Солнечный элемент

Солнечный элемент относится к области гелиоэнергетики, в частности к солнечным элементам с концентраторами излучения для получения электричества и может быть использовано при создании высокоэффективных автономных источников электроэнергии. Цель полезной модели - повышение КПД преобразования солнечного излучения в электроэнергию при одновременном увеличении ресурса работы устройства. Для достижения указанной цели солнечный элемент, содержащий прозрачную подложку, на тыльной стороне которой последовательно нанесены: прозрачная проводящая пленка, на которой сформированы металлические усеченные прямоугольные пирамиды, электрически соединенные между собой аналогичными пирамидами, меньшие основания которых электрически связаны с ней, причем между металлическими усеченными прямоугольными пирамидами последовательно нанесены слой полупроводникового материала и металлическая пленка, не имеющая электрического контакта с остальными токопроводящими материалами и образующая со слоем полупроводникового материала барьер Шоттки, содержит диэлектрические концентраторы с зеркальной внешней поверхностью, расположенные на лицевой стороне прозрачной подложки напротив меньших оснований металлических усеченных прямоугольных пирамид и оптически связанные со слоем полупроводникового материала, а металлические усеченные прямоугольные пирамиды электрически соединены между собой аналогичными пирамидами параллельно, при этом на всех их больших основаниях нанесен слой полупроводникового материала, на котором сформированы инфракрасные приемники, соединенные последовательно или параллельно и содержащие, как минимум, по одному детектору и полуволновому вибратору, геометрические размеры которых заданы длиной волны преобразуемого инфракрасного излучения окружающей среды, а на каждом участке металлической пленки последовательно расположены батарея термоэлементов и радиатор, которые оптически связаны с инфракрасными приемниками. Для эффективного решения поставленной технической задачи инфракрасные приемники выполнены в виде двух полуволновых вибраторов, изготовленных из металлов с разной работой выхода электронов, внутренние плечи которых электрически подключенных к детекторам. Для эффективного решения поставленной технической задачи детекторы выполнены в виде наноконденсаторов.

Полезная модель относится к области гелиоэнергетики, в частности к солнечным элементам с концентраторами излучения для получения электричества и может быть использовано при создании высокоэффективных автономных источников электроэнергии.

Известен многослойный солнечный элемент [1], содержащий оптически последовательно связанные верхний полупроводниковый элемент, выполненный из Ga_xIn_1-xP или Al_y Ga_1-yAs, туннельный переход из GaAs, нижний полупроводниковый элемент, выполненный из GaAs или Ge, при этом все слои полупроводниковых элементов размещены на подложке GaAs или Ge, а толщины их оптимизированы для согласования полупроводниковых элементов по току, причем на верхнем полупроводниковом элементе размещен фронтальный контакт, а на внешней стороне подложки - тыльный контакт, который через выше указанные полупроводниковые элементы электрически последовательно соединен с фронтальным полупрозрачным контактом.

Данное устройство не обладает высокой эффективностью преобразования солнечного излучения в электричество, так как нижний полупроводниковый элемент имеет толщину 3,5 мкм, что снижает: коэффициент собирания носителей зарядов и КПД, так как добавление такого второго - нижнего полупроводникового элемента увеличивает коэффициент полезного действия (КПД) только на 5,4%, а наличие тонкого фронтального полупрозрачного контакта также ограничивает КПД из-за большого сопротивления этого контакта.

Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является устройство по способу [2], содержащее прозрачную подложку, на тыльной стороне которой последовательно нанесены: первый проводящий материал в виде прозрачной пленки металла или легированного оксида, второй материал в виде усеченных металлических пирамид, между которыми расположен слой полупроводникового органического материала, а на нем - пленка третьего проводящего материала, которая не имеет электрического контакта с остальными проводящими материалами, причем третий проводящий материал выполнен из металла и образует вместе со слоем полупроводникового материала барьер Шоттки.

Устройство не обеспечивает достаточно высокий КПД преобразования солнечного света в электрический ток, так весь спектральный ИК диапазон солнечной радиации (в спектре солнечного излучения достигшего земли ИК излучение составляет 53%). преобразуется в тепло, которое рассеивается в окружающей среде. Кроме этого, часть солнечной радиации видимого диапазона, которая попадает на основания усеченных металлических пирамид, отражается от них, или переходит в тепло, и не используется для преобразования в электричество.

Техническая задача - повышение КПД преобразования солнечного излучения в электроэнергию при одновременном увеличении ресурса работы устройства.

Поставленная техническая задача решается тем, что в устройство, содержащее прозрачную подложку, на тыльной стороне которой последовательно нанесены: прозрачная проводящая пленка, на которой сформированы металлические усеченные прямоугольные пирамиды, электрически соединенные между собой аналогичными пирамидами, меньшие основания которых электрически связаны с ней, причем между металлическими усеченными прямоугольными пирамидами последовательно нанесены слой полупроводникового материала и металлическая пленка, не имеющая электрического контакта с остальными токопроводящими материалами и образующая со слоем полупроводникового материала барьер Шоттки, содержит диэлектрические концентраторы с зеркальной внешней поверхностью, расположенные на лицевой стороне прозрачной подложки напротив меньших оснований металлических усеченных прямоугольных пирамид и оптически связанные со слоем полупроводникового материала, а металлические усеченные прямоугольные пирамиды электрически соединены между собой аналогичными пирамидами параллельно, при этом на всех их больших основаниях нанесен слой полупроводникового материала, на котором сформированы инфракрасные приемники, соединенные последовательно или параллельно и содержащие, как минимум, по одному детектору и полуволновому вибратору, геометрические размеры которых заданы длиной волны преобразуемого инфракрасного излучения окружающей среды, а на каждом участке металлической пленки последовательно расположены батарея термоэлементов и радиатор, которые оптически связаны с инфракрасными приемниками.

Для эффективного решения поставленной технической задачи инфракрасные приемники выполнены в виде двух полуволновых вибраторов, изготовленных из металлов с разной работой выхода электронов, внутренние плечи которых электрически подключенных к детекторам.

Для эффективного решения поставленной технической задачи детекторы выполнены в виде наноконденсаторов.

Совокупность указанных признаков позволяет увеличить эффективность преобразования солнечного излучения в электричество за счет расширения спектрального диапазона преобразуемого солнечного излучения и радиации окружающей среды, а также преобразования ИК части солнечного излучения, которая поступала на поверхность металлических электродов и нагревала их.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, на которой приведена схема расположения слоев материалов солнечного элемента, где:

1 - прозрачная подложка,

2 - прозрачная проводящая пленка,

3 - металлические усеченные прямоугольные пирамиды,

4 - слой полупроводникового материала,

5 - металлическая пленка,

6 - диэлектрические концентраторы,

7 - инфракрасные приемники,

8 - термоэлементы,

9 - радиаторы.

На фиг.2 показано расположение элементов устройства на тыльной стороне подложки 1, где:

10 - полуволновые вибраторы,

11 - детекторы.

В солнечном элементе на тыльную сторону прозрачной подложки 1 нанесена прозрачная проводящая пленка 2 из металла или легированного оксида. На отдельных участках прозрачной проводящей пленки 2 сформированы электрически соединенные металлические усеченные прямоугольные пирамиды 3, таким образом, что электрический контакт с ней имеют меньшие их основания. На больших основаниях металлических усеченных пирамид 3 и между ними расположен слой полупроводникового материала 4. На слой полупроводникового материала 4, расположенный между металлическими усеченными пирамидами 3, нанесена металлическая пленка 5, образующая с ним барьер Шоттки. На слое полупроводникового материала 4, расположенном на больших основаниях металлических усеченных пирами 3 сформированы инфракрасные приемники 7, которые на каждой из металлических усеченных пирамид 3 соединены параллельно, а между ними последовательно. Инфракрасные приемники 7 представляют собой полуволновые вибраторы 10, плечи которых электрически соединены с детекторами 11 и выполнены из металлов с разной работой выхода. Расстояние между внутренними плечами полуволновых вибраторов 10 составляет порядка одного - двух десятков нанометров. На всей поверхности металлической пленки 5 закреплены термоэлементы 8 в виде батарей элементов Пельтье с воздушными радиаторами 9. Диэлектрические концентраторы 6 с внешней зеркальной поверхностью оптически связаны через прозрачную подложку 1 и прозрачную проводящую пленку 2 со слоем полупроводникового материала 4, расположенным между металлическими усеченными пирамидами.

