Багатоперехідний сонячний елемент з вертикальними p-n переходами та графеновими контактами

Реферат: Багатоперехідний сонячний елемент з вертикальними р-n переходами складається з низки + + послідовно з'єднаних за рахунок електричних контактів р -n-n структур. Функцію електричних контактів між елементарними сонячними комірками виконують тонкі шари графену, які + + наносяться на бічні поверхні р -n-n структур. UA 116998 U (54) БАГАТОПЕРЕХІДНИЙ СОНЯЧНИЙ ЕЛЕМЕНТ З ВЕРТИКАЛЬНИМИ P-N ПЕРЕХОДАМИ ТА ГРАФЕНОВИМИ КОНТАКТАМИ UA 116998 U UA 116998 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до напівпровідникових пристроїв, що перетворюють сонячну енергію на енергію електричного струму, зокрема до конструювання багатоперехідних сонячних елементів з вертикальним розташуванням p-n переходів, і може застосовуватись у сонячній енергетиці. Найближчим по технічної суті до корисної моделі, що заявляється (прототипом), є багатоперехідний фотоелектричний перетворювач з вертикальними переходами та елементом, що обмежує зворотній струм [Vertical multi-junction photovoltaic cell with reverse current limiting element, Патент WO2014134159, МПК H01L 31/0725, Опубл. 04.09.2014], який утворений великою кількістю напівпровідникових шарів з вертикально розташованими p-n переходами, щонайменше один з яких ввімкнений у оберненому напрямку відносно інших шарів для обмеження зворотного струму через сонячний елемент. Прототипом є розвинення ідей, що були запропоновані в патентах [Method of manufacture of high voltage solar cell, Патент US 3422526 А, МПК H01L 25/07, H01L 25/04, Опубл. 21.01.1965], [High intensity solar cell, Патент US 4409422 А, МПК H01L 31/0687, H01L 27/142, H01L 31/052, Опубл. 11.10.1983]. В зазначених технічних рішеннях пропонується кілька десятків кремнієвих пластин стандартного розміру 10,16 см в діаметрі та 250 мікрон товщиною з попередньо утвореною дифузією або + + імплантуванням р -n-n структурою і металізованих з обох сторін скласти одна до одної та сплавити під тиском та високою температурою до формування єдиної монолітної багатошарової структури заввишки 1 см. Ця багатошарова структура розрізається поперек напряму p-n переходів формуючи пластини товщиною 0,05 см та розміром 1×1 см, що являють собою набір + + послідовно з'єднаних р -n-n структур, кожна з яких є елементарною сонячною коміркою. Дефекти лицевої та тильної сторін, що з'являються після різки, відшліфовують та покривають пасивуючими шарами, на лицевій стороні крім того формують невідбиваюче покриття. На торцевій поверхні першого та останнього елементарних сонячних елементів утворюють зовнішні електричні контакти. Сонячне випромінювання в такому фотоелектричному перетворювачі спрямоване паралельно p-n переходам або безпосередньо, або підсилене концентруючими системами. До переваг такої конструкції перед звичайним планарним сонячним елементом з горизонтальним розташуванням p-n переходів належить: - можливість створити оптимальні умови для збирання носіїв заряду та поглинання фотонів, оскільки обидва процеси проходять в різних напрямах і регулюються різними конструктивними параметрами; - можливість одержати високі значення напруги при відносно малому струмі за рахунок + + послідовного з'єднання елементарних р -n-n структур; - малий послідовний опір, оскільки внутрішні контакти повністю покривають бічну поверхню + + р -n-n структур; - відсутність втрат за рахунок затінення контактною сіткою притаманних планарному сонячному елементу; - кращі умови для застосування концентруючих систем, тощо. Недоліком конструкції-прототипу є те, що для створення внутрішніх контактів між + + елементарними р -n-n структурами застосовують металізацію бічних поверхонь цих структур алюмінієм. Таким чином утворюється вертикальна решітка з непрозорих для сонячного випромінювання алюмінієвих шарів між якими розташовані фотоактивні шари напівпровідника. Тому ефективність (коефіцієнт корисної дії) фотоелектричного перетворення