Спосіб підвищення ккд кремнієвого фотоелектричного перетворювача з вертикальними діодними комірками

Реферат: Спосіб підвищення ККД багатоперехідного кремнієвого фотоелектричного перетворювача з послідовно з'єднаними вертикальними діодними комірками i сонячного модуля з таких приладів включає їх розміщнення у однорідному стаціонарному магнітному полі з вектором магнітної індукції. UA 77670 U (12) UA 77670 U UA 77670 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до напівпровідникових приладів, зокрема до кристалічних багатоперехідних (БП) кремнієвих фотоелектричних перетворювачів (Si-ΦΔΠ) [І] (або ще матричних сонячних елементів [2]) з послідовно з'єднаними вертикальними діодними комірками (ВДК) й сонячних модулів з таких приладів [2-4] та ініційована необхідністю подальшого економічно доцільного підвищення їх ККД. З цією метою в попередніх розробках було запропоновано і реалізовано ряд способів їх удосконалення, спрямованих на зменшення втрат енергії сонячного випромінювання на фотоприймальній поверхні й усередині ВДК завдяки: 1) текстуруванню, пасивації та прояснюванню фотоприймальної поверхні [3-5]; 2) оптимальному насиченню пасивуючого або прояснюючого шарів розрізненими металевими наночастинками [3]; 3) створенню з боку фронтальної фотоприймальної і протилежної тильної поверхонь додаткових горизонтальних анізотипних гомопереходiв [3, 4]; 4) оптимізації концентрації основної легуючої домішки в об'ємі базових кристалів ВДК та концентраційних профілів усередині високолегованих шарів вертикальних анізотипного і ізотипного гомопереходІв [3-5]; 5) створенню вздовж границь базових кристалів ВДК і металевих прошарків, послідовно з'єднуючих сусідні ВДК, вертикальних оптичних рефлекторів з сильнолегованого оловом оксиду індію [6, 7]. За винятком останнього, а також текстурування і прояснювання фотоприймальної поверхні, решта перелічених способів удосконалення спрямовано на зменшення втрат енергії сонячного випромінювання завдяки зниженню кількості поверхневих й об'ємних рекомбінаційних центрів у базових кристалах ВДК поряд з підвищенням внеску не дифузійної складової (у даному випадку дрейфу під дією вбудованого електричного поля) в транспорт фотогенерованих носіїв заряду + при їх прямуванні до сильнолегованих шарів ВДК, а саме, електронів до n -шару (у напрямку + проти фотоструму) і дірок до p -шару (у напрямку фотоструму). Це у свою чергу забезпечує зростання ефективного значення часу життя  фотогенерованих неосновних носіїв заряду (ННЗ) у ВДК, що згідно, наприклад, з [8, 9] є одним з найважливіших чинників для підвищення ККД фотоелектричних перетворювачів. Суттєвою особливістю перелічених способів удосконалення БП Si-ΦΔΠ з ВДК, спрямованих на зменшення втрат енергії сонячного випромінювання, а тим самим - на підвищення ККД, завдяки зниженню кількості поверхневих й об'ємних рекомбінаційних центрів у базових кристалах ВДК та підвищенню внеску недифузійної складової в транспорт фотогенерованих носіїв заряду, є їх реалізація безпосередньо при виготовленні таких приладів. Тому природно, що після виготовлення цих приладів ККД останніх, а також сонячних модулів з ними, має визначатися лише електронними і структурними процесами усередині ВДК, ініційованими зовнішніми факторами. У зв'язку з цим раніше з'явився безконтактний непошкоджуючий спосіб підвищення ККД вже виготовлених монокристалічних Si-ΦΔΠ у 1,2-1,4 рази за рахунок зростання часу життя ННЗ у їх базових кристалах у 1,2-1,7 разу, заснований на перебудові структури комплексів точкових дефектів при обробці таких Si-ΦΔΠ протягом 7 діб у однорідному стаціонарному магнітному полі (СМП) з індукцією B0,2 Тл [10]. Між тим, недоліком цього способу є релаксація зазначеного підвищення ККД протягом обмеженого часу після обробки монокристалічних Si-ΦΔΠ у СМП, що не дає змоги його широкому практичному використанню. Найбільш близьким до способу, що заявляється, є спосіб, який включає обробку монокристалічних Si-ΦΔΠ у однорідному СМП з В>0,1 Тл, після чого на тильну поверхню монокристалічного Si-ΦΔΠ наноситься магнітний вініл [11]. Згідно з [11] після витримки таких SiΦΔΠ у однорідному СМП з В до 0,2 Тл протягом 7-14 діб було