Ãîòîâîå ðåøåíèå: ñîëíå÷íûå ýëåêòðîñòàíöèè íà áàçå èíâåðòîðîâ ñåðèè ECO
20.07.2021
Áîëåå ÷åì çà ïîëâåêà ó÷åíûå ïåðåïðîáîâàëè îãðîìíîå êîëè÷åñòâî ðàçëè÷íûõ âàðèàíòîâ è ñïîñîáîâ äîáû÷è è èñïîëüçîâàíèÿ ñîëíå÷íîé ýíåðãèè. Äîðîãèå è ìàëîýôôåêòèâíûå òåõíîëîãèè óñòóïàëè ìåñòî ïðèâëåêàòåëüíûì è äåøåâûì ðàçðàáîòêàì, êîòîðûå íå ïðåêðàùàþò ñîâåðøåíñòâîâàòüñÿ íà ïðîòÿæåíèè ìíîãèõ ëåò. Îäíàêî ïîñòåïåííîå óäåøåâëåíèå óñòàíîâîê äåëàåò ýíåðãèþ ñîëíöà âñå áîëåå ïðèâëåêàòåëüíîé.
Áåëîðóññêèå ó÷åíûå – äîêòîð òåõíè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð Áåëîðóññêîãî íàöèîíàëüíîãî òåõíè÷åñêîãî óíèâåðñèòåòà Â.À. Ñû÷èê, äîêòîð òåõíè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð Áåëîðóññêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî àãðàðíîãî òåõíè÷åñêîãî óíèâåðñèòåòà Â.È. Ðóñàí è êàíäèäàò íàóê, äîöåíò ÁÍÒÓ Í.Í. Óëàñþê ïðåäëàãàþò âíèìàíèþ ðàçðàáîòàííóþ êîíñòðóêöèþ ïðåîáðàçîâàíèÿ ñîëíå÷íîé ýíåðãèè â ýëåêòðè÷åñêóþ íà ïîëóïðîâîäíèêîâûõ p-n ñòðóêòóðàõ.
Äëÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ ñîëíå÷íîé ýíåðãèè â ýëåêòðè÷åñêóþ èñïîëüçóþòñÿ óñòðîéñòâà, ñîäåðæàùèå îïòè÷åñêèé óñèëèòåëü â ôîðìå ëèíçû Ôðåíåëÿ è ôîòîýëåêòðè÷åñêèé ýëåìåíò, ïðåäñòàâëÿþùèé ñòðóêòóðó â âèäå äâóõ ãåòåðîäèîäîâ, ãîìîïåðåõîäà è òóííåëüíîãî äèîäà.
Íåäîñòàòêàìè òàêîãî òèïà ïðåîáðàçîâàòåëåé ñîëíå÷íîé ýíåðãèè ÿâëÿþòñÿ íåâûñîêàÿ âûõîäíàÿ ìîùíîñòü, óçêèé ÷àñòîòíûé ñïåêòð îïòè÷åñêîé ýíåðãèè.
Íàìè ðàçðàáîòàíà êîíñòðóêöèÿ óñòðîéñòâà ïðåîáðàçîâàíèÿ ñîëíå÷íîé ýíåðãèè â ýëåêòðè÷åñêóþ (ÓÏÑÝ) íà ïîëóïðîâîäíèêîâûõ p-n ñòðóêòóðàõ, â êîòîðîì ñóùåñòâåííî óëó÷øåíû óêàçàííûå ïàðàìåòðû.
Êîíñòðóêòèâíî ÓÏÑÝ ñîñòîèò èç ïîëóïðîâîäíèêîâîé ð+-i-n-ð-p+ ôîòî÷óâñòâèòåëüíîé ñòðóêòóðû, âêëþ÷àþùåé i -ñëîé øèðîêîçîííîãî ïîëóïðîâîäíèêà, n-ñëîé øèðîêîçîííîãî ïîëóïðîâîäíèêà è ð –ñëîé òîãî æå øèðîêîçîííîãî ïîëóïðîâîäíèêà. Íà ð-ñëîå øèðîêîçîííîãî ïîëóïðîâîäíèêà ñôîðìèðîâàí ð+-ñëîé , êîòîðûé ðàçìåùåí íà ìåòàëëè÷åñêîì îñíîâàíèè è ÿâëÿåòñÿ îìè÷åñêèì êîíòàêòîì ê ýòîìó îñíîâàíèþ. Íà i-ñëîå øèðîêîçîííîãî ïîëóïðîâîäíèêà ñôîðìèðîâàí ñèëüíîëåãèðîâàííûé ð+-ñëîé, íà êîòîðîì ðàçìåùåí ïðîâîäÿùèé ñëîé èç ïðîçðà÷íîãî ìàòåðèàëà, îäíîâðåìåííî ÿâëÿþùèéñÿ ïðîñâåòëÿþùèì ñëîåì. Íà ïðîâîäÿùèé ñëîé, ÿâëÿþùèéñÿ îìè÷åñêèì êîíòàêòîì ê ð+-ñëîþ, íàíåñåíû âíåøíèå ìåòàëëè÷åñêèå âûâîäû.
