Полупроводниковый фотоэлектрический генератор и способ его изготовления
Владельцы патента RU 2444089:
Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) (RU)
Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно полупроводниковых фотоэлектрических генераторов (ПФГ). Полупроводниковый фотоэлектрический генератор содержит секции фотопреобразователей, наклоненных к плоскости защитного покрытия под заданным углом φ, связанным математической зависимостью с углом полного внутреннего отражения материала защитного покрытия; β - углом входа излучения и коэффициентом преломления защитного покрытия. На торцах генератора выполнено зеркальное покрытие. Также предложен способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора путем изготовления секций фотопреобразователей, коммутации секций и приклейки защитного прозрачного покрытия с помощью оптически прозрачного герметика, скоммутированные секции устанавливают под углом φ, равным 5-60°, к плоскости защитного покрытия, заливают секции оптически прозрачным герметиком и приклеивают этим герметиком защитное прозрачное покрытие, а на торцы генератора наносят зеркальное покрытие. Предлагаемое изобретение обеспечивает повышение КПД и снижение потерь на отражение. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.
Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно полупроводниковых фотоэлектрических генераторов (ПФГ).
Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ПФГ в виде диодной структуры с р-n-переходом на лицевой стороне, токосъемными металлическими контактами к легированному слою в форме гребенки, сплошным тыльным контактом и антиотражающим защитным покрытием на лицевой (рабочей) стороне (книга «Полупроводниковые фотопреобразователи» Васильев A.M., Ландсман А.П., М., Советское Радио, 1971 г.). Процесс изготовления ПФГ основан на диффузионном легировании лицевой стороны фосфором, химическом осаждении никелевого контакта, избирательном травлении контактного рисунка и нанесении плоского защитного покрытия из стекла с помощью прозрачных герметиков. Недостатками получаемых ПФГ являются сравнительно большая глубина р-n-перехода и большие потери на отражение.
Известны конструкция и способ изготовления кремниевых ПФГ в виде двухсторонней твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных микроэлементов, у которых два линейных размера - ширина и высота микроэлементов - не превышают диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области, р-n-переходы и изотипные переходы расположены на двух противоположных гранях микроэлементов, перпендикулярных рабочей поверхности (авт. свид. СССР №288163, БИ №36, 1970). Для изготовления известного ПФГ проводят диффузию фосфора и бора в противоположные стороны пластины кремния, металлизированные пластины спаивают в столбик с соблюдением полярности, столбик разрезают на матрицы перпендикулярно плоскости р-n-переходов, удаляют нарушенные при резке слои и наносят плоское защитное покрытие из стекла на обе поверхности генератора с помощью прозрачного герметика.
Недостатком известного ПФГ является низкий КПД в результате повышения температуры при повышенной интенсивности солнечного излучения.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД и снижение потерь на отражение.
Технический результат достигается тем, что в полупроводниковом фотоэлектрическом генераторе, содержащем плоское защитное прозрачное покрытие, на которое падает излучение, и секции фотопреобразователей, соединенные оптически прозрачным герметиком с защитным покрытием, секции фотопреобразователей наклонены к плоскости защитного покрытия под углом φ, равным 5-50°,
где α - угол полного внутреннего отражения материала защитного покрытия;
β - угол входа излучения;
n - коэффициент преломления защитного покрытия,
а на торцах генератора выполнено зеркальное покрытие.
В варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора секции фотопреобразователей выполнены в виде периодической уголковой пилообразной структуры.
В варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора секции фотопреобразователей со стороны, противоположной падающему излучению, присоединены по всей плоскости секций через теплопроводящее электроизолирующее покрытие к радиатору системы охлаждения.
В способе изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора путем изготовления секций фотопреобразователей, коммутации секций и приклейки защитного прозрачного покрытия с помощью оптически прозрачного герметика, скоммутированные секции устанавливают под углом φ, равным 5-60°, к плоскости защитного покрытия, заливают секции оптически прозрачным герметиком и приклеивают этим герметиком защитное прозрачное покрытие, а на торцы генератора наносят зеркальное покрытие.
