Полупроводниковый фотоэлектрический генератор и способ его изготовления (варианты)

Изобретение относится к оптоэлектронным приборам. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор содержит прозрачное защитное покрытие на рабочей поверхности, на которое падает излучение, и секции фотопреобразователей, соединенные оптически прозрачным герметиком с защитным покрытием. Секции фотопреобразователей наклонены к рабочей поверхности под углом φ, равным 5-50°, между секциями фотопреобразователей установлены плоские зеркальные отражатели с углом наклона к рабочей поверхности генератора ψ=5-50°. Зеркальные отражатели и секции фотопреобразователей выполнены в виде периодической уголковой пилообразной структуры, секции фотопреобразователей имеют двухстороннюю рабочую поверхность, а зеркальные отражатели выполнены с двухсторонней отражающей поверхностью. Технический результат заключается в увеличении освещенности и электрической мощности на единицу площади поверхности фотопреобразователей. 6 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно полупроводниковых фотоэлектрических генераторов (ПФГ).

Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ПФГ в виде диодной структуры с p-п переходом на лицевой стороне, токосъемными металлическими контактами к легированному слою в форме гребенки, сплошным тыльным контактом и антиотражающим защитным покрытием на лицевой (рабочей) стороне (книга «Полупроводниковые фотопреобразователи» Васильев A.M., Ландсман А.П. М.: «Советское Радио», 1971 г.). Процесс изготовления ПФГ основан на диффузионном легировании лицевой стороны фосфором, химическом осаждении никелевого контакта, избирательном травлении контактного рисунка и нанесении плоского защитного покрытия из стекла с помощью прозрачных герметиков. Недостатком получаемых ПФГ является сравнительно большая глубина p-n перехода и большие потери на отражение.

Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ПФГ в виде двухсторонней твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных микроэлементов, у которых два линейных размера - ширина и высота микроэлементов - не превышают диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области, p-n переходы и изотипные переходы расположены на двух противоположных гранях микроэлементов, перпендикулярных рабочей поверхности (Авт. свид. СССР №288163, БИ №36, 1970). Для изготовления известного ПФГ проводят диффузию фосфора и бора в противоположные стороны пластины кремния, металлизированные пластины спаивают в столбик с соблюдением полярности, столбик разрезают на матрицы перпендикулярно плоскости p-n переходов, удаляют нарушенные при резке слои и наносят плоское защитное покрытие из стекла на обе поверхности генератора с помощью прозрачного герметика.

Недостатком известного ПФГ является низкий КПД в результате повышения температуры при повышенной интенсивности солнечного излучения.

Известна конструкция и способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора, содержащего плоское защитное прозрачное покрытие, на которое падает излучение, и секции фотопреобразователей, соединенные оптически прозрачным герметиком с защитным покрытием, секции фотопреобразователей наклонены к плоскости защитного покрытия под углом φ, равным 5-50°,

где α - угол полного внутреннего отражения материала защитного покрытия;

β - угол входа излучения;

n - коэффициент преломления защитного покрытия, а на торцах генератора выполнено зеркальное покрытие.

В варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора секции фотопреобразователей выполнены в виде периодической уголковой пилообразной структуры.

В варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора секции фотопреобразователей со стороны, противоположной падающему излучению, присоединены по всей плоскости секций через теплопроводящее электроизолирующее покрытие к радиатору системы охлаждения.

В способе изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора путем изготовления секций фотопреобразователей, коммутации секций и приклейки защитного прозрачного покрытия с помощью оптически прозрачного герметика, скоммутированные секции устанавливают под углом φ, равным 5-60°, к плоскости защитного покрытия, заливают секции оптически прозрачным герметиком и приклеивают этим герметиком защитное прозрачное покрытие, а на торцы генератора наносят зеркальное покрытие.

В варианте способа изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора секции фотопреобразователей устанавливают в виде периодической уголковой пилообразной структуры.

В другом варианте способа изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора секции фотопреобразователей со стороны, противоположной защитному покрытию, присоединяют по всей плоскости секций через теплопроводящее электроизолирующее покрытие к радиатору системы охлаждения.

