CN104836526B8

CN104836526B8 - 一种太阳能电池

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Publication number: CN104836526B8
Application number: CN201510284582.5A
Authority: CN
Inventors: 张爱国
Original assignee: Individual
Current assignee: Zhang Aiguo
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2018-03-30
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: CN104836526A; CN104836526B

Abstract

本发明公布了一种太阳能电池，其包括光采集转换模块与升压模块，所述升压模块由一种降低电压开关应力的升压电路构成，所述降低电压开关应力的升压电路包括由光采集转换模块输入的电压Vin，开关元件S1、S2、二极管D1、D2、电感L、输入电容C1、中间电容C2和输出电容Co，输入电源产生输入电压Vin，开关元件S1、S2分别具有寄生电容C_S1、C_S2，通过控制开关元件S1、S2的导通和关断，提高了太阳能电池输出电压，同时减少了能量损耗。

Description

一种太阳能电池【技术领域】 _

[0001] 本发明涉及太阳能电池，具体说是一种降低电压开关应力且输出电压为高电压的太阳能电池。【背景技术】

[0002] 在太阳能发电系统中，由于单块太阳能电池提供的都是电压较低的直流电，不能满足现有用电设备的用电需求，也不能满足并网的要求，因此需要把低电压直流电转换为实际需要的高压直流电。因而高增益、性能稳定的升压变换器成为一个研宄热点，该研宄对推动光伏电池产业的发展具有很大的意义。

[0003] 最基本的升压变换器是单管Boost变换器，然而这种变换器的升压范围十分有限，很难满足高增益的变换要求，且开关管电压应力为输出电压。

[0004] 目前，改进现有的升压变换器主要有以下几种：

[0005] 第一种是利用变压器，在原有的直流-直流变换器中间加入一个高频的变压器，通过改变变压器变比实现高增益升压的目的。此时，电能的转化过程实际上由原来的直流-直流，变为直流-交流-交流-直流，整个系统的能量转换效率降低。

[0006] 第二种是利用耦合电感，但耦合电感结构复杂，不利于工业加工，难以保证电路的一致性，并且会引起开关器件电压应力过高，带来电磁干扰等影响，导致变换器工作损耗较大。

[0007] 第三种是加入级联升压单元，单元数越多，电压增益越大，但电路元件数越多，结构越复杂。

[0008] 第五种是交错并联直流-直流变换器，其包括两个电感，两个续流二极管，两个功率开关管，第一功率开关管的漏极与第一二极管的阳极及第一电感的一端相连，第二功率开关管的漏极与第二二极管的阳极及第二电感的一端相连，第一电感的另一端与第二电感的另一端相连。这种升压型交错并联直流-直流变换器输出电压增益较小，功率开关管的电压应力较大，功率开关管为硬开关工作，开关损耗较大，续流二极管的反向恢复电流较大，反向恢复损耗较大。

[0009]第六种是软开关电路，因此，近年来，研宄学者相继研究了一些软开关电路，主要有两类:一类是通过附加有源功率开关和无源电感、电容等器件实现功率开关管的软开关；另一类是通过附加二极管和无源电感、电容等器件实现功率开关管的软开关，如附图丄所示。这两类方法的虽然可以实现功率开关管的软开关，但是外加电路复杂，而且不能降低功率开关管的电压应力。

[0010]还有一种由电容、二极管、三极管构成的直流升压矩阵电路，如附图2所示，即输出电源与矩阵的连接只在第一行电容的一端和最后一行电容的一端，输入电源与矩阵只在第一列电容的一端和最后一列电容的一端通过三极管连接，同一行相邻2列的电容由2只同向二极管并联且相邻2行的二极管为共用二极管，同一列的各个电容同向串联且在最后一行电容的一端连接有2只二极管，通过适当的控制方法是能让同一行的每只电容形成充电回路的2只三极管同时导通，且接于第一列电容的三极管和最后一列电容的三极管一一对应导通使得各行电容是轮流充电的。但这种升压电路所需的开关、电容、二极管等元件太多，导致电路结构复杂、成本太高。【发明内容】

