RU2407108C2 - Concentrating solar cell - Google Patents

Concentrating solar cell Download PDF

Info

Publication number
RU2407108C2
RU2407108C2 RU2008113598/28A RU2008113598A RU2407108C2 RU 2407108 C2 RU2407108 C2 RU 2407108C2 RU 2008113598/28 A RU2008113598/28 A RU 2008113598/28A RU 2008113598 A RU2008113598 A RU 2008113598A RU 2407108 C2 RU2407108 C2 RU 2407108C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
solar cell
strips
cell according
collector
current collector
Prior art date
Application number
RU2008113598/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008113598A (en
Inventor
Арнольд Романович Терра (RU)
Арнольд Романович Терра
Вячеслав Михайлович Андреев (RU)
Вячеслав Михайлович Андреев
Александр Сергеевич Гудовских (RU)
Александр Сергеевич Гудовских
Валерий Дмитриевич Румянцев (RU)
Валерий Дмитриевич Румянцев
Владимир Михайлович Лантратов (RU)
Владимир Михайлович Лантратов
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН filed Critical Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Priority to RU2008113598/28A priority Critical patent/RU2407108C2/en
Publication of RU2008113598A publication Critical patent/RU2008113598A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2407108C2 publication Critical patent/RU2407108C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: concentrating solar cell (8) is in form of a rectangle with ratio of length of sides between 1 and 1.5. Said element has a substrate (3), a multilayer structure (4) formed on the substrate (3), with a central photosensitive area (12), a contact layer (9), a solid lower electrode (2) and an upper electrode in form of a contact grid, having at least one current-collecting bus (10), lying on the perimeter of the photosensitive area (12), and current-collecting strips (11). The current-collecting strips (11) equidistantly come from at least one current-collecting bus (10) at and angle 35°-55° to the lateral face (13) of the solar cell (8). The current-collecting strips (11) are parallel each other within each of four segments (a, b, c, d), lying between mutually perpendicular planes, passing through the middle of opposite sides of the rectangular solar cell (8).
EFFECT: invention enables design of a concentrating solar cell, having high efficiency owing to reduced resistance of the top contact and reduced ohmic loss.
11 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к устройствам преобразования световой энергии в электрическую, и может быть использовано в концентраторных фотоэлектрических модульных установках.The invention relates to semiconductor devices, in particular to devices for converting light energy into electrical energy, and can be used in concentrator photovoltaic module installations.

При разработке солнечных элементов, работающих при высоких значениях концентрации солнечного излучения, одним из ключевых моментов является конструкция верхнего металлического электрода. С одной стороны, для уменьшения электрических потерь на контакте он должен обеспечить минимальное омическое сопротивление, с другой стороны, контактная сетка должна обеспечить минимальное затенение фоточувствительной области солнечного элемента. Учитывая, что в концентраторных солнечных элементах распределение солнечного излучения по поверхности фоточувствительной области происходит неравномерно, задача оптимизации топологии контактной сетки становится еще более сложной.When developing solar cells operating at high solar radiation concentrations, one of the key points is the design of the upper metal electrode. On the one hand, in order to reduce electrical losses at the contact, it must provide a minimum ohmic resistance, on the other hand, the contact grid must provide minimal shading of the photosensitive region of the solar cell. Given that in solar concentrator cells the distribution of solar radiation on the surface of the photosensitive region occurs unevenly, the task of optimizing the topology of the contact grid becomes even more difficult.

Известен концентраторный солнечный элемент (см. патент US № 4320250, МПК H01L 31/04, опубликован 16.03.1982), включающий подложку из полупроводниковой пластины, первый токосборный электрод, сформированный на тыльной поверхности подложки, легированный полупроводниковый слой, сформированный на верхней поверхности подложки, контактную сетку, сформированную на легированном полупроводниковым слое, и второй металлический электрод, сформированный методом электрогальваники на контактной сетке. Второй металлический электрод имеет ширину порядка менее 25 мкм, толщину по крайней мере больше ширины и, следовательно, резкие вертикальные контуры. Упомянутая контактная сетка имеет форму круга и выполнена в виде радиально расходящихся лучей из центра круга к краям. При этом каждый луч разделяется на два на расстоянии

Figure 00000001
от центра к краю.A known concentrator solar cell (see US patent No. 4320250, IPC H01L 31/04, published March 16, 1982), comprising a substrate of a semiconductor wafer, a first collector electrode formed on the back surface of the substrate, a doped semiconductor layer formed on the upper surface of the substrate, a contact grid formed on a doped semiconductor layer, and a second metal electrode formed by electroplating on the contact grid. The second metal electrode has a width of the order of less than 25 μm, a thickness of at least more than the width and, therefore, sharp vertical contours. Mentioned contact grid has the shape of a circle and is made in the form of radially diverging rays from the center of the circle to the edges. In this case, each beam is divided into two at a distance
Figure 00000001
from center to edge.

