор з N пар оптично прозорих переміжних чвертьхвильових діелектричних шарів з низьким і високим показниками заломлення, розміщений на підкладці під активною областю, згідно з корисною моделлю, додатково містить другий оптичний резонатор з N пар оптично прозорих переміжних чвертьхвильових діелектричних шарів з високим і низьким показниками заломлення, розміщений над активною областю, причому оптична товщина активної області дорівнює половині довжині хвилі світла, а між активним шаром і оптичними резонаторами розміщені електроди. Така фотовольтаїчна комірка дозволяє одержувати високі значення коефіцієнта поглинання світла в активному шарі і, отже, високий ККД пристрою на його основі. Крім того, високий ККД пристрою обумовлений застосуванням діелектричних дзеркал, коефіцієнт поглинання світла яких набагато менший, ніж металевих шарів рефлектора, у яких поглинання може досягати 25-30 %. До того ж, багатошарові покриття на основі таких матеріалів, як тугоплавкі оксиди, мають більш високу хімічну стійкість і механічну міцність порівняно з металевими плівками. Суть корисної моделі пояснює креслення фотовольтаїчної комірки. Фотовольтаїчна комірка містить скляну підкладку (1), на яку послідовно нанесено N пар оптично-прозорих переміжних діелектричних чвертьхвильових шарів (R/4) (2, 3), відповідно з малим і великим показниками заломлення, які являють собою перший оптичний резонатор, 1 UA 75595 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 активний шар (4) з оптичною товщиною, кратною (R/2), на основі напівпровідникового р-n або рi-n переходу, N пар переміжних діелектричних чвертьхвильових шарів (R/4) (2, 3), відповідно з великим і малим показниками заломлення, які являють собою другий оптичний резонатор. Шари з великим показником заломлення є електропровідними. Фотовольтаїчна комірка працює так. У темновому режимі (відсутність світла) опір активного шару великий і темній струм, що протікає через активний шар, малий. При освітленні структури світлом (5) у фоточутливому активному шарі (4) завдяки внутрішньому фотоефекту відбувається генерація і подальше розділення полем р-n переходу з нерівноважних носіїв заряду - електронно-діркових пар, у результаті чого між шарами (3), прилеглими до активного шару (4), виникає різниця потенціалів (напруга холостого ходу), а при замиканні через активну область тече струм. У спектрі падаючого світла оптичного діапазону існує випромінювання з довжиною хвилі R, яка є резонансною для даного оптичного резонатора. Оптичний резонатор для довжини хвилі R забезпечує локалізацію світла, що проходить крізь структуру, світла у активному шарі завдяки багаторазовій багатопроменевій конструктивній інтерференції відбиття світла від нижньої і верхньої частин резонатора, у результаті чого все світло з довжиною хвилі R поглинається активним шаром. Попередній вибір R, яка відповідає максимальному коефіцієнту поглинання застосовуваного активного шару, за даними вимірювання його спектра поглинання (або пропускання), дозволяє працювати фотоперетворювачу з максимальною ефективністю, тобто з максимальним ККД. Приклад виконання. Фотовольтаїчну комірку виготовляють на скляній підкладці і вона містить два резонатори, кожний з яких виконано у вигляді п'яти пар переміжних чвертьхвильових шарів ІТО і SіО2 з геометричними товщинами, відповідно R /4n2 і R/4n3, де n2 = 2,10 і n3 = 1,50 - показники заломлення світла в шарах ІТО і SiO2, відповідно. Між резонаторами розміщено активний шар, що являє собою р-n перехід на основі гідрогенізованого аморфного кремнію товщиною R/2n1, де n1 = 4,24 - показник заломлення кремнію. Кристал моделювався для резонансної довжини хвилі R = 760 нм, на якій аморфний кремній має максимальне поглинання. Діелектричні шари структури виготовлялися методом реактивного іонно-променевого розпилення відповідних мішеней у суміші аргону і кисню. Гідрогенізований аморфний кремній n- і р- типів осаджували, розпилюючи кремнієві мішені, леговані, відповідно фосфором і бором, у суміші аргону і водню при температурі підкладки 250 °C. Як струмознімальні електроди до електропровідних шарів ІТО використовувалися кільця з плівок А1 товщиною по 150 нм кожне. Для визначення ефективності роботи фотовольтаїчної комірки одночасно виготовлялася структура-свідок: підкладка - перший резонатор - фоточутливий шар, і за допомогою спектрофотометра вимірювалися її спектр пропускання в діапазоні довжин хвиль від 400 до 800 нм і залежність напруги холостого ходу на електродах фоточутливого шару від довжини хвилі джерела світла спектрофотометра. Такі ж вимірювання проводилися і для повністю готової структури фотовольтаїчної комірки. Було встановлено, що коефіцієнт пропускання повністю готової структури в області резонансної довжини хвилі в діапазоні спектра від 700 до 800 нм дорівнює нулю, тобто падаюче на структуру світло в цьому діапазоні спектра практично повністю поглинається активним шаром. У той же час, напруга холостого ходу на електродах структури в області резонансної довжини хвилі досягала максимального значення. Зазначені характеристики перевищували аналогічні, виміряні для структури-свідка, що свідчило про наявність ефекту збільшення коефіцієнта поглинання світла в активному шарі завдяки використанню запропонованого високоякісного оптичного резонатора і, таким чином, підтверджувало роботоздатність ідеї. Перевагою пропонованої фотовольтаїчної комірки є її більш висока ефективність у порівнянні з прототипом. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Фотовольтаїчна комірка, яка містить активну область, оптичний резонатор з N пар оптично прозорих переміжних чвертьхвильових діелектричних шарів з низьким і високим показниками заломлення, розміщений на підкладці під активною областю, яка відрізняється тим, що додатково містить другий оптичний резонатор з N пар оптично прозорих переміжних чвертьхвильових діелектричних шарів з високим і низьким показниками заломлення, розміщений над активною областю, причому оптична товщина активної області дорівнює половині довжині хвилі світла, а між активним шаром і оптичними резонаторами розміщені електроди. 2 UA 75595 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3