[0011]本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种输出高电压的太阳能电池，提高输出电压，减少能量损耗。

[0012]本发明包括光采集转换模块与升压模块。

[0013]半导体基材，其具有一前表面以及一后表面；

[0014] 掺杂层，位于该半导体基材的该前表面上；

[0015]抗反射层，位于该掺杂层上；

[0016] 电极，位于该抗反射层上且与该掺杂层电性连接；

[0017] 钝化堆栈层，位于该半导体基材的该后表面上，该钝化堆栈层包括：

[0018] 接触该半导体基材后表面的第一介电层；

[0019] 第二介电层；以及

[0020]中间介电层，夹于该第一介电层与该第二介电层之间，其中该中间介电层的介电常数低于该第一介电层的介电常数以及该第二介电层的介电常数，且该中间介电层的厚度大于该第一介电层的厚度，且该中间介电层的厚度大于该第二介电层的厚度；以及一接触层，覆盖该钝化堆找层且与该半导体基材的该后表面电性接触。

[0021] 所述升压模块由一种降低电压开关应力的升压电路构成；

[0022]本发明的升压模块包括光米集转换模块产生的输入电压Vin，开关元件S1、S2、二极管D1、D2、电感L、输入电容C1、中间电容C2和输出电容Co。由于开关器件的特性，开关元件 S1、S2分别具有寄生电容CS1、CS2。具体连接关系为:输入电压Vin的正极连接电感L的一端和输入电容C1的负端，电感L的另一端连接开关元件S1的集电极、二极管D1的阳级，开关元件 S1的发射极连接开关元件S2的集电极，开关元件S2的发射极连接输入电压Vin的负极，中间电容C2的一端连接二极管D1的阴极，另一端连接开关元件S1的发射极，二极管D2的阳极连接二极管D1的阴极，二极管D2的阴极连接输入电容C1的正端，输出电容Co的一端连接二极管D2的阴极，输出电容Co的另一端连接输入电压Vin的负极，并在其两端产生输出电压 Vout，开关元件SI、S2构成开关元件支路，二极管D1、D2构成二极管支路，开关元件支路和二极管支路在同一时刻不同时导通。

[0023] 开关元件S可以为IGBT或者M0SFET，二极管为快恢复二极管或者肖特基二极管； [0024]通过控制开关元件S1、S2的导通和关断，实现升压功能的同时可使开关元件S1、S2 集电极和发射极之间的电压降不超过输出电压的50%，大大降低了其电压应力，且相对于现有技术开关器件少，减小整体开关管的导通损耗和开关损耗，进一步减小了变换器的整体损耗，结构简单，电路中无能量损耗元件，提高了变换器的工作效率。【附图说明】

[0025]图1:现有交错并联直流-直流变换器电路结构图；

[0026]图2:现有的直流升压矩阵电路结构图；

[0027]图3:本发明的具有升压模块的结构示意图；

[0028]图4:本发明的具有低电压开关应力的升压电路第一阶段工作情况；

[0029]图5:本发明的具有低电压开关应力的升压电路第二阶段工作情况；

[0030]图6:本发明的具有低电压开关应力的升压电路第三阶段工作情况；

[0031]图7:本发明的具有低电压开关应力的升压电路第四阶段工作情况；

[0032]图8:本发明的具有低电压开关应力的升压电路第五阶段工作情况。

[0033]图9:本发明光采集转换模块结构示意图【具体实施方式】

[0034]由图3可知，本发明的低电压开关应力的升压电路包括光采集转换模块输入的电压Vin、开关元件S1、S2、二极管D1、D2、电感L、输入电容C1、中间电容C2和输出电容Co。由于开关器件的特性，开关元件S1、S2分别具有寄生电容CS1、CS2。