Известный элемент позволяет обеспечить равномерное собирание генерированных носителей заряда по всей площади солнечного элемента. К недостаткам известного решения относится сильное затенение, создаваемое такой контактной системой.The known element allows for uniform collection of the generated charge carriers over the entire area of the solar cell. The disadvantages of the known solutions include the strong shadowing created by such a contact system.

Известен концентраторный солнечный элемент для использования в концентраторах (см. патент US № 4227940, МПК H01L 31/06, опубликован 14.10.1980), включающий, как правило, круглую пластину, выполненную из кремния, имеющую проводимость от 0,5 до 1,5 Ом·см и имеющую тыльную и верхнюю поверхности. Пластина имеет диаметр около 2 дюймов, слой алюминия, сформированный на тыльной поверхности и воженный в кремниевую пластину с целью формирования р+ слоя, n+ слой, сформированный на верхней поверхности пластины, многослойную структуру металлического контакта выполненную на тыльной поверхности и обеспечивающую контакт к р+ слою, многослойную структуру металлического контакта сформированную на верхней поверхности и обеспечивающую контакт к n+ слою. Многослойная структура металлического контакта, сформированная на верхней поверхности, выполнена в виде двух осесимметричных шин, имеющих форму окружности, и примерно 300 радиально расходящихся клиновидных полосок. Примерно 150 клиновидных полосок проходят из области центра к краям контактной сетки, пересекая обе контактные шины, еще примерно 150 лучей выходят из первой контактной шины и соединяются со второй контактной шиной, находящейся на периферии контактной сетки. Еще одна окружность, имеющая очень малый диаметр, находится в центре фоточувствительной области, при этом не соприкасается с лучами.Known solar concentrator cell for use in concentrators (see US patent No. 4227940, IPC H01L 31/06, published 10/14/1980), which includes, as a rule, a round plate made of silicon, having a conductivity of from 0.5 to 1.5 Ohm · cm and having a back and top surface. The plate has a diameter of about 2 inches, an aluminum layer formed on the back surface and embedded in a silicon wafer to form a p + layer, an n + layer formed on the upper surface of the plate, a multilayer metal contact structure made on the back surface and providing contact to the p + layer , a multilayer metal contact structure formed on the upper surface and providing contact to the n + layer. The multilayer metal contact structure formed on the upper surface is made in the form of two axisymmetric tires having a circle shape and about 300 radially diverging wedge-shaped strips. Approximately 150 wedge-shaped strips extend from the center region to the edges of the contact grid, intersecting both contact buses, approximately 150 more rays exit the first contact bus and connect to the second contact bus located on the periphery of the contact grid. Another circle, having a very small diameter, is located in the center of the photosensitive region, while not in contact with the rays.

Недостатками данной конструкции являются большая область затенения, а также неэффективное собирание генерированных носителей заряда в центре фоточувствительной области, где полоски контактной сетки, выполненные в виде радиальных лучей, не соприкасаются с центральной окружностью.The disadvantages of this design are the large area of shading, as well as the inefficient collection of generated charge carriers in the center of the photosensitive region, where the strips of the contact grid, made in the form of radial rays, do not touch the central circle.

