Спосіб підвищення коефіцієнта корисної дії (ккд) напівпровідникових перетворювачів сонячної енергії в електричну

Реферат: Спосіб підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) напівпровідникового перетворювача сонячної енергії в електричну, що складається із двох плоских напівпровідників Ρ і N типу, полягає у тому, що між плоскими напівпровідниками Ρ і N типу при їх з'єднанні утворюється тонкий прошарок напівпровідника, здатний до фотоефекту. Збільшення об'єму простору між Ρ і N напівпровідниками здійснюють шляхом введення додатково пластини напівпровідника, здатної до фотоефекту, з власною провідністю І, чим забезпечують збільшення вмісту потрапляння сонячної енергії в робочий шар (область І) перетворювача. UA 83599 U (12) UA 83599 U UA 83599 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки, зокрема до безмембранних паливних елементів, що використовуються в енергоустановках різного призначення для прямого перетворення світлової енергії в електричну для народного господарства, авіації, морського флоту, сільського господарства, промисловості, армії і космонавтики. Корисна модель належить також до області фізики процесів перетворення енергії, а саме, до пристроїв перетворення сонячної енергії в електричну на основі фотоефекту. Відомий спосіб (найближчий аналог) прямого отримання електричної енергії з енергії сонця за допомогою широко поширених кремнієвих сонячних елементів (сонячних батарей плоскої конструкції). Кожний елемент такої батареї є площинним напівпровідниковим діодом (тобто має Ρ-N структуру). При цьому Ρ і N елементи забезпечені струмознімачами, а між напівпровідниковими пластинами при їх з'єднанні утворюється тонкий прошарок напівпровідника провідністю І, здатний до фотоефекту, через взаємне проникнення зарядів і їх взаємодією (рекомбінацію). Коротко, принцип роботи способу полягає в наступному. Світловий потік падає на напівпровідникову пластину провідності Ν, проходить через неї і досягає області з'єднання двох напівпровідників, яка є тонким прошарком товщиною з власною провідністю, наприклад, кремнію (І). Потрапляючи в цей тонкий шар, кванти світла вибивають з нього вільні заряди, які проходять через N і Ρ області, створюючи в зовнішньому ланцюзі електричний струм. Якщо розглядати фотоперетворювач з позицій конструкції сучасних безмембранних паливних комірок, то, як було показано у Патенті України 98283 "Спосіб прямого отримання електричної енергії з будь-якого електроліту і пристрій для його реалізації" UA. (51) МРК (2012) Н01М 8/00, Н01М 8/06, Н01М 8/08, перетворювач нескладно представити паливною коміркою напівпровідникового типу. В ній, пластини N і Ρ є електродами комірки, а простір між ними - об'ємом, який можна заповнити електролітом, що містить вільні заряди. Це і відбувається, коли ми впускаємо в цей простір світловий потік. При цьому розуміємо, що простір вузький і потік доводиться пропускати з великими втратами і високий коефіцієнт корисної дії (ККД) отримати складно. Через те ефективність використання сонячної енергії фотоперетворювачів, що досі існують, не перевищує 10-20 %. Недоліком способу отримання електричної енергії за допомогою фотоперетворення сонячної енергії в електричну, вибраного за найближчий аналог, є низька ефективність використання сонячної енергії, тобто ми використовуємо малу частину сонячної енергії, втрачаючи основну її частину на шляху до власне перетворювача - тонкого простору між двома N і Ρ напівпровідниками. Іншими словами, робочий елемент, область І, дуже тонка і екранована з двох боків пластинами N і Ρ провідності. Другим недоліком способу є невдала конфігурація сучасних сонячних перетворювачів. Прийнята у всьому світі плоска конструкція принципово не може ефективно використовувати світловий потік, поки 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 розв'язується шляхом збільшення області з провідністю І між напівпровідниками N і Р, куди, власне, повинен потрапляти світловий потік, де він проводитиме роботу - вибиваючи вільні заряди та зміною конфігурації елементів Ν, І і Ρ відносно щодо один одного та сонячного проміння (фіг. 1). Цьому ніщо не заважає, оскільки область І може додаватися окремою пластиною між пластинами N і Ρ як, наприклад, зроблено у світло- та параметричних діодах і мати різні форми. Властивості NIP структур добре відомі в теорії напівпровідникових діодів. Зокрема, товщина пластини І може бути значно більше ніж товщина пластин N і Р. Це дозволяє більш раціонально скласти три пластини разом, а світловий потік спрямувати всередину між ними (в торець пластини І). Торець пластини І може виступати за межі пластин N і Р, а також виконуватися будь-якої форми задля формування діаграмами направленості перетворювача. Головне, щоб проміння світла безпосередньо потрапляло на поверхню чи в торець робочого шару І перетворювача (фіг. 2а). Послідовне з'єднання таких елементів наведено на фіг. 2б. Таке конструктивне виконання дозволить так повернути робочу поверхню торцем по