Полупроводниковый преобразователь солнечной энергии

Номер патента: 18230

Опубликовано: 30.06.2014

Авторы: Латышев Сергей Викторович, Сычик Василий Андреевич

Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ(71) Заявитель Сычик Василий Андреевич(72) Авторы Сычик Василий Андреевич Латышев Сергей Викторович(73) Патентообладатель Сычик Василий Андреевич(57) Полупроводниковый преобразователь солнечной энергии, содержащий фоточувствительную структуру из широкозонного полупроводника, в которой на сформированный на -слое-слой структуры, выполненный толщиной (0,30,5), гдедиффузионная длина носителей заряда, нанесен проводящий просветляющий оптически прозрачный слой, на котором по периметру сформирован внешний металлический вывод,-слой структуры выполнен толщиной (0,70,9), -слой структуры выполнен толщиной(0,80,9), -слой структуры выполнен толщиной (0,81,0), а сформированный на-слое -слой структуры выполнен толщиной (0,10,4) для обеспечения омического контакта с металлическим основанием. Изобретение относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам с потенциальным барьером, в частности к устройствам преобразования солнечной энергии в электрическую, и может быть использовано в электронно-оптических и космических системах в качестве автономных источников электроэнергии. 18230 1 2014.06.30 Известен полупроводниковый преобразователь солнечной энергии 1, фотопреобразователь которого конструктивно размещен в полой камере, заполненной активной средой,и отделен от излучателя стенкой полой камеры, прозрачной для потока электромагнитной энергии. Однако такой преобразователь солнечной энергии обладает сложной конструкцией, невысоким рабочим напряжением и недостаточно высокой стабильностью работы. В 2 представлен преобразователь солнечной энергии, на основании внутреннего объема которого в форме конуса расположены линза Френеля и отражательный элемент. В отверстии внутреннего объема расположен фотоэлектрический элемент, представляющий структуру в виде двух гетеропереходов, гомоперехода и туннельного диода. Этот преобразователь солнечной энергии обладает малыми рабочими токами, низким КПД и сложной конструкцией. Прототипом предлагаемого изобретения является полупроводниковый преобразователь солнечной энергии 3, который содержит фоточувствительную структуру типа, включающую два последовательно соединенных - и перехода из широкозонного полдупроводника, просветляющий слой и омические контакты. Недостатки прототипа а) сложная структура преобразователя, представляющая решетчатую форму -фоточувствительного элемента, изготовление которой потребует ряда дополнительных технологических операций б) невысокая рабочая температура, поскольку в структуре преобразователя нет внутренней системы охлаждения. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, снижение рабочей температуры с одновременным повышением стабильности работы устройства. Поставленная задача решается в полупроводниковом преобразователе солнечной энергии, содержащем фоточувствительную структуру из широкозонного полупроводника, в которой на сформированный на -слое -слой структуры, выполненный толщиной (0,30,5), где- диффузионная длина носителей заряда, нанесен проводящий просветляющий оптически прозрачный слой, на котором по периметру сформирован внешний металлический вывод, -слой структуры выполнен толщиной (0,70,9),-слой структуры выполнен толщиной (0,80,9), -слой структуры выполнен толщиной (0,81,0), а сформированный на -слое -слой структуры выполнен толщиной(0,10,4) для обеспечения омического контакта с металлическим основанием. Сущность изобретения поясняют фигуры, где на фиг. 1 изображена конструкция полупроводникового преобразователя солнечной энергии (ППСЭ), а на фиг. 2 - его зонная диаграмма. Конструктивно ППСЭ состоит из полупроводниковой фоточувствительной структуры, включающей -слой 1 широкозонного полупроводника, -слой 2 широкозонного полупроводника и -слой 3 также широкозонного полупроводника. На -слое 3 широкозонного полупроводника сформирован -слой 4, который размещен на металлическом основании 5 и является омическим контактом к этому основанию. На -слое 1 широкозонного полупроводника сформирован сильнолегированный -слой 6, на котором размещен проводящий слой 7 из прозрачного материала, одновременно