CN102403408A

CN102403408A - 一种提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法

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Publication number: CN102403408A
Application number: CN2011103771500A
Authority: CN
Inventors: 严运进
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2012-04-04

Abstract

一种提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，该方法为在半导体太阳能电池积累电荷区的外侧或上下表面的外侧增设有电容极板，对应于光照面电容极板透光，利用电源给电容极板充电，电容极板上自由电荷产生的反偏电场与对应的半导体太阳能电池PN结自建电场在PN结上全部或部分重叠并且方向相同。通过增加反偏电容电场的方法，达到既提高光电流又提高开路电压和输出功率的目的，提高光电效率。

Description

一种提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法

技术领域

本发明公开一种半导体太阳能电池或电池组的改进方法，一种通过增加电容电场的方法，提高半导体太阳能电池及电池组工作时的输出功率，提高光电效率的方法。

背景技术

随着地球能源的日益枯竭，人们对清洁能源、可再生能源的追求日益增加，太阳能作为一种取之不尽用之不竭的新能源备受关注，太阳能电池是目前人们对太阳能利用的重要方面，也是重点研究方向。目前公知的半导体太阳能电池虽然制造方法各异，但其原理都是利用半导体的PN结自建电场的作用，令其在光照条件下产生的电子-空穴对发生漂移，漂移的结果是在PN结两侧的P区积累正自由电荷（即自由空穴），N区积累数量相等的负自由电荷（即自由电子）（积累在PN结两侧的自由空穴和电子本发明定义为积累电荷或积累自由电荷），当连接外电路时，即可在外电路产生光电流。由于在PN结两侧积累的正负自由电荷所产生的电场与PN结自建电场方向相反，所以积累电荷建立的电场将阻碍空间电荷区自由电荷的漂移运动，也就阻碍了光电流的产生。根据功率公式：P=IU，电流I被限制，功率P也被限制；同时，光电流在外电路负载上的电压降会导致PN结正偏，这时PN结有正向电流——暗电流。暗电流的发生也降低了太阳能电池的有用效率。

发明内容

针对上述提到的现有技术中的半导体太阳电池效率较低的缺点，本发明提供一种新的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，通过给半导体太阳能电池或半导体太阳能电池组增加（反偏）电容电场的方法，达到既提高光电流又提高开路电压和输出功率的目的，提高光电效率。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，所述的方法为在半导体太阳能电池正负自由电荷积累区外侧或电池表面的上下两侧的外侧分别设有一个与相邻积累自由电荷绝缘的电容极板，使电容极板板面与对应的半导体太阳能电池PN结电场垂直，对应于半导体太阳能电池光照面的电容极板为透光电容极板，并给电容极板充电，使电容极板上自由电荷产生的电场与对应的半导体太阳能电池的PN结自建电场在PN结上全部或部分重叠并且方向相同。

所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，对应于半导体太阳能电池光照面的透光电容极板采用透明材料结构。

所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其对应于半导体太阳能电池光照面的透光电容极板采用导电网状结构。

所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其对应于半导体太阳能电池光照面的透光电容极板采用掺杂导电材料的透光材料。

所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其电容极板与半导体太阳能电池相邻积累电荷之间设有绝缘材料。

所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其电容极板相对于半导体太阳能电池的外侧设有绝缘材料。

所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其电容极板除充电接口外的所有部分都被绝缘材料绝缘。

所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其电容极板充电接口连接充电线后被绝缘材料绝缘。

所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其对应于半导体太阳能电池光照面的绝缘材料采用透光结构材料。

所述的电容极板与半导体太阳能电池之间采用接触或非接触形式组装。

所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其电容极板与半导体太阳能电池相邻积累电荷之间垫装有一个以上的绝缘支撑点。

所述的电容极板应用于半导体太阳能电池组时，对应于半导体太阳能电池组中的每个半导体太阳能电池都分别设有单独的电容极板，或报道提太阳能电池组中的两个以上的半导体太阳能电池共用一个或两个电容极板，每个半导体太阳能电池PN结自建电场都与对应的电容极板板面垂直。

所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，给电容极板充电是采用外接电源充电或采用设于电容极板之间的半导体太阳能电池或半导体太阳能电池组充电。

