Полупроводниковая солнечная батарея на основе концентратора из фоточувствительных зеркальных полупрозрачных металлических электродов с использованием термоэлектрического преобразования

Использование: в области электроэнергетики для преобразования солнечной радиации в электрическую энергию. Технический результат – повышение эффективности за счет преобразования максимального количества фотонов в электричество. Полупроводниковая солнечная батарея на основе концентратора из фоточувствительных зеркальных полупрозрачных металлических электродов с использованием термоэлектрического преобразования выполнена в виде полуцилиндра, состоящего из чередующихся сегментов полупроводниковых материалов p- и n-типов, соединенных зеркальными металлическими электродами. Каждый металлический электрод состоит из двух полупрозрачных металлических электродов с разной работой выхода электронов, причем эти электроды по краям соединены диэлектрической поверхностью, а в пространстве между электродами откачан воздух для возникновения фотоэффекта. 1 ил.

 

Полупроводниковая солнечная батарея на основе концентратора из фоточувствительных зеркальных полупрозрачных металлических электродов с использованием термоэлектрического преобразования

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности, касается преобразования солнечной радиации в электрическую энергию.

Известен концентратор лучей [1]. Недостатком известного устройства являются тепловые потери при преобразовании фотонов, так как часть фотонов вместо преобразования в электричество будет поглощаться и формировать паразитные тепловыделения.

Целью предлагаемого изобретения является создание полупроводниковой солнечной батареи на основе концентратора из фоточувствительных зеркальных полупрозрачных металлических электродов с использованием термоэлектрического эффекта на полупроводниковом p-n-переходе для преобразования максимального количества фотонов в электричество.

Техническим результатом является одновременное использование сразу нескольких эффектов: преобразование солнечной радиации в электричество на полупроводниковом p-n-переходе, фотоэффект на металлическом электроде с низким уровнем работы выхода электронов и термоэлектрический эффект Зеебека по выработке электроэнергии за счет перепада температур, полученного от нагрева солнечными лучами, а также концентрация солнечных лучей между параллельными зеркальными полупрозрачными металлическими электродами для организации многократного прохождения фотонами полупроводникового p-n-перехода.

Указанный технический результат достигается тем, что для повышения эффективности солнечной батареи она имеет форму полуцилиндра, главная ось которого ориентирована на северный полюс. Это позволяет в течении светового дня максимально использовать солнечную радиацию без механического поворота солнечной батареи за движущимся солнцем, так как при любом положении солнца относительно полуцилиндрической солнечной батареи все фотоны после многократных переотражений на металлических зеркальных полупрозрачных электродах будут либо преобразованы в электричество на полупроводниковых p-n-переходах, либо примут участие в фотоэффекте при выбивании электронов из металлических электродов с низким уровнем работы выхода, либо будут поглощаться и нагревать полупроводниковый спай и металлические электроды, что позволит выработать термоэлектричество. Таким образом, все фотоны будут так или иначе преобразованы в электричество. В отличие от прежних способов преобразования солнечной энергии с невысокими показателями КПД, можно достичь большей эффективности за счет того, что все эффекты не просто суммируются (механическая совокупность различных преобразователей приводит к потерям на каждом отдельном преобразователе), а одновременно будут использованы на одном и том же полупроводниковом p-n-переходе, формирующем элементарную ячейку солнечной батареи. Заявленная солнечная батарея недостатки одного способа преобразования использует, как достоинства другого способа. В результате, большая часть солнечной радиации будет эффективно преобразована в электрическую энергию с минимальными паразитными потерями.