Известен концентраторный трехпреходный солнечный элемент (см. К.Nishioka, Т.Takamoto, Т.Agui, М.Kaneiwa, Y.Uraoka, Т.Fuyuki. - Solar Energy Materials and Solar Cells. - 90, 2006, 1308-1321), включающий нижний электрод, германиевую подложку с сформированным в ней переходом, переход на основе соединения GalnAs, переход на основе соединения GalnP, широкозонное окно, контактный слой GaAs, верхний серебряный электрод толщиной 5 мкм. Верхний электрод и расположенный под ним контактный слой GaAs сформированы в виде прямоугольной сетки, с двух сторон которой располагаются токосъемные шины, шириной 0,85 мм и длинной 7 мм. Расстояние между двумя упомянутыми шинами составляет 7 мм. Две упомянутые шины соединяются 55 токосъемными дорожками с шириной 7 мкм и расстоянием между дорожками 120 мкм.Known three-junction concentrator solar cell (see K. Nishioka, T. Takamoto, T. Agui, M. Kaneiwa, Y.Uraoka, T. Fuyuki. - Solar Energy Materials and Solar Cells. - 90, 2006, 1308-1321), including a lower electrode, a germanium substrate with a transition formed in it, a transition based on the GalnAs compound, a transition based on the GalnP compound, a wide-gap window, a GaAs contact layer, and an upper silver electrode 5 μm thick. The upper electrode and the GaAs contact layer located beneath it are formed in the form of a rectangular grid, on both sides of which are collector bars, 0.85 mm wide and 7 mm long. The distance between the two mentioned tires is 7 mm. The two mentioned tires are connected by 55 current-collecting tracks with a width of 7 μm and a distance between tracks of 120 μm.

Недостатком данной конструкции является то обстоятельство, что она оптимизирована под солнечное излучение, распределенное равномерно по площади солнечного элемента, в то время как в концентраторной солнечной энергоустановке солнечное излучение, падающее на солнечный элемент, распределено неравномерно, с максимальной концентрацией в центре солнечного элемента.The disadvantage of this design is that it is optimized for solar radiation distributed uniformly over the area of the solar cell, while in a concentrator solar power plant, solar radiation incident on the solar cell is distributed unevenly, with a maximum concentration in the center of the solar cell.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и совокупности существенных признаков является конструкция концентраторного солнечного элемента, принятого за прототип (см. В. Galiniana, С.Algora, I. Rey-Stolle. - Comparison of 1D and 2D analysis of the front contact influence on GaAs concentrator solar cell performance. - Solar Energy Materials and Solar Cells. - 90, 2006, 2589-2604), включающая подложку со сформированной на ней гетероструктурой, контактный слой, нижний сплошной электрод и верхний электрод, выполненный в виде контактной сетки. Упомянутая контактная сетка формирует фоточувствительную область солнечного элемента в виде квадрата со сторонами размером 1 мм. Контактная сетка включает токосъемные шины шириной 100 мкм, расположенные по периметру фоточувствительной области, и угловые токосъемные полоски шириной 5 мкм, выходящие из токосъемных шин перпендикулярно сторонам квадрата и попарно соединяющиеся своими концами. Упомянутые токосъемные полоски, выходящие из середины каждого края фоточувствительной области, соединены в виде креста. Токосъемные дорожки и шины имеют удельное поверхностное сопротивление 0,35 Ом/□.Closest to the claimed solution in terms of technical nature and the combination of essential features is the design of a concentrator solar cell adopted as a prototype (see B. Galiniana, C. Algora, I. Rey-Stolle. - Comparison of 1D and 2D analysis of the front contact influence on GaAs concentrator solar cell performance. - Solar Energy Materials and Solar Cells. - 90, 2006, 2589-2604), including a substrate with a heterostructure formed on it, a contact layer, a lower solid electrode and an upper electrode made in the form of a contact grid. The contact grid mentioned above forms a photosensitive region of the solar cell in the form of a square with sides 1 mm in size. The contact grid includes current collector bars 100 μm wide, located along the perimeter of the photosensitive region, and corner current collector strips 5 μm wide, emerging from the current collector bars perpendicular to the sides of the square and pairwise connected at their ends. Said current collector strips extending from the middle of each edge of the photosensitive region are connected in the form of a cross. Current collection tracks and tires have a specific surface resistance of 0.35 Ohm / □.

Известная конструкция концентраторного солнечного элемента-прототипа позволяет достичь меньших потерь, связанных с затенением фоточувствительной области солнечного элемента, по сравнению с предыдущими вариантами исполнения контактной сетки. К недостаткам данного технического решения относится недостаточно высокий коэффициент полезного действия (КПД) концентраторного солнечного элемента, работающего при высоких степенях концентрации солнечной энергии (500-1000 солнц). Причиной указанного недостатка является неоптимальная конструкция контактной сетки. При концентрации солнечного излучения основная часть падающего света приходится на центральную область солнечного элемента, а токосъем осуществляется с его углов. Для данной геометрии контактной системы носителям заряда, собранным в центре фоточувствительной площадки, необходимо проделать максимальный путь от центра к краям и далее по токосъемным шинам к углам солнечного элемента, что, учитывая электрическое сопротивление контактных дорожек, приводит к дополнительному падению напряжения и, следовательно, уменьшению КПД солнечного элемента.The known design of the concentrator solar cell prototype allows you to achieve lower losses associated with the shading of the photosensitive region of the solar cell, compared with previous versions of the contact grid. The disadvantages of this technical solution include the insufficiently high coefficient of performance (COP) of a concentrator solar cell operating at high degrees of solar energy concentration (500-1000 suns). The reason for this drawback is the non-optimal design of the contact grid. At a concentration of solar radiation, the main part of the incident light falls on the central region of the solar cell, and current collection is carried out from its corners. For this geometry of the contact system, charge carriers collected in the center of the photosensitive area need to make the maximum path from the center to the edges and further along the collector bars to the corners of the solar cell, which, given the electrical resistance of the contact paths, leads to an additional voltage drop and, therefore, decrease Efficiency of a solar cell.