[0035]结合附图3对本发明的结构作详细说明，具体连接关系为:输入电压Vin的正极连接电感L的一端和输入电容C1的负端，电感L的另一端连接开关元件S1的集电极、二极管D1 的阳级，开关元件S1的发射极连接开关元件S2的集电极，开关元件S2的发射极连接输入电压Vin的负极，中间电容C2的一端连接二极管D1的阴极，另一端连接开关元件S1的发射极，二极管D2的阳极连接二极管D1的阴极，二极管D2的阴极连接输入电容C1的正端，输出电容 Co的一端连接二极管D2的阴极，输出电容Co的另一端连接输入电压Vin的负极，并在其两端产生输出电压Vout。

[0036]下面结合附图4-8对该升压电路的工作情况进行说明：

[0037]第一阶段，如附图4所示:开关元件SI、S2均导通，开关支路处于导通状态，电感电流II将流过开关元件S1、S2,电流从输入电压Vin的正极经过电感L流向输入电压Vin的负极;不经过二极管D1、D2，二极管支路处于断开状态；

[0038] 第二阶段，如附图5所示:开关元件S1导通，开关元件S2关断，由于开关元件S2的关断，导致开关支路处于断开状态，电感电流将通过二极管D1、D2流向输入电容C1和输出电容 Co,二极管支路处于导通状态，此时的电容状态为中间电容C2和寄生电容CS2串联后与输出电容Co和二极管D2串联支路并联;达到稳态后中间电容C2的电压接近于零，寄生电容CS2的电压应与输出电容Co上的的输出电压相同。

[0039] 第三阶段，如附图6所示:开关元件S1关断、开关元件S2关断，由于开关元件S1、S2 的关断，导致开关支路仍处于断开状态，电感电流将继续通过二极管D1、D2流向输入电容Cl 和输出电容Co，二极管支路仍处于导通状态，此时的电容状态为(1)中间电容C2和寄生电容 CS2串联后与输出电容Co和二极管D2串联支路并联；（2)寄生电容CS1与中间电容C2和二极管 D1串联支路并联，达到稳态后中间电容C2和寄生电容CS2各自的电压将为输出电容Co上的输出电压的50%，寄生电容CS1的电压为中间电容C2的电压，也为输出电容Co上的输出电压的 50%。

[0040] 第四阶段，如附图7所示:开关元件S1导通、开关元件S2关断，由于开关元件S2的关断，导致开关支路仍处于断开状态，假设该电路电流处于连续模式，电感电流将继续通过二极管D1、D2流向输入电容C1和输出电容Co,二极管支路仍处于导通状态，此时的电容状态为：（1)中间电容C2和寄生电容CS2串联后与输出电容Co和二极管D2串联支路并联，（2)寄生电容CS1两端由于开关管S1的导通处于短接状态;达到稳态后中间电容C2的电压接近于零，寄生电容CS2的电压应与输出电容Co上的的输出电压相同，寄生电容CS1的电压将被泄放降至0;

[0041] 第五阶段，如附图8所示:开关元件S1导通、开关元件S2导通，由于开关元件S1.S2 的导通，导致开关支路回到导通状态，电感电流IL将流过开关元件S1、S2，电流从输入电压 Vin的正极经过电感L流向输入电压Vin的负极；由于二极管D1、D2承受反向压降，二极管支路将变为处于关断状态，此时的电容状态为：（1)中间电容C2暂时处于悬浮状态(2)寄生电容CS2两端由于开关管S2的导通处于短接状态;达到稳态后中间电容C2由于电压不能突变暂时仍将接近为零，寄生电容CS1、CS2的电压将被泄放降至〇;

[0042]将上述阶段重复循环即为该升压电路的工作过程，在整个过程中，开关元件S2的集电极和发射极之间电压降长超过输出电压的50%，大大降低了其电压应力，且相对于现有技术开关器件少，减小整体开关管的导通损耗和开关损耗，进一步减小了变换器的整体损耗，结构简单，电路中无能量损耗元件，提高了变换器的工作效率。