Недостатком известного генератора являются большие затраты полупроводникового материала на создание уголковой пилообразной структуры и низкая освещенность и электрическая мощность на единицу площади поверхности фотопреобразователей.

Задачей изобретения является увеличение освещенности и электрической мощности на единицу площади поверхности фотопреобразователей.

Технический результат заключается в снижении расхода полупроводникового материала на единицу площади полупроводникового фотоэлектрического генератора.

Технический результат достигается тем, что в полупроводниковом фотоэлектрическом генераторе, содержащем прозрачное защитное покрытие на рабочей поверхности, на которое падает излучение, и секции фотопреобразователей, соединенные оптически прозрачным герметиком с защитным покрытием, секции фотопреобразователей наклонены к рабочей поверхности под углом φ, равным 5-50°, между секциями фотопреобразователей установлены плоские зеркальные отражатели с углом наклона к рабочей поверхности генератора ψ=5-50°, зеркальные отражатели и секции фотопреобразователей выполнены в виде периодической уголковой пилообразной структуры, секции фотопреобразователей имеют двухстороннюю рабочую поверхность, а зеркальные отражатели выполнены с двухсторонней отражающей поверхностью.

В варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора, содержащего прозрачное защитное покрытие на рабочей поверхности, на которое падает излучение, и секции фотопреобразователей, соединенные оптически прозрачным герметиком с защитным покрытием, секции фотопреобразователей наклонены под углом φ=5-50° к плоскости защитного покрытия, прозрачное защитное покрытие выполнено в виде оптической периодической уголковой пилообразной структуры из множества соединенных друг с другом призм из стекла или пластмассы, с углом наклона боковых граней призм к поверхности защитного покрытия ψ=5-50°, на боковых поверхностях каждой из призм установлены попарно скоммутированные секции фотопреобразователей и зеркальные отражатели, которые приклеены к боковым поверхностям призмы с помощью прозрачного герметика, с тыльной стороны генератора выполнено дополнительно прозрачное защитное покрытие, которое закреплено с тыльной стороны поверхности секций фотопреобразователей и зеркальных отражателей с помощью прозрачного герметика, секции фотопреобразователей имеют двухстороннюю рабочую поверхность, а зеркальные отражатели выполнены с двухсторонней отражающей поверхностью.

В варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора, содержащего прозрачное защитное покрытие на рабочей поверхности, на которое падает излучение, и секции фотопреобразователей, соединенные оптически прозрачным герметиком с защитным покрытием, секции фотопреобразователей наклонены под углом 5-50° к поверхности прозрачного защитного покрытия, защитное покрытие выполнено в виде двух оптических периодических уголковых пилообразных структур, каждая из которых состоит из множества соединенных друг с другом призм из стекла или пластмассы, имеющих общую плоскую поверхность, боковые грани призм наклонены к поверхности защитного покрытия под углом 5-50°, оптические структуры соединены между собой оптически прозрачным герметиком таким образом, что боковые грани призм одной оптической структуры установлены на боковые грани призм другой оптической структуры, секции фотопреобразователей и зеркальные отражатели установлены попарно между боковыми гранями призм обеих оптических структур, секции фотопреобразователей имеют двухстороннюю рабочую поверхность, а зеркальные отражатели выполнены с двухсторонней отражающей поверхностью.

В способе изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора путем изготовления секций фотопреобразователей, коммутации секций и установки прозрачного защитного покрытия на рабочей поверхности, на которую падает излучение, изготавливают плоские зеркальные отражатели, скоммутированные секции фотопреобразователей и зеркальные отражатели попарно устанавливают под углом φ=5-50° к рабочей поверхности генератора в виде периодической уголковой пилообразной структуры, заливают секции фотопреобразователей и зеркальные отражатели прозрачным герметиком и приклеивают прозрачным герметиком прозрачное защитное покрытие, секции фотопреобразователей изготавливают с двухсторонней рабочей поверхностью, а плоские зеркальные отражатели изготавливают с двухсторонней отражающей поверхностью.