Задачей заявляемого технического решения является создание концентраторного солнечного элемента, имеющего повышенный КПД за счет уменьшения сопротивления верхнего контакта и, следовательно, уменьшения омических потерь.The objective of the proposed technical solution is to create a concentrator solar cell having increased efficiency by reducing the resistance of the upper contact and, therefore, reducing ohmic losses.

Поставленная задача решается тем, что концентраторный солнечный элемент, выполнен в форме прямоугольника с соотношением длин сторон, находящимся в интервале от 1 до 1,5, и включает подложку, многослойную структуру, сформированную на подложке, с центральной фоточувствительной областью, контактный слой, сплошной нижний электрод и верхний электрод в виде контактной сетки. Контактная сетка содержит, по меньшей мере, одну токосъемную шину, расположенную по периметру фоточувствительной области, и токосъемные полоски. Токосъемные полоски эквидистантно выходят из по меньшей мере одной токосъемной шины под углом 35-55° к сторонам упомянутого прямоугольника и параллельные друг другу в пределах каждого из четырех сегментов, лежащих между взаимно перпендикулярными плоскостями, проведенными через середины противолежащих сторон упомянутого прямоугольника. По меньшей мере в одном углу прямоугольника к токосъемной шине прикреплен токоотвод, например, ультразвуковой (термозвуковой) сваркой или пайкой.The problem is solved in that the concentrator solar cell is made in the form of a rectangle with a ratio of side lengths ranging from 1 to 1.5, and includes a substrate, a multilayer structure formed on a substrate with a central photosensitive region, a contact layer, a solid bottom electrode and upper electrode in the form of a contact grid. The contact grid contains at least one current collector bus located along the perimeter of the photosensitive region, and current collector strips. Current collector strips equidistantly exit from at least one current collector bus at an angle of 35-55 ° to the sides of the said rectangle and parallel to each other within each of the four segments lying between mutually perpendicular planes drawn through the middle of the opposite sides of the said rectangle. At least in one corner of the rectangle, a collector is attached to the collector bus, for example, by ultrasonic (thermosonic) welding or soldering.

В концентраторном солнечном элементе токосъемные полоски одного сегмента могут быть смещены относительно токосъемных полосок соседнего сегмента вдоль линии раздела этих сегментов на расстояние d=1/2D, где D -расстояние между проксимальными концами соседних полосок.In a concentrator solar cell, the collector strips of one segment can be offset relative to the collector strips of an adjacent segment along the dividing line of these segments by a distance d = 1 / 2D, where D is the distance between the proximal ends of the neighboring strips.

Токосъемные полоски двух соседних сегментов могут быть расположены симметрично относительно плоскости, проходящей по линии раздела этих сегментов, при этом каждая токосъемная полоска одного сегмента может быть соединена с симметричной ей токосъемной полоской соседнего сегмента. В частности, соединение симметричных полосок соседних сегментов может быть выполнено сопряжением.Current collector strips of two adjacent segments can be located symmetrically with respect to a plane passing along the dividing line of these segments, while each current collector strip of one segment can be connected to the current collector strip of the adjacent segment symmetrical to it. In particular, the connection of symmetrical strips of adjacent segments can be performed by pairing.

Проксимальный конец каждой токосъемной полоски одного сегмента может быть отделен зазором от проксимального конца симметричной ей токосъемной полоски соседнего сегмента.The proximal end of each collector strip of one segment can be separated by a gap from the proximal end of the collector strip symmetrical to it of the adjacent segment.

