Устройство преобразования солнечной энергии в электрическую

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ(71) Заявитель Сычик Василий Андреевич(72) Автор Сычик Василий Андреевич(73) Патентообладатель Сычик Василий Андреевич(57) Устройство преобразования солнечной энергии в электрическую, содержащее фоточувствительную структуру типа - переход с омическими контактами и просветляющий слой, отличающееся тем, что фоточувствительной являетсяструктура, содержащая два последовательно соединенных- и -перехода из широкозонного полупроводника, которая сформирована на металлическом омическом основании с разветвленной поверхностью в виде волнистой структуры в плоскостяхили , на которой размещены последовательно-слой с выступами и впадинами, -слой,-слой, верхний светопрозрачный омический контакт, конформно повторяющие структуру-слоя, при этомслой выполнен толщиной (0,10,3), -слой сформирован толщиной (0,70,9), гдедиффузионная длина носителей заряда,-слой содержит выступы высотой 100200 мкм,диаметром 100200 мкм и впадины шириной 100200 мкм, амплитуда волнистой структуры основания составляет 1001000 мкм, а длина ее волны равна 0,53 мм. 84662012.08.30 Полезная модель относится к полупроводниковым фоточувствительным устройствам с потенциальным барьером, в частности к устройствам преобразования солнечной энергии в электрическую, и может быть использована в электронно-оптических и космических системах в качестве автономных источников электроэнергии. Известен полупроводниковый преобразователь солнечной энергии 1, на основании внутреннего объема которого в форме конуса расположены линза Френеля и отражательный элемент. В отверстии внутреннего объема расположен фотоэлектрический элемент,представляющий структуру в виде двух гетеропереходов, гомоперехода и туннельного диода. Этот преобразователь солнечной энергии обладает малыми рабочими токами, низким КПД и сложной конструкцией. Прототипом предлагаемой полезной модели является устройство преобразования солнечной энергии в электрическую 2, которое содержит фоточувствительную структуру типа - переход, полупроводниковые слои из фосфида галлия и индия, просветляющий слой и омические контакты. Недостатки устройства-прототипа А) Невысокая выходная мощность солнечного генератора электроэнергии, поскольку он содержит сложную полупроводниковую структуру, причем дополнительные полупроводниковые слои слаболегированы, обладают большими внутренним сопротивлением. Б) Недостаточно высокая светочувствительная поверхность, отсутствуют сильнолегированные низкоомные полупроводниковые слои между омическими контактами и - переходом, что обуславливает резкое повышение сопротивления растекания, то есть снижение выходного тока и мощности. Техническим результатом полезной модели является увеличение светочувствительной поверхности генератора, выходной генерируемой мощности. Поставленная задача достигается тем, что в устройстве преобразования солнечной энергии в электрическую, содержащем фоточувствительную структуру типа - переход с омическими контактами и просветляющий слой, фоточувствительной являетсяструктура, содержащая два последовательно соединенных- и -перехода из широкозонного полупроводника, которая сформирована на металлическом омическом основании с разветвленной поверхностью в виде волнистой структуры в плоскостяхи , на которой размещены последовательно-слой с выступами и впадинами, -слой,-слой, верхний светопрозрачный омический контакт, конформно повторяющие структуру-слоя,при этом-слой выполнен толщиной (0,10,3), -слой сформирован толщиной(0,70,9), где- диффузионная длина носителей заряда,-слой содержит выступы высотой 100200 мкм, диаметром 100200 мкм и впадины шириной 100200 мкм, амплитуда волнистой структуры основания составляет 1001000 мкм, а длина ее волны равна 0,53 мм. Сущность полезной модели поясняет фигурами, где на фиг. 1 изображена конструкция устройства преобразования солнечной энергии в электрическую (УПСЭЭ), а на фиг. 2 его зонная диаграмма. Конструктивно УПСЭЭ состоит из полупроводниковойфоточувствительной структуры, включающей металлическое омическое основание 1 с разветвленной поверхностью в виде волнистой структуры, на котором последовательно размещены сформированные методом газофазной эпитаксии-слой 2 с выступами и впадинами, выполненный из широкозонного сильнолегированного полупроводника, -слой 3 собственного широкозонного полупроводника с высокой подвижностью носителей,-слой 4 из того же широкозонного полупроводника и нанесенный методом вакуумного распыления проводящий слой 5 из светопрозрачного материала, который одновременно является верхним омическим контактом УПСЭЭ и просветляющим слоемфоточувствительной структуры. На проводящий слой 5 нанесен внешний металлический вывод 6. 84662012.08.30 Для расширения активной площади УПСЭЭ, то есть расширения зоны действия солнечного излучения, металлическое омическое основание 1 выполнено круглой или прямоугольной формы в виде волнистой структуры в плоскостяхилипутем вдавливания ее поверхности специальным пуансоном с волнистой поверхностью, причем толщина металлического омического основания 1 составляет 13 мм, оптимальные амплитуда волнистой структуры основания составляет 1001000 мкм, а длина ее волны равна 0,53 мм. На волнистую поверхность металлического омического основания 1 нанесен методом газофазной эпитаксии сильнолегированный-слой 2 толщиной 1 мкм с концентрацией акцепторной примеси (10201021) см-3, который затем заполняется методом газофазной эпитаксии через маску (трафарет) столбчатой структурой из того же сильнолегированного широкозонного-полупроводника. Как показали результаты расчета и эксперимента,высота выступов-слоя 2 составляет 100200 мкм, их диаметр равен 100200 мкм, а ширина впадин, то есть расстояние между выступами, составляет 100200 мкм. Затем на сформированный-слой 2 с выступами и впадинами конформно наносятся методом молекулярно-лучевой эпитаксии -слой 3 того же широкозонного полупроводника собственной проводимости, обладающего высокой подвижностью носителей заряда, большой их диффузионной длиной, низкой концентрацией собственных носителей, что и-слой 2.