На фиг. 1 изображена схема по преобразованию солнечной радиации в электрическую энергию. Электроэнергия с солнечной батареи снимается с отрицательного металлического электрода 1 и положительного металлического электрода 2. Полупроводниковые зоны p-типа 6 и n-типа 7 образуют в верхней части солнечной батареи p-n-переходы, находящиеся в запертом состоянии. В нижней части отдельные компоненты p-n-переходов объединены с помощью металлических спаев 3, которые обдуваются вентилятором 9 для дополнительного теплоотвода и для создания низкой температуры относительно более высокой температуры p-n-перехода, нагреваемого сверху солнечными лучами. При наличии перепада температур между верхним p-n-переходом и нижним спаем солнечная батарея вырабатывает электроэнергию на основе термоэлектрического эффекта Зеебека. В то же время солнечные лучи, проходя сквозь p-n-переход, как указано на фиг. 1 создают неравновесную концентрацию зарядов и вырабатывают электроэнергию дополнительно к электроэнергии термогенератора. Металлические зеркальные полупрозрачные электроды 4 и 5, играющие роль концентратора солнечных лучей позволят фотонам многократно отразиться и несколько раз пройти через p-n-переход (изготовленный оптически прозрачным за счет малой толщины), каждый раз вырабатывая электричество. Те фотоны, которые нагреют металлические зеркальные полупрозрачные электроды 4 и 5 или полупроводники 6 и 7, также позволят выработать дополнительную электроэнергию за счет термоэлектрического эффекта Зеебека. Кроме того, металлические зеркальные полупрозрачные электроды 4 и 5 вместе с диэлектрической поверхностью 8 образуют ячейку, из которой откачан воздух. Для металлического зеркального полупрозрачного электрода 4 выбирается металл с высоким уровнем работы выхода электронов, а для электрода 5 – с низким уровнем выхода электронов. Это позволит под действием фотонов металлическому зеркальному полупрозрачному электроду 5 терять электроны, а металлическому зеркальному полупрозрачному электроду 4 приобретать, за счет фотоэффекта в металлах. Тем самым будет получено дополнительное электричество. Металлические зеркальные полупрозрачные электроды со стороны полупроводника максимально отражают фотоны обратно в сторону p-n-перехода, а с противоположной стороны, за счет полупрозрачности, позволяют большей части фотонов пройти в сторону p-n-перехода. Другая часть фотонов продолжит переотражение от других металлических зеркальных полупрозрачных электродов и зеркала 10 внутри солнечной батареи, имеющей форму полуцилиндра.

Заявленная солнечная батарея в едином устройстве выгодно сочетает достоинства и недостатки всех известных способов преобразования фотонов в электричество. Причем то, что являлось недостатком и паразитными потерями (тепло, отражение, поглощение, рекомбинация и т.д.) для одного способа, для другого способа является основой функционирования и позволяет интегрально сочетать в одном преобразователе все виды энергий для повышения КПД до 60%.

Полупроводниковую солнечную батарею на основе концентратора из фоточувствительных зеркальных металлических электродов с использованием термоэлектрического преобразования можно изготовить при помощи аддитивных технологий на 3D принтере для последующего использования в качестве альтернативного источника электроэнергии в военной технике, космической аппаратуре, для бытовых и промышленных нужд.

Литература

1. Концентратор лучей для солнечной батареи с веерным расположением зеркальных отражающих электродов: патент №2615041. Опубл. 03.04.2017. Бюл. №10.

Полупроводниковая солнечная батарея на основе концентратора из фоточувствительных зеркальных полупрозрачных металлических электродов с использованием термоэлектрического преобразования, выполненная в виде полуцилиндра, состоящего из чередующихся сегментов полупроводниковых материалов p- и n-типов, соединенных зеркальными металлическими электродами, отличающаяся тем, что каждый металлический электрод состоит из двух полупрозрачных металлических электродов с разной работой выхода электронов, причем эти электроды по краям соединены диэлектрической поверхностью, а в пространстве между электродами откачан воздух для возникновения фотоэффекта.