відношенню до джерела світла, що проміння виявиться під кутом Брюстера до поверхні напівпровідника з провідністю І, а отже зможе увійти до нього без втрат. При цьому світловий потік, що увійшов вільно до шару І, може рухатися по ньому як по хвилеводу, віддаючи при цьому всю свою енергію, а енергію, що залишилася, - випустити з протилежного кінця пластини, з'єднавши відповідним чином декілька ідентичних конструкцій, можна отримати батарею 1 UA 83599 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 комірок. Таку батарею можна робити на основі пластини напівпровідника типу І, іммобілізованого з двох сторін акцепторною і донорною домішками відповідно. Інший варіант безпосередньої подачі світлового потоку в шар І PIN структури приведений на фіг. 3. В цьому варіанті передбачається можливість максимально використовувати всю робочу поверхню пластини І. При цьому поверхня пластини І відкрита для світлового потоку з зовнішньої сторони, а знімання електроенергії здійснюється з другої (тіньової) сторони розташованими попарно ламелями напівпровідників N і Ρ типів. Перший варіант доцільно використовувати там, де інтенсивність сонячного випромінювання максимальна (космос, екватор), другий - в північних районах. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення способу перетворювача. При цьому сенс значення удосконалення зводиться до того, щоб робоча область (шар напівпровідника з власною провідністю І) стала максимально доступною для сонячного проміння. Це можливо шляхом просторової інверсії елементів Р, І і N. Іншими словами, шар І повинен розташовуватися на поверхні елемента, а шари Ρ і N можна розташовувати по краях шару І або з тильної сторони напівпровідника з провідністю І. Безперечною перевагою пропозиції, що заявляється, є той факт, що для упровадження запропонованих рішень може використовуватися вся технологічна база і технологічні прийоми, які використовуються при виготовленні напівпровідникових перетворювачів, включаючи іммобілізацію домішок і напилення елементів на одну сторону пластини з І провідністю. Корисна модель проілюстровано трьома фігурами: На фіг. 1 представлений елемент запропонованого перетворювача в ізометрії і планіметрії, що показує основну відмінність запропонованого способу, що полягає в розширенні області, в якій відбувається перетворення сонячної енергії в електричну. На фіг. 2 представлено послідовне з'єднання запропонованих елементів. При цьому, якщо ширина шару І буде на порядок більше, ніж шарів Ρ і Ν, загальна площа поверхні практично не зросте, а ефективність істотно збільшиться. На фіг. 3 представлена конфігурація розміщення елементів Р, І і N структури. Така конфігурація дозволяє найбільш ефективно використовувати весь потік сонячного випромінювання, що падає на перетворювач. На фіг. 1-3 цифрами позначені: 1 - світловий потік сонячного випромінювання; 2 - робоча поверхня перетворювача сонячної енергії в електричну; 3 - пластина напівпровідника типу N; 4 - пластина напівпровідника типу І; 5 - пластина напівпровідника типу Р; 6 - струмознімач. Спосіб роботи пристрою полягає в наступному. Світловий потік 1 падає на робочу поверхню 2 і проникає в шар І перетворювача. Тут кванти світла вибивають вільні заряди, які проходять через N і Ρ пластини, створюючи в зовнішньому ланцюзі електричний струм, що фіксується вольтметром. На фіг. 4 (фото) приведено приклад перетворення світлової енергії в електричну за допомогою світлодіода. Для експерименту використано: 7 - батарея живлення U = 3ν; 8 - джерело світла - світлодіод червоного кольору відкритого типу; 9 - перетворювач світлової енергії - світлодіод червоного кольору відкритого типу; 10 - вольтметр (0 - 3 ν). ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 60 1. Спосіб підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) напівпровідникового перетворювача сонячної енергії в електричну, що складається із двох плоских напівпровідників Ρ і N типу, який полягає у тому, що між плоскими напівпровідниками Ρ і N типу, при їх з'єднанні, утворюється тонкий прошарок напівпровідника, здатний до фотоефекту, який відрізняється тим, що здійснюють збільшення об'єму простору між Ρ і N напівпровідниками шляхом введення додатково пластини напівпровідника, здатної до фотоефекту, з власною провідністю І, чим і забезпечують збільшення вмісту потрапляння сонячної енергії в робочий шар (область І) перетворювача. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що для збільшення робочої поверхні перетворювача додаткову пластину з власною провідністю І розміщують зверху як робочу поверхню 2 UA 83599 U перетворювача, а напівпровідники Ρ і N провідності розміщують з тильної (зовнішньої) сторони пластини І на відстані один від одного, чим і забезпечують максимальне безперешкодне потрапляння сонячної енергії в робочий шар перетворювача і з'єднання напівпровідників Ρ і N через пластину І. 3 UA 83599 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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