Ïðè âîçäåéñòâèè êâàíòîâ ñâåòà íà ðàáî÷óþ ïîâåðõíîñòü ôîòî÷óâñòâèòåëüíîé ñòðóêòóðû ÓÏÑÝ ñî ñòîðîíû ýëåêòðîïðîâîäÿùåãî ïðîñâåòëÿþùåãî ñëîÿ ôîòîíû ñ ýíåðãèÿìè Åv ≥ ÅÄ, ãäå ÅÄ øèðèíà çàïðåù¸ííîé çîíû øèðîêîçîííîãî ïîëóïðîâîäíèêà, ïðîõîäÿò ïðîñâåòëÿþùèé ñëîé, ð+-ñëîé øèðîêîçîííîãî ïîëóïðîâîäíèêà è äîñòèãàþò i-ñëîé ñîáñòâåííîé ïðîâîäèìîñòè, â êîòîðîì ñîçäàþò èçáûòî÷íóþ êîíöåíòðàöèþ íîñèòåëåé. Èçáûòî÷íàÿ êîíöåíòðàöèÿ ôîòîãåíåðèðîâàííûõ ýëåêòðîíîâ è äûðîê â i-ñëîå îïðåäåëÿåòñÿ èç çàâèñèìîñòè
ãäå β - êâàíòîâûé âûõîä, η - êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ ñâåòà â i-ñëîå, Iv -èíòåíñèâíîñòü ñâåòà, τn , τp - âðåìÿ æèçíè èçáûòî÷íûõ ýëåêòðîíîâ è äûðîê. Ôîòîãåíåðèðîâàííûå äûðêè ðàçäåëÿþòñÿ ïîëåì âòîðîãî i-n ïåðåõîäà ôîòî÷óâñòâèòåëüíîé ñòðóêòóðû è äâèæóòñÿ ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ïåðâîãî ð+ - i ïåðåõîäà ê îìè÷åñêîìó êîíòàêòó, à ôîòîãåíåðèðîâàííûå ýëåêòðîíû â i-ñëîå äâèæóòñÿ ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ âòîðîãî i-n ïåðåõîäà ÷åðåç n-ñëîé ê òðåòüåìó n-p ïåðåõîäó ôîòî÷óâñòâèòåëüíîé ñòðóêòóðû ÓÏÑÝ.
Âñëåäñòâèå ðàçäåëåíèÿ çàðÿäîâ íà ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèí¸ííûõ ð+-i è i-n ïåðåõîäàõ âîçíèêàåò ñóììàðíàå ôîòî ÝÄÑ Ud, ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå êîòîðîé ïðè õîëîñòîì õîäå
è òå÷¸ò òîê ÷åðåç i-n ïåðåõîä, îáóñëîâëåííûé îïòè÷åñêè ãåíåðèðîâàííûìè ýëåêòðîíàìè è äûðêàìè
Çäåñü Iô. - ìàêñèìàëüíàÿ ïëîòíîñòü ôîòîòîêà, ñîîòâåòñòâóþùàÿ äàííîé îñâåùåííîñòè; Is - òîê íàñûùåíèÿ n-p ïåðåõîäà.
