Фотогальваническое устройство и способ его изготовления



Фотогальваническое устройство и способ его изготовления
Фотогальваническое устройство и способ его изготовления
Фотогальваническое устройство и способ его изготовления
Фотогальваническое устройство и способ его изготовления
Фотогальваническое устройство и способ его изготовления
Фотогальваническое устройство и способ его изготовления
Фотогальваническое устройство и способ его изготовления
Фотогальваническое устройство и способ его изготовления

 


Владельцы патента RU 2541698:

ТОТАЛЬ МАРКЕТИНГ СЕРВИСИЗ (FR)
САНТР НАСЬОНАЛЬ ДЕ ЛЯ РЕШЕРШ СЬЕНТИФИК (FR)

Фотогальваническое устройство, содержащее по меньшей мере один фотогальванический элемент (60), содержащий нанесенные на подложку (10) тонкие активные слои (15), при этом указанные активные слои не подвергают сегментированию, и по меньшей мере один статический преобразователь (50), связанный с каждым фотогальваническим элементом (60). Каждый фотогальванический элемент (60) выдает электрическую мощность с максимальным током (I) и номинальным напряжением (Vp), и каждый статический преобразователь (50) выполнен с возможностью передачи электрической мощности, производимой фотогальваническим элементом, на нагрузку (100), понижая передаваемый ток и повышая передаваемое напряжение. При этом активные слои фото гальванического элемента покрывают более 95% площади подложки, и указанный фотогальванический элемент способен выдавать ток, достигающий 150 A при номинальном напряжении ниже 1 В. Таким образом, на одной панели ограничивают и даже полностью исключают лазерное сегментирование фотогальванических элементов. За счет этого повышают производительность изготовления фотогальванического устройства и ограничивают мертвые площади. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области фотогальванических устройств и, в частности, касается устройств, содержащих фотогальванические элементы, выполненные по так называемой тонкослойной технологии. Изобретение касается также изготовления тонкослойного фотогальванического устройства.

Как известно, фотогальваническое устройство содержит один или несколько фотогальванических элементов (PV), соединенных последовательно и/или параллельно. В случае использования неорганических материалов фотогальванический элемент в основном состоит из диода (переход р-n или p-i-n), выполненного на основе полупроводникового материала. Этот материал обладает свойством поглощать световую энергию, существенная часть которой может передаваться на носители заряда (электроны и дырки). Выполнение диода (переход р-n или p-i-n) посредством легирования двух зон, соответственно типа N и типа Р, в случае необходимости разделенных не легированной зоной (называемой «собственной» и обозначаемой "i" в переходе p-i-n), позволяет разделить носители заряда, чтобы затем их собрать через электроды, которые содержит фотогальванический элемент. Разность потенциалов (напряжение разомкнутой цепи, Voc) и максимальный ток (ток короткого замыкания, Icc), которые может выдавать фотогальванический элемент, зависят одновременно от материалов элемента и от условий, окружающих этот элемент (в том числе освещения через спектральную интенсивность, температуры). В случае органических материалов модели существенно отличаются, и в них больше принято говорить о материалах-донорах и материалах-акцепторах, в которых образуются пары электрон-дырка, называемые экситонами. Конечная функция остается такой же: разделение носителей зарядов для их сбора и генерирования тока.

Существуют несколько известных технологий для изготовления фотогальванических элементов. Так называемые тонкослойные технологии были разработаны в промышленном масштабе, начиная с 1975 года; эти технологии состоят в нанесении различных материалов в виде тонких пленок на подложку методом PVD (нанесение покрытия осаждением из паров) или PECVD (плазмохимическое осаждение из газовой среды). В дальнейшем появились другие технологии, такие как технологии, основанные на кристаллическом кремнии, которые в настоящее время занимают основной объем промышленного производства; эти технологии заключаются в изготовлении заготовок из монокристаллического или поликристаллического кремния, затем их разрезают на пластины (wafers) и легируют пластины для получения перехода р-n или p-i-n. На выходе технологий получают органические элементы или элементы из композитных материалов.

Технологии изготовления тонкослойных фотогальванических элементов имеют ряд преимуществ. Они позволяют осуществлять процессы изготовления с высокой производительностью при больших площадях по сравнению с технологиями кристаллического кремния. Тонкослойные фотогальванические элементы характеризуются хорошим энергетическим выходом, когда их собирают в модули. Под фотогальваническим модулем следует понимать сборку из множества фотогальванических элементов. Кроме того, модуль можно объединить с электроникой управления, в состав которой обычно входит статический преобразователь (CS) и, в случае необходимости, электронный привод поиска точки максимальной мощности (или МРРТ, то есть система отслеживания точки максимальной мощности).

На фиг.1 показаны этапы классического способа изготовления устройства из тонкослойных фотогальванических элементов. На схеме, представленной на фиг.1, пропорции толщины различных слоев не соблюдены.

В тонкослойных технологиях на подложку 10 тонкой пленкой наносят различные материалы методом PVD или PECVD, или катодным напылением или LPCVD (химическое осаждение из газовой среды при низком давлении). Таким образом, последовательно наносят первый проводящий электрод 11, так называемые активные слои 15, образующие один или несколько переходов, и второй проводящий электрод 12. Электроды 11, 12 предназначены для сбора тока, производимого активными слоями. В тонкопленочных технологиях необходимы этапы в виде последовательных циклов для получения множества фотогальванических элементов на одной подложке. Действительно, преследуют цель реализации множества элементов на одной подложке, чтобы повысить производительность изготовления элементов посредством последовательного нанесения покрытий на большой площади, как правило, от нескольких десятков до нескольких сотен элементов на пластине площадью от нескольких см2 на лабораторной стадии до более 1 м2 на промышленной стадии, затем эти элементы последовательно соединяют, чтобы повысить выходное напряжение устройства. Электрическая аналогия устройства фотогальванических элементов будет описана ниже со ссылками на фиг.4-6.