所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其电容极板面积大于或等于或小于半导体太阳能电池上下两侧表面面积，并使极板板面与对应的半导体太阳能电池PN结自建电场方向垂直，电容充电后，电容电场与对应的PN结自建电场在PN结上全部或部分重叠，并且电容电场与对应的PN结自建电场方向相同。

本发明的有益效果是：本发明在半导体太阳能电池的正负自由电荷积累区的外侧或太阳能电池上下两侧表面的外侧分别设有一个与相邻积累自由电荷绝缘的电容极板，形成电容，通过增加（反偏）电容电场的方法，达到既提高光电流又提高开路电压和输出功率的目的。提高光电效率。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明的应用结构示意图。

图中，1——半导体太阳能电池半导体材料，2——电容极板，3——绝缘材料，4——输出电极。5——反偏电容电场方向，6—— PN结自建电场方向，7—— 积累电荷电场方向。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

本发明适用于半导体太阳能电池及半导体太阳能电池组，下述实施例中，仅以半导体太阳能电池为例进行具体说明，本发明应用于半导体太阳能电池组中同样适用，半导体太阳能电池组即是由两个或两个以上半导体太阳能电池串联或并联连接组成。本发明应用于半导体太阳能电池组时，每个半导体太阳能电池可以分别设有电容极板，也可以共用一个或两个电容极板，每个半导体太阳能电池PN结自建电场都与对应的电容极板板面垂直，电容充电后，电容电场与对应的PN结自建电场在PN结上全部或部分重叠，并且电容电场与对应的PN结自建电场方向相同。本实施例中，半导体太阳能电池1包括上下两个表面，将半导体太阳能电池1接受太阳光照射的面定义为光照面，将半导体太阳能电池1的PN结两侧的自由电荷积累区假设为半导体太阳能电池自由电荷积累面，半导体太阳能电池1上两个自由电荷积累区上分别连接有一个输出电极4。本实施例中，在半导体太阳能电池1上下两个表面（即半导体太阳能电池1的PN结两侧的自由电荷积累区的外侧，）分别设置有一个电容极板2，即在半导体太阳能电池1上表面的上方设有一个电容极板2，在半导体太阳能电池1下表面的下方设有一个电容极板2，本发明中，将两个增加的电容极板2构成的电容产生的电场称为反偏电容电场。其中，对应于半导体太阳能电池1光照面一侧设置的电容极板采用透光结构，本实施例中，对应于半导体太阳能电池1光照面一侧设置的电容极板2可采用透明材料制成，或者采用网状结构设计等，要能满足让太阳光能够顺利的照射到半导体太阳能电池1光照面上，另一侧的电容极板2可自由设置，可采用透光结构或非透光结构。本实施例中，两个电容极板2采用平板式电容极板，本发明中，给电容极板2充电，使两个电容极板2之间产生一个电场，给电容极板2进行充电时，可采用外接电源进行充电，也可以采用设于电容极板之间的半导体太阳能电池或半导体太阳能电池组进行充电，本实施例中，将两个电容极板2之间产生的电场定义为电容电场或反偏电容电场，且极板2设置方向与半导体太阳能电池1的PN结自建电场方向垂直，并使其满足两个电容极板2之间的电容电场与半导体太阳能电池1的PN结自建电场在该PN结上全部或部分重叠且方向相同。为了最大程度上满足电容电场对半导体太阳能电池1中自由电荷的影响，电容极板2的大小优选为大于半导体太阳能电池1上下表面的大小。具体实施时，电容极板2的大小也可以等于或小于半导体太阳能电池1上下表面的大小。

本实施例中，为了防止电容极板2与半导体太阳能电池1相邻积累电荷之间产生直流连接，在电容极板2与半导体太阳能电池1之间设有绝缘材料3进行绝缘处理，同时为了防止电容极板2上的电荷意外流失，在电容极板2外侧设有绝缘材料3，使电容极板2除充电接口外的所有部分都被绝缘材料绝缘，或电容极板2的充电接口连接充电线后被绝缘材料绝缘。本实施例中，对应于半导体太阳能电池1光照面一侧的绝缘材料3采用透明材料制成，另一侧的绝缘材料3可以透明或不透明。具体实施时，也可以不在电容极板2与半导体太阳能电池1之间设置绝缘材料3，而直接将电容极板2与半导体太阳能电池1之间拉开一定距离，使电容极板2与半导体太阳能电池1采用非接触形式安装，即利用空气作为绝缘材料3，为了使组装更加方便，可在电容极板2与半导体太阳能电池1之间设置一个以上的绝缘支撑点。