 

Похожие патенты:

Закрытое устройство для использования солнечной энергии содержит первый приемник, который образует относительно закрытую первую полость, на которой обеспечено одно входное световое отверстие, один элемент преобразования световой энергии или один элемент преобразования световой энергии и по один светоотражающий элемент, который обеспечен на внутренней стенке первой полости или во внутреннем пространстве первой полости, световодное устройство плотно соединеное с входным световым отверстием, для направления собранного снаружи солнечного света таким образом, чтобы он входил в первую полость через входное световое отверстие, второй приемник, который образован в виде второй полости, на которой обеспечено входное световое отверстие, при этом второй приемник частично обеспечен во внутреннем пространстве первой полости, элемент преобразования световой энергии обеспечен на внутренней стенке второй полости или обеспечен во внутреннем пространстве второй полости, световодное устройство проходит через входное световое отверстие первой полости и плотно соединено с входным световым отверстием второй полости для направления собранного снаружи солнечного света во вторую полость, световодное устройство, соединенное с входным световым отверстием второй полости, плотно соединено с входным световым отверстием второй полости, вторая полость дополнительно снабжена одним входным отверстием второго рабочего тела, чтобы позволить второму рабочему телу входить во вторую полость, и выходным отверстием второго продукта, чтобы позволить второму продукту выходить из второй полости в присоединенную снаружи систему циркуляции, причем второй продукт является веществом, получаемым после воздействия по меньшей мере части энергии солнечного света на первое рабочее тело.

Группа изобретений относится к наружной обшивочной панели здания и электрической соединительной коробке для нее. Технический результат заключается в облегчении сборки панелей и соединении проводами фотогальванических модулей.

Изобретение относится к области строительства, а именно к опорной плите для установки фотоэлектрических панелей на крыше здания. Технический результат изобретения заключается в повышении герметичности плиты.

Изобретение относится к гелиотехнике и предназначено для использования при строительстве зданий и сооружений с обогревом за счет солнечной радиации. Солнечная панель здания содержит поглотитель солнечного излучения, размещенный в зазоре, и теплоизоляцию.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в повышении мощности в области применения установки для производства электроэнергии и достигается благодаря тому, что гелиоветряная установка для выработки электроэнергии состоит из полотна элементов, являющихся несоединенными между собой пластинами солнечной батареи, электрически связанными между собой и через аккумулятор и инвертор соединенными с нагрузкой, образующими общую плоскость, каждая пластина жестко соединена с поршнем гидравлического цилиндра, имеющим впускной и выпускной клапаны, через общую систему трубопроводов, снабженную расширительной емкостью, соединенную с гидротурбиной с редуктором на валу, выход которого соединен с генератором электроэнергии и через аккумулятор и систему управления с нагрузкой.

Изобретение относится к области автономных систем электроснабжения, использующих энергию ветра и солнца. Ветросолнечная установка автономного электроснабжения состоит из ветродвигателя 1, механически соединенного с мультипликатором 2, который через обгонную муфту 3 механически соединен с генератором 4 электрической энергии, являющимся синхронным генератором с двухконтурной магнитной системой, к которому подключены первый и второй диодные мосты 5 и 6, соответственно, при этом первый диодный мост 5 связан с инвертором 7, соединенным со стабилизатором 8 напряжения, соединенным с реле 9 обратного тока, подключенного к однофазной сети 10 переменного напряжения, к которой подключена система управления 11, соединенная с инвертором 7, с системой 12 ориентации солнечных батарей, управляемой устройством 13 ориентации по солнцу, на котором расположены гибкие солнечные панели 14, подключенные к контроллеру 15 заряда аккумуляторных батарей, который соединен с балластной нагрузкой 16 в виде электрических нагревательных элементов и аккумуляторными батареями 17, причем второй диодный мост 6 соединен с компаратором 18 напряжения, имеющим петлю гистерезиса и выход которого соединен с системой 11 управления и с базой силового транзистора 19, через который идет подключение аккумуляторных батарей 17 к инвертору 7 напряжения, к системе 11 управления подсоединены бензогенератор 20 и реле 21 подключения бензогенератора 20 к однофазной сети 10 переменного напряжения, к однофазной сети 10 переменного напряжения подключены потребители 22 электрической энергии.