В варианте способа изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора путем изготовления секций фотопреобразователей, коммутации секций и установки прозрачного защитного покрытия на рабочей поверхности генератора, на которую падает излучение, изготавливают плоские зеркальные отражатели и оптическую периодическую уголковую пилообразную структуру в виде множества соединенных друг с другом призм из стекла или пластмассы с углом наклона боковых граней призм к их поверхности 5-50°, скоммутированные секции фотопреобразователей и плоские зеркальные отражатели попарно закрепляют на боковых поверхностях каждой из призм оптической периодической уголковой пилообразной структуры, заливают секции фотопреобразователей и зеркальные отражатели прозрачным герметиком и приклеивают со стороны, обратной поверхности оптической периодической уголковой пилообразной структуры, прозрачным герметиком прозрачное защитное покрытие, секции фотопреобразователей изготавливают с двухсторонней рабочей поверхностью, а плоские зеркальные отражатели изготавливают с двухсторонней отражающей поверхностью.

В варианте способа изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора путем изготовления секций фотопреобразователей, коммутации секций и установки прозрачного защитного покрытия на рабочей поверхности генератора, на которую падает излучение, изготавливают плоские зеркальные отражатели и две оптические периодические уголковые пилообразные структуры с одинаковым углом наклона 5-50° боковых граней призм двух пилообразных структур к их плоской поверхности, скоммутированные секции фотопреобразователей и зеркальные отражатели устанавливают попарно на боковых гранях каждой из призм в первой оптической периодической уголковой пилообразной структуре, закрепляют секции фотопреобразователей и зеркальные отражатели прозрачным герметиком и устанавливают вторую оптическую периодическую уголковую пилообразную структуру таким образом, чтобы боковые грани ее призм располагались между боковыми гранями призм первой оптической периодической уголковой пилообразной структуры, а секции фотопреобразователей и зеркальные отражатели закрепляют с помощью оптически прозрачного герметика между боковыми гранями призм первой и второй оптической пилообразной структуры, секции фотопреобразователей изготавливают с двухсторонней рабочей поверхностью, а плоские зеркальные отражатели изготавливают с двухсторонней отражающей поверхностью.

Конструкция и способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора поясняются фиг.1, 2, где на фиг.1 представлен полупроводниковый фотоэлектрический генератор, содержащий уголковую пилообразную структуру с двухсторонней рабочей поверхностью (поперечное сечение), на фиг.2 - полупроводниковый фотоэлектрический генератор с двумя оптическими уголковыми пилообразными структурами (поперечное сечение).

Полупроводниковый фотоэлектрический генератор на фиг.1 содержит два прозрачных защитных покрытия 1 и 2 и две рабочих поверхности 3 и 4, на которые падает излучение 5. В слое прозрачного герметика 6 установлены секции фотопреобразователей 7 с двухсторонней рабочей поверхностью 8 и 9 и зеркальные отражатели 10 с двумя зеркальными поверхностями 11 и 12. Секции фотопреобразователей 7 и зеркальные отражатели 10 установлены попарно под углом 5-50° к рабочим поверхностям генератора и образуют периодическую уголковую пилообразную структуру 11.

На фиг.2 полупроводниковый фотоэлектрический генератор содержит две оптические уголковые пилообразные структуры 12 и 13, каждая из которых имеет рабочую поверхность 14 и 15 и состоит из множества миниатюрных призм 16 из оптического стекла или пластмассы. Боковые грани 17 и 18 каждой призмы 16 наклонены под углом 5-50° к рабочей поверхности 14 и 15. К боковым граням 17 и 18 каждой из призм 16 присоединены с помощью прозрачного герметика 19 секции фотопреобразователей 7 с двухсторонней рабочей поверхностью и зеркальные отражатели 10 с двухсторонней зеркальной поверхностью. Оптические пилообразные структуры 12 и 13 соединены с помощью прозрачного герметика таким образом, что боковые грани 17 и 18 призмы 16 одной оптической пилообразной структуры 12 прилегают к боковым граням 17 и 18 призм 16 другой оптической пилообразной структуры 13, а секции фотопреобразователей 7 и зеркальные отражатели 10 находятся между боковыми гранями 17 и 18 призм 16 двух оптических пилообразных структур 12 и 13. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор имеет две рабочие поверхности, совпадающие с рабочими поверхностями 14 и 15 оптических уголковых пилообразных структур.