[0043]由图9可知，本实施例的光采集转换模块包括半导体基材1〇2、掺杂层1〇4、抗反射层106、电极107、钝化堆栈层108以及接触层110。

[0044]掺杂层，位于该半导体基材的该前表面上，抗反射层，位于该掺杂层上，电极，位于该抗反射层上且与该掺杂层电性连接，钝化堆栈层，位于该半导体基材的该后表面上；

[0045]所述钝化堆栈层包括:接触该半导体基材后表面的第一介电层;第二介电层；以及中间介电层，夹于该第一介电层与该第二介电层之间，其中该中间介电层的介电常数低于该第一介电层的介电常数以及该第二介电层的介电常数，且该中间介电层的厚度大于该第一介电层的厚度，且该中间介电层的厚度大于该第二介电层的厚度;以及一接触层，覆盖该钝化堆找层且与该半导体基材的该后表面电性接触；

[0046]半导体基材102具有前表面102a以及后表面102b。在本实施例中，半导体基材102 例如是掺杂有P型掺质的半导体材料。所述P型掺质可以是选自元素周期表中三族元素的群组，例如是硼⑻、铝(A1)、镓(Ga)、铟(In)等等。另外，半导体基材1〇2的材料可为硅、硫化镉 (CdS)、铜铟镓二硒(CuInGaS%，CIGS)、铜铟二硒(CuInS%，CIS)、碲化镉(WTe)、半导体有机材料（organicmaterial)或上述材料堆栈的多层结构。上述的硅包括单晶硅 (singlecrystalsilicon)、多晶硅（polycrystalsilicon)、非晶硅（amorphoussilicon)或是微晶石圭(microcrystalsilicon) 〇

[0047]掺杂层104是位于半导体基材102的前表面102a上。在本实施例中，掺杂层104例如是掺杂有N型掺质的半导体材料。所述N型掺质可以是选自元素周期表中的第五族元素，例如磷(P)、砷(As)或是锑(Sb)等等。类似地，掺杂层1〇4的材料可为硅、硫化镉、铜铟镓二硒、铜铟二硒、碲化镉、半导体有机材料或上述材料堆栈的多层结构。上述的硅包括单晶娃、多晶娃、非晶娃或是微晶娃。

[0048]抗反射层106是位于掺杂层104上。抗反射层106可为单层或多层结构，且其材质例如是氮氧化硅、氮化硅或是其它的抗反射材料、或上述的组合。 ’、

[0049]电极107位于抗反射层1〇6上并且与掺杂层1〇4电性连接。更详细而言，电极1〇7是贯穿抗反射层106而与掺杂层104电性连接。电极1〇7可为单层或多层结构，且其材料可包括金属材料（如铝、金、银、铜、钥、钛、钽等）或透明导电氧化物 (transparentconductiVe〇xide，TCO)。所述透明导电氧化物例如是氧化铝锌(AZ0)、铟锌氧化物(IZO)、铟锡氧化物(ITO)、氧化锌(ZnO)、二氧化锡(SnOj、氧化铟(IhOj或是其它透明导电材质。

[0050]钝化堆枝层108是位于半导体基材102的后表面102b上，且钝化堆栈层108包括第一介电层108a、第二介电层l〇8c以及夹于第一介电层l〇8a与第二介电层10¾之间的中间介电层108b。特别是，中间介电层l〇Sc的介电常数实质上低于第一介电层1〇8a的介电常数，且中间介电层l〇Sc的介电常数实质上低于第二介电层的介电常数。