зафіксовано зростання часу життя ННЗ з 36-40 мкс до 51-56 мкс і зростання ККД на 1-2 %, а після наклеювання на тильну поверхню Si-ΦΔΠ завтовшки не більше 500 мкм магнітного вінілу завтовшки 1,5 мм з 0,05В0,1 Тл у зовнішньому просторі завтовшки 3-4 мм було зафіксоване довготривале утримання часу життя ННЗ у межах 49-52 мкс i доданку до ККД у межах 0,7-1,7 %. Однак, поряд з перевагами цей спосіб має суттєвий недолік, котрий полягає у нездатності забезпечення за рахунок СМП додаткового підвищення внеску недифузійної складової в транспорт фотогенерованих носіїв заряду при їх прямуванні до сильнолегованих шарів, а саме, + + електронів до n -шару і дірок до р -шару - тобто в напрямку фотоструму як усередині монокристалічних одноперехідних Si-ΦΔΠ з горизонтальною діодною структурою, так і усередині БП Si-ΦΔΠ з ВДК при їх опромінюванні, що зумовлено суттєвою неоднорідністю СМП в базових кристалах фотоелектричних перетворювачів внаслідок специфічної доменної структури власне магнітного шару вінілу [12]. Природно, що вказаний недолік має автоматично 1 UA 77670 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 поширюватись і на сонячні модулі з монокристалічних Si-ΦΔΠ зазначених вище типів при наявності такого магнітного вінілу з боку їх тильних поверхонь. В основу корисної моделі поставлена задача створення способу підвищення ККД багатоперехідного кремнієвого фотоелектричного перетворювача з послідовно з'єднаними вертикальними діодними комірками і сонячного модуля з таких приладів за рахунок використання однорідного стаціонарного магнітного поля для обробки у ньому вже готового працюючого приладу і сонячного модуля з таких приладів. Поставлена задача вирішується тим, що у способі підвищення ККД багатоперехідного кремнієвого фотоелектричного перетворювача з послідовно з'єднаними вертикальними дiодними комірками і сонячного модуля з таких приладів, котрий включає їх обробку у стаціонарному магнітному полі з індукцією більше 0,1 Тл, працюючий багатоперехідний кремнієвий фотоелектричний перетворювач з послідовно з'єднаними вертикальними діодними комірками і сонячний модуль з таких приладів розміщують у однорідному стаціонарному магнітному полі з вектором магнітної індукції В, спрямованим паралельно до їх фронтальних фотоприймальних поверхонь та під кутом 90° до вектора густини фотоструму фотоелектричного перетворювача і сонячного модуля з таких приладів при погляді з боку їх фронтальних фотоприймальних поверхонь. Суть корисної моделі полягає у підвищенні ККД приладу і сонячного модуля з таких приладів завдяки збільшенню їх фотоструму, а отже і струму короткого замикання ІКЗ [8, 9], із-за того, що при вказаній вище орієнтації вектора В однорідне СМП поряд з підвищенням ефективного часу  життя ННЗ у ВДК забезпечує підвищення внеску не дифузійної складової в транспорт фотогенерованих носіїв заряду при їх прямуванні до сильнолегованих шарів ВДК, а саме + + електронів до n -шару (у напрямку проти фотоструму) і дірок до p -шару (у напрямку фотоструму) внаслідок дії на них сили Лоренца у відповідних напрямках. Останнє пов'язане з реалізацією в освітлюваних ВДК непарного фотоелектромагнітного (ФЕМ) ефекту КікоінаНоскова, який стосовно напівпровідникових структур ґрунтовно описано у [13]. Суть запропонованої корисної моделі пояснюється кресленнями: на Фіг. 1 наведено ілюстрації до методики експерименту; на Фіг. 2 зображено навантажувальні світлові вольт-амперні характеристики BnSi-ΦΔΠ з ВДК, виміряні при 24±1 °C і КВ=1 зі спектральним складом випромінювання, що відповідає режиму АМ0: 1 - у відсутності СМП (В=0); 2 - за наявністю однорідного СМП з В=0,2 Тл; на Фіг. 3 наведено навантажувальні світлові вольт-амперні характеристики БП Si-ΦΔΠ з ВДК, виміряні при 241 °C і КВ=56 зі спектральним складом випромінювання, що відповідає режиму АМО: 1 - у відсутності СМП (В=0); 2 - за наявністю однорідного СМП з В=0,2 Тл; на Фіг. 4 зображено навантажувальні світлові вольт-амперні характеристики БП Si-ΦΔΠ з ВДК, виміряні при 241 °C і КВ=100 зі спектральним складом випромінювання, що відповідає режиму АМ0: 1 - у відсутності СМП (В=0); 2 - за наявністю однорідного СМП з В=0,2 Тл; на Фіг. 5 наведено