CN102231395B - 绝缘栅型硅光伏电源组件 - Google Patents
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Abstract
一种绝缘栅型硅光伏电源组件，包括绝缘栅型硅光伏电池，所述的绝缘栅型硅光伏电池是由p型半导体、n型半导体及两者之间的pn结组成的单晶硅或多晶硅光伏电池，在光伏电池的光辐射面与背面分别设有表面电极和背面电极，在所述的绝缘栅型硅光伏电池的n型半导体光辐射面的上面依次设有透明减反绝缘膜、透明导电膜；n型半导体光辐射面、透明减反绝缘膜和透明导电膜之间构成一个绝缘栅结，透明导电膜为控制栅级；所述p型半导体背面电极为正电极，N型半导体栅型表面电极为负电极；所述透明导电膜与p型半导体背面电极之间设有外加电场电压源，外加电场电压源正电极连接控制栅级，负电极连接p型半导体背面电极。
Description
技术领域
本发明涉及绝缘栅型硅光伏电源组件，尤其是通过提供一个独立的直流方波电场，为绝缘栅型硅光伏电池提供一个激励调控硅光伏电池半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变偏置电压使硅光伏电池pn结形成零偏与负偏，使该绝缘栅型硅光伏电池可以直接输出直流脉动波形电流的电源组件。尤其是通过两组串联的绝缘栅型硅光伏电池组对及独立的直流方波电场激励调控电路，组成可交流输出的绝缘栅型硅光伏组件。
背景技术
当前单晶硅、多晶硅光伏电池组件输出的是直流电，并通过专门的逆变电源将硅光伏电池组件输出的是直流电逆变成高压的交流电。硅光伏电池组件中的单晶硅、多晶硅光伏电池的基本结构，都是采用p型半导体、n型半导体所组成具有pn结特征的光伏电池。硅光伏电池的基本结构是一个大面积的光电二极管，当半导体pn结处于零偏或负偏时，在pn结的结合面耗尽区存在一内电场Enp，当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场Enp作用下，分别飘移到N型区和P型区，当在pn结两端加负载时就有一光生电流流过负载。所以，硅光伏电池必须处于零偏或负偏状态工作，当硅光伏电池处于正偏状态工作时，由于硅光伏电池pn结内电场Enp被外电场抵消，此时硅光伏电池不产生光生电流。当前现有的硅光伏电池都是工作在零偏状态，参看附图1A、图1B所示。
图1A所示的单晶或多晶硅光伏电池是由：表面电极1.1、耗尽区pn结1.2、背面电极1.3、p型半导体1.4、n型半导体1.5所组成。
图1A中Enp是单晶或多晶硅光伏电池在零偏状态时pn结自建电场，Ip是光伏电池输出电流，ID是单晶或多晶硅光伏电池pn结正向电流。
n型半导体是在本征半导体材料中，掺入杂质使自由电子浓度大大增加，称为n型（电子型）半导体。p型半导体在本征半导体中，掺入杂质使空穴浓度大大增加，称为p型（空穴型）半导体。
硅单晶或多晶硅光伏电池的n型半导体与p型半导体直接接触或通过导体接触，并在接触面形成pn结耗尽区，并在耗尽区载流子扩散形成自建电场Enp，硅光伏电池pn结界面的扩散势垒深度一般为0.05μm-0.5μm，电势一般在0.4V-0.65V。
当入射光子进入硅单晶或多晶硅光伏电池pn结耗尽区，并光子能量大于pn结耗尽区能隙时，光子能量会被吸收，产生高势能的电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到自建电场Enp的影响而产生光电流Ip。
图1B中硅光伏电池pn结区载流子扩散自建电场Enp的大小，是由外电场E的大小与方向，来确定光伏电池是处在零偏、负偏或正偏状态下，决定硅光伏电池发电与效率的重要参数。
发明内容
为了使硅光伏电池具有开关波形输出电流与提高转换效率，以及提供一种直接交流输出的硅光伏电源组件。本发明提供一种绝缘栅型硅光伏电池；以及由多个串联绝缘栅型光伏电池组件，通过一个直流方波电场为绝缘栅型硅光伏电池组件提供一个直流方波，调控串联的绝缘栅型硅光伏电池半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变偏置电压，使每个绝缘栅型硅光伏电池pn结同步形成零偏与负偏电压，使该绝缘栅型硅光伏电池组件可以直接输出直流脉动电流。
尤其是由串联绝缘栅型硅光伏电池组对及直流方波电源电路，直接组成一种可输出交流的绝缘栅型光伏电池组件装置。
实现本发明目的技术方案是：
一种绝缘栅型硅光伏电源组件，包括绝缘栅型硅光伏电池，所述的绝缘栅型硅光伏电池是由p型半导体、n型半导体及两者之间的pn结组成的单晶硅或多晶硅光伏电池，在光伏电池的光辐射面（或称为表面）与背面分别设有表面电极和背面电极，在所述的绝缘栅型硅光伏电池的n型半导体光辐射面的上面依次设有透明减反绝缘膜、透明导电膜；n型半导体光辐射面、透明减反绝缘膜和透明导电膜之间构成一个绝缘栅结，透明导电膜为控制栅极；所述p型半导体背面电极为正电极，N型半导体栅型表面电极为负电极；所述透明导电膜（控制栅极）与p型半导体背面电极之间设有外加电场电压源V1，外加电场电压源V1正电极连接控制栅极，负电极连接p型半导体背面电极。
