PL133862B1 - Solar energy conversion method - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób przetwarza¬ nia energii slonecznej.Znanych jest wiele systemów i technik przetwa¬ rzania i wykorzystywania energii slonecznej, jed¬ nakze, poniewaz oswietlenie nie jest ciagle, ko¬ nieczne jest stosowanie srodków do gromadzenia odbieranej energii. Funkcje te spelniaja matryce wielopowierzchniowych ogniw slonecznych podla¬ czone do baterii akumulatorów, przy czym syste¬ my praktycznie stosowane majace taka konstruk¬ cje, maja cztery zasadnicze wady.Po pierwsze znane techniki wytwarzania spraw¬ nych ogniw slonecznych zuzywaja stosunkowo du¬ ze ilosci materialu pólprzewodnikowego jako pod¬ loze wykorzystujac mala ilosc materialu jako ma¬ terial aktywny. Po drugie, ogniwa pólprzewodni¬ kowe sa zwykle niskonapieciowymi przyrzadami wymagajacymi -.wzajemnych polaczen zdolnych , do < przenoszenia pradów rzedu tysiecy A, przy mo¬ cach rzedu kilowatów. Po trzecie, poniewaz ko¬ nieczne jest równolegle laczenie duzej liczby ogniw slonecznych, dla uzyskania, uzytecznej mo¬ cy wyjsciowej z duzych powierzchni, to wszelkie wady i uplywy w pojedynczym ogniwie moga w powaznym stopniu obnizyc parametry calej ma¬ trycy. Zwieksza to dodatkowo koszty wytwarzania i poteguje problemy zwiazane z niezawodnoscia wykonanej matrycy. Po czwarte, poniewaz energia sloneczna musi byc gromadzona tak, aby mogla byc nastepnie uzyta wtedy, gdy jest to konieczne, 10 15 konwencjonalne systemy ogniw slonecznych wyko¬ rzystuje sie do ladowania akumulatorów. Akumu¬ latory takie sa drogie, duze i trudne w obsludze.Znany jest system, w którym zwykle ogniwa sloneczne wykorzystuje sie do uruchomienia ogni¬ wa do elektrolitycznej dysocjacji wody. Wodór wytwarzany w tym ogniwie jest magazynowany do pózniejszego wykorzystania. System ten roz¬ wiazuje czesciowo problem magazynowania ener¬ gii slonecznej, przy czym ma on wyzej wymie¬ nione wady znanych systemów. Czyniono równiez próby uproszczenia problemu wzajemnych pola¬ czen przez stosowanie duzych plytek monokrysta- licznego krzemu.Ponadto czyniono równiez starania w celu opra¬ cowania sposobu wytwarzania wodoru/tlenu po¬ przez fotolize wody przy zastosowaniu pólprze¬ wodników. Przyklady tego typu sposobu opisano w takich publikacjach jak „Fotokatalityczne wy¬ twarzanie wodoru jako alternatywa przetwarzania energii slonecznej" SN Paleocrassas, Solar Energy, tom 16, Pergamon Press 1974; „Elektrochemiczna fotoliza wody za pomoca pólprzewodnikowej elek- trody" A. Fujishima, K. Monola, Nature, tom 238, 2972, oraz „Komórki fotoelektrochemiczne" M.Eisenberg, H. P. Sihrerman, Electrochemica Acta, tom 5, Pergamon Press, Ltd, 1961. Zgodnie z tymi publikacjami energia swietlna stosowana jest do wzbudzenia elektronów w elektrodzie z materia¬ lów stanowiacych osnowe luminoforów, przykla- 133 862133 862 dowo pólprzewodnika ^albo specjalnego barwnika, do poziomów energetycznych przy których utle¬ niaja wode wytwarzajac tlen.W przypadku gdy odpowiednia pojedyncza elek¬ troda umieszczona jest~we. wlasciwy sposób w przyleglym przedziale, oddzielonym odpowiednia membrana stanowiaca separator roztworu, i pola¬ czona elektrycznie zewnetrznym obwodem elek¬ trycznym z poprzednia elektroda, to zarówno wo¬ dór jak i tlen moga wydzielac sie na oddzielonych elektrodach. Powyzsze rozwiazania maja takie sa¬ me wady, jak to juz ^ryzej opisano, poniewaz ko¬ nieczne jest laczenie poszczególnych, oddzielnych dgniw Wzajemnie ze soba za pomoca zewnetrznego obwodu elektrycznego 1 nie sa praktyczne w uzy¬ ciu ,gdyz zbyt maly procent widma jest wykorzy¬ stany, a z uzyskiwanej energii tylko niewielka czesc jest przetwarzana na energie uzyteczna, zas uszkodzenie poszczególnego ogniwa w elektrodzie wplywa niekorzystnie na jego efektywnosc.Celem wynalazku jest opracowanie sposobu przetwarzania energii slonecznej nie majacego wad znanych sposobów, umozliwiajacego wyeliminowa¬ nie zewnetrznego obwodu elektrycznego, laczacego duza liczbe pojedynczych ogniw, stanowiace od¬ dzielne urzadzenie, wyeliminowanie separatorów przykladowo membran, dzielacych zbiorniki po¬ szczególnych ogniw oraz produkcje przetworników o duzej liczbie ogniw jako jednego zespolu.Cel wynalazku osiagnieto przez opracowanie sposobu przetwarzania energii slonecznej w pro¬ dukty reakcji polegajacego na zajrzeniu duzej liczby pólprzewodnikowych generatorów fotoelek- trycznych w elektrolicie, naswietlaniu duzej licz¬ by pólprzewodnikowych, generatorów fotoelek- trycznych swiatlem, dla wytworzenia elektrycz¬ nych potencjalów a przez to wytworzenia produk¬ tów reakcji z elektrolitu, gromadzeniu co najmniej