являющийся просветляющим слоем. На проводящий слой 7, являющийся омическим контактом к -слою 6 широкозонного полупроводника, нанесены внешние металлические выводы 8. переход, изготавливается из широкозонного полупроводника, обладающего высокой подвижностью носителей, большой диффузионной длиной носителей заряда, низкой концентрацией собственных носителей и возможностью создавать в его объеме сильнолегированные слои, например, из кремния или арсенида галлия. В нем под воздействием солнечного излучения генерируются пары электрон-дырка. Ширина -слоя 1 определяется максимумом генерации носителей заряда и минимумом потерь электронов, достигающих 2 18230 1 2014.06.30 второго перехода, где происходит разделение носителей заряда, то есть фотоэлектроны дрейфуют в -область, а дырки диффундируют к -слою широкозонного полупроводника. Его ширина зависит от диффузионной длины фотогенерированных носителей зарядаи составляет величину (0,70,9). -слой 2 широкозонного полупроводника легирован донорной примесью с концентрацией (10161019) см-3, его толщина обусловливается максимальным переносом инжектированных -слоем электронов к третьему переходу и снижением энергии этих электронов до энергии свободных электронов в -слое 2 широкозонного полупроводника. Как показали результаты эксперимента, толщина -слоя 2 широкозонного полупроводника составляет (0,70,9). -слой 3 широкозонного полупроводника, составляющий с -слоем 2 резкий переход, легирован акцепторной примесью с концентрацией (10161019) см-3. Его толщина определяется переносом экстрагирующих из -слоя 2 носителей заряда и поглощением в нем экстрагированными электронами тепловой энергии решетки. Как показали результаты эксперимента, толщина-слоя 3 широкозонного полупроводника составляет (0,80,9) . Сильнолегированный-слой 4 широкозонного полупроводника сформирован на -слое 3 путем введения акцепторной примеси с высокой концентрацией 10 2010 21 см-3, обладает малым электросопротивлением и обеспечивает омический контакт с металлическим основанием 5. Его толщина составляет (0,10,4). Аналогичной концентрацией легирующей примеси обладает сильнолегированный -слой 6 широкозонного полупроводника, размещенный на -слое 1, однако его толщина составляет (0,30,5). Омическим контактом к -слою 6 является проводящий слой 7, выполненный из прозрачного материала, например окиси олова, окиси индия, который одновременно является просветляющим слоем. Он формируется толщиной 2-3 мкм. С помощью электропроводящего клея к нему по периметру присоединяется внешний металлический вывод 8. Полупроводниковый преобразователь солнечной энергии работает следующим образом. При воздействии квантов света на рабочую поверхность ППСЭ со стороны просветляющего слоя 7 фотоны с энергиями Е, где- ширина запрещенной зоны широкозонного полупроводника, проходят просветляющий слой 7, -слой 6 широкозонного полупроводника, достигают -слой 1 собственной проводимости и создают в -слое 1 широкозонного полупроводника избыточную концентрацию носителей. Избыточная концентрация фотогенерированных электронов и дырок в -слое 1 определяется из зависимости,,(1) где- квантовый выход,- коэффициент поглощения света в -слое 1,- интенсивность света, ,- время жизни избыточных электронов и дырок. Фотогенерированные дырки разделяются полем второго перехода фоточувствительной структуры и движутся под действием электрического поля первого рперехода к омическому контакту 7, а фотогенерированные электроны в -слое 1 движутся под действием электрического поля второго перехода через -слой 2 к третьему переходу фоточувствительной структуры ППСЭ. Вследствие разделения зарядов на последовательно соединенных - и переходах возникает суммарная фотоЭДС , максимальное значение которой при холостом ходе и течет ток через переход, обусловленный оптически генерированными электронами и дырками Здесь ф - максимальная плотность фототока, соответствующая данной освещенности- ток насыщения перехода. 18230 1 2014.06.30 В общем случае при заданной интенсивности света фототок, обусловленный избыточными носителями заряда с концентрациямии , определяется выражением ф.