На фиг.1 показан первый этап (а), на котором на подложку 10 наносят первый электрод 11. Под «подложкой» 10 следует понимать часть, на которой находятся активные компоненты фотогальванического элемента. Подложка может быть жесткой, например, такой как стеклянная пластина, или гибкой, такой как лист из полимера или из нержавеющей стали, или из титана; она может быть прозрачной или непрозрачной в зависимости от того, будет ли она находиться на пути падающего света или нет относительно активных слоев. Подложку можно также выбирать таким образом, чтобы она образовала по меньшей мере одну из пластин инкапсуляции конечного продукта, например, стеклянную подложку в случае жесткого фотогальванического модуля. Специалист может выбирать подложку (стекло, полимер или металл), наиболее подходящую для нанесения различных активных слоев устройства, которое он собирается изготовить.

Первый электрод 11 может состоять из слоя оксида, пропускающего свет, такого как оксид индий-олово (ITO), или прозрачных проводящих оксидов (ОТС), таких, например, как оксид индия (In2O3), оксид цинка (ZnO), легированный алюминием, или оксид олова (SnO2), легированный фтором. Можно предусмотреть нанесение слоя заднего отражателя непосредственно на подложку 10 перед первым электродом (позиция 20 на фиг.2), в частности, когда подложка 10 является прозрачной и когда падающий свет проникает в элемент через противоположную сторону подложки. Слой заднего отражателя может быть, например, слоем меди, серебра или алюминия.

На фиг.1 показан второй этап (b), на котором слой первого электрода 11 разделяют на сегменты для ограничения полос, которые в дальнейшем образуют отдельные диоды на одной панели, образованной подложкой 10, при этом площадь электродов обуславливает максимальный ток, который будет выдавать изготовленный таким образом диод. Сегментирование обычно выполняют методом лазерного травления, например, при помощи лазера типа Nd-YAG.

На фиг.1 показан третий этап (с), на котором наносят активные слои 15. Например, можно нанести тонкие слои из гидрогенизированного аморфного (a-Si:H), полиморфного (pm-Si:H) или микрокристаллического (pm-Si:H) кремния для получения одного или нескольких наложенных друг на друга переходов р-n или p-i-n. Специалист может выбрать любой материал, подходящий для изготовления перехода р-n или p-i-n, в зависимости от имеющегося в наличии промышленного оборудования и/или от потребностей в фотоэлектрическом выходе. Активные слои 15 заполняют промежутки между полосами первого электрода 11, изолируя, таким образом, каждый сегмент электрода.

На фиг.1 показан четвертый этап (d), на котором активные слои 15 сегментируют вплоть до оголения первого электрода 11. Сегментирование активных слоев 15 производят со смещением относительно сегментирования первого электрода 11 для обеспечения контакта между вторым электродом, который будет нанесен на этапе (е), и первым электродом 11, что позволяет получить последовательное соединение диодов, образованных смежными полосами. Как будет подробно описано ниже, последовательное соединение диодов на одной панели позволяет получить более высокое напряжение, равное сумме элементарных напряжений каждого последовательно соединенного диода. Сегментирование активных слоев 15 обычно выполняют посредством лазерного травления, например, при помощи лазера типа Nd-YAG.

На фиг.1 показан пятый этап (е), на котором наносят второй электрод 12, чтобы вместе с первым электродом 11 охватить активные слои элемента. Второй электрод 12 может иметь такой же состав, что и первый электрод 11, или другой состав; он может состоять, например, из оксида индия-олова (ITO) или из любого прозрачного проводящего оксида (ОТС). Второй электрод 12 можно также покрыть задним отражателем, если падающий свет проникает в элемент через подложку 10; второй электрод 12 может также служить задним отражателем при соответствующем составе, например, если он состоит из сплава ITO, серебра и никеля. Второй электрод 12 заполняет промежутки между сегментами активных слоев 15, обеспечивая последовательное соединение смежных полос.

Наконец, на фиг.1 показан шестой этап (f), на котором второй электрод 12 сегментируют вплоть до оголения активных слоев. Сегментирование второго электрода 12 тоже смещено относительно сегментирования активных слоев 15 и относительно сегментирования первого электрода 11, чтобы одновременно с первым сегментированием на этапе (b) ограничить активные зоны полос отдельных диодов. Сегментирование второго электрода 12 обычно выполняют посредством лазерного травления, например, при помощи лазера типа Nd-YAG.

На фиг.2 показана блок-схема этапов изготовления, описанных со ссылками на фиг.1. Сначала подложку 10 промывают и проверяют, чтобы она не имела трещин или дефектов на своей поверхности, или даже проверяют, чтобы подложка не была попросту сломана. Затем можно наносить отражатель 20, а потом первый электрод 11. После этого первый электрод 11 структурируют, например, для получения одинаковой кристаллической ориентации нанесенных молекул и сегментируют. При этом контролируют качество сегментирования - точность, прямолинейность, глубину,… - и подложку промывают второй раз для удаления металлических остатков после травления. Наносят и сегментируют активные слои 15 - переходы p-i-n или другие - затем наносят и сегментируют второй электрод 12. После этого осуществляют конечный контроль.

Существуют другие способы изготовления устройств тонкослойных фотогальванических элементов с порядком операций, отличающимся от представленного на фиг.1 и 2. Например, активные слои и слой первого электрода можно сегментировать вместе и посредством трафаретной печати можно нанести изолирующую краску. Затем наносят и сегментируют второй электрод. Наконец, посредством трафаретной печати на второй электрод наносят контактную сетку, например, из серебра, и этап расплавления этого серебра обеспечивает последовательное соединение двух смежных фотогальванических полос. Плавление металлического слоя осуществляют при помощи лазера.

Таким образом, в классическом процессе изготовления устройства тонкослойных фотогальванических элементов обычно осуществляют три этапа лазерного сегментирования, независимо от применяемого способа и от природы или толщины наносимых слоев. Каждый этап сегментирования необходимо осуществлять другим лазером, то есть с другой регулировкой с точки зрения длины волны, разрешения и угла падения луча, с целью сегментирования необходимого слоя или слоев. Эти этапы сегментирования составляют существенную часть затрат способа изготовления устройства тонкослойных фотогальванических элементов и представляют собой факторы ограничения производственной мощности. Кроме того, эти этапы сегментирования являются сложными и снижают выход продукции, причем они являются источником многих дефектов, которые приводят к выбраковке целых устройств.