[0051]根据本实施例，第一介电层10¾以及第二介电层l〇8c可为氧化硅、氮化硅或是氮氧化娃、或是其它合适的材料为范例，但不以此为限。本发明是以第一介电层1〇8£!以及第二介电层108c实质上都为同一材料为范例。然而，于其它实施例中，第一介电层108£1以及第二介电层1〇8〇可为不同的材料。再者，第一介电层108a以及第二介电层108(；其中一者可为单层或多层结构。而中间介电层108b的介电常数约大于或等于1并且小于氧化桂的介电常数。基于上述，中间介电层108b可为单层或多层结构，且其材料包括碳氧化硅(SiC0)、多孔性碳氧化硅(SiCO)、氮碳化硅(SiCN)、多孔性氮碳化硅(SiCN)、含氟聚合物、多孔性含氟聚合物、含氣戰化桂、多孔性含氣氧化娃、多孔桂石膜、黑钻石（blackDiamond)、多孔性黑钻石 (blackDiamond)、含甲基硅倍半氧烷(Methylsilsesquioxane，MSQ)、多孔性甲基硅倍半氧烷（Methylsilsesquioxane，MSQ)、氢硅酸盐类（HydrogenSi lsesquioxane，HSQ)、多孔性氢硅酸盐类(HydrogenSilsesquioxane,HSQ)、或其它合适的材料、或上述的组合。

[0052]举例而言，第一介电层108a、中间介电层108b以及第二介电层108c的组合可为氧化硅-低介电常数介电层-氮化硅;氮化硅-低介电常数介电层-氧化硅;氧化硅-低介电常数介电层-氧化硅;或是氮化硅-低介电常数介电层-氮化硅。较佳的是，第一介电层108a、中间介电层l〇Sb以及第二介电层108C的组合为氧化硅-低介电常数介电层-氮化硅，但是不以此为限。

[0053]另外，在上述钝化堆栈层108中，中间介电层l〇8c的厚度约介于5纳米(nm)至500纳米(nm)，第一介电层108a的厚度介于5纳米(nm)至1〇〇纳米(nm)，且第二介电层108b的厚度介于5纳米(nm)至100纳米(nm)。换言之，中间介电层lose的厚度实质上大于第一介电层 l〇8a的厚度，且中间介电层108c的厚度实质上大于第二介电层l〇8c的厚度。

[00M]接触层110是覆盖钝化堆栈层108且与半导体基材102的后表面102b电性接触。更详细来说，接触层110穿过钝化堆栈层108而与半导体基材102的后表面102b电性接触。接触层110可为单层或多层结构，且其材料包括金属材料，较佳的是选用具有高导电性且高反射性的金属材料，例如是如铝或是其它金属。当然，若不考虑接触电阻问题，接触层110可采用电极107所述的材料。