В варианте способа изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора секции фотопреобразователей устанавливают в виде периодической уголковой пилообразной структуры.
В другом варианте способа изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора секции фотопреобразователей со стороны, противоположной защитному покрытию, присоединяют по всей плоскости секций через теплопроводящее электроизолирующее покрытие к радиатору системы охлаждения.
Изобретение поясняется фиг.1 и 2, где на фиг.1 представлена конструкция ПФГ из скоммутированных секций, выполненных в виде периодической уголковой пилообразной структуры с двухсторонней рабочей поверхностью, а на фиг.2 - конструкция ПФГ (поперечное сечение) с односторонней рабочей поверхностью и системой охлаждения.
На фиг.1 ПФГ содержит секции 1, соединенные между собой последовательно или параллельно, и плоское защитное покрытие 2 из стекла или пластмассы. Секции 1 наклонены к плоскости защитного покрытия 2 под углом φ и образуют периодическую уголковую пилообразную структуру 3. Угол δ между двумя соседними секциями составляет δ=180°-2φ. Пространство между секциями 1 и защитным покрытием 2 заполнено оптически прозрачным герметиком 4. Угол φ связан с углом полного внутреннего отражения α защитного покрытия 2 соотношением:
где β - угол входа излучения, a n - коэффициент преломления оптически прозрачного покрытия, 
. Торцы ПФГ имеют зеркальные отражатели 5 для отражения косых лучей, уходящих за пределы генератора. Сторона а ПФГ определяет количество скоммутированных секций, а сторона в - длину секций 1.
На фиг.2 секции 1 фотопреобразователей со стороны, противоположной защитному покрытию 2, присоединены ко всей плоскости секций 1 через теплопроводящее электроизолирующее покрытие 6 к радиатору 7 охлаждающего устройства 8. Охлаждающее устройство 8 имеет патрубки 9 и 10 для подвода и отвода охлаждающей жидкости. Направление движения охлаждающей жидкости показано стрелками. В варианте исполнения радиатор 7 может иметь воздушное охлаждение.
Способ изготовления ПФГ реализуется следующим образом.
Секции 1 фотопреобразователей коммутируют последовательно или параллельно, устанавливают под углом φ=5-60° к плоскости защитного покрытия 2, заливают оптически прозрачным герметиком 4 с двух сторон и приклеивают герметиком 4 защитное покрытие 2 с двух сторон. На торцах ПФГ приклеивают отражатели 5.
В способе изготовления ПФГ согласно фиг.2 секции 1 фотопреобразователей со стороны, противоположной защитному покрытию 2, присоединяют через теплопроводящее электроизолирующее покрытие 6 к радиатору 7 охлаждающего устройства 8.
Пример выполнения полупроводникового фотоэлектрического генератора.
Секции 1 ПФГ (фиг.1) имеют размеры 10×60 мм и выполнены в виде высоковольтного матричного солнечного элемента. Рабочее напряжение каждой секции 15 В, ток 17 мА. Секции 1 установлены под углом φ=46° к защитному покрытию 2 из стекла толщиной 3 мм. Коэффициент преломления стекла n=1,51, угол полного внутреннего отражения α=41°31/.
Пространство между стеклом 2 и секциями 1 заполнено прозрачным герметиком 4, торцы 5 ПФГ имеют зеркальное покрытие. Общие размеры ПФГ: ширина a=70 мм, длина в=70 мм, толщина 20 мм, количество секций - 8. Секции 1 скоммутированы параллельно через развязывающие диоды (на фиг.1 не показаны). Общее рабочее напряжение ПФГ 15 В, ток 56 мА при стандартной освещенности AM1: E=1000 Вт/м2, температуре 25°С. Общая площадь секции 1 фотопреобразователей при угле φ=46° в 1,42 раза превышает площадь секций 1 при их расположении в одной плоскости. При воздействии концентрированного солнечного излучения это позволяет в 1,42 раза снизить плотность потока излучения на единицу площади секций и на 42% улучшить условия теплоотвода за счет увеличения площади теплового обмена с охлаждающей жидкостью (фиг.2).