-слой 3 создает с-слоем 2 первый -переход. Толщина -слоя 3 определяется максимумом генерации носителей заряда и минимумом потерь электронов, достигающих второго -перехода. Толщина -слоя зависит от диффузионной длины фотогенерированных носителей зарядаи составляет величину (0,70,9).-слой 4 конформно формируется на -слое 3 методом молекулярно-лучевой эпитаксии с одновременным легированием донорной примесью с концентрацией(10201021) см-3, причем он выполнен оптимальной толщиной (0,10,3). Проводящий слой 5 из светопрозрачного материала, например оксида олова или оксида индия, наносится на-слой 4 электронно-лучевым или магнетронным распылением толщиной 0,52 мкм. С помощью электропроводящего клея к нему по периметру присоединяется внешний металлический вывод шириной 13 мм. В прилагаемом УПСЭЭ активная площадь со стороны солнечного излучения расширена в сравнении с аналогами в десятки раз, то есть существенно возрастает величина генерируемой мощности вследствие использования металлического омического основания 1 волнистой структуры и сформированного на нем-слоя 2 из сильнолегированного широкозонного полупроводника столбчатой структуры. Устройство преобразования солнечной энергии в электрическую работает следующим образом. При воздействии квантов света на рабочую поверхность УПСЭЭ со стороны просветляющего слоя 5 фотоны с энергиями , где- ширина запрещенной зоны широкозонного полупроводника, проходят светопрозрачный просветляющий слой 5, тонкийслой 4 широкозонного полупроводника, достигают -слоя 3 собственной проводимости широкозонного полупроводника по всей его разветвленной поверхности и создают в слое 3 избыточную концентрацию носителей заряда, которая для генерированных электронов и дырок определяется из зависимости(1),,где- квантовый выход носителей заряда,- коэффициент поглощения света в -слое 3, - интенсивность света, ,- время жизни избыточных электронов и дырок. Фотогенерированные дырки разделяются электрическим полем -перехода фоточувствительной структуры и движутся в-слой 2 и к металлическому омическому основанию 1, а генерированные электроны в -слое 3 разделяются электрическим полем -перехода, проходят через тонкий-слой 4 и поступают в верхний светопрозрачный омический контакт 5. Вследствие разделения фотогенерированных электронов и дырок на последовательно со 3 84662012.08.30 единенных- и -переходах возникает суммарная фотоЭДС , максимальное значение которой при холостом ходе,(2)где ф - максимальная плотность фототока при заданной освещенности,- ток насыщения- перехода. При заданной интенсивности света фототок, обусловленный избыточными носителями заряда с концентрациямии , определяется выражением(3) ф. Напряжениепрямой полярности и градиент концентрации в -слое 3 широкозонного полупроводника обеспечивают эффективную инжекцию фотогенерированных электронов через- переход в-слой 4, который заряжается отрицательно, и инжекцию дырок через -переход в-слой 2, который заряжается положительно. Величина фотоЭДСопределяется суммарной высотой потенциальных барьеров первого -перехода и второго- перехода и составляет для полупроводника - кремния - величину (0,91,0) . Создано экспериментальное устройство - устройство преобразования солнечной энергии в электрическую размером - 4040 мм, которое может использоваться как модуль солнечной электростанции. Устройство выполнено структурой-резкий переход - -резкий переход с верхним омическим контактом из электропроводящего светопрозрачного окисла олова-индия толщиной 1 мкм. Металлическое омическое основание 1 выполнено из алюминия толщиной 2 мм, амплитуда волнистой ее структуры составляет 500 мкм, а длина волны - 1 мм. Кремниевый-слой 2 сформирован толщиной 1 мкм с выступами высотой 100 мкм, диаметром 200 мкм, впадинами шириной 100 мкм и легирован бором акцепторной примесью с концентрацией 51020 см-3, -слой 3 представляет кремний собственной проводимости толщиной 1,5 мкм,-слой 4 выполнен из кремния, легированного донорной примесью - фосфором с концентрацией 51020 см-3, его толщина равна 0,3 мкм.-переход выполнен резким с суммарной толщиной обедненных областей 0,3 мкм, -переход также выполнен резким с суммарной толщиной обедненных областей 0,3 мкм. Экспериментальное кремниевое устройство преобразования солнечной энергии в электрическую размером полезной площади 3838 мм с разветвленной поверхностной структурой при интенсивности солнечного излучения 65 мВт/см 2 позволяет получать рабочий ток 1,72 , рабочее напряжение 0,9 В, полезную выходную мощность вых 1,8 Вт и время безотказной работы не менее 105 часов. Для прототипа аналогичных размеров эти параметры соответственно составляют 0,2 , вых 0,15 Вт и время безотказной работы не выше 104 часов. Активная полезная площадь УПССЭ повышается более чем на порядок. На базе предлагаемого устройства преобразования солнечной энергии в электрическую при использовании матрицы элементов может быть создана солнечная батарея электрической энергии большой мощности, используемая как автономный источник электроэнергии в стационарных, подвижных и космических объектах. Технико-экономические преимущества предлагаемого УПССЭ в сравнении с прототипом и аналогами 1. Более чем на порядок повышается активная полезная площадь устройства. 2. В среднем в 10 раз возрастает рабочий ток и выходная мощность устройства. Промышленное освоение предлагаемого УПССЭ возможно на предприятиях электронной промышленности. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5