jednego z produktów reakcji a nastepnie rekom- binowaniu produktu, dla wytworzenia energii elektrycznej, w którym zgodnie z wynalazkiem stosuje sie pólprzewodnikowe generatory fotoelek- tryczne zawierajace pólprzewodnikowy material typu p/n i n/p i kontaktuje sie bezposrednio z. elektrolitem co najmniej wybrane obszary sy¬ stemu tych generatorów fgotoelektrycznych powo¬ dujac przeplyw pradu bezposrednio przez elektro¬ lit, dla wywolania reakcji elektrochemicznej w eletrolicie i wytworzenia produktów reakcji, przy czym co najmniej jeden z produktów reakcji sta¬ nowi gaz.Zastosowanie sposobu wedlug wynalazku, w którym po raz pierwszy zastosowano generatory pólprzewodnikowe bezposrednio zwilzane e1ektro- liteaa i,bedacych w styku z elektrolitem oraz spo¬ wodowano przeplyw wytworzonego pradu bezpo¬ srednio przez elektrolit, zapewnia . rozwiazanie wszystkich problemów wynikajacych z zastosowa¬ nia znanych sposobów, poniewaz eliminuje ze¬ wnetrzny obwód elektryczny oraz koniecznosc sto¬ sowania separatorów roztworu, przykladowo mem¬ bran. Spowodowalo to calkowita zmiane kon¬ strukcji przetworników, które to maja duza liczbe ogniw wytworzonych w odpowiedoim procesie w arkuszu pólprzewodnikowego materialu zanu¬ rzonym bezposrednio w elektrolicie, zwilzajacym powierzchnie ogniw.Szczególnie korzystne jest to, Ze dopuszczalne jest wystepowanie w przetworniku elementów . uszkodzonych. Nowa konstrukcja przetworników opracowana w oparciu o sposób wedlug wynalaz¬ ku umozliwila znaczne zwiekszenie ic}l Jakosci i efektywnosci dzialania oraz zmni^jtóeiiitw^S&ia- rów, wieksza zwartosc konstrukcji i lepsze ^ko¬ ja rzystanie materialów.Przedmiot wynalazku opisano w odniesieniu do przetworników wytworzonych w wyniku zastoso¬ wania sposobu wedlug wynalazku, przedstawio¬ nych w przykladach wykonania na rysunku, na 15 którym fig. 1 przedstawia przetwornik .Energii slonecznej w przekroju poprzecznym, fig. 2 — elektryczny schemat zastepczy fragmsntii strjiitfa- ry przetwornika z fig. I, fig. 3 — przetwornik w innym przykladzie wygnania, fig, 4.4- elek- 20 tryczny schemat zastepcty fragmentu struktury przetwornika" z fig. 3, fig. 5 — cnlaralctefystyRe napieciDwo-pradowa przejscia pomiedzy ^elektroda generatora fotoelektr^cznego a elektrolitem, fig. 6 — uproszczony schemat zastepczy fragmentu 25 struktury przetwornika z fig. 3, fig. 7 — prze¬ twornik w kolejnym przykladzie wykonania, fig. 8 — zastepczy schemat elektryczny fragmentu struk¬ tury przetwornika z fig. 7, fig. 9 — schemat kon¬ strukcyjny konwencjonalnego pólprzewodnikowego 30 ogniwa fotoelektrycznego w przekroju poprzecz¬ nym, fig. 10 — przyklad efektywniejszego wyko¬ rzystania materialu pólprzewodnikowego, fig. 11 fragment struktury generatora tasmowego, w przekroju poprzecznym; fig. 12 — wydluzony cy- lindryczny przetwornik elektrolityczny, w rzucie aksometrycznym, fig. 13 — funkcjonalny schemat blokowy systemu, z zastosowaniem przetwornika* fig. 14 — schemat procesu formowania fotoelek¬ trycznego generatora tasmowego. m Przetwornik 10 energii slonecznej na chemiczna zawiera sloneczne ogniwo 11 zamocowane tak, ze jogo górna powierzchnia jest zwilzana elektroli¬ tem 13 (fig. 1). Pokrywa przetwornika 10 jest wy¬ konana z arkusza materialu przepuszczajacego 45 swiatlo, korzystnie ze szkla, i ma dolna powierzch¬ nie 14. Górna powierzchnia ogniwa slonecznego 11 jest naswietlana swietlnymi promieniami 15 i 16.Ogniwo 11 jest ogniwem pólprzewodnikowym, w którym pólprzewodnikowa plytka lla jest wy-.M konana z materialu takiego jak krzem. Dyfuzyjna warstwa llb jest uzyskiwana metoda konwencjo¬ nalna, przez maskowanie tlenkowe i domieszfcowa- • nie, w Wyniku czego uzyskuje sie zlacze lic, roz¬ ciagajace sie na Czesci powierzchni ogniwa 11. gg Podloze jest wykonane korzystnie z krzemu typu n o rezystywnosci 0,5 do 1,0 cm, na którym na¬ niesiona jest dyfuzyjna warstwa typu p o kon¬ centracji powierzchniowej 10" na cm* i szerokosci zlacza 0,5 do 1,0 \im< w Elektrody Ud i lla- sa przezroczyste i wykonane korzystnie z metalu szlachetnego, takiego jak pla¬ tyna albo pallad, przez napylenia warstwy takiego metalu o grubosci 15fi run na powierzchnie plytki pólprzewodnikowej i spiekanie w temperaturze m 250°C w ciagu 5 minut Alternatywnie Wykorzy-5 133 862 6 stuje sie cienkie nieprzezroczyste elektrody z tych metali nalozone tylko na czesci naswietlonej po¬ wierzchni. Ogniwo 11 jest umieszczone pomiedzy izolujacymi ksztaltkami lig.Pod wplywem dzialania swietlnych promieni 15 i 16 na zlaczu lic wytwarzane jest napiecie 0,4 V do 0,6 V. Napiecie to pojawia sie na elektrodach lic i lla ogniwa powodujac przeplyw