RU2399118C1 - Фотоэлектрический преобразователь на основе непланарной полупроводниковой структуры - Google Patents
Фотоэлектрический преобразователь на основе непланарной полупроводниковой структуры Download PDFInfo
- Publication number
- RU2399118C1 RU2399118C1 RU2009136656/28A RU2009136656A RU2399118C1 RU 2399118 C1 RU2399118 C1 RU 2399118C1 RU 2009136656/28 A RU2009136656/28 A RU 2009136656/28A RU 2009136656 A RU2009136656 A RU 2009136656A RU 2399118 C1 RU2399118 C1 RU 2399118C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cylindrical
- epitaxial
- epitaxial structure
- substrate
- layer
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую энергию с помощью охлаждаемых фотоэлектрических преобразователей. Изобретение может быть использовано для обеспечения электрической и тепловой энергией отдельных автономных объектов, например систем связи, наблюдения и т.д., потребляющих мощность 1-50, а также для нагрева хладагента, используемого в системе охлаждения фотоэлектрического преобразователя на основе непланарной структуры. Нагретый хладагент может использоваться для обогрева помещений. Указанный технический результат в изобретении достигается следующим образом. Фотоэлектрический преобразователь на основе непланарной эпитаксиальной структуры содержит корпус, в котором расположена цилиндрическая эпитаксиальная структура, выполненная из цилиндрической полой подложки из полупроводникового материала, на внешней поверхности которой расположен, по крайней мере, один эпитаксиальный слой из полупроводникового материала. На поверхности этого слоя расположен внешний цилиндрический металлический контакт. На внутренней стороне подложки расположен внутренний цилиндрический металлический контакт. К цилиндрическим металлическим контактам подсоединены токосъемные элементы. Под цилиндрической эпитаксиальной структурой расположен фокусирующий отражатель, выполненный в виде выгнутой пластины параболоцилиндрической формы. На внутренней поверхности пластины нанесен отражающий слой. Над цилиндрической эпитаксиальной структурой расположена прозрачная фокусирующая линза выгнутой параболоцилиндрической формы, закрепленная на фокусирующем отраж�
Description
Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую с помощью охлаждаемых фотоэлектрических преобразователей. Изобретение может быть использовано для обеспечения электрической и тепловой энергией отдельных автономных объектов, например систем связи, наблюдения и т.д., потребляющих мощность 1-50, а также для нагрева хладагента, используемого в системе охлаждения фотоэлектрического преобразователя на основе непланарной структуры. Нагретый хладагент может использоваться для обогрева помещений.
Известен фотоэлектрический преобразователь солнечной энергии в электрическую, содержащий полупроводниковую пластину из кремния с контактной сеткой на лицевой стороне, состоящей из проходящих без разрыва параллельно поперечной оси с определенным шагом друг от друга узких токосъемных полос, пересекаемых под углом 90° двумя более широкими токосборными полосами, расположенными симметрично по обе стороны пластины (RU 2179352 С1, опублик. 10.02.2002).
Недостатком данного преобразователя является большая величина занимаемой полезной площади при относительно небольшой площади активной поверхности в сравнении с фотоэлектрическим преобразователем на основе непланарной полупроводниковой структуры.
Известна многоцелевая солнечная батарея, содержащая матрицу фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), преобразующих солнечную энергию в электрическую и тепловую, устройство для передачи энергии от ФЭП к внешним потребителям, систему циркуляции хладагента (RU 2164722 С2, опубл. 27.03.2001). При солнечном освещении солнечная батарея вырабатывает электрическую энергию, идущую к потребителю, а по каналам охлаждения проходит хладагент, в том числе воздух, снимающий тепло с ФЭП. Это тепло может быть использовано для обогрева помещений и в других бытовых целях при циркуляции хладагента по замкнутому циклу. В теплое время года, при работе по открытому циклу, нагрев воздуха может быть использован для создания тяги вентиляции помещений.
Недостатком данного преобразователя является то, что для передачи тепловой энергии от фотопреобразователя к хладагенту используется сложная конструкция системы охлаждения.
