Спосіб підвищення ккд напівпровідникового перетворювача сонячної енергії в електричну та напівпровідниковий перетворювач сонячної енергії в електричну

Реферат: Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для перетворення сонячної енергії в електричну на основі фотоефекту. У способі підвищення ККД напівпровідникового перетворювача сонячної енергії в електричну, що складається з трьох елементів у вигляді плоских напівпровідникових пластин Р-, І- і N-типу провідності (або відповідно шар Р, І, N), як робочий елемент, здатний до фотоефекту, використовують пластину І-типу провідності (або шар І), який інвертують в лицьову сторону перетворювача, а пластини Р- і N-типу провідності встановлюють на тильній стороні пластини Ітипу провідності з зазором відносно одна одної. При цьому пластину І-типу провідності використовують як лицьову поверхню перетворювача, а пластини Р- і N-типу провідності з'єднують з тильною стороною пластини І-типу провідності, встановлюючи струмознімачі на їх тильні сторони. Таке конструктивне рішення забезпечує пряме потрапляння сонячної енергії в робочий шар перетворювача, підвищуючи тим самим ефективність фотоелектричного перетворення сонячної енергії в електричну. UA 104957 C2 (12) UA 104957 C2 UA 104957 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі електротехніки, зокрема, безмембранних паливних комірок, що використовуються в енергоустановках різного призначення для прямого перетворення світлової енергії в електричну - в народному господарстві, авіації, морському флоті, сільському господарстві, промисловості, армії і космонавтиці. Винахід належить також до галузі фізики процесів перетворення енергії, а саме до пристроїв перетворення сонячної енергії в електричну на основі фотоефекту. Відомий спосіб RU 2024112 (Прототип [1]) прямого отримання електричної енергії з енергії сонця за допомогою розповсюджених кремнієвих сонячних елементів (сонячних батарей планарної конструкції). Кожен елемент такої батареї є площинним напівпровідниковим діодом (тобто має послідовно складені три пластини з напівпровідників типу Р- І- N. При цьому Р і N елементи (наприклад, виконані з кремнію з Р і N провідністю) забезпечені струмовідводами, а елемент І має здатність до фотоефекту. Прототип працює за звичайним принципом, що полягає в наступному. Світловий потік падає на напівпровідникову пластину провідності N, проходить через неї і досягає робочої області (шару І). Потрапляючи в цей шар, кванти світла вибивають з нього вільні заряди, які розходяться і проходять через N і Р області, створюючи в зовнішньому ланцюзі електричний струм. Підвищення ефективності цього перетворювача відбувається за рахунок удосконалення сполук пластин, що його складають. Точно кажучи, усі додаткові елементи, що пропонують різні автори, такі як прозорі підкладки, різної форми металеві покриття і т.п., не додають суттєвого підвищення ефективності перетворювачів енергії сонця в електричну. Якщо розглядати фотоперетворювач з позицій конструкції сучасних безмембранних паливних комірок, то, як було показано у [2] (Патенті України 98283 "Спосіб прямого отримання електричної енергії з будь-якого електроліту і пристрій для його реалізації" UA. (51) МПК (2012) Н01М 8/00, Н01М 8/06, Н01М 8/08), перетворювач нескладно представити безмембранною паливною коміркою напівпровідникового типу. У ній пластини N і Р є електродами комірки, а простір між ними - об'єм І, який можна заповнити електролітом, що містить вільні заряди, що і відбувається, коли ми впускаємо в цей простір світловий потік. Як відомо, ККД паливних комірок теоретично може досягати 99,7 %. отже і ККД фотоперетворювача так само можливо підвищити до такого ж рівня. Стає ясним, що ефективність такого перетворювача залежить в першу чергу від прозорості, тобто того, яка частка сонячного випромінювання пройде крізь шар N та потрапить в робочий шар І. Задля зменшення втрат сонячної енергії шар N роблять якнайтоншим. Нажаль, ефективність використання сонячної енергії фото - перетворювачів, що існують, і досі не перевищує 10-20 %. Недоліком способу і пристрою отримання електричної енергії за допомогою фотоперетворення сонячної енергії в електричну, вибраного за прототип, є низька ефективність використання сонячної енергії, Тобто, використовують малу частину сонячної енергії, втрачаючи основну її частину на шляху до власне перетворювача - шару І, що розташований між двома N і Р напівпровідниковими пластинами. Іншим недоліком способу і пристрою є невдала конфігурація сучасних сонячних перетворювачів, що спричиняє складність знімання електричної енергії з поверхні зовнішнього шару N за допомогою металевого електрода, який зазвичай виконують у вигляді тонкої металевої сітки. Ця сітка не тільки відбиває частину сонячної енергії, а й затінює частину робочого шару, погіршуючи, тим самим, ефективність перетворювача. Задачею винаходу є підвищення ефективності фотоелектричного перетворення сонячної енергії в електричну. Прийнята у всьому світі плоска тришарова Р І N конструкція принципово не може ефективно використовувати світловий потік, поки світло не буде мати прямого доступу до робочої області І. А це можливо тільки шляхом зміни конфігурації розташування елементів перетворювача відносно напрямку сонячного випромінювання. Поставлена задача удосконалення способу і пристрою розв'язується шляхом інверсії розташування елементів, що складають перетворювач (Фіг. 1): пластина напівпровідника з власною провідністю І встановлюється як лицьова пластина перетворювача; а пластини N і Р розташовуються з зазором відносно одна одної на тильний бік пластини І. Таке розташування елементів забезпечує пряме (без втрат) попадання сонячної енергії в робочу область перетворювача. При такому розташуванні елементів відпадає необхідність у струмознімачі на лицьовій панелі перетворювача. 