Фоточувствительная область в концентраторном солнечном элементе может быть выполнена в форме круга; в форме круга, сплющенного с четырех сторон упомянутого прямоугольника; в форме квадрата со срезанными углами.The photosensitive region in the concentrator solar cell can be made in the shape of a circle; in the form of a circle flattened on four sides of the said rectangle; in the shape of a square with cut corners.

Контактная сетка может содержать четыре одинаковых осесимметричных токосъемных шины, отделенных друг от друга зазором вблизи осей симметрии прямоугольника.The contact grid may contain four identical axisymmetric slip rings, separated by a gap near the symmetry axes of the rectangle.

Наиболее предпочтительным является вариант, когда токосъемные полоски эквидистантно выходят из по меньшей мере одной токосъемной шины под углом 45° к сторонам упомянутого прямоугольника.Most preferred is the case where the current collector strips equidistantly exit from at least one current collector bus at an angle of 45 ° to the sides of said rectangle.

В заявляемой конструкции концентраторного солнечного элемента обеспечивается минимальная длина контактных полосок от центра солнечного элемента, т.е. области с максимальной концентрацией солнечного излучения, до токосъемной шины, в результате чего минимизируются потери на сопротивление контактной сетки. Данное преимущество позволяет достичь увеличения КПД заявляемого концентраторного солнечного элемента по сравнению с известным концентраторным солнечным элементом-прототипом.In the claimed design of the concentrator solar cell, the minimum length of the contact strips from the center of the solar cell is provided, i.e. areas with a maximum concentration of solar radiation, to the collector bus, as a result of which losses on the resistance of the contact grid are minimized. This advantage allows to increase the efficiency of the inventive concentrator solar cell in comparison with the known concentrator solar cell prototype.

Прямоугольная форма концентраторного солнечного элемента обусловлена необходимостью проведения резки полупроводниковой пластины на отдельные элементы. Оптимальной формой концентраторного солнечного элемента является квадрат (соотношение сторон равно 1), так как проекция падающего концентрированного солнечного излучения на солнечный элемент имеет форму круга или круга, сплющенного с четырех сторон, то при возрастании соотношения сторон прямоугольника до 1,5 возрастает доля площади солнечного элемента, не принимающей участие в генерации носителей заряда, что приводит к неэффективному использованию материала. Угол, под которым расположены токосъемные полоски к сторонам упомянутого прямоугольника, определяется из условий обеспечения минимального электрического сопротивления для части тока, генерированного в центральной области солнечного элемента, где концентрация солнечного излучения достигает максимального значения. Оптимальным значением данного угла является величина в 45°. При использовании углов, меньших или больших 35-55°, значительно возрастают потери на электрическом сопротивлении контактной сетки, и теряется конкурентное преимущество по сравнению с прототипом. Одинаковое расстояние между токосъемными полосками и их параллельность обуславливаются необходимостью обеспечения равномерного токосъема.The rectangular shape of the concentrator solar cell is due to the need to cut the semiconductor wafer into individual cells. The optimal shape of a concentrator solar cell is a square (the aspect ratio is 1), since the projection of the incident concentrated solar radiation on the solar cell has the shape of a circle or a circle flattened on four sides, then with an increase in the aspect ratio of the rectangle to 1.5, the fraction of the solar cell area increases not participating in the generation of charge carriers, which leads to inefficient use of the material. The angle at which the collector strips are located to the sides of the said rectangle is determined from the conditions for ensuring the minimum electrical resistance for the part of the current generated in the central region of the solar cell, where the concentration of solar radiation reaches its maximum value. The optimal value for this angle is a value of 45 °. When using angles smaller or larger than 35-55 °, losses on the electrical resistance of the contact grid increase significantly, and the competitive advantage is lost compared with the prototype. The same distance between the collector strips and their parallelism are determined by the need to ensure uniform collector.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где:The claimed invention is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 приведен вид сбоку концентраторного солнечного элемента-прототипа в поперечном сечении по А-А;figure 1 shows a side view of a concentrator solar cell prototype in cross section along aa;

на фиг.2 показан вид сверху концентраторного солнечного элемента-прототипа;figure 2 shows a top view of a concentrator solar cell prototype;

на фиг.3 приведен вид сбоку заявляемого концентраторного солнечного элемента в поперечном сечении по Б-Б;figure 3 shows a side view of the inventive concentrator solar cell in cross section along BB;

на фиг.4 показан вид сверху заявляемого концентраторного солнечного элемента со смещенными токосъемными полосками и четырьмя осесимметричными токосъемными шинами;figure 4 shows a top view of the inventive concentrator solar cell with offset current collector strips and four axisymmetric current collector buses;