 îáùåì ñëó÷àå ïðè çàäàííîé èíòåíñèâíîñòè ñâåòà ôîòîòîê, îáóñëîâëåííûé èçáûòî÷íûìè íîñèòåëÿìè çàðÿäà ñ êîíöåíòðàöèÿìè Δn è Δp, îïðåäåëÿåòñÿ âûðàæåíèåì:
Íàïðÿæåíèå Ud ïðÿìîé ïîëÿðíîñòè è ãðàäèåíò êîíöåíòðàöèè íîñèòåëåé â n-ñëîå øèðîêîçîííîãî ïîëóïðîâîäíèêà îáåñïå÷èâàåò èíæåêöèþ ýëåêòðîíîâ èç n-ñëîÿ ÷åðåç òðåòèé ðåçêèé n-p ïåðåõîä â p-ñëîé ïðè÷åì ïëîòíîñòü òîêà ÷åðåç íåãî ïðè ïîñëåäîâàòåëüíîì ñîåäèíåíèè âñåõ òðåõ ïåðåõîäîâ ôîòî÷óâñòâèòåëüíîé ñòðóêòóðû îäèíàêîâà è ðàâíà çíà÷åíèþ òîêà Ià. Âåëè÷èíà ôîòî ÝÄÑ îïðåäåëÿåòñÿ ñóììàðíîé âûñîòîé ïîòåíöèàëüíûõ áàðüåðîâ ïåðâîãî ð+-i è âòîðîãî i-n ïåðåõîäîâ è ñîñòàâëÿåò âåëè÷èíó (0,8÷1,0) Â.
Ñîçäàíî ýêñïåðèìåíòàëüíîå óñòðîéñòâî – ïîëóïðîâîäíèêîâûé ïðåîáðàçîâàòåëü ñîëíå÷íîé ýíåðãèè â ýëåêòðè÷åñêóþ ðàçìåðîì 48 õ 48 ìì, êîòîðûé ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ êàê ýëåìåíò-ìîäóëü ñîëíå÷íîé ýëåêòðîñòàíöèè. Óñòðîéñòâî âûïîëíåíî ñòðóêòóðîé ð+-i Si ðåçêèé ïåðåõîä n-p Si ðåçêèé ïåðåõîä ñ îìè÷åñêèìè êîíòàêòàìè èç ñâåòîïðîâîäÿùåãî ïðîçðà÷íîãî îêèñëà îëîâà.
Ýêñïåðèìåíòàëüíûé ïîëóïðîâîäíèêîâûé ïðåîáðàçîâàòåëü ñîëíå÷íîé ýíåðãèè ðàçìåðîì ïîëåçíîé ïëîùàäè 48 õ 48 ìì ïðè èíòåíñèâíîñòè ñîëíå÷íîãî èçëó÷åíèÿ ÐΣ = 65 ìÂò/ñì2 ïîçâîëÿåò ïîëó÷àòü ðàáî÷èé òîê I = 0,32 À, ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå 0,9 Â, ïîëåçíóþ âûõîäíóþ ìîùíîñòü Ðâûõ = 0,3 Âò . Ðàáî÷àÿ òåìïåðàòóðà Òð=200Ñ, ðàñ÷¸òíàÿ íàä¸æíîñòü áåçîòêàçíîé ðàáîòû ÓÏÑÝ ñîñòàâëÿåò 105 ÷àñîâ. Äëÿ ïðîòîòèïà àíàëîãè÷íûõ ðàçìåðîâ ýòè ïàðàìåòðû ñîîòâåòñòâåííî ñîñòàâëÿþò: I = 0,21 À, ÐÂÜ1Õ = 0,15 Âò, Òð=250Ñ è íàä¸æíîñòü ðàáîòû íå âûøå 2-104 ÷àñîâ.
Íà áàçå ñîçäàííîãî óñòðîéñòâà ïðåîáðàçîâàíèÿ ñîëíå÷íîé ýíåðãèè (ÓÏÑÝ) ïðè èñïîëüçîâàíèè ìàòðèöû ýëåìåíòîâ ìîæåò áûòü èçãîòîâëåíà ñîëíå÷íàÿ áàòàðåÿ ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè áîëüøèõ ìîùíîñòåé, èñïîëüçóåìàÿ êàê àâòîíîìíûé èñòî÷íèê ýëåêòðîýíåðãèè â ñòàöèîíàðíûõ, ïîäâèæíûõ è êîñìè÷åñêèõ îáúåêòàõ.
Òåõíîëîãèè 08.04.2024
Òåõíîëîãèè 12.02.2024
Àíàëèòèêà 02.12.2021
Òåõíîëîãèè 31.07.2019
×òîáû îñòàâèòü êîììåíòàðèé èëè âûñòàâèòü ðåéòèíã, íóæíî Âîéòè èëè Çàðåãèñòðèðîâàòüñÿ
×èòàéòå òàêæå