в значному ступені залежить від кута падіння сонячного випромінювання на лицеву поверхню сонячного елемента. Максимальна ефективність досягається лише при падінні випромінювання під прямим кутом і швидко зменшується при відхиленні кута падіння від прямого за рахунок затінення фотоактивних шарів вертикальною алюмінієвою решіткою. Для усунення цього недоліку необхідно використовувати механічні трекерні або оптичні спрямовуючі системи, які забезпечують відповідний кут падіння випромінювання на сонячний елемент. Але ці додаткові пристрої значно звужують коло застосувань багатоперехідних сонячних елементів з вертикальними p-n переходами. Тому в основу корисної моделі, що заявляється, поставлена задача вдосконалення багатоперехідного сонячного елемента з вертикальними p-n переходами таким чином, щоб зменшити вплив кута падіння сонячного випромінювання на його ефективність у порівнянні з існуючими конструкціями. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в багатоперехідному сонячному елементі з вертикальними p-n переходами, який складається з низки послідовно з'єднаних за + + рахунок електричних контактів р -n-n структур, згідно з корисною моделлю, функцію 1 UA 116998 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 електричних контактів між елементарними сонячними комірками виконують тонкі шари графену, + + які наносяться на бічні поверхні р -n-n структур. + + Розкриємо суть. На відміну від прототипу, де елементарні р -n-n структури з'єднуються послідовно в монолітний багатоперехідний сонячний елемент за допомогою металевих + + (алюмінієвих) контактів, в корисній моделі, що пропонується, для з'єднання р -n-n -подібних структур використовуються графенові контакти. Графен - це новітній матеріал, що являє собою моноатомний шар вуглецю з двовимірною гексагональної структурою розташування атомів. Завдяки своїм унікальним властивостям графен є найкращим кандидатом для застосування як прозорого струмопровідного матеріалу для виготовлення електродів сонячних елементів. Основні властивості графену - електропровідність, оптична прозорість, гнучкість, тощо, переважають властивості всіх існуючих матеріалів, що використовуються для створення електродів сонячних елементів. Так, графен демонструє прозорість до 98 % у широкому діапазоні довжин хвиль від 0,3 до 1,2 мкм, якщо використовується в одношаровому варіанті, 8 його електропровідність досягає 10 См/м, а рухливість електронів незалежно від температури 2 та рівня легування - 50000 см /Вс. Крім цього графен має дуже велику міцність та гнучкість - за міцністю він переважає сталь у 100 разів, а гранично мала товщина контактних поверхонь, яка досягає значень від 1 до 100 нанометрів в залежності від кількості шарів призводить до того, що втратами в разі падіння сонячного випромінювання під прямим кутом на нефотоактивні торцеві поверхні контактів можна знехтувати. Корисна модель складається з кількох десятків послідовно розташованих у горизонтальній + + площині кремнієвих шарів, кожен з яких утворений дифузійною р -p-n структурою з вертикальними p-n переходами. Між сусідніми шарами кремнію розташовані тонкі графенові + + шари, які забезпечують послідовне електричне з'єднання всіх р -p-n структур в єдиний + + сонячний модуль. На зовнішніх бічних поверхнях першої та останньої р -p-n структури формуються прозорі електричні контакти з оксиду індію-олова для зовнішнього з'єднання + + сонячних модулів в більший сонячний елемент. Кількість р -p-n структур в сонячному модулі залежить від значення напруги, яке необхідно одержати користувачу. Ці сонячні модулі далі з'єднуються паралельно звичайними електричними контактами для досягнення необхідного користувачу значення електричного струму. За проведеним розрахунком, оптимальна товщина + + кремнієвого шару окремої р -p-n структури при врахуванні часу життя неосновних носіїв в 1 мс + + дорівнює 200 мкм, а товщини дифузійних високолегованих шарів р та n - 1,5 мкм. Висота такої + + р -p-n структури становить 500 мкм, що забезпечує достатній рівень поглинання фотонів. 