Кроме того, сегментирование сокращает полезную площадь устройства. Действительно, все зоны, разрушаемые рисками при сегментировании, уже нельзя использовать для производства фотогальванической энергии. Активная зона фотогальванического элемента ограничена первой и второй рисками сегментирования. Так, например, для полос шириной 12 мм в результате сегментирования потеря составляет примерно 5-6% в площади и, следовательно, в производительности элемента.

На фиг.3 схематично в разрезе показан фрагмент тонкослойного фотогальванического устройства с последовательным соединением смежных фотогальванических элементов. На фиг.3 размеры различных слоев и рисок сегментирования представлены не в масштабе. На фиг.3 показаны подложка 10, первый электрод 11, активные фотогальванические слои 15 и второй электрод 12.

На фиг.3 показана также первая риска 1 сегментирования, позволяющая электрически изолировать два смежных фотогальванических элемента; эту первую риску 1 выполняют в первом электроде 11 и активных слоях 15 и заполняют изолирующей краской. Вторую риску 2 сегментирования выполняют в активных слоях 15 и заполняют материалом второго электрода 12 во время его нанесения. Третья риска 3 сегментирования делит второй электрод 12 на полосы. На фиг.3 показано (черная стрелка), что ток I проходит от одного фотогальванического элемента к следующему через второй электрод, вторую риску и первый электрод. Таким образом, каждый фотогальванический элемент, ограниченный первой и третьей рисками 1, 3, оказывается последовательно соединенным со смежным элементом при помощи второй риски 2.

Последовательное соединение элементов фотогальванического устройства необходимо для повышения выходного напряжения устройства до значений напряжения, совместимых с внешними постоянными или переменными нагрузками, к которым будет подключено устройство.

С другой стороны, сегментирование тонких слоев фотогальванического устройства представляет собой затратный этап с точки зрения времени и оборудования, который к тому же сокращает полезную площадь устройства.

Поэтому возникает необходимость в способе изготовления тонкослойного фотогальванического устройства, который обеспечивает более высокую производительность процесса и ограничивает мертвые площади устройства.

В связи с этим изобретение призвано ограничить и даже исключить этап лазерного сегментирования в способе изготовления тонкослойного фотогальванического устройства;

всю площадь устройства занимает один или несколько больших элементов, которые выдают большой ток, но с ограниченным напряжением. На контактах каждого элемента располагают статический преобразователь, чтобы уменьшать ток и пропорционально повышать напряжение. Таким образом, можно исключить нежелательный этап из способа изготовления фотогальванического устройства за счет добавления соответствующей преобразующей электроники.

В частности, объектом изобретения является фотогальваническое устройство, содержащее:

- по меньшей мере, один фотогальванический элемент, содержащий нанесенные на подложку тонкие активные слои, при этом указанные активные слои не подвергают сегментированию; и

- по меньшей мере, один статический преобразователь, связанный с каждым фотогальваническим элементом, в котором

- каждый фотогальванический элемент выдает электрическую мощность с максимальным током и номинальным напряжением, и

- каждый статический преобразователь выполнен с возможностью передачи электрической мощности, производимой фотогальваническим элементом, на нагрузку, понижая передаваемый ток и повышая передаваемое напряжение.

Согласно вариантам выполнения, статический преобразователь является преобразователем постоянного тока в постоянный (DC/DC) и/или преобразователем постоянного тока в переменный (DC/AC).

Согласно варианту выполнения, статический преобразователь связан с электроникой управления, выполненной с возможностью контроля уменьшения передаваемого тока и повышения передаваемого напряжения. Электроника управления, связанная со статическим преобразователем, может содержать привод поиска максимальной рабочей точки (МРРТ). Электроника управления может устанавливать связь с нагрузкой.

Согласно варианту выполнения, устройство содержит множество статических преобразователей, установленных последовательно между каждым фотогальваническим элементом и нагрузкой.

Согласно варианту выполнения, устройство содержит единственный фотогальванический элемент. Активные слои фотогальванического элемента могут покрывать более 95% площади подложки.

Согласно другому варианту выполнения, устройство содержит множество фотогальванических элементов, соединенных параллельно с нагрузкой, каждый по меньшей мере через один статический преобразователь.

Объектом изобретения является также фотогальванический генератор, содержащий множество фотогальванических устройств в соответствии с настоящим изобретением, соединенных последовательно и/или параллельно.

Кроме того, объектом изобретения является также способ изготовления фотогальванического устройства, содержащий следующие этапы:

- изготавливают по меньшей мере один фотогальванический элемент посредством нанесения активных слоев на подложку;

- к контактам каждого элемента подключают по меньшей мере один статический преобразователь,

при этом способ не содержит никакого этапа сегментирования тонких слоев для выполнения последовательного соединения нескольких фотогальванических элементов.

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания вариантов выполнения изобретения, представленных в качестве примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 (уже описана) - схема этапов изготовления известного устройства фотогальванических элементов;

фиг.2 (уже описана) - блок-схема этапов изготовления известного устройства, фотогальванических элементов;

фиг.3 (уже описана) - схема известного устройства фотогальванических элементов;

фиг.4 - схема фотогальванического устройства в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.5 - схема электрической аналогии единственного фотогальванического элемента, покрывающего всю площадь устройства;

фиг.6 - схема электрической аналогии фотогальванического элемента с площадью, меньшей по сравнению с элементом, показанным на фиг.4;

фиг.7 - схема электрической аналогии множества последовательно соединенных фотогальванических элементов;

фиг.8 - схема электрической аналогии фотогальванического устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Изобретением предлагается тонкослойное фотогальваническое устройство, содержащее по меньшей мере один фотогальванический элемент, связанный по меньшей мере с одним статическим преобразователем. Каждый фотогальванический элемент устройства в соответствии с настоящим изобретением электрически соединен с нагрузкой по меньшей мере через один статический преобразователь. «Нагрузкой» называют электрическое приложение, для которого предназначено фотогальваническое устройство, независимо от характера этого приложения (постоянное или переменное).

