Мощность солнечной батареи усиливает полупроводниковый преобразователь

Мощность солнечной батареи усиливает полупроводниковый преобразователь

Более чем за полвека ученые перепробовали огромное количество различных вариантов и способов добычи и использования солнечной энергии. Дорогие и малоэффективные технологии уступали место привлекательным и дешевым разработкам, которые не прекращают совершенствоваться на протяжении многих лет. Однако постепенное удешевление установок делает энергию солнца все более привлекательной.

Белорусские ученые – доктор технических наук, профессор Белорусского национального технического университета В.А. Сычик, доктор технических наук, профессор Белорусского государственного аграрного технического университета В.И. Русан и кандидат наук, доцент БНТУ Н.Н. Уласюк предлагают вниманию разработанную конструкцию преобразования солнечной энергии в электрическую на полупроводниковых p-n структурах.

Для преобразования солнечной энергии в электрическую используются устройства, содержащие оптический усилитель в форме линзы Френеля и фотоэлектрический элемент, представляющий структуру в виде двух гетеродиодов, гомоперехода и туннельного диода.

Недостатками такого типа преобразователей солнечной энергии являются невысокая выходная мощность, узкий частотный спектр оптической энергии.

Нами разработана конструкция устройства преобразования солнечной энергии в электрическую (УПСЭ) на полупроводниковых p-n структурах, в котором существенно улучшены указанные параметры.

Конструктивно УПСЭ состоит из полупроводниковой р+-i-n-р-p+ фоточувствительной структуры, включающей i -слой широкозонного полупроводника, n-слой широкозонного полупроводника и р –слой того же широкозонного полупроводника. На р-слое широкозонного полупроводника сформирован р+-слой , который размещен на металлическом основании и является омическим контактом к этому основанию. На i-слое широкозонного полупроводника сформирован сильнолегированный р+-слой, на котором размещен проводящий слой из прозрачного материала, одновременно являющийся просветляющим слоем. На проводящий слой, являющийся омическим контактом к р+-слою, нанесены внешние металлические выводы.

При воздействии квантов света на рабочую поверхность фоточувствительной структуры УПСЭ со стороны электропроводящего просветляющего слоя фотоны с энергиями Еv ≥ ЕД, где ЕД ширина запрещённой зоны широкозонного полупроводника, проходят просветляющий слой, р+-слой широкозонного полупроводника и достигают i-слой собственной проводимости, в котором создают избыточную концентрацию носителей. Избыточная концентрация фотогенерированных электронов и дырок в i-слое определяется из зависимости

э6_1.jpg

где β - квантовый выход, η - коэффициент поглощения света в i-слое, Iv -интенсивность света, τn , τp - время жизни избыточных электронов и дырок. Фотогенерированные дырки разделяются полем второго i-n перехода фоточувствительной структуры и движутся под действием электрического поля первого р+ - i перехода к омическому контакту, а фотогенерированные электроны в i-слое движутся под действием электрического поля второго i-n перехода через n-слой к третьему n-p переходу фоточувствительной структуры УПСЭ.

Вследствие разделения зарядов на последовательно соединённых р+-i и i-n переходах возникает суммарнае фото ЭДС Ud, максимальное значение которой при холостом ходе

э6_2.jpg

и течёт ток через i-n переход, обусловленный оптически генерированными электронами и дырками

э6_3.jpg

Здесь Iф. - максимальная плотность фототока, соответствующая данной освещенности; Is - ток насыщения n-p перехода.

В общем случае при заданной интенсивности света фототок, обусловленный избыточными носителями заряда с концентрациями Δn и Δp, определяется выражением:

э6_4.jpg

Напряжение Ud прямой полярности и градиент концентрации носителей в n-слое широкозонного полупроводника обеспечивает инжекцию электронов из n-слоя через третий резкий n-p переход в p-слой причем плотность тока через него при последовательном соединении всех трех переходов фоточувствительной структуры одинакова и равна значению тока Iа. Величина фото ЭДС определяется суммарной высотой потенциальных барьеров первого р+-i и второго i-n переходов и составляет величину (0,8÷1,0) В.

Создано экспериментальное устройство – полупроводниковый преобразователь солнечной энергии в электрическую размером 48 х 48 мм, который может использоваться как элемент-модуль солнечной электростанции. Устройство выполнено структурой р+-i Si резкий переход n-p Si резкий переход с омическими контактами из светопроводящего прозрачного окисла олова.

Экспериментальный полупроводниковый преобразователь солнечной энергии размером полезной площади 48 х 48 мм при интенсивности солнечного излучения РΣ = 65 мВт/см2 позволяет получать рабочий ток I = 0,32 А, рабочее напряжение 0,9 В, полезную выходную мощность Рвых = 0,3 Вт . Рабочая температура Тр=200С, расчётная надёжность безотказной работы УПСЭ составляет 105 часов. Для прототипа аналогичных размеров эти параметры соответственно составляют: I = 0,21 А, РВЬ1Х = 0,15 Вт, Тр=250С и надёжность работы не выше 2-104 часов.

На базе созданного устройства преобразования солнечной энергии (УПСЭ) при использовании матрицы элементов может быть изготовлена солнечная батарея электрической энергии больших мощностей, используемая как автономный источник электроэнергии в стационарных, подвижных и космических объектах.

  • Дата публикации: 08.01.2014
  • 872

Чтобы оставить комментарий или выставить рейтинг, нужно Войти или Зарегистрироваться