pradu przez elektrolit 13 jak to uwidoczniono przerywanymi liniami 18.Jako elektrolit 13 stosuje sie plyn, w którym przeplyw pradu wywoluje uzyteczna reakcje przy napieciu uzyskiwanym z ogniwa. Jezeli wykorzy¬ stywane jest ogniwo krzemowe, elektrolitem jest chlorek nitrylu NOC1. W tym przypadku na elek¬ trodzie Ile, stanowiaca katode, jest wytwarzany tlenek azotu, natomiast na elektrodzie lid, stano¬ wiacej anode jest wytwarzany chlor. Otrzymywane produkty sa gazami oddzielone od siebie za po¬ moca pólprzepuszczalnej membrany 17 zamocowa¬ nej do izolatora 17a. Tlenek azotu jest doprowa¬ dzany przez wylotowy otwór 49, a chlor przez otwór 20. Swiezy elektrolit doprowadzany jest przez otwór 21. Przetwornik 10 pracuje w sposób ciagly absorbujac energie optyczna padajaca na ogniwo 11 dla spowodowania przeplywu pradu w elektrolicie 13, a wiec wymieszanie reakcji che¬ micznej w elektrolicie umozliwiajacej wytworze¬ nie, zgromadzenie i przechowywanie co najmniej jednego produktu reakcji.W tego rodzaju przetworniku zbedne jest stoso¬ wanie zewnetrznych polaczen elektrycznych. Jezeli w tym samym elektrolicie zanurzonych jest kilka ogniw 11, 11', 11" (fig. 2), nie sa wymagane zadne polaczenia, pomiiedzy nimi. Wskutek niezaleznosci kazdego z tych ogniw 11, 11', 11", ogniwo rozwarte albo zawarte nie pogarsza wlasnosci uzytkowych innych ogniw zanurzonych w elektrolicie przykla¬ dowo, gdy w tym samym elektrolicie zanurzonych jest sto ogniw, z których piec jest uszkodzonych, wartosc wyjsciowa uzyskiwana z calego zespolu ogniw stanowi 95% wartosci uzyskiwanej w przy¬ padku wszystkich sprawnych ogniw.Chociaz znana jest pewna ilosc reakcji, które moga byc uruchomione napieciem uzyskiwanym juz z pojedynczego ogniwa, to inne pozadane reak¬ cje wymagaja wyzszych napiec.Przetwornik 110, zawiera dwa ogniwa 111 i 112 polaczone szeregowo (fig. 3, 4). Ogniwa 111 i 112 sa umieszczone pomiedzy izolujacymi ksztaltkami Ulg, zas ich górne powierzchnie sa zwilzane elek¬ trolitem 113. Pokrywa przetwornika 110 jest wy¬ konana z arkusza materialu przepuszczajacego swiatlo, majacego dolna powierzchnie 114. Górne powierzchnie ogniw 111 i 112 sa oswietle swietl¬ nymi promieniami 115 di 116.Ogniwo 111 jest dwuwarstwowym przyrzadem pólprzewodnikowym wykonanym na podlozu typu n w sposób podobny do opisanego dla ogniwa 11 z fig. 1. Wskutek napromieniowania swietlnym promieniem 115, na zlaczu Hic ogniwa 111 po¬ wstaje napiecie od 0,4 V do 0,6 V.Ogniwo 112 jest wykonane na podlozu typu p z dyfuzyjna warstwa H2b wyznaczajaca zlacze 112c. Warstwe, typu n uzyskuje sie metoda dy¬ fuzji o koncentracji powierzchniowej 1019 na cm1 i grubosci zlacza od 0,5 do 1,0 \im. Elektrody llld i 112d sa wykonane metoda opisana w zwiazku z ogniwem 11 z fig. 1.Pod wplywem naswietlania swietlnymi promie¬ niami 116 w ogniwie 112 na zlaczu 112c wytwa¬ rzane jest napiecie okolo 0,5 V. Warstwa 122 me¬ talu wykonana jest korzystnie z aluminiuim i za¬ pewnia galwaniczne polaczenie z dolna powierz¬ chnia ogniw 111 i 112. Dla zapewnienia galwaniczne^ go polaczenia ogniw wykorzystuje sie dyfuzyjne warstwy lllf i 112f, przy czym warstwa lllf za¬ wiera domieszki typu n, a warstwa 112f typu .p.Ogniwa 111, 112 dzialaja w ten sposób, ze przy naswietlaniu ich energia swietlna, za pomoca swietlnych promieni 115 i 116, prad plynie z ogni¬ wa 111 przez warstwe 122 metalu do ogniwa 112 a nastepnie przez e1ektrolit 113, jak to uwidocz¬ niono za pomoca linii 118.Poniewaz ogniwo 111 polaczone jest szeregowo z ogniwem 112, przy naswietlaniu ogniw 111 i 112, pomiedzy elektroda llld i elektroda 112d po¬ wstaje napiecie okolo 1 V. Elektrolit 113 jest ply¬ nem, w którym przeplyw pradu przy tym napieciu wywoluje zadana reakcje. W opisanym przykladzie wykonania elektrolitem 113 jest 10% wodny roz¬ twór kwasu jodowodorowego HJ. Wskutek prze¬ plywu pradu przez elektrolit 113 na elektrodzie 112d, stanowiacej katode, wydziela sie wodór, a na elektrodzie llld, stanowiacej anode — jony jodu: Wodór jest usuwany z przetwornika* 110 przez wylotowy 121, a swiezy elektrolit jest dostarczany przez otwór 119. Przetwornik 110 jest zasilany energia swietlna promieni 115 i 116 padajacych na ogniwa 111 i 112, co powoduje przeplyw pradu w elektrolicie 113 i wydzielenie z elektrolitu 113 wodoru i jodu. Poniewaz tylko jeden z koncowych produktów jest gazem, do rozdzielenia produktów koncowych nie jest potrzebna zadna membrana.Jednak w przypadku niektórych reakcji moze byc pozadane zastosowanie membrany dla przeciwdzia¬ lania dyfuzji jonów pomiedzy elektrodami, co mo¬ ze stworzyc pewnego rodzaju chemiczne krótkie spiecie. W tym celu moze byc