Фотогальваническое устройство в соответствии с настоящим изобретением может содержать единственный большой фотогальванический элемент или несколько больших элементов, связанных, каждый, с электроникой управления и параллельно соединенных с нагрузкой. На одной панели можно, таким образом, ограничить и даже полностью исключить лазерное сегментирование. Под «большим» фотогальваническим элементом следует понимать элемент без сегментирования активных слоев для последовательного соединения нескольких элементов. За счет этого повышается производительность при изготовлении фотогальванического устройства, и мертвые площади оказываются ограниченными.

Такой «большой» элемент выдает при этом большой ток, как правило, превышающий потребности нагрузки, с ограниченным напряжением, как правило, меньшим потребностей нагрузки. При этом каждый статический преобразователь выполнен с возможностью уменьшения тока, выдаваемого связанным с ним фотогальваническим элементом, в N раз и с возможностью повышения напряжения, подаваемого на нагрузку, максимум в N раз. Мощность на входе преобразователя, поступающая от элемента фотогальванического устройства, по существу равна мощности, выдаваемой на выходе преобразователем на нагрузку; выходная мощность может быть немного ниже входной мощности с учетом тепловых потерь в преобразователе (связанных, например, с переключением). Преобразователь преобразует энергию, получаемую от фотогальванического элемента, чтобы адаптировать выходное напряжение до значений, совместимых с потребностями нагрузки.

На фиг.4 показано фотогальваническое устройство в соответствии с настоящим изобретением. В дальнейшем тексте описания фотогальваническое устройство в соответствии с настоящим изобретением будет представлено с единственным фотогальваническим элементом. Вместе с тем, понятно, что описанное устройство можно выполнить с несколькими фотогальваническими элементами и статическими преобразователями, объединенными в модуль и параллельно соединенными с нагрузкой.

Показанное на фиг.4 устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит единственный фотогальванический элемент 60. Этот тонкослойный фотогальванический элемент содержит подложку 10, первый электрод 11, активные слои 15, образующие по меньшей мере один переход, и второй электрод 12. Этот фотогальванический элемент 60 изготовлен по одному из описанных выше способов, за исключением этапов сегментирования нанесенных слоев. Элемент 60 устройства в соответствии с настоящим изобретением не содержит никаких рисок сегментирования;

это значит, что активные слои и электроды не сегментированы для образования нескольких последовательно соединенных элементов, как в случае известных технических решений. Таким образом, активные слои 15 элемента почти полностью покрывают площадь подложки 10, то есть примерно 95%. Вместе с тем можно предусмотреть сегментирование для ограничения краев элемента и фиксирования максимального тока.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением дополнительно содержит по меньшей мере один статический преобразователь 50 на контактах элемента 60. В зависимости от приложений статический преобразователь 50 может быть преобразователем постоянного тока в переменный (DC/AC) и/или преобразователем постоянного тока в постоянный (DC/DC). Статический преобразователь 50 выполнен с возможностью передачи электрической мощности, производимой фотогальваническим элементом 60, на нагрузку 100 внешнего приложения: батарею, электрическую сеть или другую нагрузку. Преобразователь 50 устройства в соответствии с настоящим изобретением выполнен с возможностью уменьшения передаваемого тока и повышения передаваемого напряжения.

На фиг.4 видно, что можно последовательно расположить множество преобразователей 50. Элемент 60 выдает электрическую мощность с током в зависимости от освещенности и номинальное напряжение, равное пороговому напряжению перехода.

Первый преобразователь может преобразовывать эту мощность, уменьшая ток на первый коэффициент N и повышая напряжение максимум на первый коэффициент N; второй преобразователь может преобразовывать эту мощность, еще уменьшая ток на второй коэффициент N' и еще повышая напряжение максимум на второй коэффициент N'. Такое каскадное выполнение позволяет добиваться больших значений напряжения с преобразователями малого размера.

Каждый преобразователь 50 может быть связан с электроникой управления, которая контролирует коэффициент уменьшения тока и повышения напряжения. Электроника управления может быть общей для всех преобразователей одного элемента. В такую электронику можно также интегрировать привод поиска максимальной рабочей точки (МРРТ) элемента. Электроника управления позволяет, в частности, перепрограммировать работу каждого преобразователя 50, например, если потребности нагрузки 100 меняются или если предложено более эффективное правило управления. Такая электроника может также обнаруживать нарушения в работе как на уровне элемента 60, так и на уровне преобразователей 50 и прерывать передачу мощности и/или оповещать нагрузку 100 и/или внешнего наблюдателя, такого как контролер сети. Передачу данных между электроникой управления и нагрузкой 100 можно осуществлять, например, при помощи несущих линейных токов (CPL) или при помощи радиосвязи.

Вместе с тем электроника управления преобразователями 50 не является обязательной для применения изобретения; если потребности нагрузки в напряжении являются фиксированными, преобразователь 50 может быть выполнен с возможностью непосредственной выдачи напряжения в соответствующем рабочем диапазоне, адаптированном к энергетической производительности элемента 60.

На фиг.5 (которая выходит за рамки изобретения, но представлена для лучшего его понимания) схематично показана электрическая аналогия единственного фотогальванического элемента, покрывающего всю площадь устройства. Как было указано выше, фотогальванический элемент в основном состоит из диода; таким образом, его выходное напряжение соответствует пороговому напряжению диода, и выходной ток напрямую зависит от размера и материалов элемента и от окружающих условий. Такой элемент может выдавать большой максимальный ток Icc, например, около 150 А для активных слоев типа тонкого слоя кремния площадью порядка 1 м2 с пороговым напряжением Voc, обычно меньшим 1 В. Как правило, такое выходное напряжение не совместимо с внешними нагрузками, для которых предназначено фотогальваническое устройство. Например, в применении для зарядного устройства батареи требуемое выходное напряжение составляет примерно 12 В. Точно так же в применении для электрической сети требуемое выходное напряжение составляет примерно 240 В. Эти значения напряжения намного выше того, что может обеспечить единственный фотогальванический элемент, покрывающий всю площадь устройства. Кроме того, лишь немногие приложения нуждаются в таком высоком токе, который выдает единственный элемент большого размера.