Полупроводниковый фотоэлектрический генератор работает следующим образом.
Солнечное излучение поступает на защитное прозрачное покрытие 2 под углом входа β (фиг.1). Угол выхода β0 излучения из защитного покрытия 2 внутрь ПФГ равен: 
. β0 отсчитывают от нормали к поверхности 2. Далее излучение поступает на поверхность секции 1. В первом варианте отраженная от первой секции компонента излучения поступает на поверхность рядом расположенной секции. В зависимости от угла входа β излучение после отражения от первой секции может отразиться на защитное покрытие 2 (второй вариант). При соблюдении условия (1) излучение попадает на защитное покрытие 2 под углом, большим угла α полного внутреннего отражения, и после полного внутреннего отражения поступает на одну из секций ПФГ.
Принимаем коэффициент отражения от секций 1 R=0,2, а от защитного покрытия 2 ПФГ R=0,9, получим следующие потери на отражение.
1-й вариант: Первое отражение от секции 1 - коэффициент отражения R1=0,2. Второе отражение от секции - коэффициент отражения R2=0,2·0,2=0,04. 96% излучения поглощается в секциях 1.
2-й вариант: R1=0,2, отражение от защитного покрытия 2 R2=0,2·0,9=0,18. Потери на отражение R2=0,02. Потери на отражение от секции R3=0,18·0,2+0,02=0,056.
Во втором варианте потери на отражение в секциях 1 составляют 3,6% и в защитном покрытии 2 - 2%, всего 5,6%. Коэффициент поглощения излучения в секциях 1 составляет 94,4%.
В рассмотренных вариантах потери на отражение составляют соответственно 2% и 5,6% после двух отражений от секций. Условие (1) соответствует полному поглощению излучения после многократных отражений внутри ПФГ. Таким образом, конструкция и способ изготовления ПФГ позволяют снизить потери на отражение в 3-5 раз и обеспечить более низкую температуру ПФГ за счет увеличения площади теплоотвода при использовании пилообразной структуры 3 генератора и радиатора, что приводит к повышению КПД полупроводникового фотоэлектрического генератора.
1. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор, содержащий плоское защитное прозрачное покрытие, на которое падает излучение, и секции фотопреобразователей, соединенные оптически прозрачным герметиком с защитным покрытием, отличающийся тем, что секции фотопреобразователей наклонены к плоскости защитного покрытия под углом φ, равным 5-50°
,
где α - угол полного внутреннего отражения материала защитного покрытия;
β - угол входа излучения;
n - коэффициент преломления оптически прозрачного герметика, а на торцах генератора выполнено зеркальное покрытие.
2. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что секции фотопреобразователей образуют периодическую уголковую пилообразную структуру.
3. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что секции фотопреобразователей со стороны, противоположной падающему излучению, присоединены по всей плоскости секций через теплопроводящее электроизолирующее покрытие к радиатору системы охлаждения.
4. Способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора путем изготовления секций фотопреобразователей, коммутации секций и приклейки защитного прозрачного покрытия с помощью оптически прозрачного герметика, отличающийся тем, что скоммутированные секции устанавливают под углом φ, равным 5-60°, к плоскости защитного покрытия, заливают секции оптически прозрачным герметиком и приклеивают этим герметиком защитное прозрачное покрытие, а на торцы генератора наносят зеркальное покрытие.
5. Способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора по п.4, отличающийся тем, что секции фотопреобразователей устанавливают в виде периодической уголковой пилообразной структуры.
6. Способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора по п.4 или 5, отличающийся тем, что секции фотопреобразователей со стороны, противоположной защитному покрытию, присоединяют по всей плоскости секций через теплопроводящее электроизолирующее покрытие к радиатору системы охлаждения.