[0055] 在上述的实施例中，设置在半导体基材1〇2的背表面102b的钝化堆栈层108是由第一介电层l〇8a、第二介电层108c以及夹于第一介电层l〇8a与第二介电层108c之间的中间介电层108b构成。而且，中间介电层108c的介电常数实质上低于第一介电层108a的介电常数，且中间介电层l〇8c的介电常数实质上低于第二介电层的介电常数。由于中间介电层108b的介电常数够低，因此，当光线自半导体基材102的前表面102a射入而进入钝化堆栈层108时，光线可于钝化堆栈层108具有较佳的反射效率。特别是，对于红外光光线来说，红外光光线在钝化堆栈层108具有较佳的反射效率。 t〇〇56]最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当^解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和'泪围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种太阳能电池，其包括光采集转换模块与升压模块，其特征在于：所述光采集转换模块包括半导体基材，其具有一前表面以及一后表面；掺杂层，位于该半导体基材的该前表面上；抗反射层，位于该掺杂层上；电极，位于该抗反射层上且与该掺杂层电性连接；钝化堆找层，位于该半导体基材的该后表面上，该钝化堆栈层包括：接触该半导体基材后表面的第一介电层；第二介电层；以及中间介电层，夹于该第一介电层与该第二介电层之间，其中该中间介电层的介电常数低于该第一介电层的介电常数以及该第二介电层的介电常数，且该中间介电层的厚度大于该第一介电层的厚度，且该中间介电层的厚度大于该第二介电层的厚度；以及一接触层，覆盖该钝化堆栈层且与该半导体基材的该后表面电性接触；所述升压模块由一种降低电压开关应力的升压电路构成；所述降低电压开关应力的升压电路包括由光采集转换模块输入的电压Vin，开关元件 31、32、二极管01、02、电感1、输入电容(：1、中间电容02和输出电容(：〇，光采集转换模块产生输入电压Vin，开关元件SI、S2分别具有寄生电容CS1、CS2，开关元件SI、S2构成开关元件支路，二极管D1、D2构成二极管支路，输入电压Vin的正极连接电感L的一端以及输入电容C1的负端，电感L的另一端连接开关元件S1的集电极、二极管D1的阳级，开关元件S1的发射极连接开关元件S2的集电极，开关元件S2的发射极连接输入电压Vin的负极，所述中间电容C2的一端连接二极管D1的阴极，另一端连接开关元件S1的发射极，二极管D2的阳极连接二极管 D1的阴极，二极管D2的阴极连接输入电容C1的正端，输出电容Co的一端连接二极管D2的阴极，输出电容Co的另一端连接输入电压Vin的负极，并在其两端产生输出电压Vout，开关支路和二极管支路在同一时刻不同时导通；第一阶段，开关元件S1、S2均导通，开关支路处于导通状态，电感电流II将流过开关元件 S1、S2,电流从输入电压Vin的正极经过电感L流向输入电压Vin的负极;不经过二极管D1、 D2，二极管支路处于断开状态；第二阶段，开关元件S1导通，开关元件S2关断，由于开关元件S2的关断，导致开关支路处于断开状态，电感电流将通过二极管D1、D2流向输入电容C1和输出电容Co,二极管支路处于导通状态，此时的电容状态为中间电容C2和寄生电容CS2串联后与输出电容Co和二极管 D2串联支路并联;达到稳态后中间电容C2的电压接近于零，寄生电容CS2的电压与输出电容 Co上的的输出电压相同；第三阶段，开关元件S1关断、开关元件S2关断，由于开关元件S1、S2的关断，导致开关支路仍处于断开状态，电感电流将继续通过二极管D1、D2流向输入电容C1和输出电容Co，二极管支路仍处于导通状态，此时的电容状态为（1)中间电容C2和寄生电容CS2串联后与输出电容Co和二极管D2串联支路并联；（2)寄生电容CS1与中间电容C2和二极管D1串联支路并联，达到稳态后中间电容C2和寄生电容CS2各自的电压将为输出电容Co上的输出电压的50%，寄生电容CS1的电压为中间电容C2的电压，也为输出电容Co上的输出电压的50%; 第四阶段，开关元件S1导通、开关元件S2关断，由于开关元件S2的关断，导致开关支路仍处于断开状态，假设该电路电流处于连续模式，电感电流将继续通过二极管D1、D2流向输入电容Cl和输出电容Co,二极管支路仍处于导通状态，此时的电容状态为：（1)中间电容C2 和寄生电容CS2串联后与输出电容Co和二极管D2串联支路并联，（2)寄生电容CS1两端由于开关管S1的导通处于短接状态;达到稳态后中间电容C2的电压接近于零，寄生电容CS2的电压与输出电容Co上的的输出电压相同，寄生电容CS1的电压将被泄放降至0; 第五阶段，开关元件S1导通、开关元件S2导通，由于开关元件S1、S2的导通，导致开关支路回到导通状态，电感电流IL将流过开关元件S1、S2,电流从输入电压Vin的正极经过电感L 流向输入电压Vin的负极；由于二极管D1、D2承受反向压降，二极管支路将变为处于关断状态，此时的电容状态为：（1)中间电容C2暂时处于悬浮状态⑵寄生电容CS2两端由于开关管 S2的导通处于短接状态;达到稳态后中间电容C2由于电压不能突变暂时仍将接近为零，寄生电容CS1、CS2的电压将被泄放降至〇。

2. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述的开关管S1、S2为IGBT或 M0SFET或其他大功率开关器件。

3. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于:所述的二极管D1、D2为快恢复二极管或者肖特基二极管。

4. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于:通过控制开关元件31、32的导通和关断，实现升压功能的同时使开关元件S1、S2集电极和发射极之间的电压降不超过输出电压的50%。