якісно типові у випадках двох різних значень  експериментальні залежності UXX від t для дослідженого БП Si-ΦΔΠ з ВДК при: 1-B=0; 2-5=0,2 Тл. Приклад способу, запропонованого у корисній моделі. Для виготовленого раніше (у Державній науковій установі "Всеросійський інститут електрифікації сільського господарства", м. Москва) приладу - БП Si-ΦΔΠ з ВДК - при 24±1 °C, опромінюванні з боку тільки однієї фронтальної фотоприймальної поверхні i ступенях концентрації 1КВ100 імітованого сонячного випромінювання, за спектральним складом наближеного до режиму АМО, в умовах В=0 та однорідного СМП з В=0,2 Тл при оптимальній орієнтації вектора В відносно приладу і напрямку фотоструму (вектор В спрямовано паралельно до фронтальної фотоприймальної поверхні та під кутом 90° до вектора густини фотоструму фотоелектричного перетворювача при погляді з боку його фронтальної фотоприймальної поверхні) методом, подібним до описаного у [14], були виміряні навантажувальні світлові вольт-амперні характеристики (НС ΒΑΧ). На Фіг. 1 (а-д) наведено: а - загальний вигляд вимірювального апаратурного комплексу з імпульсним імітатором концентрованого сонячного випромінювання (у правому верхньому куті); б – досліджуваний прямокутний БП Si-ΦΔΠ з ВДК (вигляд з боку фронтальної фотоприймальної поверхні) в захисній скляній касеті з кремнієвим гелем у контактному пристрої (з боку тилової поверхні приладу розташовано поглинаючий світло чорний екран); в - досліджуваний зразок під апертурним отвором імітатора у відсутності стаціонарного магнітного поля (В=0); г досліджуваний зразок під апертурним отвором імітатора в однорідному стаціонарному магнітному полі (В=0,2 Тл), створеному системою постійних магнітів, котрі розташовано з протилежних торцевих боків зразка у двох чорних пластмасових контейнерах; д - вигляд системи постійних магнітів при розчинених контейнерах. 2 UA 77670 U 5 10 15 Значення струму короткого замикання і ККД, отриманні при аналітичному опрацюванні НС ΒΑΧ (показаних на Фiг. 2-4) за методом, подібним до описаного у [15], наведено у Таблиці 1. У Таблиці 2 наведено величини ефективного часу життя τ фотогенерованих ННЗ, визначенні відповідно до [16] при B=0 і B=0,2 Тл методом загасання напруги холостого ходу UXX приладу з часом t після раптового припинення його опромінювання монохроматичним світлом з різною довжиною хвилі . Експериментальні залежності UXX від t при В=0 i В=0,2 Тл для цього приладу, за якими визначались вказані у Таблиці 2 величини , наведено на Фіг. 5. Як випливає з наведених у Таблиці 1 результатів, обробка однорідним СМП з В>0,1 Тл i оптимальним напрямком вектора В відносно працюючого БП Si-ΦΔΠ з ВДК забезпечує збільшення ККД дослідженого приладу на 0,6-1,4 % в залежності від ступеня концентрації сонячного випромінювання на його фронтальній фотоприймальній поверхні. Згідно з результатами, наведеними у Таблиці 2, цьому сприяє підвищення не менш ніж на 5 %, ефективного часу життя фотогенерованих ННЗ в базових кремнієвих кристалах цих приладів при їх експлуатації у вказаному магнітному полі. Таким чином, позитивний ефект полягає у збільшенні ККД БП Si-ΦΔΠ з ВДК на 0,6-1,4 % в залежності від ступеня концентрації сонячного випромінювання на його фронтальній фотоприймальній поверхні за рахунок обробки та безпосередньої роботи БП Si-ΦΔΠ з ВДК у однорідному стаціонарному магнітному полі. 20 Таблиця 1 Значення струму короткого замикання ІКЗ і ККД, отримані при аналітичному опрацюванні НС ВАХ Кв, відн. од. В, Тл ІКЗ, мА ККД, % 1 0,0 1,3 15,4 56 0,2 1,4 16,1 0,0 75 18,6 100 0,2 81 20,0 0,0 132 19,1 0,2 143 19,7 Таблиця 2 Величини  фотогенерованих ННЗ, визначенні при В=0 і В=0,2 Тл методом загасання напруги холостого ходу UXX приладу з часом t після раптового припинення його опромінювання монохроматичним світлом з різною довжиною хвилі  , нм 5, Тл , МКС Γ/, % 25 30 35 40 525 0,0 251 630 0,2 264 0,0 258 5,2 0,2 272 5,4 Джерела інформації: 1. Удосконалення та застосування багатоперехідних кремнієвих фотоелектричних перетворювачів з вертикальними діодними комірками/ Копач В.Р, Зайцев Р.В., Кіріченко М.В., Куца Н.В., Лук'янова Г.О., Хрипунов Г.С.