Изобретение относится к наружной обшивочной панели здания, содержащей верхний поперечный край, содержащий верхнюю зону перекрывания, предназначенную для перекрывания смежной панелью, нижний поперечный край, содержащий нижнюю зону перекрывания, предназначенную для перекрывания смежной панели, центральную часть, закрываемую по меньшей мере одним фотогальваническим модулем, проем, который находится в верхней зоне перекрывания и в котором установлена электрическая соединительная коробка.

Изобретение относится к области электроэнергетики, энергосбережения и может быть использовано для очистки солнечных панелей от снега и льда в зимнее время. Технический результат: повышение эффективности работы солнечных панелей и увеличение их кпд, а также возможность постоянного использования энергии солнца вне зависимости от погодных условий.

Изобретение относится к области солнечной энергетики и касается слоистого модуля на фотоэлектрических элементах с отводом теплоты для гибридного солнечного коллектора на фотоэлектрических элементах с отводом теплоты.

Солнечное оптоволоконное осветительное устройство содержит концентратор, оптоволоконный жгут, рассеивающую линзу. Концентратор выполнен неподвижным с оптическим способом наведения светового потока на вход оптоволоконного жгута и содержит цилиндрическую сужающую линзу Френеля на внутренней поверхности прозрачного куполообразного корпуса, в фокусе которой расположен второй прозрачный купол с цилиндрической расширяющей линзой Френеля, на третьем внутреннем прозрачном куполе имеются несимметричные цилиндрические полосковые линзы Френеля, плоскость фокусировки которых перпендикулярна плоскости фокусировки двух предыдущих линз.

Многопереходной солнечный элемент включает первый субэлемент, состоящий из соединения из InGaAs, причем первый субэлемент имеет первую постоянную решетки, и второй субэлемент со второй постоянной решетки, причем первая постоянная решетки по меньшей мере на 0,008 больше, чем вторая постоянная решетки, и, кроме того, предусмотрен метаморфный буфер, который выполнен между первым субэлементом и вторым субэлементом.

Многопереходный солнечный элемент для космической радиационной среды, причем многопереходный солнечный элемент имеет множество солнечных субэлементов, расположенных в порядке убывания запрещенной зоны, включающее в себя: первый солнечный субэлемент, состоящий из InGaP и имеющий первую запрещенную зону, причем первый солнечный субэлемент имеет первый ток короткого замыкания, связанный с ним; второй солнечный субэлемент, состоящий из GaAs и имеющий вторую запрещенную зону, которая имеет ширину, меньшую, чем первая запрещенная зона, причем второй солнечный субэлемент имеет второй ток короткого замыкания, связанный с ним; при этом в начале срока службы первый ток короткого замыкания меньше, чем второй ток короткого замыкания, так что эффективность AM0 преобразования является субоптимальной.

Согласно изобретению предложен способ изготовления солнечных батарей, содержащий этапы формирования пленки SiNx поверх второй главной поверхности полупроводниковой подложки n-типа; формирования диффузионного слоя p-типа поверх первой главной поверхности полупроводниковой подложки n-типа после стадии формирования пленки SiNx; и формирования поверх диффузионного слоя p-типа пассивирующей пленки, состоящей из пленки SiO2 или пленки оксида алюминия.

Согласно изобретению предложена эффективная солнечная батарея, выполненная многопереходной с защитным диодом, причем у многопереходной солнечной батареи и структуры защитного диода имеется общая тыльная поверхность и разделенные меза-канавкой фронтальные стороны, общая тыльная поверхность включает в себя электропроводящий слой, многопереходная солнечная батарея включает в себя стопу из нескольких солнечных батарей и имеет расположенную ближе всего к фронтальной стороне верхнюю солнечную батарею и расположенную ближе всего к тыльной стороне нижнюю солнечную батарею, каждая солнечная батарея включает в себя np-переход, между соседними солнечными батареями размещены туннельные диоды, количество слоев полупроводника у структуры защитного диода меньше, чем количество слоев полупроводника у многопереходной солнечной батареи, последовательность слоев полупроводника у структуры защитного диода идентична последовательности слоев полупроводника многопереходной солнечной батареи, причем в структуре защитного диода выполнен по меньшей мере один верхний защитный диод и один расположенный ближе всего к тыльной стороне нижний защитный диод, а между соседними защитными диодами размещен туннельный диод, количество np-переходов в структуре защитного диода по меньшей мере на один меньше, чем количество np-переходов многопереходной солнечной батареи, на передней стороне многопереходной солнечной батареи и структуры защитного диода выполнена структура соединительного контакта, содержащая один или несколько слоев металла, а под структурой соединительного контакта выполнен состоящий из нескольких слоев полупроводника электропроводящий контактный слой, и эти несколько слоев полупроводника включают в себя туннельный диод.