Поэтому известные фотогальванические устройства содержат множество последовательно соединенных элементов. Каждый элемент имеет небольшой размер по отношению к общей площади устройства; следовательно, выходной ток уменьшается, но последовательное соединение позволяет повысить выходное напряжение.

На фиг.6 (которая выходит за рамки изобретения, но представлена для лучшего его понимания) схематично показана электрическая аналогия элемента сегмента фотогальванического устройства. Если фотогальваническое устройство содержит N полос элементов на всей площади, идентичной площади устройства, показанного на фиг.5, то максимальный ток Icc будет уменьшен на коэффициент N минус площадь, занятая рисками; выходное напряжение элемента будет по-прежнему равно пороговому напряжению диода, образующего элемент.

На фиг.7 (которая выходит за рамки изобретения, но представлена для лучшего его понимания) схематично показана электрическая аналогия последовательного соединения множества фотогальванических элементов, показанных на фиг.6. Максимальный ток Icc остается меньше с учетом малой площади каждого элемента, но выходное напряжение повышается на коэффициент N за счет последовательного соединения элементов. Выходное напряжение может быть при этом совместимым с внешним приложением.

Однако, как было указано выше, сегментирование слоев фотогальванического устройства является длительным и дорогим процессом и представляет собой точку ограничения производственной мощности. Кроме того, последовательное соединение фотогальванических элементов ограничивает выходной ток наименее освещенного элемента устройства.

Поэтому, как было указано выше со ссылками на фиг.4, изобретением предлагается фотогальваническое устройство, содержащее единственный фотогальванический элемент 60, связанный по меньшей мере с одним статическим преобразователем 50.

На фиг.8 схематично показана электрическая аналогия фотогальванического устройства в соответствии с настоящим изобретением. Как было указано выше, фотогальванический элемент устройства может быть электрически ассимилирован с диодом; его характеристика мощности будет идентичной характеристике, описанной в связи с фиг.5, при номинальном выходном напряжении Vp, соответствующем пороговому напряжению диода, и максимальном выходном токе Icc, зависящем от размера и материалов элемента, а также от окружающих условий. Однако элемент устройства в соответствии с настоящим изобретением связан со статическим преобразователем (DC/DC или АС/АС), который преобразует мощность, выдаваемую элементом, уменьшая ток на коэффициент N и повышая напряжение максимум на коэффициент N. Выходная мощность преобразователя по существу равна входной мощности (преобразование мощности порождает потери, даже если они ограничены), но выходное напряжение можно повысить до значений, совместимых с потребностями нагрузки.

Таким образом, фотогальванический элемент 60 устройства в соответствии с настоящим изобретением выдает большой ток Icc, который может достигать 150 А и даже больше с низким номинальным напряжением Vp, как правило менее 1 В. Преобразователь 50 устройства в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает повышение этого напряжения на коэффициент N, который может составлять от 10 до 50 в зависимости от приложений, при соответствующем уменьшении тока. Если коэффициент повышения напряжения - уменьшения тока, необходимый для нагрузки является большим, можно установить несколько преобразователей (DC/DC или АС/АС) в виде каскада, как показано на фиг.4. В рамках изобретения можно использовать так называемые преобразователи типа Boost, Buck, Buck-Boost или Cuck.

Фотогальванический элемент 60 устройства в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает прохождение больших токов без повреждения слоев элементов. Слои электродов 11, 12 можно адаптировать с точки зрения материалов и толщины для ограничения удельного сопротивления и нагрева. Точно так же шины 31, 32 электрического соединения, предусмотренные для сбора тока от каждого электрода 11, 12 элемента, можно адаптировать с точки зрения материалов и сечений для передачи сильных токов.

Разумеется, настоящее изобретение не ограничивается описанными в качестве примеров вариантами выполнения. В частности, указанные материалы для изготовления различных слоев элемента представлены исключительно в качестве примера и зависят от применяемых способов и оборудования для изготовления. Точно так же значения тока и напряжения приведены только в качестве примера и зависят от типа фотогальванического элемента и от нагрузки, для которой предназначено устройство.

1. Фотогальваническое устройство, содержащее:
по меньшей мере один фотогальванический элемент, содержащий нанесенные на подложку тонкие активные слои, при этом указанные активные слои не сегментированы; и
по меньшей мере один статический преобразователь, связанный с каждым фотогальваническим элементом, при этом
каждый фотогальванический элемент выдает электрическую мощность с максимальным током (Icc) и номинальным напряжением (Vp), а
каждый статический преобразователь выполнен с возможностью передачи электрической мощности, производимой фотогальваническим элементом, на нагрузку, понижая передаваемый ток и повышая передаваемое напряжение,
при этом активные слои фото гальванического элемента покрывают более 95% площади подложки, и указанный фотогальванический элемент способен выдавать ток, достигающий 150 A при номинальном напряжении ниже 1 В.

2. Фотогальваническое устройство по п.1, в котором статический преобразователь является преобразователем постоянного тока в постоянный (DC/DC) и/или преобразователем постоянного тока в переменный (DC/AC).

3. Фотогальваническое устройство по п.1 или 2, в котором статический преобразователь связан с электроникой управления, выполненной с возможностью контроля уменьшения передаваемого тока и повышения передаваемого напряжения.

4. Фотогальваническое устройство по п. 3, в котором электроника управления выполнена с возможностью установления связи с нагрузкой.

5. Фотогальваническое устройство по п.3, в котором электроника управления, связанная со статическим преобразователем, содержит привод поиска максимальной рабочей точки (МРРТ).