В конкретном исполнении прозрачная подложка 1 - плоскопараллельная стеклянная пластина толщиной 2 мм, выполненная из легкого крона. Прозрачная проводящая пленка 2 - это тонкий (50 нм) слой никеля или слой окиси олова. Металлические усеченные пирамиды 3 выполнены методами фотолитографии из никеля, меньшие основания которых расположены на прозрачной проводящей пленке 2. Слой полупроводникового материала 4 - пленка поликристаллического кремния толщиной 0,6 мкм или органического полупроводника, нанесенного в вакууме. Верхняя сторона слоя полупроводникового материала 4, расположенного между металлическими усеченными пирамидами 3, выполняется легированной и вместе с нижней стороной металлической пленки 5 образует барьер Шоттки. Диэлектрические концентраторы 6 с внешними зеркальными сторонами это призмы, угол между внешними зеркальными сторонами которых выбран меньшим 90°, выполненные травлением из материала прозрачной подложки 1. Инфракрасные приемники 7 - это выполненные травлением из металлической пленки 5 полуволновые вибраторы 10, внутренние плечи которых электрически подключены к детекторам 11. Минимальное количество N инфракрасных приемников 7 определяется выражением: N=L/2(d+), где L - сумма периметров больших оснований всех металлических усеченных прямоугольных пирамид 4, d - расстояние между инфракрасными приемниками, - длина волны преобразуемого инфракрасного излучения окружающей среды. Детекторы 11 выполнены в виде наноконденсаторов, для получения нелинейных вольтамперных характеристик которых, одни из плеч полуволновых вибраторов 10 покрываются пленкой материала с малой работой выхода электронов - например TiC. Наноконденсаторы выполнены в виде нанозазоров между внутренними плечами полуволновых вибраторов 10, получающихся при их охлаждении до комнатной температуры после высокотемпературных технологических операций. Полученные нанозазоры способны выпрямлять электрические сигналы с частотой, соответствующей диапазону длин волн инфракрасного излучения [3].Термоэлементы 8 это расположенная на металлической пленке 5 батарея стандартных элементов, например, Пельтье. Радиаторы 9 выполнены из сплава Д 16Т с большой площадью внешней поверхности.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Входное солнечное излучение, нормально падающее на лицевую сторону прозрачной подложки 1 и те части его, которые отражаются от зеркальных поверхностей диэлектрических концентраторов 6 проходят через прозрачную подложку 1, прозрачную проводящую пленку 2 и поступают в слой полупроводникового материала 4. В указанном слое полупроводникового материала 4 происходит поглощение видимой части солнечного излучения, а инфракрасная часть - проходит дальше и поглощается металлической пленкой 5, нагревая ее. В результате этого в слое полупроводникового материала 4 генерируются пары носителей заряда, которые разделяются на его границе с металлической пленкой 5 барьером Шоттки и тем самым создается разность потенциалов между металлической пленкой 5 и электрически соединенными металлическими усеченными прямоугольными пирамидами 3. Так как термоэлементы 8 имеют тепловой контакт с металлической пленкой 5 с одной стороны, а с другой стороны - с радиаторами 9, то на выходе термоэлементов 8 появляется электрический ток, обусловленный термогенерацией.

Энергия электромагнитных волн инфракрасного излучения окружающей среды, в том числе и от элементов устройства преобразуется полуволновыми вибраторами 10 в электрические токи высокой частоты, соответствующие длинам волн собственных частот полуволновых вибраторов 10. Выпрямление полученных высокочастотных токов осуществляется детекторами 11.

Так как, металлические усеченные прямоугольные пирамиды 3 электрически соединены с прозрачной проводящей пленкой 2 имеющей существенно меньшее сопротивление, то выходное сопротивление солнечного элемента уменьшается и тем самым повышается его КПД. В предлагаемом устройстве повышение КПД солнечного элемента достигается также за счет: дополнительного преобразования инфракрасного излучения как солнечной радиации, так и окружающей среды, а также преобразования теплового поля элементов и самого устройства в электрический ток. Кроме этого, полное использование всей входной апертуры преобразуемого солнечного излучения также увеличивает эффективность солнечного элемента. А уменьшение градиента температуры элементов устройства увеличивает ресурс его работы.

Источники информации:

1. Пат. США 5223043.

2. Пат США 7314773.

3. Денисов В.И. и др. // Приборы и техника эксперимента. 2007. 4. С.96-102.

1. Солнечный элемент, содержащий прозрачную подложку, на тыльной стороне которой последовательно нанесена прозрачная проводящая пленка, на которой сформированы металлические усеченные прямоугольные пирамиды, электрически соединенные между собой аналогичными пирамидами, меньшие основания которых электрически связаны с ней, причем между металлическими усеченными прямоугольными пирамидами последовательно нанесены слой полупроводникового материала и металлическая пленка, не имеющая электрического контакта с остальными токопроводящими материалами и образующая со слоем полупроводникового материала барьер Шоттки, отличающийся тем, что содержит диэлектрические концентраторы с зеркальной внешней поверхностью, расположенные на лицевой стороне прозрачной подложки напротив меньших оснований металлических усеченных прямоугольных пирамид и оптически связанные со слоем полупроводникового материала, а металлические усеченные прямоугольные пирамиды электрически соединены между собой аналогичными пирамидами параллельно, при этом на всех их больших основаниях нанесен слой полупроводникового материала, на котором сформированы инфракрасные приемники, соединенные последовательно или параллельно и содержащие как минимум по одному детектору и полуволновому вибратору, геометрические размеры которых заданы длиной волны преобразуемого инфракрасного излучения окружающей среды, а на каждом участке металлической пленки последовательно расположены батарея термоэлементов и радиатор, которые оптически связаны с инфракрасными приемниками.

2. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что инфракрасные приемники выполнены в виде двух полуволновых вибраторов, изготовленных из металлов с разной работой выхода электронов, внутренние плечи которых электрически подключенных к детекторам.

3. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что детекторы выполнены в виде наноконденсаторов.