(4) Напряжениепрямой полярности и градиент концентрации носителей в -слое 2 широкозонного полупроводника обеспечивают инжекцию электронов из -слоя 2 через третий резкий переход в -слой 3, причем плотность тока через него при последовательном соединении всех трех переходов фоточувствительной структуры одинакова и равна значению тока . Инжектирующие в -слой 3 широкозонного полупроводника электроны на ширине данного слоя поглощают из кристаллической решетки -слоя 3 энергию,повышая ее до величины энергии электронов в -слое 3. В результате отбора электрической энергии инжектированными электронами от кристаллической решетки -слоя 3 ее температура понижается и соответственно снижается температура ППСЭ. Величина поглощаемой тепловой энергии определяется зависимостьюП,(5) где П - коэффициент Пельтье- ток, протекающий в -слое 3 широкозонного полупроводника сечением- время протекания тока. Поскольку для - из -перехода из невыраженных полупроводниковП,(6) где- коэффициент, учитывающий соотношение энергий электронов в - и -областяхи- концентрация собственных электронов в - и -слоях перехода, причем соотношение (/)6, то температура ППСЭ понижается до отрицательных значений, обеспечивая резкое снижение концентрации собственных носителей заряда в -слое 1 широкозонного полупроводника, увеличение диффузионной длины носителей заряда и соответственно резкое повышение концентрации фотоносителейи , то есть величины фотока ф. Величина фотоЭДС определяется суммарной высотой потенциальных барьеров первого - и второго - переходов и составляет величину (0,8-1,0) В. Создано экспериментальное устройство - полупроводниковый преобразователь солнечной энергии размером 4848 мм, который может использоваться как элемент-модуль солнечной электростанции. Устройство выполнено структурой-резкий переходплавный переход и -резкий переход с омическими контактами из светопроводящего прозрачного окисла олова. -слой 4 и -слой 6 выполнены на кремнии, легированном бором до концентрации 5 1020 см-3, толщина -слоя 4 составляет 0,2 мкм, а толщина -слоя 6-0,4 мкм. На нем сформирован слой проводящего прозрачного материала из окиси олова толщиной 2 мкм. -слой 1 представляет собственный кремний толщиной 1,2 мкм, переход выполнен резким с суммарной шириной обедненных областей 0,35 мкм, -переход выполнен плавным шириной 0,8 мкм, -слой 2 легирован фосфором до концентрации 1017 см-3 и сформирован толщиной 0,8 мкм. -слой 3 кремние вый, сформирован путем легирования бором с концентрацией 1018 см-3. Его ширина выбрана из условия максимального отбора инжектированными из -слоя 2 электронами энергии решетки, но не вышеи составляет 0,9 мкм. переход резкий с суммарной толщиной обедненных областей 0,4 мкм. На -слой 4 для снижения электросопротивления омического контакта нанесен слой алюминия (на фиг. 1 не показано) толщиной 0,5 мкм. Конструкция фоточувствительной структуры ППСЭ размещена на алюминиевом основании размером 4848 мм, толщиной 1 мм и соединена с ним токопроводящим клеем. Экспериментальный полупроводниковый преобразователь солнечной энергии размером полезной площади 4848 мм при интенсивности солнечного излучения 65 мВт/см 2 позволяет получать рабочий ток 0,32 А , рабочее напряжение 0,8 В, полезную выходную 4 18230 1 2014.06.30 мощность вых 0,256 Вт . Рабочая температура 2 С, расчетная надежность безотказной работы ППСЭ составляет 105 ч. Для аналогов одинаковых размеров эти параметры соответственно составляют 0,21 А , вых 0,15 Вт ,25 С и надежность работы не выше 2104 ч. На базе предлагаемого ППСЭ при использовании матрицы элементов может быть создана солнечная батарея электрической энергии больших мощностей, используемая как автономный источник электроэнергии в стационарных, подвижных и космических объектах. Технико-экономические преимущества предлагаемого полупроводникового преобразователя солнечной энергии в сравнении с базовыми и аналогами 1) в 1,6 раза возрастают ток и выходная мощность 2) более чем в 10 раз снижается рабочая температура 3) более чем в 5 раз повышается стабильность работы устройств. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5

МПК / Метки

МПК: H01L 31/04

Метки: преобразователь, полупроводниковый, солнечной, энергии

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/5-18230-poluprovodnikovyjj-preobrazovatel-solnechnojj-energii.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Полупроводниковый преобразователь солнечной энергии</a>

Похожие патенты