pozadane fizyczne odseparowanie anody i katody.W elektrolicie sa zanurzone dalsze pary ogniw 111, 112 (fig. 4). Jesli jest to wymagane, metalowa warstwa 122 jest powiekszona, aby zapewnic dolny styk do wszystkich ogniw 111, 112 zanurzonych w elektrolicie albo kazdej parze ogniw 111, 112 przyporzadkowuje sie osobny fragment tej war¬ stwy. Na fig. 4 uwidoczniono schemat zastepczy przetwornika dla przypadku, gdy wszystkie ogni¬ wa sa polaczone warstwa 112 metalu! Ogniwa 111 maja podloze wykonane z materialu typu n, nato¬ miast ogniwa 112 maja podloze z materialu typu p.Promienie 115, 116 swiatla pobudzaja ogniwa 111, 112.Kazde ogniwo 111, 112 wraz z elektrolitem 113 stanowi impedancje nieliniowa Z o charakterystyce uwidocznionej na fig. 5. W przypadku stosowania roztworu kwasu jodowodorowego napiecia V0 wy¬ nosi okolo 0,5 V.Na fig. 6 uwidoczniono uproszczony schemat obwodu, w którym impedancje spolaryzowane w 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60133 862 kierunku .przewodzenia zostaly zamienione w ukla¬ dzie diodami, natomiast spolaryzowane w kierun¬ ku zaporowym — rezystorami. Z podanego sche¬ matu wynika, ze niektóre ogniwa sa rozwarte, nie wplywajac przy tym na prace innych ogniw, znaj- 5 dujacych sie w przetworniku 110 pokazanym na fig. 3. W przypadku, gdy ogniwo o dowolnej pola¬ ryzacji jest rozwarte, jego sygnal wyjsciowy jest tracony, lecz nie wplywa to na sygnaly wyjsciowe innych ogniw umieszczonych w elektrolicie. 10 Podobnie, jezeli ogniwo o dowolnej polaryzacji jest zwarte, zostaje ono spolaryzowane napieciem 0,5 V wzgledem elektrolitu. Z fig. 5 wynika, ze w tych warunkach plynie maly prad, lecz inne ogniwa nie sa pobudzane. Wdbec tego, jezeli sto 15 ogniw tego typu n i sto ogniw typu p zostanie polaczonych tak, jak to uwidoczniono na fig. 4, to uszkodzenie pieciu procent ogniw typu n i pieciu ogniw typu p, spowoduje zmniejszenie sygnalu wyjsciowego nie wiecej niz o piec procent. 2fl Dla jeszcze innych zadanych reakcji sa wy¬ twarzane jeszcze wyzsze napiecia. Przykladowo efektywna elektroliza wody wymaga napiecia wyz¬ szego od 2 V. Uzyskuje sie, w ukladzie uwidocz¬ nionym na fig. 7 i 8. W tym przypadku zadane 25 napiecie jest dostarczane przez dwie pary ogniw 211, 212, 211', 21*. Kazda para ogniw 211, 212, 211', 212' identyczne z uwidocznionymi na fig. 3.Ogniwa 211, 212, 211', 212* sa usytuowane pomie¬ dzy izolujacymi ksztaltkami 211g. Szeregowe pola- 30 czenie par ogniw 211, 212, 211', 212* jest zrealizo¬ wane za pomoca metalowej warstwy 223 zapew¬ niajacej polaczenie galwaniczne z warstwami po¬ wierzchniowymi ogniw 212 i 211'. Warstwa ta ko¬ rzystnie jest wykonana z aluminium. u Wszystkie cztery ogniwa sa wystawione na dzia¬ lanie swietlnych promieni 215, 216, 215' i 216/ i wytwarzaja napiecie okolo 2 V pomiedzy elek¬ troda 211d, stanowiaca anode i elektrode 212d, stanowiaca katode. Dwa srodkowe ogniwa 212 M i 211' sa wystawione na dzialanie swiatla, przy czym sa zabezpieczone przed zetknieciem sie z elektrolitem za pomoca przezroczystej epoksy¬ dowej warstwy 24.Gdy jako elektrolit wykorzystuje sie wode, 45 przy elektrodzie 212d' wydziela sie wodór, nato¬ miast przy elektrodzie 211d — tlen. Poniewaz oba produkty sa gazami, stosuje sie pólprzepuszczalna membrane 217. Wodór jest usuwany przez otwór 220, natomiast tlen przez otwór 219. Wode uzupel- 50 nia sie przez otwór 221 w sposób zapewniajacy zachowanie ciaglosci reakcji.Podane przyklady stanowia jedynie ilustracje i mozliwe sa róznorodne modyfikacje i rozwiaza¬ nia zastepcze. Krzem moze byc zastapiony innymi 55 pólprzewodnikami, takimi jak arsenek galu lub german. Podobnie chociaz opisano ogniwa foto- elektryczne ze zlaczem p-n, do wytwarzania' na¬ piecia przy korzystaniu energii ze zródla swiatla, wykorzystuje sie elementy z bariera Schottky'ego 60 i elementy MOS. Wyzsze napiecia wymagane dla niektórych reakcji moga byc uzyskane przez sze¬ regowe polaczenie identycznych ogniw, jak rów¬ niez za pomoca metody zmiennej polaryzacji og¬ niw. Reakcje uzyskiwane za pomoca omawianych m nowych metod nie sa ograniczone do jednej klasy skladników chemicznych, przy czym osiagnieto istotna redukcje polaczen ogniwa.Nie jest niezbednym wykonywanie sztywnych wyprowadzen na zewnatrz ogniwa. Pojedyncze ogniwo uwidocznione na fig. 1 nie wymaga pola¬ czen wewnetrznych, a dla dwu wersji ogniw uwi¬ docznionych na fig. 3 wymagane jest tylko jedno polaczenie. To uproszczenie pozwala rozwazac ekonomiczne struktury realizowane z duzej liczby malych ogniw. Jest to istotne odejscie od rozwia¬ zan konwencjonalnych, w których z reguly dazy sie do obnizenia kosztów droga powiekszenia