Прототипом изобретения является фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) автономной солнечной электростанции. (RU 2331822 С1, опубл. 20.08.2008). ФЭП содержит параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии, несущую конструкцию с фотоэлектрическим датчиком и фотоэлектрическим преобразователем, расположенным по фокусной линии параболоцилиндрического концентратора, установленного на штанге поворотного механизма с возможностью поворота вокруг оси на угол не менее 180°, причем ось расположена в одной плоскости с активной поверхностью фотоэлектрического преобразователя, а вход поворотного механизма соединен с выходом фотоэлектрического датчика. Предлагаемое изобретение должно обеспечить увеличение времени работы фотоэлектрических преобразователей в номинальном режиме путем исключения их перегрева.
Недостатком данного ФЭП является относительно небольшая активная поверхность структуры при относительно большой занимаемой полезной площади прибора, кроме того, конструкцию установки значительно усложняет поворотный механизм и организация системы охлаждения.
Указанный технический результат в изобретении достигается следующим образом.
Фотоэлектрический преобразователь на основе непланарной эпитаксиальной структуры содержит корпус, в котором расположена цилиндрическая эпитаксиальная структура, выполненная из цилиндрической полой подложки из полупроводникового материала, на внешней поверхности которой расположен, по крайней мере, один эпитаксиальный слой из полупроводникового материала.
На поверхности этого слоя расположен внешний цилиндрический металлический контакт. На внутренней стороне подложки расположен внутренний цилиндрический металлический контакт. К цилиндрическим металлическим контактам подсоединены токосъемные элементы.
Под цилиндрической эпитаксиальной структурой расположен фокусирующий отражатель, выполненный в виде выгнутой пластины параболоцилиндрической формы. На внутренней поверхности пластины нанесен отражающий слой.
Над цилиндрической эпитаксиальной структурой расположена прозрачная фокусирующая линза выгнутой параболоцилиндрической формы, закрепленная на фокусирующем отражателе. Диаметр линзы меньше диаметра фокусирующего отражателя.
Преобразователь снабжен системой циркуляции воды, проходящей через внутреннюю полость цилиндрической эпитаксиальной структуры.
В частном случае в цилиндрической эпитаксиальной структуре полая цилиндрическая подложка и эпитаксиальный слой могут быть выполнены из кремния n-, р-типа.
Также в цилиндрической эпитаксиальной структуре полая цилиндрическая подложка может быть выполнена из кремния n-, р-типа, эпитаксиальный слой выполнен из полупроводниковых соединений А3B5 и/или твердых растворов на их основе, а между полой цилиндрической подложкой и эпитаксиальным слоем расположен эпитаксиальный переходный слой SixGe1-x.
Также в цилиндрической эпитаксиальной структуре полая цилиндрическая подложка может быть выполнена из GaAs, а эпитаксиальный слой выполнен из полупроводниковых соединений A3B5 и/или твердых растворов на их основе.
Также в цилиндрической эпитаксиальной структуре внешний цилиндрический металлический контакт может быть выполнен из молибдена или алюминия или сплава In-Ti-Sn, а внутренний цилиндрический металлический контакт может быть выполнен из серебра или меди или титана.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид фотоэлектрического преобразователя на основе непланарной полупроводниковой структуры, на фиг.2-3 показаны схемы цилиндрических автоэпитаксиальных полупроводниковых структур для фотоэлектрических преобразователей, на фиг.4 изображена непланарная гетероэпитаксиальная структура фотоэлектрического преобразователя.
Фотоэлектрический преобразователь на основе непланарной эпитаксиальной структуры (фиг.1) содержит корпус (на чертеже не показан), в котором расположена цилиндрическая эпитаксиальная структура 1.
Под цилиндрической эпитаксиальной структурой 1 расположен фокусирующий отражатель 2, выполненный в виде выгнутой пластины параболоцилиндрической формы. На внутренней поверхности отражателя 2 нанесено отражающее покрытие 3, которое, в частности, может быть выполнено из серебра.
Над цилиндрической эпитаксиальной структурой 1 расположена фокусирующая прозрачная линза 4, закрепленная на отражателе 2 и выполненная в виде выгнутой пластины параболоцилиндрической формы.
Установка снабжена системой 5 циркуляции хладагента (воды), проходящей через внутреннюю полость цилиндрической эпитаксиальной структуры 1.
В общем случае фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде цилиндрической полой подложки из полупроводникового материала. На внешней поверхности подложки расположен, по крайней мере, один цилиндрический эпитаксиальный слой из полупроводникового материала, на поверхности которого расположен внешний цилиндрический металлический контакт. На внутренней стороне подложки расположен внутренний цилиндрический металлический контакт. К цилиндрическим металлическим контактам подсоединены токосъемные элементы.