本实施例中，电容极板2也可以应用于半导体太阳能电池组，当电容极板2应用于半导体太阳能电池组时，可以对应于半导体太阳能电池组中的每个半导体太阳能电池都分别设有单独的电容极板，或半导体太阳能电池组中的两个以上的半导体太阳能电池共用一个或两个电容极板，即两个以上的半导体太阳能电池一侧设置同一个电容极板2，两个以上的半导体太阳能电池共用同一个电容极板2，另一侧可单独对应每个半导体太阳能电池设置一块电容极板2，也可以同样对应两个以上的半导体太阳能电池设置一个电容极板2。每个半导体太阳能电池PN结自建电场都与对应的电容极板板面垂直。

本发明中，在靠近半导体太阳能电池1的P区一侧的电容极板2接电源负极，靠近半导体太阳能电池1的N区一侧的电容极板2接电源正极，给电容充电，在两个电容极板2之间建立一个与半导体太阳能电池1的PN结自建电场方向相同的电容电场，辅助半导体太阳能电池1的PN结反偏。这样，两个电场（即半导体太阳能电池1的PN结自建电场和反偏电容电场）叠加的结果：一、加强了半导体太阳能电池1中空间电荷区的自由空穴和电子的漂移运动或削弱了扩散运动；二、增加了半导体太阳能电池1的PN结的势垒高度，阻碍了暗电流的产生，提高光电增益。即在同样光照强度下，增加（反偏）电容电场，可以增大光电流，假设负载为R，根据公式P=I²R知：增大电流将增大半导体太阳能电池1的输出功率。设定充电电压，使控制电路在电容电压低于设定值时导通，等于设定值时截止。充电电压大于零，根据物理性能不同的半导体太阳能电池（从低向高调节）设定不同的充电电压，并使半导体太阳能电池工作在安全的电压范围内。

本发明的工作原理如下：从现有公知技术知道：PN结反偏能够增加光电流。（PN结反偏能够增加空间电荷区宽度，增加空间电荷区宽度能够增加光电流。）。下面主要以外接充电电源的工作方式为例说明增加（反偏）电容电场对半导体太阳能电池开路电压的影响：假设半导体太阳能电池两个自由电荷积累面的面积与电容极板面积相等，形状一致，彼此正对称且相互平行，假设电荷平铺均匀分布并且没有边际效应，设电容电量为Q1，半导体太阳能电池的积累电荷电量为Q2。当电容电压达到设定值时，断开外接充电电源，结束充电时的瞬间（以下称初始时刻），电容极板所包含的系统内的电压分配，不计PN结电容，近似于三个串联电容器的电压分配，由于在电容串联电路中，每个电容上的电荷Q应相等，又根据Q=CU得，Q一定时电压与电容成反比，即串联电容电路中容量较大的电容分配到的电压较小。其中，第一个电容由电容正极板（设为S1）和半导体太阳能电池的N区自由电子电荷积累面（设为S2）构成，第二电容由半导体太阳能电池的N区自由电子电荷积累面（S2）和半导体太阳能电池的P区自由空穴电荷积累面（设为S3）构成，第三个电容由半导体太阳能电池的P区自由空穴电荷积累面（S3）和电容负极板（设为S4）构成。在两个电容极板包含的系统内部将S2的电压设定为零， S3的电压设为U，积累电荷电场在S3上产生的电压设为U1，反偏电容电场在S3上产生的电压设为U2，则U=U1+U2。假设初始时刻Q1=Q2，这时S1、S2、S3、S4所带电荷数量相等，根据平行平板电容电场的电场强度主要集中在极板之间的特点，结合上述电荷均匀分布并且无边际效应的假设知：这时四个带电面所带电荷在S2 S3之间的电场强度合计为零。所以这时，在S2和S3之间，自由电荷主要受PN结自建电场的影响作漂移运动。由于两个电场方向相反，所以假如U1为正电压，则U2为负电压。在平行平板电容电场中间，电场强度=电荷密度除以介电常数，电压=电场强度乘以距离，为方便分析假设系统内介电常数相同，由上述假设知四个带面电荷密度相同，同一时刻S2 S3之间的距离一定，所以这样就可以认为这时U1=-U2，U=U1+U2=0：设经过时间T1，由于在光照条件下，半导体太阳能电池的PN结空间电荷区产生的电子-空穴对在自建电场的作用下漂移，自由电子和空穴分别到达S2和S3， S2和S3上积累电荷的增加使得Q2增大，新增积累电荷将建立正偏电场加强自由电子和空穴的扩散运动，（在上述假设中，这时外接电源已经断开，假设在本例中，新增积累电荷在同一极板上感应出数量相等极性相反的电荷，并且对称分布，则感应电荷产生的电场在空间电荷区的电场强度合计为零）使半导体太阳能电池的开路电压的进一步上升受到抑制并最终达到稳定，这时U>0。设S2和S3之间的电压从U=0到稳定状态时增加的电压为U3，则在系统内U=U1+U2+U3=U3。在系统外，设用导体极板延伸S2和S3到反偏电容电场之外分别为S21，S31，将这两个导电面浓缩为点或线即为输出电极。设极板S21，极板S31之间的电压为U0，由于极板S21与半导体太阳能电池N区自由电子电荷积累面S2是等势面，极板S31与半导体太阳能电池P区自由空穴电荷积累面S3是等势面，所以U0=U1+U3，（U1取 U1=-U2时的值）。综上，所得的结论为：半导体太阳能电池使用反偏电容电场能够提高开路电压，并且，在一定范围内，通过调节充电电压能够调节开路电压。