6. Фотогальваническое устройство по п.5, в котором электроника управления выполнена с возможностью установления связи с нагрузкой (100).

7. Фотогальваническое устройство по п.1 или 2, содержащее множество статических преобразователей (50), установленных последовательно между каждым фотогальваническим элементом (60) и нагрузкой (100).

8. Фотогальваническое устройство по п.1 или 2, содержащее единственный фотогальванический элемент (60).

9. Фотогальваническое устройство по п.1 или 2, содержащее множество фотогальванических элементов (60), соединенных параллельно с нагрузкой (100), каждый по меньшей мере через один статический преобразователь (50).

10. Фотогальванический генератор, содержащий множество фотогальванических устройств, соединенных последовательно и/или параллельно, при этом каждое фотогальваническое устройство из указанного множества устройств выполнено по п.1.

11. Генератор по п.10, в котором статический преобразователь по меньшей мере одного фотогальванического устройства является преобразователем постоянного тока в постоянный (DC/DC) и/или преобразователем постоянного тока в переменный (DC/AC).

12. Генератор по п.10 или 11, в котором статический преобразователь по меньшей мере одного фотогальванического устройства связан с электроникой управления, выполненной с возможностью контроля уменьшения передаваемого тока и повышения передаваемого напряжения.

13. Генератор по п.12, в котором электроника управления выполнена с возможностью установления связи с нагрузкой.

14. Генератор по п.12, в котором электроника управления, связанная со статическим преобразователем, содержит привод поиска максимальной рабочей точки (МРРТ).

15. Генератор по п.14, в котором электроника управления выполнена с возможностью установления связи с нагрузкой.

16. Генератор по п.10 или 11, в котором по меньшей мере одно фотогальваническое устройство содержит множество статических преобразователей, установленных последовательно между каждым фотогальваническим элементом и нагрузкой.

17. Генератор по п.10 или 11, в котором по меньшей мере одно фото гальваническое устройство содержит единственный фотогальванический элемент.

18. Генератор по п.10 или 11, в котором по меньшей мере одно фотогальваническое устройство содержит множество фотогальванических элементов, соединенных параллельно с нагрузкой, каждый по меньшей мере через один статический преобразователь.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам и устройствам для измерения углов в машиностроении, а также к приборам навигации космических аппаратов. Способ повышения разрешающей способности измерения угловых координат светящегося ориентира по величинам сигналов и порядковым номерам фоточувствительных элементов, расположенных симметрично с заданным угловым шагом относительно некоторой оси, заключается в увеличении скорости изменения сигнала по углу указанных фоточувствительных элементов.

В настоящем изобретении предложены оконные жалюзи для сбора солнечной энергии с регулируемым положением. В оконных жалюзи используются солнечный датчик и амперметр для определения зависимости между углом падения солнечного света и оптимальным расположением солнечного датчика.

Фотогальваническое устройство, содержащее: набор по меньшей мере из двух фотогальванических элементов (160, 260), промежуточный листовой материал (300), расположенный между каждым фотогальваническим элементом, при этом каждый фотогальванический элемент содержит: два токовых вывода (185, 185'), по меньшей мере один фотогальванический переход (150, 250), токосъемную шину (180, 180'), и соединительные полосы (190, 190'), которые проходят от токосъемной шины до токовых выводов, при этом все токовые выводы расположены с одной стороны.

Раскрыт модуль солнечной батареи, в котором расположены поочередным образом: первый солнечный элемент, содержащий подложку первого типа проводимости, имеющую светоприемную поверхность и несветоприемную поверхность и электроды взаимно противоположной полярности, соответственно сформированные на светоприемной и несветоприемной поверхностях, и второй солнечный элемент, содержащий подложку второго типа проводимости, имеющую светоприемную поверхность и несветоприемную поверхность и электроды взаимно противоположной полярности, соответственно сформированные на светоприемной и несветоприемной поверхностях, при этом солнечные элементы отрегулированы во время изготовления таким образом, что разность в плотности тока короткого замыкания между первым и вторым солнечными элементами составляет вплоть до 20%.

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к гибким фотоэлектрическим модулям, которые могут быть использованы в качестве элементов промышленного и строительного дизайна, подвергающихся упругой деформации в продольном и/или поперечном направлении (кручение или изгиб, в качестве элементов электропитания дирижаблей, аэростатов, беспилотных летательных аппаратов и т.п.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования светового излучения в электрическую энергию, и может быть использовано при создании и производстве малоразмерных космических аппаратов с солнечными батареями (СБ).

Изобретение относится к полимерному фотоэлектрическому модулю, выполненному на основе допированной пленки проводящего полимера полианилина. Модуль характеризуется тем, что полианилин допирован гетерополианионным комплексом 2-18 ряда, имеющим химическую формулу [P2W18O62]6-.

Использование: для реализации панелей солнечных генераторов с целью обеспечения питания электрической энергией космических аппаратов, в частности спутников. Сущность изобретения заключается в том, что каждый фотогальванический элемент решетки крепят на подложке при помощи мягкого самоклеящегося и легко отсоединяемого устройства крепления, при этом заднюю сторону каждой ячейки и переднюю сторону подложки покрывают слоем, улучшающим их свойства теплового излучения.

Настоящее изобретение относится к области кремниевых многопереходных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечных батарей. Конструкция «наклонного» кремниевого монокристаллического многопереходного (МП) фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) согласно изобретению содержит диодные ячейки (ДЯ) с n+-p--p+ (р+-n--n+) переходами, параллельными горизонтальной светопринимающей поверхности, диодные ячейки содержат n+(p+) и р+(n+) области n+-p--p+(p+-n--n+) переходов, через которые они соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными на поверхности n+(p+) и p+(n+) областей с образованием соответствующих омических контактов - соединений, при этом, что n+(p+) и p+(n+) области и соответствующие им катодные и анодные электроды расположены под углом в диапазоне 30-60 градусов к светопринимающей поверхности, металлические катодные и анодные электроды расположены на их поверхности частично, а частично расположены на поверхности оптически прозрачного диэлектрика, расположенного на поверхности n+(p+) и p+(n+) областей, при этом они с металлическими электродами и оптически прозрачным диэлектриком образуют оптический рефлектор.