На фиг.2 показан пример фотоэлектрического преобразователя, имеющего непланарную автоэпитаксиальную структуру, которая включает полую цилиндрическую подложку 6 из кремния n-типа (возможная толщина 600 мкм), цилиндрический эпитаксиальный слой 7 из кремния p-типа (возможная толщина 2 мкм), внешний цилиндрический металлический контакт 8 (возможный материал: серебро, медь), и внутренний цилиндрический металлический контакт 9 (возможный материал: молибден, алюминий).
На фиг.3 показан другой пример фотоэлектрического преобразователя с непланарной автоэпитаксиальной структурой, которая состоит из полой цилиндрической подложки 10 кремния n-типа (возможная толщина 600 мкм), эпитаксиального слоя 11 кремния (возможная толщина 250 нм), эпитаксиального слоя 12 кремния (возможная толщина 220 нм), эпитаксиального слоя 13 кремния р+-типа (возможная толщина 200 нм), внешнего цилиндрического металлического контакта 14 (возможный материал: серебро, медь), и внутреннего цилиндрического металлического контакта 15 (возможный материал: молибден, алюминий).
На фиг.4 показан пример фотоэлектрического преобразователя с непланарной гетероэпитаксиальной структурой, которая включает полую цилиндрическую подложку 16 кремния n-типа, (возможная толщина 600 мкм), переходный эпитаксиальный слой 17 SixGe1-x, эпитаксиальный слой 18 GaAs (Si) n++-типа, эпитаксиальный слой 19 Al0,3Ga0,7As (С) р++-типа, внешний цилиндрический металлический контакт 20 (возможный материал: серебро, медь), и внутренний цилиндрический металлический контакт 21 (возможный материал: молибден, алюминий).
Переходный эпитаксиальный слой 16 используется для согласования периодов кристаллических решеток материала подложки (кремний) и эпитаксиальных слоев A3B5 и твердых растворов на их основе. Регулируя состав переходного слоя SixGe1-x, достигается оптимальная величина его периода решетки.
Толщина и состав эпитаксиальных слоев 18, 19 определяются длиной волны преобразуемой составляющей светового излучения.
Фотоэлектрический преобразователь на основе непланарной структуры работает следующим образом. Перед началом работы фотоэлектрический преобразователь ориентируется так, что продольная ось цилиндрической эпитаксиальной структуры 1 находится под углом 0° к горизонту (горизонтально). При этом фокусирующая линза 4 располагается наверху, а фокусирующий отражатель 2 внизу. Рассеянное солнечное излучение фокусируется с помощью фокусирующей прозрачной линзы 4. Часть фокусированного излучения подается на активную поверхность цилиндрической структуры 1, остальная часть - на внутреннюю поверхность отражателя 2, после отражения от которой - на активную поверхность цилиндрической структуры 1.
Поглощение и преобразование потока солнечного излучения происходит в слоях цилиндрической эпитаксиальной структуры. Тот или иной слой может поглощать, отражать или пропускать излучение соответствующей длины волны в зависимости от ширины запрещенной зоны материала слоя и толщины слоя. При этом мощность генерируемой фотоэлектрическим преобразователем энергии прямо пропорциональна площади активной поверхности цилиндрической эпитаксиальной структуры. Использование цилиндрической активной поверхности способствует уменьшению полезной площади, занимаемой фотоэлектрическим преобразователем при большой величине площади активной поверхности. При этом использование в конструкции фотоэлектрического преобразователя на основе цилиндрической эпитаксиальной структуры фокусирующего отражателя параболоцилиндрической формы обеспечивает увеличение коэффициента усиления Кус=2,5-3.
В представленной конструкции значительно упрощается система теплосъема. Хладагент проходит через внутреннюю полость цилиндрической эпитаксиальной структуры, тем самым эта структура является трубкой для прохождения хладагента. При этом вырабатываемое тепло принимается всей поверхностью хладагента, что увеличивает эффективность теплосъема, то есть большее количество тепла будет передаваться от структуры к хладагенту. За счет этого обеспечивается термостабильность фотоэлектрического преобразователя и минимизируется отрицательное влияние коэффициента температурной зависимости КПД. При обычных условиях, как правило, данная величина достигает абсолютной величины потерь КПД до 0,5-1% на каждый °С прироста температуры.