1 UA 104957 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Конструктивно перетворювач з Р І N структурою з тришарової перетворюється на двошарову, що робить його більш технологічним. Лицьова сторона перетворювача дає можливість обробки для зменшення світловідбивних властивостей. Таким чином виконується задача винаходу - підвищується ефективність перетворювача світлової енергії в електричну. Запропонований спосіб і пристрій можуть бути реалізовані в будь-якій з сучасних технологій виготовлення перетворювачів сонячної енергії в електричну. Винахід ілюструється трьома кресленнями На Фіг. 1 представлений елемент перетворювача що пропонується. Він складається з пластини напівпровідника типу І (2) та пластин напівпровідників типу Р (3) і N (4), розташованих на тильній поверхні пластини І, які мають металеві струмознімачі (5). Відмінність пропонованого способу і пристрою полягає в повному розкритті області І задля потрапляння в її нутро сонячної енергії (1). На Фіг. 2 і 3 представлений варіант виконання конструкції перетворювача, реалізованого методом напилення елементів на діелектричну підкладку (6). На усіх фігурах цифрами позначені: 1 - Світловий потік сонячного випромінювання; 2 - Пластина напівпровідника типу І - (робоча поверхня зверху); 3 - Пластина напівпровідника типу N; 4 - Пластина напівпровідника типу Р; 5 - Струмознімачі; 6 - Діелектрична підкладка. На фіг. 1. зображений варіант збірки перетворювача з конструктивних пластин, зібраних одним з відомих способів. Складання здійснюється на пластині І. Лицьовий бік пластини (той, що буде звернений до світла), піддається світловідбивному карбуванню. Тильний бік готують до з'єднання з пластинами N і Р, на які заздалегідь нанесені металеві струмознімачі. Потім всі три елементи з'єднують, витримуючи відповідні зазори. Головне, чого треба досягнути, - це щоб промені світла безпосередньо потрапляли на поверхню робочого шару І перетворювача. Інший варіант створення перетворювача, що пропонується, може бути виконаний широко використовуваним в даний час методом напилення металевих і напівпровідникових матеріалів на діелектричну підкладку (Фіг. 2). В цьому варіанті технологічно легко створювати панелі фотоелементів, оскільки вся комутація може бути виконана також методом напилення з'єднувальних елементів на загальній діелектричній підкладці. Експериментальне підтвердження суті винаходу. Підтвердити реальність запропонованого способу збільшення ефективності пропонованого перетворювача можна, скориставшись сучасними яскравими світлодіодами. Справа в тому, що отримати яскраве світло можна, тільки прибравши всі перешкоди на шляху джерела світла, що й реалізовано на сучасних світлодіодах. Вищевикладене також проілюстроване на фотографіях, що додаються. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 60 1. Спосіб підвищення ККД напівпровідникового перетворювача сонячної енергії в електричну, що складається з трьох елементів у вигляді плоских напівпровідникових пластин Р-, І- і N-типу провідності (або відповідно шарів Р, І, N), який відрізняється тим, що як робочий елемент, здатний до фотоефекту, використовують пластину І-типу провідності (або шар І), який інвертують в лицьову сторону перетворювача, а пластини Р- і N-типу провідності встановлюють на тильній стороні пластини І-типу провідності з зазором відносно одна одної для забезпечення прямого потрапляння сонячної енергії в робочий шар перетворювача. 2. Спосіб підвищення ККД за п. 1, який відрізняється тим, що пластину І-типу провідності використовують як лицьову поверхню перетворювача, а пластини Р- і N-типу провідності з'єднують з тильною стороною пластини І-типу провідності, встановлюючи струмознімачі на їх тильні сторони. 3. Напівпровідниковий перетворювач сонячної енергії в електричну, що складається з трьох елементів у вигляді плоских напівпровідникових пластин Р-, І- і N-типу провідності (або відповідно шарів Р, І, N), який відрізняється тим, що як робочий елемент, здатний до фотоефекту, використано пластину І-типу провідності (або шар І), яка незатемненою стороною встановлена перпендикулярно світловому потоку і утворює лицьову поверхню перетворювача, 2 UA 104957 C2 а пластини Р- і N-типу провідності з'єднані з тильною стороною пластини І-типу провідності і мають при цьому відповідні струмознімачі на тильній стороні. 3 UA 104957 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій 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 4