20 Концентрація легуючих домішок в високолегованих дифузійних шарах р- та n-типу дорівнює 10 -3 16 -3 см , а в поглинаючому слаболегованому базовому шарі кремнію р-типу - 10 см . Товщина + + графенових контактів становить 10 нм. Сонячний модуль складається з 50-ти однакових р -p-n структур і має розмір 1×1 см. На лицеву та тильну поверхню сонячного модуля нанесене пасивуюче покриття з SiO2 товщиною 100 нм. Знизу на сонячний модуль додатково нанесене відбиваюче покриття з алюмінію, а зверху - невідбиваюче покриття. Конструкція сонячного модуля схематично зображена на фіг. 1. На фіг. 2 показані вольт+ + амперні характеристики сонячного модуля з різною кількістю послідовно-з'єднаних р -p-n структур. На фіг. 3 показана залежність ефективності сонячного модуля від кута падіння сонячного випромінювання на лицеву поверхню. Розшифруємо фіг. 1. На схемі: 1 - базовий слаболегований р-шар кремнію, 2 - дифузійний + + сильнолегований р -шар, 3 - дифузійний сильнолегований n -шар, 4 - графеновий внутрішній контакт, 5 - пасивуючий шар, 6 - невідбиваюче покриття, 7 - відбиваюче покриття, 8 - зовнішній контакт. + + На фіг. 2 лінія 9 відповідає сонячному модулю з однією р -p-n структурою; лінія 10 - модулю + + + + з двома р -p-n структурами; лінія 11 - модулю з трьома р -p-n структурами; лінія 12 - модулю з + + + + чотирма р -p-n структурами; лінія 13- модулю з п'ятьма р -p-n структурами. На фіг. 3 лінія 14 відповідає сонячному модулю з прозорими графеновими контактами товщині 10 нм; лінія 15 - модулю з відбиваючими алюмінієвими контактами товщини 10 нм; лінія 16 - модулю з відбиваючими алюмінієвими контактами товщини 1 мкм. Для перевірки особливостей функціонування запропонованого технічного рішення та одержання його електричних характеристик було проведено моделювання вищевказаного сонячного модуля в програмному пакеті Silvaco TCAD. При комп'ютерному розрахунку використана дифузійно-дрейфова модель переносу, яка передбачає сумісне розв'язання рівняння Пуассона та рівнянь неперервності для електронів та дірок з врахуванням відповідних механізмів рекомбінації, моделей рухливості носіїв заряду, оптичних властивостей матеріалів, + + тощо. При розрахунку сонячного модуля було враховано послідовне з'єднання до п'яти р -p-n структур. Результати розрахунків у вигляді вольт-амперних характеристик сонячного модуля, 2 UA 116998 U 5 10 що відповідають нормально орієнтованому сонячному опроміненню потужністю 1 сонце та + умовам освітлення AMI, 5, показані на фіг. 2. Сонячний модуль з 50-ти послідовно з'єднаних р + p-n структур розміром 1×1 см дає напругу холостого ходу 38 В, та має коефіцієнт корисної дії 19,5 % при нормальному падінні сонячного випромінювання. Для порівняння на фіг. 3 показана + + залежність ефективності сонячного модуля з п'яти послідовно з'єднаних р -p-n структур від кута падіння сонячного випромінювання на лицеву поверхню у випадку прозорих графенових та у випадку відбиваючих алюмінієвих контактів різної товщини. Товщина алюмінієвих контактів 10 нм обрана лише для зручності порівняння з надтонкими графеновими контактами. Реальною товщиною металізації слід вважати якнайменше 1 мкм. Як бачимо, результати моделювання демонструють перевагу запропонованої конструкції сонячного елемента, яка дозволяє збільшити коефіцієнт корисної дії на 1-2 % та додатково зменшити вагу за рахунок відмови від металевих контактів. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Багатоперехідний сонячний елемент з вертикальними р-n переходами, що складається з низки + + послідовно з'єднаних за рахунок електричних контактів р -n-n структур, який відрізняється тим, що функцію електричних контактів між елементарними сонячними комірками виконують + + тонкі шари графену, які наносяться на бічні поверхні р -n-n структур. 3 UA 116998 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4