Улучшение основных электрических характеристик фотоэлектрического преобразователя на основе непланарной структуры (КПД, напряжение холостого хода, ток короткого замыкания) достигается за счет отсутствия краевых эффектов в цилиндрической эпитаксиальной структуре, улучшения характеристик эпитаксиальных цилиндрических слоев (однородность толщины, состава), обеспечиваемое равномерным распределением температурных полей в реакторе при проведении процесса эпитаксии на цилиндрическую подложку.
| Сравнительные характеристики электрических параметров фотоэлектрических преобразователей на основе планарной и непланарной автоэпитаксиальных структур на основе кремния. | ||
| Параметр | Значения для ФЭПов на основе планарных структур | Значения для ФЭПов на основе непланарных структур |
| КПД, % | 17-18 | 19-21 |
| Коэф. заполнения ВАХ, | 76 | 82-86 |
| Напряжение холостого хода, В | 0,58-0,61 | 0,6-0,7 |
| Ток короткого замыкания, А | 4,8-5,2 | 5,0-5,8 |
| Напряжение при максимальной мощности, В | 0,48 | 0,5 |
| Ток при максимальной мощности, А | 4,5-4,7 | 4,7-4,9 |
Claims (5)
1. Фотоэлектрический преобразователь на основе непланарной эпитаксиальной структуры, содержащий корпус, в котором расположена цилиндрическая эпитаксиальная структура, выполненная из цилиндрической полой подложки из полупроводникового материала, на внешней поверхности которой расположен по крайней мере один эпитаксиальный слой из полупроводникового материала, на поверхности которого расположен внешний цилиндрический металлический контакт, а на внутренней стороне подложки расположен внутренний цилиндрический металлический контакт, при этом к цилиндрическим металлическим контактам подсоединены токосъемные элементы, под цилиндрической эпитаксиальной структурой расположен фокусирующий отражатель, выполненный в виде выгнутой пластины параболоцилиндрической формы, на внутренней поверхности которой нанесен отражающий слой, а над цилиндрической эпитаксиальной структурой расположена прозрачная фокусирующая линза выгнутой параболоцилиндрической формы, закрепленная на фокусирующем отражателе, диаметр которой меньше диаметра фокусирующего отражателя, при этом установка снабжена системой циркуляции воды, проходящей через внутреннюю полость фотоэлектрического преобразователя.
2. Преобразователь по п.1, в котором в цилиндрической эпитаксиальной структуре полая цилиндрическая подложка и эпитаксиальный слой выполнены из кремния n-, ρ-типа.
3. Преобразователь по п.1, в котором в цилиндрической эпитаксиальной структуре полая цилиндрическая подложка выполнена из кремния n-, ρ-типа, эпитаксиальный слой выполнен из полупроводниковых соединений А В и/или твердых растворов на их основе, а между полой цилиндрической подложкой и эпитаксиальным слоем расположен эпитаксиальный переходный слой SixGe1-x.
4. Преобразователь по п.1, в котором в цилиндрической эпитаксиальной структуре полая цилиндрическая подложка выполнена из GaAs, a эпитаксиальный слой выполнен из полупроводниковых соединений А3В5 и/или твердых растворов на их основе.
5. Преобразователь по любому из пп.1-4, в котором в цилиндрической эпитаксиальной структуре внешний цилиндрический металлический контакт выполнен из молибдена, или алюминия, или сплава In-Ti-Sn, a внутренний цилиндрический металлический контакт выполнен из серебра, или меди, или титана.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009136656/28A RU2399118C1 (ru) | 2009-10-06 | 2009-10-06 | Фотоэлектрический преобразователь на основе непланарной полупроводниковой структуры |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009136656/28A RU2399118C1 (ru) | 2009-10-06 | 2009-10-06 | Фотоэлектрический преобразователь на основе непланарной полупроводниковой структуры |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2399118C1 true RU2399118C1 (ru) | 2010-09-10 |
Family
ID=42800638
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009136656/28A RU2399118C1 (ru) | 2009-10-06 | 2009-10-06 | Фотоэлектрический преобразователь на основе непланарной полупроводниковой структуры |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2399118C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013002662A1 (ru) * | 2011-06-27 | 2013-01-03 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инносфера Технолоджи" | Устройство для преобразования солнечной энергии |