Пример выполнения полупроводникового фотоэлектрического генератора.

Полупроводниковый фотоэлектрический генератор с двухсторонней рабочей поверхностью содержит (фиг.1) два прозрачных защитных покрытия 1 и 2 из закаленного стекла толщиной 2,5 мм, между которыми установлены под углом ψ=23° попарно зеркальные отражатели 10 и секции фотопреобразователей 7 под углом φ=28° к рабочим поверхностям 3 и 4, размеры зеркальных отражателей 10 10×156 мм, секций кремниевых фотопреобразователей 7 10×156 мм, используемый герметик - полисилоксановый гель, количество секций фотопреобразователей 8, высота Н периодической уголковой пилообразной структуры 6 мм, общие размеры полупроводникового фотоэлектрического генератора 160×160×11 мм, пиковая электрическая мощность 4 Вт.

Полупроводниковый фотоэлектрический генератор изготавливают следующим образом. Между двумя стеклами из закаленного стекла размещают попарно скоммутированные секции фотопреобразователей 7 и зеркальные отражатели 10 (фиг.1) под углом φ=5-50° к поверхности стекла. Герметизируют с трех сторон полость с поверхностями из стекла и заливают в полость полилаксановый гель с последующей структуризацией геля.

Полупроводниковый фотоэлектрический генератор работает следующим образом. Солнечное излучение попадает на секции кремниевых фотопреобразователей 7 и на зеркальный отражатель 10 (фиг.1), отражается от зеркального отражателя и попадает на прозрачное защитное покрытие 1 под углом, большим угла полного внутреннего отражения. После отражения от прозрачного защитного покрытия солнечное излучение попадает на секции фотопреобразователей 7. Прозрачный герметик 6 служит для создания оптического контакта между зеркальным отражателем 10 и секцией фотопреобразователей 7. Прозрачный герметик 6 выполняет роль оптической призмы полного внутреннего отражения, установленной между зеркальным отражателем 10 и прозрачным защитным ограждением 1 и 2.

Конструкция полупроводникового фотоэлектрического генератора позволяет в 1,5-3 раза уменьшить расход солнечного кремния на единицу площади генератора и его стоимость, а также обеспечить двухстороннюю чувствительность и повышение мощности за счет использования двух рабочих поверхностей и встроенных зеркальных отражателей.

1. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор, содержащий прозрачное защитное покрытие на рабочей поверхности генератора, на которое падает излучение, и секции фотопреобразователей, соединенные оптически прозрачным герметиком с защитным покрытием, секции фотопреобразователей наклонены к рабочей поверхности под углом φ, равным 5-50°, между секциями фотопреобразователей установлены плоские зеркальные отражатели с углом наклона к рабочей поверхности генератора ψ=5-50°, зеркальные отражатели и секции фотопреобразователей выполнены в виде периодической уголковой пилообразной структуры, отличающийся тем, что секции фотопреобразователей имеют двухстороннюю рабочую поверхность, а зеркальные отражатели выполнены с двухсторонней отражающей поверхностью.

2. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор, содержащий прозрачное защитное покрытие на рабочей поверхности генератора, на которое падает излучение, и секции фотопреобразователей, соединенные оптически прозрачным герметиком с защитным покрытием, секции фотопреобразователей наклонены под углом φ=5-50° к плоскости защитного покрытия, прозрачное защитное покрытие выполнено в виде оптической периодической уголковой пилообразной структуры из множества соединенных друг с другом призм из стекла или пластмассы с углом наклона боковых граней призм к поверхности защитного покрытия ψ=5-50°, на боковых поверхностях каждой из призм установлены попарно скоммутированные секции фотопреобразователей и зеркальные отражатели, которые приклеены к боковым поверхностям призмы с помощью прозрачного герметика, с тыльной стороны генератора выполнено дополнительно прозрачное защитное покрытие, которое закреплено с тыльной стороны поверхности секций фотопреобразователей и зеркальных отражателей с помощью прозрачного герметика, отличающийся тем, что секции фотопреобразователей имеют двухстороннюю рабочую поверхность, а зеркальные отражатели выполнены с двухсторонней отражающей поверхностью.

3. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор, содержащий прозрачное защитное покрытие на рабочей поверхности, на которое падает излучение, и секции фотопреобразователей, соединенные оптически прозрачным герметиком с защитным покрытием, секции фотопреобразователей наклонены под углом 5-50° к поверхности защитного покрытия, защитное покрытие выполнено в виде двух оптических периодических уголковых пилообразных структур, каждая из которых состоит из множества соединенных друг с другом призм из стекла или пластмассы, имеющих общую плоскую поверхность, боковые грани призм наклонены к поверхности прозрачного защитного покрытия под углом 5-50°, оптические структуры соединены между собой оптически прозрачным герметиком таким образом, что боковые грани призм одной оптической структуры установлены на боковые грани призм другой оптической структуры, секции фотопреобразователей и зеркальные отражатели установлены попарно между боковыми гранями призм обеих оптических структур, отличающийся тем, что секции фотопреобразователей имеют двухстороннюю рабочую поверхность, а зеркальные отражатели выполнены с двухсторонней отражающей поверхностью.

4. Способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора путем изготовления секций фотопреобразователей, коммутации секций и установки прозрачного защитного покрытия на рабочей поверхности генератора, на которую падает излучение, изготавления плоских зеркальных отражателей, скоммутированные секции фотопреобразователей и зеркальные отражатели попарно устанавливают под углом 5-50° к рабочей поверхности генератора в виде периодической уголковой пилообразной структуры, заливают секции фотопреобразователей и зеркальные отражатели прозрачным герметиком и приклеивают прозрачным герметиком прозрачное защитное покрытие, отличающийся тем, что секции фотопреобразователей изготавливают с двухсторонней рабочей поверхностью, а плоские зеркальные отражатели изготавливают с двухсторонней отражающей поверхностью.

5. Способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора путем изготовления секций фотопреобразователей, коммутации секций и установки прозрачного защитного покрытия на рабочей поверхности генератора, на которую падает излучение, изготавливают зеркальные отражатели и оптическую периодическую уголковую пилообразную структуру в виде множества соединенных друг с другом призм из стекла или пластмассы с углом наклона боковых граней призм к их поверхности 5-50°, скоммутированные секции фотопреобразователей и плоские зеркальные отражатели попарно закрепляют на боковых поверхностях каждой из призм оптической периодической уголковой пилообразной структуры, заливают секции фотопреобразователей и зеркальные отражатели прозрачным герметиком и приклеивают со стороны, обратной поверхности оптической периодической уголковой пилообразной структуры, прозрачным герметиком прозрачное защитное покрытие, отличающийся тем, что секции фотопреобразователей изготавливают с двухсторонней рабочей поверхностью, а плоские зеркальные отражатели изготавливают с двухсторонней отражающей поверхностью.

6. Способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора путем изготовления секций фотопреобразователей, коммутации секций и установки прозрачного защитного покрытия на рабочей поверхности генератора, на которую падает излучение, изготавления зеркальных отражателей и двух оптических периодических уголковых пилообразных структур с одинаковым углом наклона 5-50° боковых граней призм двух пилообразных структур к рабочей поверхности, скоммутированные секции фотопреобразователей и зеркальные отражатели устанавливают попарно на боковых гранях каждой из призм в первой оптической периодической уголковой пилообразной структуре, закрепляют секции фотопреобразователей и зеркальные отражатели на боковых гранях каждой из призм прозрачным герметиком и устанавливают вторую оптическую периодическую уголковую пилообразную структуру таким образом, чтобы боковые грани ее призм располагались между боковыми гранями призм первой оптической периодической уголковой пилообразной структуры, а секции фотопреобразователей и зеркальные отражатели закрепляют с помощью оптически прозрачного герметика между боковыми гранями призм первой и второй оптической пилообразной структуры, отличающийся тем, что секции фотопреобразователей изготавливают с двухсторонней рабочей поверхностью, а плоские зеркальные отражатели изготавливают с двухсторонней отражающей поверхностью.