本发明通过外部电源V1接入绝缘栅型硅光伏电池，外加电源电压范围V1≥V（V是单片硅光伏电池零偏时的开路电压），电场电源V1是一定频率的直流方波或直流的电压源；绝缘栅结膜厚度≤0.1μm，绝缘栅结膜是采用SiO2或SiN的减反绝缘膜。
绝缘栅型硅光伏电池是由：栅型表面电极、pn结区、背面电极、p型半导体、n型半导体、减反绝缘膜、透明导电膜所组成，透明导电膜被称为控制栅极。所述外加电场V1的绝缘栅型硅光伏电池结构是：采用单个绝缘栅型硅光伏电池，电场电源V1≥V的直流方波电场电源，V1电场电源正电极连接绝缘栅型硅光伏电池的透明导电膜，负电极连接绝缘栅型硅光伏电池的背面电极。负载电阻R连接在绝缘栅型硅光伏电池的栅型表面电极和背面电极之间。
参照图3B，是绝缘栅型硅光伏电池的等效电路，E1=Ej+Enp，Ej是绝缘栅结的电场，Enp是电池pn结的电场；V1电场电源激励绝缘栅型硅光伏电池周期性工作在零偏与负偏状态下，绝缘栅型硅光伏电池工作在零偏时，绝缘栅型硅光伏电池有输出直流电流；绝缘栅型硅光伏电池工作在负偏时，绝缘栅型硅光伏电池有增强的脉动输出电流。
参照图3C，是V1电场电源激励绝缘栅型硅光伏电池周期性工作在零偏与负偏状态下，V1电场电压与绝缘栅型硅光伏电池输出电流Ip的曲线图。
本发明的优化方案有：
本发明中，所述绝缘栅型硅光伏电源组件，由多个绝缘栅型硅光伏电池串联构成,第一个绝缘栅型硅光伏电池栅型表面电极与最后一个绝缘栅型硅光伏电池背面电极，组成多个串联绝缘栅型硅光伏电池组件的负电极与正电极；绝缘栅型硅光伏电池组件中每个电池控制栅极之间有电阻R连接，最后一个绝缘栅型硅光伏电池的控制栅极与背面电极有电阻R连接;电场电源V1采用V1≥nV的直流方波电场电源或直流电源，n是绝缘栅型硅光伏电池串联的个数，V是单片绝缘栅型硅光伏电池零偏时的开路电压；V1电场电源正电极连接第一个绝缘栅型硅光伏电池的控制栅极，负电极连接最后一个绝缘栅型硅光伏电池的正电极；负载电阻RL连接在绝缘栅型硅光伏电池组件的负电极与正电极之间。
本发明中，所述绝缘栅型硅光伏电源组件，还可以是由一对奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组与V1电场电源电路组成，其中奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组是两列相互独立而相同数量的绝缘栅型硅光伏电池进行串联；V1电场电源采用V1≥nV的直流方波电场电源，n为相互独立两列串联的绝缘栅型硅光伏电池片个数，V是单片绝缘栅硅光伏电池零偏时的开路电压；奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组对输出的两个正电极，连接各自的绝缘栅双极型晶体管集电极（C），而两个绝缘栅双极型晶体管发射极（E）相连，并共同接参考地e;奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组对的两个负电极，分别连接变压器T初级端，初级的中端接参考地e；V1电场电源负电极连接参考地e，正电极连接驱动器（IC1、IC3）与反相驱动器(IC2、IC4)的输入端，驱动器(IC1)与反相驱动器(IC2)输出分别连接奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组的透明导电膜（控制栅极）,驱动器(IC3)与反相驱动器(IC4)输出分别连接奇、偶绝缘栅双极型晶体管的控制门级（G）。
上述由一对奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组与V1电场电源电路组成的绝缘栅型硅光伏电源组件，提供一种交流输出的绝缘栅型硅光伏电池组件，交流输出的绝缘栅型硅光伏电源组件是一种不需要外部提供DC/AC逆变电源，可直接输出交流的绝缘栅型硅光伏电源组件，并且可直接转换提供高压交流电输出的绝缘栅型硅光伏电源组件。
附图说明
图1-A为现有的硅光伏电池结构原理图；
图1-B为现有的硅光伏电池偏置电压原理图；
图2为本发明绝缘栅型单晶或多晶硅光伏电池结构原理图；
图3A为本发明绝缘栅型硅光伏电池施加直流方波电源电路图；
图3B为施加直流方波电源与绝缘栅型场效应光伏电池电路原理图；
图3C为绝缘栅型硅光伏电池工作在零偏与负偏，V1与Ip的曲线图；
图4A为绝缘栅型硅光伏电池组件施加直流方波电源结构原理图；
图4B为绝缘栅型场效应光伏电池组件在零偏与负偏，V1与Ip的曲线图；
图5为本发明交流输出的绝缘栅型硅光伏电池组件电路原理图。
具体实施方式