在满足上述电容极板及自由电荷积累面的假设条件下，半导体太阳能电池或电池组的输出电极分别连接电容正负极板作为电容充电电源时，半导体太阳能电池或电池组的开路电压等于电容极板之间的电压，并且开路电压随积累电荷的增加而增加。

提高开路电压，在输出电压一定时，能够减少半导体太阳能电池组中串联电池的数量，降低电池组内阻，提高有用功率。根据功率公式P=U²R知，接入相同负载时输出功率同电压的平方成正比。

本发明在半导体太阳能电池自由电荷积累面或电池表面外侧增设有电容极板，形成电容，通过增加反偏电容电场的方法，达到既提高光电流又提高开路电压和输出功率的目的。提高了光电效率。

Claims

1.一种提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其特征是：所述的方法为在半导体太阳能电池的自由电荷积累区的外侧或半导体太阳能电池上下两侧表面的外侧分别设有一个与相邻积累自由电荷绝缘的电容极板，使电容极板板面与对应的半导体太阳能电池的PN结电场垂直,使对应于半导体太阳能电池光照面的电容极板为透光电容极板，并给电容极板充电，使电容极板上自由电荷产生的电场与对应的半导体太阳能电池的PN结自建电场在相应的PN结上全部或部分重叠并且方向相同。

2.根据权利要求1所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其特征是：对应于半导体太阳能电池光照面的透光电容极板采用透明材料结构。

3.根据权利要求1所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其特征是：对应于半导体太阳能电池光照面的透光电容极板采用导电网状结构。

4.根据权利要求1所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其特征是：对应于半导体太阳能电池光照面的透光电容极板采用掺杂导电材料的透光材料。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其特征是：所述的电容极板与半导体太阳能电池相邻的积累自由电荷之间设有绝缘材料，或电容极板相对于半导体太阳能电池的外侧设有绝缘材料，或电容极板除充电接口外的所有部分都被绝缘材料绝缘，或电容极板充电接口连接充电线后被绝缘材料绝缘。

6.根据权利要求1或5所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其特征是：对应于半导体太阳能电池光照面的绝缘材料采用透光结构材料。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其特征是：所述的电容极板与半导体太阳能电池之间采用接触或非接触形式组装。

8.根据权利要求1所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其特征是：所述的电容极板应用于半导体太阳能电池组时，每个半导体太阳能电池都可以分别设有电容极板，也可以共用一个或两个电容极板，每个半导体太阳能电池PN结自建电场都与对应的电容极板板面垂直。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法，其特征是：给电容极板充电是采用外接电源充电或采用设于电容极板之间的半导体太阳能电池或半导体太阳能电池组充电。

10.根据权利要求1所述的提高半导体太阳能电池及电池组光电效率的方法其特征是：电容极板面积大于或等于或小于半导体太阳能电池上下两侧表面的面积。