Согласно изобретению предложенный генератор (100) на солнечной энергии содержит термоэлектрические элементы, примыкающие к солнечным элементам и расположенные ниже солнечных элементов.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным энергетическим модулям для получения электричества и тепла. Техническим результатом является повышение эффективности преобразования солнечной энергии, снижение удельных затрат на получение электроэнергии и тепла. В гибридном фотоэлектрическом модуле, содержащем защитное стеклянное покрытие, соединенные солнечные элементы, размещенные между стеклом и корпусом с теплообменником, солнечные элементы электроизолированы от теплообменника, пространство между солнечными элементами и теплообменником, а также между стеклянным покрытием и теплообменником заполнено слоем силоксанового геля толщиной 0,5-5 мм, защитное стеклянное покрытие выполнено в виде вакуумированного стеклопакета из двух стекол с вакуумным зазором 0,1-0,2 мм с вакуумом 10-3-10-5 мм рт.ст. Теплообменник выполнен в виде герметичной камеры с патрубками для циркуляции теплоносителя, а общая площадь соединенных солнечных элементов соизмерима с площадью верхнего основания корпуса теплообменника. В гибридном фотоэлектрическом модуле цепочки из последовательно соединенных солнечных элементов могут быть соединены электрически параллельно при помощи коммутационных шин. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к новым редокс парам для применения в сенсибилизированных красителем солнечных элементах СКСЭ. Редокс-пары образованы по общей формуле (производное бипиридина)nMe(Ion)m, где производное бипиридина есть: где R1, R2, R3 - любой заместитель из ряда метил, этил, пропил, бутил, пентил, гексил, Me - металл из ряда Cr, Mo, Nd, Ni, Pd, Pt, Ir, Co, Rh, Cu, W, Mn, Та, Fe, Ru, Ion - противоион - любой анион из ряда ClO4 -, Cl-, I-, BF4 -, PF6 -, CF3SO3 -, n, m - соответствуют валентности иона металла. Также предложены новые редокс-пары (вариант) и электролит для применения в СКСЭ. Новые редокс-пары применяются в СКСЭ и обладают наинизшими редокс-уровнями для повышения напряжения холостого хода. 3 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 3 пр.

Устройство относится к области электротехники. Техническим результатом является повышение прочности. Зажимное соединение (1) для закрепления на направляющих балках (8) пластинообразных конструктивных элементов (13), в частности солнечных модулей, состоит из опоры (2), имеющей ориентированную в продольном направлении зажимного соединения (1) упорную балку (4) с боковыми крыловидными планками (5, 6) с поверхностями (10, 11) прилегания для конструктивных элементов (13), а также предусмотренную на нижней стороне пяту (7) для крепления опоры (2) на балке (8), а также - из зажимной крышки (3) с продольным пазом (9), охватывающим верхнюю часть упорной балки (4), и с покрывающими поверхности (10, 11) прилегания опоры (2) зажимными поверхностями (13, 14) и с удерживающим соединением (25, 28, 29) для фиксации зажимной крышки (3) на опоре (2), причем балка (8) имеет направляющие пазы с выступающими внутрь паза краями (34), и пята (7), выполненная Т-образной, своей поперечиной (36) вставлена в направляющий паз и после поворота на 90° зацепляется позади выступающих краев (34). Опора (2) имеет проход (24), по центру которого расположена пружинная шайба (31), которая с силовым замыканием захватывает вдавленный, соединенный с зажимной крышкой (3) удерживающий штифт (30) и тем самым фиксирует зажимную крышку (3) на опоре (2). 25 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области солнечной энергетики. Устройство для преобразования солнечной энергии содержит, по крайней мере, одну пару подложек, каждая из которых выполнена в виде полосы, при этом, по крайней мере, одна из полос выполнена профилированной с периодически повторяющимся профилем, образующим полости траншейного типа, и установлена с возможностью соединения своей лицевой поверхностью с тыльной поверхностью второй полосы, при этом полосы выполнены из материала, обеспечивающего возможность формирования их профилированными посредством изгибания, полоса, выполненная профилированной с периодически повторяющимся профилем, образующим полости траншейного типа, установлена с возможностью соединения своей лицевой поверхностью с тыльной поверхностью второй полосы и образования их профилями, по крайней мере, одного ряда траншей, а из полос одной пары - гибкого устройства для преобразования солнечной энергии, профили, по крайней мере, одного ряда траншей выполнены с возможностью образования части окружности, и/или части гиперболы, и/или части параболы, и/или траншеи с плоским, выпуклым или вогнутым дном и наклонными расширяющимися боковыми стенками, при этом все траншеи выполнены с направленными наружу перпендикулярными или наклонными относительно воображаемой плоскости, наложенной на края соответствующей траншеи первой полосы, бортами по контуру соответствующей траншеи, причем траншеи выполнены с нанесенным на их рабочую поверхность фотоприемным слоем, а борты траншей - с нанесенным на их поверхность фотоприемным слоем или отражающим покрытием. Изобретение обеспечивает повышение КПД посредством увеличения коэффициента поглощения фотоприемного слоя за счет увеличения количества переотражений отраженного от фотоприемного слоя излучения внутри трехмерной структуры траншейного типа, снижения зависимости коэффициента поглощения от угла падения солнечного излучения при упрощении технологии изготовления, снижении веса и снижения зависимости коэффициента поглощения от угла падения солнечного излучения при упрощении технологии изготовления. 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к композиционным материалам, используемым в сверхлегких каркасах солнечных батарей и элементов конструкций космических аппаратов, и касается трехслойной панели. Состоит из обшивок и расположенного между ними каркаса, соединенных между собой. Каркас представляет собой ячеистый заполнитель в виде плоских элементов, образующих ячейки треугольной, прямоугольной или квадратной формы. В одной или обеих обшивках выполнены вырезы, повторяющие форму ячеек. Изобретение обеспечивает создание трехслойной панели, обладающей требуемой прочностью и жесткостью при минимально возможной массе. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение обеспечивает фотогальваническое устройство и способ изготовления такого устройства. Фотогальваническое устройство согласно изобретению включает в себя комбинацию полупроводниковых структур и защитный слой. Комбинация полупроводниковых структур имеет множество сторон и включает в себя p-n-переход, n-p-переход, p-i-n-переход, n-i-p-переход, тандемный переход или мульти-переход. В частности, защитный слой сформирован для покрытия сторон комбинации полупроводниковых структур. Благодаря этому защитный слой может эффективно подавлять эффект вызванной высоким потенциалом деградации фотогальванического устройства согласно изобретению, что повышает надежность фотогальванического устройства. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 13 ил., 1 табл.

Изобретение относится к электротехнике альтернативных источников энергии, в частности к устройствам для генерирования электрической и тепловой энергии путем преобразования энергии светового излучения, и предназначено для использования в конструкциях солнечных панелей. Сущность изобретения состоит в следующем. Несущая сотовая панель солнечной батареи состоит из двух тонкостенных листов с прямыми продольными ребрами между ними, образующими соты, и содержит упрочняющие буртики по краям. Соединенные с помощью металлических шин фотоэлектрические преобразователи закреплены на одном из двух листов несущей сотовой панели, который является подложечным и содержит перфорацию, вскрывающую большую часть тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей, для обеспечения прямого теплового контакта фотоэлектрических преобразователей с теплоносителем в этой части. Неперфорированная часть подложечного листа несущей сотовой панели перекрывает все промежутки как между отдельными фотоэлектрическими преобразователями, так и между фотоэлектрическими преобразователями и буртиками. Другой лист несущей сотовой панели защищен с внешней стороны теплоизоляционной подошвой. Со стороны фоточувствительной поверхности фотоэлектрических преобразователей расположена светопропускающая пластина, прикрепленная герметичным соединением к буртикам, причем между фотоэлектрическими преобразователями и светопропускающей пластиной создан газовый или вакуумный зазор. Изобретение обеспечивает повышение общего теплового и электрического КПД солнечной батареи. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

Группа изобретений относится к области медицины. Искусственная сетчатка представляет собой матрицу сенселей, каждый из которых содержит светочувствительный элемент в виде фотодиода и электрод. При этом матрица сенселей представляет собой матрицу с мозаичными светофильтрами и включает в себя центральную и периферийную области. В центральной области матрицы расположены сенсели меньшего размера или сенсели меньшего размера с расположенными между ними сенселями большего размера при соотношении не более одного сенселя большего размера к шести сенселям меньшего размера. В периферийной области матрицы расположены сенсели большего размера или сенсели большего размера с расположенными между ними сенселями меньшего размера при соотношении не более одного сенселя меньшего размера к шести сенселям большего размера. На сенсели меньшего размера нанесены светофильтры красного, зеленого и синего цветов. Бионический глаз содержит искусственное стекловидное тело из прозрачного геля и последовательно установленные в нем искусственные роговицу, радужку, представляющую собой фотохромную полимерную пленку или фотохромное стекло с отверстием в центре, хрусталик и сетчатку с электродами, расположенную в фокальной плоскости хрусталика. Применение данной группы изобретений позволит улучшить цветопередачу и детализацию, сохранит высокую скорость передачи изобразительных сигналов, а также позволит уменьшить размер бионического глаза. 2 н. и 7 з.п.ф-лы, 1 пр., 5 ил.

Изобретение относится к области фотогальванических устройств, в частности тонкопленочных композитных материалов, пригодных для изготовления гибких высокоэффективных преобразователей солнечной энергии, и касается нанокристаллических слоев на основе диоксида титана с низкой температурой отжига для применения в сенсибилизированных красителем солнечных элементах и способов их получения. Указанные материалы содержат прозрачную подложку с прозрачным проводящим слоем и нанесенную на указанную подложку пленку, содержащую сенсибилизированные красителями кристаллические наночастицы оксида металла, в особенности диоксида титана, и полимерное связующее (полилинкер), образованное продуктами поликонденсации титанорганических соединений - алкоголятов титана. Последние могут представлять собой алкоголяты с хелатирующим органическим заместителем, алкоголяты с варьируемыми при гидролизе структурными свойствами и смеси указанных алкоголятов в различных соотношениях; и/или продукты частичного гидролиза указанных алкоголятов. Предложены также жидкий предшественник указанного полилинкера и способ получения последнего, включающий стадию контролируемого гидролиза алкоголятов титана. Также описан способ нанесения пленки на подложку, используемый для получения указанного тонкопленочного композитного материала, где применяется указанный жидкий предшественник полилинкера. Изобретение позволяет осуществить контролируемый гидролиз алкоголятов в качестве промежуточных связующих в различных условиях и реализовать эффективный способ получения тонкопленочного наноструктурированного электродного материала с оптимальными фотоэлектронными, механическими и связующими свойствами. 5 н. и 51 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области создания детекторов излучения и касается фотоприемника ик-излучения с диафрагмой. Фотоприемник содержит держатель, фоточувствительный элемент, приклеенный на растре, и диафрагму. Диафрагма состоит из средней конусной детали, крышки, дискового основания и экрана, выполняющего функцию защиты от паразитного излучения. Детали диафрагмы соединены сваркой и криостойким клеем. Диафрагма присоединена к растру криостойким клеем. Детали диафрагмы получают выдавливанием на пресс-форме. Внешние поверхности деталей зеркально полируют, проводят матирование и утоньшение внутренних стенок. Внутренние поверхности деталей подвергают электрохимическому чернению. Среднюю конусную деталь и крышку сваривают между собой, а экран приклеивают к боковой поверхности конусной детали. Технический результат заключается в уменьшении влияния паразитного излучения, уменьшении тепловой массы и увеличении скорости охлаждения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.
Наверх