实施例1
参照附图2所示，绝缘栅型硅光伏电池，是一种单晶或多晶硅绝缘栅型硅光伏电池，其结构是：由栅型表面电极2.1、pn结区2.2、背面电极2.3、p型半导体2.4、n型半导体2.5、减反绝缘膜2.6、透明导电膜2.7（控制栅极）所组成。绝缘栅型硅光伏电池结构中，背面电极2.3与栅型表面电极2.1，是绝缘栅型硅光伏电池输出的正电极与负电极，而透明导电膜2.7与背面电极2.3连接电场电源V1，使透明导电膜2.7与背面电极2.3之间形成电场E1=Ej+Enp，Ej是绝缘栅结的电场，Enp是电池pn结的电场；其中透明导电膜2.7是通过减反绝缘膜2.6与n型半导体2.5之间组成绝缘栅结，绝缘栅结中的减反绝缘膜2.6膜厚≤0.1μm，材料为SiO2或SiN。而电场电源V1与绝缘栅型硅光伏电池也是相互独立的电源。
绝缘栅型硅光伏电池的工作原理是：电场电源V1采用V1≥V的直流方波电场电源或直流电源，本实施例1采用直流方波电场电源；V1电场电源正电极连接绝缘栅型硅光伏电池的控制栅极，负电极连接绝缘栅型硅光伏电池的背面电极。
参照图3B，是绝缘栅型硅光伏电池等效电路，E1=Ej+Enp，Ej是绝缘栅结的电场，Enp是电池pn结的电场；V1电场电源激励绝缘栅型硅光伏电池周期性工作在零偏与负偏状态下，绝缘栅型硅光伏电池工作在零偏时，绝缘栅型硅光伏电池有直流输出电流；绝缘栅型硅光伏电池工作在负偏时，绝缘栅型硅光伏电池有增强的脉动输出电流。
参照图3C，是V1电场电源激励绝缘栅型硅光伏电池周期性工作在零偏与负偏状态下，V1电场电压与绝缘栅型硅光伏电池输出电流Ip的曲线图。
实施例2
参照附图4A所示，绝缘栅型硅光伏电源组件，是由多个绝缘栅型硅光伏电池串联构成，每个电池控制栅极之间有电阻R连接，最后一个绝缘栅型硅光伏电池的控制栅极与背面电极有电阻R连接组成;工作原理是：电场电源V1采用V1≥nV的直流方波电场电源，n是场效应硅光伏电池串联的个数；V1电场电源正电极连接串联绝缘栅型硅光伏电池组中第一电池的控制栅极，负电极连接最后一个绝缘栅型硅光伏电池的正电极；负载电阻RL连接串联绝缘栅型硅光伏电池组的正、负电极。
参照图4B，V1电场电源激励绝缘栅型硅光伏电池组件周期性工作在零偏与负偏状态下，绝缘栅型硅光伏电池组件工作在零偏时，绝缘栅型硅光伏电池组件输出直流电流；绝缘栅型硅光伏电池组件工作在负偏时，绝缘栅型硅光伏电池组件有增强的脉动输出电流。
实施例3
参照附图5所示，本实施例是交流输出的绝缘栅型硅光伏电源组件，由奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组对与V1电场电源电路组成的交流输出的绝缘栅型硅光伏电池组件。本实施例中，奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组，各自都有多个相同数量的绝缘栅型硅光伏电池串联而成；V1电场电源采用V1≥nV的直流方波电场电源，n为奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组对的电池片个数；IC1、IC3为驱动器；IC2、IC4为反相驱动器；IGBT1、IGBT2为绝缘栅双极型晶体管；每个绝缘栅型硅光伏电池控制栅极之间有电阻R连接，最后一个绝缘栅型硅光伏电池的控制栅极与背面电极有电阻R连接;T为变压器；电容C是变压器输出端波形整形的电容。
交流输出的绝缘栅型硅光伏电池组件电路中，奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组对输出正极分别连接IGBT1、IGBT2绝缘栅双极型晶体管的集电极（C），GBT1、IGBT2绝缘栅双极型晶体管的发射极（E）相连，并共同接参考地e;奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组对的负极，分别连接变压器T初级的a、b端，初级的中端接参考地e；V1电场电源负电极连接参考地e，正电极连接IC1、IC3驱动器与IC2、IC4反相驱动器的输入端，IC1、IC3驱动器与IC2、IC4反相驱动器输出分别连接奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组的透明导电膜（控制栅极）与IGBT1、IGBT2绝缘栅双极型晶体管的控制门级（G）。
V1电场电源采用V1≥nV的直流方波电场电源时，IC1、IC3驱动器与IC2、IC4反相驱动器输出相位相反的直流方波电压，此时的奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组，分别按V1电场电源输出直流方波的频率，周期性工作在负偏与推挽开关状态工作。当绝缘栅型硅光伏电池组件有太阳辐射时，变压器T的初级a、e端与b、e端分别有交替周期性快速响应的Ipa与Ipb增强光电流，变压器T的次级g、f端有交流电压输出,并可通过变压器T改变初级与次级的线圈比，提高交流输出电压，而电容C为滤波电容。