| RU2615593C1 (ru) * | 2013-04-25 | 2017-04-05 | Унитес Системс А.С. | Система управления электрической энергией, вырабатываемой фотоэлектрическими элементами |
| RU2642935C2 (ru) * | 2016-07-15 | 2018-01-29 | Николай Дмитриевич Жуков | Фотовольтаическая ячейка и способ её изготовления |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4784700A (en) * | 1987-05-26 | 1988-11-15 | General Dynamics Corp./Space Systems Div. | Point focus solar concentrator using reflector strips of various geometries to form primary and secondary reflectors |
| RU2164722C2 (ru) * | 1999-05-17 | 2001-03-27 | Научно-производственное объединение машиностроения | Многоцелевая солнечная батарея |
| RU2179352C1 (ru) * | 2000-05-19 | 2002-02-10 | Закрытое акционерное общество "ОКБ завода "Красное знамя" | Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь |
| RU2331822C1 (ru) * | 2006-12-01 | 2008-08-20 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия" (ФГОУ ВПО АЧГАА) | Модуль солнечной электростанции |
-
2009
- 2009-10-06 RU RU2009136656/28A patent/RU2399118C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4784700A (en) * | 1987-05-26 | 1988-11-15 | General Dynamics Corp./Space Systems Div. | Point focus solar concentrator using reflector strips of various geometries to form primary and secondary reflectors |
| RU2164722C2 (ru) * | 1999-05-17 | 2001-03-27 | Научно-производственное объединение машиностроения | Многоцелевая солнечная батарея |
| RU2179352C1 (ru) * | 2000-05-19 | 2002-02-10 | Закрытое акционерное общество "ОКБ завода "Красное знамя" | Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь |
| RU2331822C1 (ru) * | 2006-12-01 | 2008-08-20 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия" (ФГОУ ВПО АЧГАА) | Модуль солнечной электростанции |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013002662A1 (ru) * | 2011-06-27 | 2013-01-03 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инносфера Технолоджи" | Устройство для преобразования солнечной энергии |
| RU2615593C1 (ru) * | 2013-04-25 | 2017-04-05 | Унитес Системс А.С. | Система управления электрической энергией, вырабатываемой фотоэлектрическими элементами |
| RU2642935C2 (ru) * | 2016-07-15 | 2018-01-29 | Николай Дмитриевич Жуков | Фотовольтаическая ячейка и способ её изготовления |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Huen et al. | Advances in hybrid solar photovoltaic and thermoelectric generators | |
| CN202059353U (zh) | 高倍聚光太阳能光伏光热复合发电系统 | |
| CN102272940B (zh) | 用于住宅和工业建筑的太阳能/热(chp)热电联产 | |
| US4002031A (en) | Solar energy converter with waste heat engine | |
| US5626687A (en) | Thermophotovoltaic in-situ mirror cell | |
| Boriskina et al. | Exceeding the solar cell Shockley–Queisser limit via thermal up-conversion of low-energy photons | |
| CN107255368A (zh) | 一种分频式低倍聚光光伏‑高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统 | |
| US20100059108A1 (en) | Optical system for bifacial solar cell | |
| CN110034720A (zh) | 一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用系统及方法 | |
| RU2399118C1 (ru) | Фотоэлектрический преобразователь на основе непланарной полупроводниковой структуры | |
| US20130192668A1 (en) | Combined heat and power solar system | |
| JP5778816B1 (ja) | 太陽光発電システム | |
| CN116435390A (zh) | 一种具有光谱选择性的光电光热综合利用能量转换器件 | |
| Munday et al. | Radiative cooling of a GaAs solar cell to improve power conversion efficiency | |
| CN105514197A (zh) | 一种热管式太阳能热光伏光热一体化装置 | |
| CN215988803U (zh) | 太阳能电池的导热封装结构及光伏组件 | |
| JP2016077085A (ja) | 太陽光発電システム | |
| CN204498049U (zh) | 一种多功能全天候全波段太阳能发电系统 | |
| Saidov | Photothermoelectric cell for thermophotovoltaic systems and solar power plants with concentrators | |
| Montgomery et al. | Design and modeling of a high efficiency hybrid photovoltaic-photothermal concentrator (PVPTC) system | |
| JPS595807B2 (ja) | ハイブリッド型太陽熱コレクタ | |
| CN118232788B (zh) | 一种昼夜辐射温差发电装置及方法 | |
| CN112002775B (zh) | 一种激光无线充电接收端 | |
| GB2446219A (en) | Hybrid photovoltaic and solar heat collector panel | |
| CN104467629B (zh) | 一种多功能全天候全波段太阳能发电系统及其应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161007 |