obszarów zlacz.Zastosowanie mniejszych ogniw pozwala na uzyskanie wyzszej efektywnosci. Fakt ten ilustru¬ je porównanie fragmentów struktur pólprzewodni¬ kowych uwidocznionych na fig. 9 i fig. 10. Kon¬ wencjonalne ogniwo plenarne zawiera zlacze 41 znajdujace sie 1 pm ponizej powierzchni. Nosniki generowane przez swietlne promienie 42 sa wy¬ twarzane w ogniwie do glebokosci 100 ^m chociaz zbierane sa tylko nosniki generowane w obrebie dlugosci dyfuzji zlacza.W przypadku krysztalów krzemowych o dobrej jakosci, dlugosc drogi dyfuzji wynosi 35 firn. War¬ stwa 43 stanowi aktywna czesc elementu. Uzys¬ kanie warstwy aktywnej o tej grubosci wymaga stosowania stosunkowo grubej plytki podloza, wo¬ bec czego krzem jest ciety na plastry o grubosci 300 fxm dla zapewnienia niezbednej wytrzymalosci.W takiej plytce tylko 35/300 albo 12% materialu wykorzystuje sie uzytecznie do wytwarzania pra¬ du. Gdy plytki sa wycinane z duzego krysztalu i uwzgledniane sa straty wystepujace przy cieciu, uzyteczna czesc plytki stanowi okolo 4% materia¬ lu poczatkowego.Wedlug wynalazku uzyskano strukture o znacz¬ nie wyzszej efektywnosci (fig. 10). W przypadku powierzchni sferycznej o srednicy 100 firn ponad 07% materialu znajduje sie w obrebie dlugosci dyfuzji zlacza 41, natomiast w przypadku po¬ wierzchni sferycznych o srednicy 200 jim okolo 73% materialu znajduje sie w obrebie dlugosci dy¬ fuzji, a zatem czesc ta jest potencjalnie uzyteczna.Chociaz powierzchnie sferyczne sa szczególnie ko¬ rzystne dla tych celów, efektywnosc malych szes¬ cianów i ksztaltów o charakterze prostopadloscia¬ nów jest znacznie lepsza w porównaniu do efek¬ tywnosci duzych powierzchni plaskich stosowa¬ nych w rozwiazaniach konwencjonalnych.Trudno jest wykorzystywac male ogniwa wy¬ korzystujac technike prowadzenia polaczen wy¬ ciagajacych dwu polaczen na ogniwie i stosowa¬ nie grubych doprowadzen pozwalajacych na prze¬ sylanie duzych pradów wytwarzane w matrycy.Zredukowanie ilosci styków wymaganych w^ ogni¬ wie umozliwia uwzglednienie alternatywnej tech¬ niki laczenia. W kolejnym przykladzie wykona¬ nia (fig. 11), wiele czesciowych sferycznych po¬ wierzchni 30, 31, 32, 33, 34 tworzy czesc jednego rzedu warstwy tych powierzchni.Rdzenie sferycznych powierzchni 30, 32 i 33 sa wykonane z pólprzewodnika typu p. Rdzenie po-9 133 862 10 wierzchni sferycznych 31 i 34 sa wykonane z ma¬ terialu typu n. Rdzenie maja odpowiednio dyfu¬ zyjne powierzchnie 30a, 31a, 32a, 33a i 34a two¬ rzace zlacza p-n kazdej sferycznej powierzchni Zlacza te maja równiez ksztalt sferyczny. Sferycz¬ ne powierzchnie 30, 31, 32, 33, 34 o róznych wy¬ miarach sa scalone w matrycy 35 z materialu izo¬ lacyjnego, korzystnie zywicy silikonowej.Dolne czesci kazdej sferycznej powierzchni sa usuwane dla uzyskania dostepu do materialu rdzenia. Matryca 35 oddziela powierzchnie sferycz¬ ne oraz pokrywa i zabezpiecza zlacza utworzone przez warstwy dyfuzyjne. Metaiiczny przewodnik 36 tworzy polaczenia galwaniczne z rdzeniem kaz¬ dej powierzchni 30, 31, 32, 33, 34 i laczy po¬ wierzchnie sferyczne w strukture porównywalna ze struktura z fig. 3.Druga warstwa 37 stanowi wspólna podstawe calej matrycy 35 i tworzy warstwe ochraniajaca metaliczny przewodnik 36. Silikonowa matryca 35 i inne materialy powierzchniowe zwiazane z kazda z powierzchni sferycznych przepuszczaja swiatlo w taki sposób, ze padajaca energia optyczna na¬ swietla cala górna polowe kazdej z powierzchni 30, 31, 32, 33, 34. Wystepuja takze pewne odbicia od metalicznej warstwy 36 i pewna czesc odbitego swiatla osiaga dolne polówki powierzchni sferycz¬ nych.Górne powierzchnie sa wyposazone w elektrody 30b, 31b, 32b, 33b, 34b i sa tak umieszczone, ze wszystkie elektrody sa indywidualnie zwilzane elektrolitem po umieszczeniu ich w przetworni¬ kach.W kolejnym przykladzie wykonania pasek albo arkusz ogniw slonecznych, takich jak uwidocznio¬ ne na fig. 11, jest obudowany dla przeksztalcenia promieniowania slonecznego w prad elektryczny, a zatem wymuszenie reakcji chemicznej wewnatrz przetwornika. Wydluzona eliptyczna rura 50 ma czesc bazowa 51, na której spoczywaja wydluzone paski 52 albo arkusze ogniw slonecznych. Górne czesci 53 maja ksztalty zapewniajace uzyskanie cylindrycznego efektu soczewkowego, dzieki czemu padajace promieniowanie zgodnie z oznaczona droga promieni 54 jest zalamane dla osiagniecia górnej powierzchni paska 52 ogniw slonecznych.W przykladzie zastosowania przetwornika we¬ dlug wynalazku w kompletnym systemie (fig. 13) szereg rur 50 jest zmontowany tak, ze ich osie sa nachylone. Paski 52 spoczywaja na dnie kazdej rury 50. Elektrolit stanowi wodny roztwór jodo- wodoru, a wewnatrz kazdej rury 50 zachodzi reakcja. 2HJ + HaO + elergia elektryczna — H2 + J2 + HjO Otrzymany jod wystepuje w postaci trójjodu (J|-), który powstaje w wyniku reakcji jonów uzyskiwanych z HJ z wytwarzanym jodem J.W kazdym przypadku produkty tej reakcji wodór i jony trójjodu sa usuwane rurociagami 56 i 58.Wodór odprowadzany rurociagiem 56 jest przesy¬ lany do magazynujacej jednostki 60, w której jest sprezony i przechowywany w postaci gazu lub w postaci wodorku. Jod jest efektywnie magazy¬ nowany w elektrolicie i jest transportowany za pomoca rur 57 do rurociagu 58.Gdy jest to wymagane, energie elektryczna otrzymuje sie z systemu droga rekombinacji wo- 5 doru i jodu w paliwowym ogniwie 61, wodoro- halogenowym. W paliwowym ogniwie 61 zacho¬ dzi reakcja: H, + Jt + HjO 2HJ + H^O -f energia elektryczna Wodór jest przekazywany do paliwowego ogni¬ wa 61, za pomoca rury 59, natomiast jod jest transportowany w postaci roztworu wodnego za pomoca rury 62. Poniewaz roztwór w matrycy rur 50 jest równiez podgrzewany slonecznymi pro¬ mieniami 54, z systemu pobierana jest energia cieplna za pomoca konwencjonalnego wymiennika 63 ciepla. Zrekombinowane produkty paliwowe ogniwa 61 sa zwrócone do rur 50 za pomoca ruro¬ ciagu 64 i rur 65.System uwidoczniony na fig. 13. jest systemem zamknietym przystosowanym do pracy ciaglej.Zastosowanie materialów takich jak kwas jodo- wodorowy jest efektywne, gdyz reakcja ladowania jest prowadzona bez zauwazalnego przyrostu po¬ tencjalu elektrody, a reakcja rozladowania jest prowadzona bez zauwazalnej polaryzacji elek¬ trody.W rezultacie reakcje H, + J2 + H*0 2HJ + H^O + energia elektryczna pozwalaja z duzym przyblizeniem uzyskac odwra- calnosc termodynamiczna, co zapewnia efektyw¬ nosc gromadzenia energii i systemu zasilania.Dla innych zastosowan moze byc pozadane za¬ stosowanie systemu tego typu do wytwarzania wodoru. Gdy jest to potrzebne, wodór jest pobie¬ rany z rurociagu 56 albo z magazynujacej jed¬ nostki 60 jak to uwidoczniono przerywana linia 60a. W przypadku, gdy wodór jest usuwany z sy¬ stemu, konieczne jest zmodyfikowanie systemu.Wykonuje sie to zastepujac paliwowe ogniwo 61 jednostka, w której siarczek wodoru jest mieszany z jonami trójijodu tworzac nowy kwas jodowodo- rowy, który jest zwracany do konwertorów slo¬ necznych za pomoca rurociagu 64. Jezeli jest to wymagane, siarczek jodowodoru jest wytwarzany z wodoru otrzymywanego z rurociagu 56 albo jest dostarczany ze zródla zewnetrznego.Zastosowania w systemach dowolnego typu, wy¬ magaja dziesiatek albo nawet setek metrów kwa¬ dratowych pasków ogniw slonecznych. Efektywne wytwarzanie tego elementu systemu ma wiec pod¬ stawowe znaczenie. Produkcja takich pasków musi byc ekonomiczna i efektywna pod wzgledem zuzy¬ cia materialów. Poniewaz paski tego typu sa wy¬ twarzane metodami stosowanymi przy produkcji obwodów cienkowarstwowych, to wyzsza efek¬ tywnosc pozwala uzyskac stosowanie malych czastek.Podczas wytwarzania arkuszy ogniw slonecz¬ nych (fig. 14) najpierw formowane sa krzemowe kule 301, 302, 303, 304, 305. Kule te sa uzyskiwa¬ ne w drodze mielenia albo wytwarzane w pro¬ cesie zblizonym do wykorzystywanego przy wy¬ twarzaniu drutu olowianego. Krzem domieszko- 15 30 25 30 35 40 45 50 55133 862 U 12 wany do 5 x 1017 na cm3 poddawany jest mieleniu w mlynie rurowym i wypychany przez dysze.Tworzone sa kropelki krzemu, które opadaja z wysokosci okolo 2,4 m. W czasie tego opadania, krzem zestala sie tworzac elementy o ksztalcie kulistyni z malym stozkiem wystajacym z konco¬ wej czesci krzepnacej kuli.To odchylenie ksztalty od ksztaltu kulistego nie ma wplywu na przebieg procesu, chociaz moze byc pozadanym zastosowanie redystrybucji koncentra¬ cji domieszek przez wygrzewanie kul przez 12 go¬ dzin w temperaturze 1300°C. W strukturze uwido¬ cznionej na fig. 11 stosowane sa zarówno kule typu p jak i kule typu n, przy czym obydwa rodzaje kul sa wykonane w ten sam sposób.Chociaz niektóre kule moga miec wewnatrz gra¬ nice ziaren, a zatem nie stanowia pojedynczego krysztalu, wiekszosc z nich nadaje sie do omawia¬ nego zastosowania. Nastepnie kule sortuje sie we¬ dlug srednic: przy czym chociaz wykorzystywane sa kule o dowolnych srednicach, korzystnie wykorzy¬ stuje sie kule o ograniczonych wahaniach wymia¬ rów w dowolnej chwili. Przykladowo w opisanym procesie produkcji kule sa sortowane na grupy Ograniczone wielkoscia srednic nie wieksza niz 0,025 mm.Nastepnie kule 301, 302, 303, 304, 305 poddawane sa dyfuzji dla uzyskania niezbednych zlacz pomie¬ dzy warstwami powier-zchniowyimi 301a, 302a, 303a, 304a, 305a i bryle materialu. W kulach typu p wytwarzana jest warstwa powierzchniowa typu n. Uzyskuje sie to za pomoca procesu dyfuzji gazo¬ wej z zastosowaniem fosforu jako zródla. Korzy¬ stnie warstwy 301, 302a, 303a, 304a, 305a maja zla¬ cza o szerokosci 0,5 — 1 jun i koncentracje powierz¬ chniowa 10" na cm1. W kulach typu n wytwarza¬ na jest warstwa powierzchniowa typu p za pomoca podobnego procesu dyfuzji z zastosowaniem boru jako zródla. Otrzymywana warstwa p ma zlacze o szerokosci od 0,5 do 1,0 jim i koncentracje powierz¬ chniowa 10" na cm*.Nastepnie na powierzchnie kul nakladane sa wy¬ prowadzenia metalowe, korzystnie z platyny, przy czym wybór metalu zalezy od uzytego elektrolitu.Cienka przezroczysta warstwa platyny uzyskiwana jest przez napylanie warstwy o grubosci 15,0 nm na powierzchnie kuli. W systemie napylania kule sa mieszane dla zapewnienia pokrycia ich calej po¬ wierzchni. Nastepnie platyna jest spiekana przez 5 minut w temperaturze 250°C tworzac wyprowa¬ dzenie warstw powierzchniowych kul obu typów.Na kule nakladana jest powloka izolacyjna 301c, 302c, 303c, 304c, 305c, korzystnie z tworzyw akrylo¬ wych o grubosci 0,012 mm. Warstwa ta nie jest wymagana gdy kule sa odsuniete od siebie w na¬ stepujacym potem procesie wytwarzania albo gdy kule typu p nie stykaja sie z kulami typu n.Nastepnie kule typu p i typu n z powloka izola¬ cyjna 301c, 302c, 303c, 304c, 305c sa wymieszane i rozmieszczone na prowizorycznym podlozu. Kule 901, 302, 303, 304, 305 sa umieszczone na tymczaso¬ wym podlozu 307, które wczesniej pokrywane jest warstwa wosku parafinowego o grubosci 0,05 mim.Podloze 307 jest nieznacznie podgrzewane i kule 3M, 342, 103, 304, 305 sa wciskane w warstwe 308 wosku, który utrzymuje kule na swoich miejscach podczas wykonywania kolejnych etapów.Podloze 307 i kule 301, 302. 303, 304, 305 sa za¬ lewane warstwa 309 kompozycji izolacyjnej, korzy- 5 stnie z zywicy silikonowej. Wybór kompozycji za¬ lezy czesciowo od wybranych elektrolitów, gdyz warstwa 309 nie moze ulegac zniszczeniu przy kon¬ takcie z elektrolitem. Stosowanie przezroczystej zy¬ wicy jest wskazane z tego wzgledu, ze pozwala ona 10 swiatlu dotrzec do wiekszej czesci powierzchni kul.Po utwardzeniu warstwy 309 nastepuje usuniecie jej górnej powierzchni, co odslania czesci bryl lub rdzenia kul. 301, 302, 303, 304, 305.Nastepnie trawi sie odsloniete kule za pomoca 15 srodka trawiacego skladajacego sie z roztworu HNO, i HF w proporcji 250:4 z dodatkiem 52 trój- alkiloaminy. W rezultacie zostaje usunieta warstwa 310 krzemu o grubosci okolo 0,012 mm i oczyszczo¬ ne zlacza. 20 Wytrawiona powierzchnie arkusza podgrzewa sie, w rezultacie czego krawedzie warstwy 300 zywicy silikonowej zginaja sie nad górnymi powierzchnia¬ mi kul 301, 302, 303, 304, 305 i zabezpieczaja odslo¬ niete zlacza. Nastepnie arkusz jest umieszczony w 25 systemie galwanizacji jonowej, po czym na cala powierzchnie arkusza napylana jest warstwa 311 metalu, korzystnie aluminium, o grubosci 0,00127 mm. Warstwa 311 laczy rdzenie wszystkich kul 301, 302, 303, 304, 305. Jezeli to pozadane, powierz- 30 chnie odsloniete wskutek usuniecia warstwy 310 sa szlifowane mechanicznie albo poddawane dzia¬ laniu zródla implantujacego jony przed procesem galwanizacji jonowej, dla ulatwienia uzyskania po¬ laczenia galwanicznego. 35 Po usunieciu arkusza z urzadzenia metalizujace¬ go jest on pokryty dodatkowa warstwa 312 mate¬ rialu zwiekszajacego wytrzymalosc i chroniacego warstwe metalowa. Warstwa 312 wykonana jest ró¬ wniez z zywicy silikonowej, chociaz przezroczystosc 40 nie jest tu wymagana. Po naniesieniu i zabezpiecze¬ niu warstwy 312 nastepuje usuniecie podloza 307.Dolna powierzchnia arkusza zostaje nastepnie wy¬ myta w rotworze, korzystnie w trójchloroetylenie dla usuniecia z odslonietych powierzchni kul 301, 45 302, 303, 304, 305 lakieru.Uzyskana siec krystaliczna jest w zasadzie taka sama jak struktura uwidoczniona na fig. 11. Po zakonczeniu procesu uzyskane arkusze materialu sa ciete na paski 52 uwidocznione na fig. 12 i wpro¬ wadzane do rur 50, gdzie sa wykorzystywane jako przetworniki swiatla slonecznego.Wszystkie wymagane procesy sa wykonywane etapowo albo w sposób ciagly. Procesy ciagle sa z « reguly korzystniejsze z punktu widzenia ekonomicz¬ nego i moga byc latwo wykorzystane do realizacji opisanych procedur. W tym przypadku tymczaso¬ wym podlozem 307 jest szeroki pas stali nierdzew¬ nej, który jest wykorzystany do przenoszenia arku- 60 sza pomiedzy kolejnymi procesami, po wykonaniu których struktura jest usuwana z pasa w postaci ciaglej tasmy. Nastepnie tasma jest zamocowana tak, aby mozliwe bylo odbieranie promieniowania przez warstwy 311 i 312 lezace naprzeciw siebie. ig Zastosowanie malych kul jest szczególne, korzyst-13 :ne jednak moga byc stasowane ogniwa fotoelek- tryczne o dowolnym ksztalcie.Przykladowo wykonuje sie paski 52 metodami re¬ alizacji warstw cienkich. W tym przypadku cienkie warstwy materialu pólprzewodnikowego sa osadzo¬ ne na cienkich arkuszach metalu, wzglednie nanosi sie pólprzewodnik, korzystnie krzem, na podloze, korzystnie szafirowe. W przypadku, gdy warstwy pólprzewodnikowe sa podzielone na niezalezne od siebie fotogeneratory o malych powierzchniach, mozna realizowac prace z tolerancja uszkodzen.Ogniwa elektryczne nie podlegaja ograniczeniom pod wzgledem ksztaltu i nie sa ograniczone do elementów ze zlaczami p-n. Przykladowo stosuje sie elementy z bariera Schottiky^go. Bariery Schotty'ego zawieraja warstwe metaliczna umie¬ szczona bezposrednio na powierzchni materialu pólprzewodnikowego, przy czym material ten oraz metal sa dobrane w taki sposób, ze w miejscu polaczenia metalu z pólprzewodnikiem powstaje bariera która przewodzi wówczas, gdy jest na¬ swietlana. Dla wykorzystania elektrolitów opisa¬ nych w tym zgloszeniu platyne nalezy zastapic aluminiowymi stykami palcowymi.W kazdym przypadku wybrane obszary elemen¬ tów fotoelektrycznych sa zwilzane elektrolitem, w którym zachodzi reakcja chemiczna. Pod zwil¬ zaniem, w rozumieniu niniejszego zgloszenia ro¬ zumie sie, ze elektrolit fizycznie i elektrycznie wspólpracuje co najmniej z wybranymi obszarami ogniw fotoelektrycznych.Swiatlo padajace na ogniwo fotoelektryczne, ko- 133 862 14 10 15 20 30 rzystnie przechodzi przez elektrolit, jednak ogni¬ wa fotoelektryczne moga byc skonstruowane tak, aby otrzymywaly swiatlo inna droga niz przez elektrolit, przy czym w dalszym ciagu sa one zwilzane przez elektrolit umozliwiajacy przeplyw pradu z ogniw, dla wykorzystania warunków dla pozadanej reakcji chemicznej.Zastrzezenia patentowe 1. Sposób przetwarzania energii slonecznej w produkty reakcji, polegajacy na zanurzeniu duzej liczby pólprzewodnikowych generatorów fotoelek¬ trycznych w elektrolicie, naswietlaniu duzej liczby pólprzewodnikowych generatorów fotoelektrycz¬ nych swiatlem, dla wytworzenia elektrycznych po¬ tencjalów a przez to wytworzenia produktów reakcji z elektrolitu, gromadzeniu co najmniej jednego z produktów reakcji a nastepnie rekom- binowaniu produktu dla wytworzenia energii elek¬ trycznej, znamienny tym, ze stosuje sie pólprze¬ wodnikowe generatory fotoelektryczne, zawiera¬ jace pólprzewodnikowy material typu p/n i kontaktuje sie bezposrednio z elektrolitem co naj¬ mniej wybrane obszary styku tych generatorów fotoelektrycznych, powodujac przeplyw pradu bez¬ posrednio przez elektrolit, dla wywolania reakcji elektrochemicznej w elektrolicie i wytworzenia produktów reakcji. 2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze wytwarza sie co najmniej jeden z produktów reakcji stanowiacy gaz.\A /5ii l i/V'? * »' *¦ V7Z1 y/s/s/A/zzl zZ2a ]rJ-'V\ V^ ¥ **k i^i \M ,„/ ihc ) W*IS Kiaa I ~ "» Fl6*3 FIG. 4133 862 F/fi 3 -JTTTT1 * r TT1 TT1 l T TT TT I 1 1 1 1 L FIG. 6 ,1, t 2}5' Zl€\ ? 2,,M*'*' 2^J2l(2}to 2"* 2"e'inf V *'*'' '***' FIG 7 -2/ff fig. a FIG. 9 v -t— 43 ~t~"! FIG 10r$5 Wl *» J/* j/ y* J** /7S // JT ^ 60e FIG. 13 Q~ M,0 30/" 305.JO/6 305£ 30f° 305a ¦^30lc 30 5c^ PL PL PL PL PL PL

Claims (2)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Sposób przetwarzania energii slonecznej w produkty reakcji, polegajacy na zanurzeniu duzej liczby pólprzewodnikowych generatorów fotoelek¬ trycznych w elektrolicie, naswietlaniu duzej liczby pólprzewodnikowych generatorów fotoelektrycz¬ nych swiatlem, dla wytworzenia elektrycznych po¬ tencjalów a przez to wytworzenia produktów reakcji z elektrolitu, gromadzeniu co najmniej jednego z produktów reakcji a nastepnie rekom- binowaniu produktu dla wytworzenia energii elek¬ trycznej, znamienny tym, ze stosuje sie pólprze¬ wodnikowe generatory fotoelektryczne, zawiera¬ jace pólprzewodnikowy material typu p/n i kontaktuje sie bezposrednio z elektrolitem co naj¬ mniej wybrane obszary styku tych generatorów fotoelektrycznych, powodujac przeplyw pradu bez¬ posrednio przez elektrolit, dla wywolania reakcji elektrochemicznej w elektrolicie i wytworzenia produktów reakcji.

2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze wytwarza sie co najmniej jeden z produktów reakcji stanowiacy gaz. \A /5ii l i/V'? * »' *¦ V7Z1 y/s/s/A/zzl zZ2a ]rJ-'V\ V^ ¥ **k i^i \M ,„/ ihc ) W*IS Kiaa I ~ "» Fl6*3 FIG. 4133 862 F/fi 3 -JTTTT1 * r TT1 TT1 l T TT TT I 1 1 1 1 L FIG. 6 ,1, t 2}5' Zl€\ ? 2,,M*'*' 2^J2l(2}to 2"* 2"e'inf V *'*'' ' PL PL PL PL PL PL