Claims (3)
1.一种绝缘栅型硅光伏电源组件，包括绝缘栅型硅光伏电池，所述的绝缘栅型硅光伏电池是由p型半导体、n型半导体及两者之间的pn结组成的单晶硅或多晶硅光伏电池，在光伏电池的光辐射面与背面分别设有表面电极和背面电极，其特征是，在所述的绝缘栅型硅光伏电池的n型半导体光辐射面的上面依次设有透明减反绝缘膜、透明导电膜；n型半导体光辐射面、透明减反绝缘膜和透明导电膜之间构成一个绝缘栅结，透明导电膜为控制栅极；所述p型半导体背面电极为正电极，N型半导体栅型表面电极为负电极；所述透明导电膜与p型半导体背面电极之间设有外加电场电压源V1，外加电场电压源V1正电极连接控制栅极，负电极连接p型半导体背面电极；
所述绝缘栅型硅光伏电源组件由多个绝缘栅型硅光伏电池串联构成,每个绝缘栅型硅光伏电池控制栅极之间有电阻R连接，最后一个绝缘栅型硅光伏电池的控制栅极与背面电极有电阻R连接；第一个绝缘栅型硅光伏电池的控制栅极，为绝缘栅型硅光伏电池组件的控制栅极，绝缘栅型硅光伏电池组件的正、负电极是绝缘栅型硅光伏电池组件中最后电池的背面电极与第一个电池栅极表面电极；电场电源V1采用V1≥nV的直流方波电场电源，n是绝缘栅型硅光伏电池串联的个数，V是单片绝缘栅型硅光伏电池零偏时的开路电压；电场电源V1正电极连接绝缘栅型硅光伏电池组件的控制栅极，负电极连接绝缘栅型硅光伏电池组件的正电极。
2.根据权利要求1所述的绝缘栅型硅光伏电源组件，其特征是，所述绝缘栅结膜厚度≤0.1μm，绝缘栅结膜是采用SiO2或SiN的减反绝缘膜；所述绝缘栅型硅光伏电池的p型半导体背面电极与该透明导电膜之间设有外加电压源V1。
3.根据权利要求1所述的绝缘栅型硅光伏电源组件，其特征在于，所述绝缘栅型硅光伏电源组件由一对奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组与电场电源V1及电路组成，其中奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组是两列相互独立而相同片数的绝缘栅型硅光伏电池进行串联；V1电场电源采用V1≥nV的直流方波电场电源，n为相互独立两列串联的绝缘栅型硅光伏电池片个数，V是单片绝缘栅型硅光伏电池零偏时的开路电压；奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组对输出正极分别连接IGBT1、IGBT2绝缘栅双极型晶体管的集电极（C），IGBT1、IGBT2绝缘栅双极型晶体管的发射极（E）相连，并共同接参考地e;奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组对的负极，分别连接变压器T初级的a、b端，初级的中端接参考地e；V1电场电源负电极连接参考地e，正电极连接IC1、IC3驱动器与IC2、IC4反相驱动器的输入端，IC1、IC3驱动器与IC2、IC4反相驱动器输出分别连接奇、偶绝缘栅型硅光伏电池组的透明导电膜与IGBT1、IGBT2绝缘栅双极型晶体管的控制门级（G）。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20111102 Assignee: Internet of things (Shanghai) Co., Ltd. Assignor: Guo Jianguo|Mao Xingyuan Contract record no.: 2017310000011 Denomination of invention: Insulating grating type silicon photovoltaic power supply module Granted publication date: 20131113 License type: Exclusive License Record date: 20170316 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Internet of things (Shanghai) Co., Ltd. Assignor: Guo Jianguo|Mao Xingyuan Contract record no.: 2017310000011 Date of cancellation: 20181108 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131113 Termination date: 20180617 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |