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 ≥ Е_Д, где Е_Д 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

где β - квантовый выход, η - коэффициент поглощения света в i-слое, I_v -интенсивность света, τ_n , τ_p - 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

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

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

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

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 I_а. 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 Р_Σ = 65 мВт/см² позволяет получать рабочий ток I = 0,32 А, рабочее напряжение 0,9 В, полезную выходную мощность Р_вых = 0,3 Вт . Рабочая температура Т_р=20⁰С, расчётная надёжность безотказной работы УПСЭ составляет 10⁵ часов. Для прототипа аналогичных размеров эти параметры соответственно составляют: I = 0,21 А, Р_ВЬ1Х = 0,15 Вт, Т_р=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.