Штабелевидная интегрированная многопереходная солнечная батарея с первым элементом батареи, причем первый элемент батареи включает в себя слой из соединения InGaP с первой константой решетки и первой энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, и вторым элементом батареи, причем второй элемент батареи включает в себя слой из соединения InmРn со второй константой решетки и второй энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, и третьим элементом батареи, причем третий элемент батареи включает в себя слой из соединения InxGa1-xAs1-yPy с третьей константой решетки и третьей энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, и четвертым элементом батареи, причем четвертый элемент батареи включает в себя слой из соединения InGaAs с четвертой константой решетки и четвертой энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, причем для значений энергии запрещенной зоны справедливо соотношение Eg1>Eg2>Eg3>Eg4, и между двумя элементами батареи сформирована область сращения плат.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству каскадной солнечной батареи. Каскадная солнечная батарея выполнена с первой полупроводниковой солнечной батареей, причем в первой полупроводниковой солнечной батарее имеется р-n переход из первого материала с первой константой решетки, и со второй полупроводниковой солнечной батареей, причем во второй полупроводниковой солнечной батарее имеется р-n переход из второго материала со второй константой решетки, и причем первая константа решетки меньше, чем вторая константа решетки, и у каскадной солнечной батареи имеется метаморфный буфер, причем метаморфный буфер включает в себя последовательность из первого, нижнего слоя AlInGaAs или AlInGaP, и второго, среднего слоя AlInGaAs или AlInGaP, и третьего, верхнего слоя AlInGaAs или AlInGaP, и метаморфный буфер сформирован между первой полупроводниковой солнечной батареей и второй полупроводниковой солнечной батареей, и константа решетки метаморфного буфера изменяется по толщине (по координате толщины) метаморфного буфера, и причем между по меньшей мере двумя слоями метаморфного буфера константа решетки и содержание индия увеличивается, а содержание алюминия уменьшается.

Способ формирования туннельного перехода (112) в структуре (100) солнечных элементов, предусматривающий попеременное осаждение вещества Группы III и вещества Группы V на структуре (100) солнечных элементов и управление отношением при осаждении указанного вещества Группы III и указанного вещества Группы V.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к свету. Гетероструктура содержит подложку, выполненную из AlN, на которой размещено три сопряженных друг с другом выполненных из In1-xGaxN двухслойных компонентов с p-n-переходами между слоями.

Способ изготовления солнечного элемента содержит этапы формирования pn-перехода в полупроводниковой подложке, формирования пассивирующего слоя на светопринимающей поверхности и/или не принимающей свет поверхности полупроводниковой подложки и формирования электродов отбора мощности на светопринимающей поверхности и не принимающей свет поверхности.

Использование: в области электроэнергетики для преобразования солнечной радиации в электрическую энергию. Технический результат – повышение эффективности за счет преобразования максимального количества фотонов в электричество. Полупроводниковая солнечная батарея на основе концентратора из фоточувствительных зеркальных полупрозрачных металлических электродов с использованием термоэлектрического преобразования выполнена в виде полуцилиндра, состоящего из чередующихся сегментов полупроводниковых материалов p- и n-типов, соединенных зеркальными металлическими электродами. Каждый металлический электрод состоит из двух полупрозрачных металлических электродов с разной работой выхода электронов, причем эти электроды по краям соединены диэлектрической поверхностью, а в пространстве между электродами откачан воздух для возникновения фотоэффекта. 1 ил.

Наверх