// Технічна електродинаміка: Тематичний випуск "Силова електроніка та енергоефективність" - 2010. - 4.2. - С. 289-292. 2. Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы. В 3-х томах. Том 1. - М: ГНУ ВИЭСХ, 2009. - 120 с. 3. Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы. В 3-х томах. Том 2. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2009. - 228 с. 4. Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы. В 3-х томах. Том 3. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. - 312 с. 5. Sater B.L. Photovoltaic cells with processed surfaces and related applications. International Patent, 18.02.2010, No WO 2010/019685 Al. 6. New approach to the efficiency increase problem for multi-junction silicon photo-voltaic converters with vertical diode cells/ Kopach V.R., Kirichenko M.V., Shramko S.V., Zaitsev R.V., Bondarenko S.A.// Functional Materials. - 2008. - Vol. 15. - No. 2. - P. 253-258. 7. Применение рефлекторов из ITO/Al для повышения эффективности монокристаллических кремниевых фотопреобразователей/ Копач В.Р., Кириченко М.В., Хрипунов Г.С., Зайцев Р.В.// ФТП. - 2010. - Т. 44. - Вып. 6. - С. 801-806. 3 UA 77670 U 5 10 15 20 25 30 35 40 8. Фаренбрух Α., Бьюб Р. Солнечные элементы: Теория и эксперимент. - М.: Энергоатомиздат, 1987. 9. Графф К., Фишер Г. Время жизни носителей в кремнии и его влияние на характеристики солнечных элементов// В кн. Преобразование солнечной энергии. Вопросы физики твердого тела/ Под ред. Б. Серафина. -М: Энергоиздат, 1982. - С. 151-189. 10. Зайцев Р.В., Копач В.Р., Кіріченко М.В. Влияние обработки стационарным магнитным полем на КПД кремниевых фотоэлектрических преобразователей// IX Харківська конференція молодих науковців "Радіофізика, Електроніка, Фотоніка та Біофізика" 1-3 грудня 2009 p., Збірник анотацій. - ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України: Харків, 2009 р. - С. 48. 11. Зайцев Р.В., Копач В.Р., Кiріченко М.В., Хрипунов Г.С., Лісачук Г.В. Спосіб підвищення ККД монокристалічного кремнієвого фотоелектричного перетворювача// Патент на корисну модель № 60406. Зареєстровано в Державному реєстрі патентів України на корисні моделі 25.06.2011. Дата публікації відомостей про видачу патенту та номер бюлетеня 25.06.2011, Бюл. № 12. 12. Zaitsev R.V., Kopach V.R., Kirichenko M.V., Lukyanov E.O., Khrypunov G.S., Samofalov V.N. Single-crystal silicon solar cells efficiency increase under the influence of magnetic field// Functional Materials. - 2010. - Vol. 17. - No. 4. - P. 554-557. 13. Кикоин И.К., Лазарев С.Д. Фотоэлектромагнитный эффект// Успехи физических наук. 1978. - Т. 124. - Вып. 4. - С. 597-617. 14. Кiріченко М.В. Удосконалення кремнієвих фотоелектричних перетворювачів широкомасштабного застосування та методів їх атестації// Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України, Харків, 2011. 15. Khrypunov G.S., Meriuts A.V. Analysis of the Diode Characteristics of Thin Film Solar Cells Based on CdTe// Ukrainian Journal of Physics. - 2004. - Vol. 49. - No. 12. - P. 1188-1191. 16. Mahan J. Measurement of minority carrier lifetime in solar cells from photo-induced opencircuit voltage decay/ J. Mahan, T. Ekstedt, R. Frank, R. Kaplow// IEEE Trans. Electron Dev. - 1979. Vol. ED-26. - No. 5. - P. 1357-1364. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб підвищення ККД багатоперехідного кремнієвого фотоелектричного перетворювача з послідовно з'єднаними вертикальними діодними комірками i сонячного модуля з таких приладів, котрий включає їх обробку у стаціонарному магнітному полі з індукцією більше 0,1 Тл, який відрізняється тим, що працюючий багатоперехідний кремнієвий фотоелектричний перетворювач з послідовно з'єднаними вертикальними діодними комірками і сонячний модуль з таких приладів розміщують у однорідному стаціонарному магнітному полі з вектором магнітної індукції, спрямованим паралельно до їх фронтальних фотоприймальних поверхонь та під кутом 90° до вектора густини фотоструму фотоелектричного перетворювача і сонячного модуля з таких приладів при погляді з боку їх фронтальних фотоприймальних поверхонь. 4 UA 77670 U 5 UA 77670 U 6 UA 77670 U Комп’ютерна верстка М. Мацело 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 7