на фиг.5 показан вид сверху заявляемого концентраторного солнечного элемента с симметрично расположенными разомкнутыми токосъемными полосками и четырьмя осесимметричными токосъемными шинами;figure 5 shows a top view of the inventive concentrator solar cell with symmetrically located open collector strips and four axisymmetric collector buses;

на фиг.6 показан вид сверху заявляемого концентраторного солнечного элемента с симметрично расположенными токосъемными полосками, соединенными проксимальными концами, и одной токосъемной шиной;Fig.6 shows a top view of the inventive concentrator solar cell with symmetrically located collector strips connected by proximal ends and one collector bus;

на фиг.7 показан вид сверху заявляемого концентраторного солнечного элемента с симметрично расположенными токосъемными полосками, соединенными сопряжением проксимальными концами, и одной токосъемной шиной.Fig.7 shows a top view of the inventive concentrator solar cell with symmetrically located collector strips connected by pairing with the proximal ends, and one collector bus.

Концентраторный солнечный элемент-прототип 1 включает нижний электрод 2, подложку 3, сформированную на ней гетероструктуру 4, контактный слой 5, верхний электрод, состоящий из токосъемной шины 6 и токосъемных полосок 7. Конструкция верхнего электрода концентраторного солнечного элемента-прототипа видна на фиг.2.The concentrator solar cell prototype 1 includes a lower electrode 2, a substrate 3, a heterostructure 4 formed on it, a contact layer 5, an upper electrode consisting of a current collector bus 6 and current collector strips 7. The design of the upper electrode of the concentrator solar cell prototype is visible in figure 2 .

Концентраторный солнечный элемент 8 (см. фиг.3) включает нижний электрод 2, подложку 3, сформированную на ней гетероструктуру 4, контактный слой 9, верхний электрод (см. фиг.4), состоящий из четырех токосъемных шин 10 и токосъемных полосок 11. Фоточувствительная область 12 солнечного элемента 8 может иметь форму круга (см. фиг.4, 6), форму круга, сплющенного с четырех сторон упомянутого прямоугольника (см. фиг.7); форму квадрата со срезанными углами (см. фиг.5), что позволяет увеличить фотоактивную область 12 солнечного элемента 8. В каждом из четырех сегментов а, б, в и г фоточувствительной области 12 токосъемные полоски 11 параллельны друг другу. Контактные токосъемные полоски 11 располагают в сегментах а, б, в и г под углом 35-55° к боковой грани 13 солнечного элемента 8. Для более равномерного токосъема токосъемные полоски 11 (см. фиг.4) одного сегмента (например, а) могут быть смещены относительно токосъемных полосок 11 соседнего сегмента (например, б) вдоль линии раздела этих сегментов на расстояние d=1/2D, где D - расстояние между проксимальными концами 14 соседних полосок 11. Токосъемные полоски 11 (см. фиг.5) двух соседних сегментов (например, а и б) могут быть расположены симметрично относительно плоскости, проходящей по линии раздела этих сегментов. В случае, если реализация контактной сетки с контактными полосками 11 технологически окажется слишком сложной, каждая токосъемная полоска 11 одного сегмента (например, а) может быть соединена с симметричной ей токосъемной полоской 11 соседнего сегмента (например, б). В частности, соединение симметричных полосок 11 соседних сегментов (например, б и в) может быть выполнено сопряжением 15 (см. фиг.7). Как показано на фиг.5, проксимальный конец 14 каждой токосъемной полоски 11 одного сегмента (например, б) может быть отделен зазором 16 от проксимального конца 14 симметричной ей токосъемной полоски 11 соседнего сегмента (например, в), что позволяет увеличить фотоактивную площадь. В каждом углу квадрата к токосъемной шине 10 прикреплен ультразвуковой или термозвуковой микросваркой токоотвод 17, выполненный, например, в виде проволоки из золота.The concentrator solar cell 8 (see FIG. 3) includes a lower electrode 2, a substrate 3, a heterostructure 4 formed on it, a contact layer 9, an upper electrode (see FIG. 4), consisting of four collector buses 10 and collector strips 11. The photosensitive region 12 of the solar cell 8 may be in the shape of a circle (see FIGS. 4, 6), the shape of a circle flattened on four sides of said rectangle (see FIG. 7); the shape of a square with cut corners (see figure 5), which allows to increase the photoactive region 12 of the solar cell 8. In each of the four segments a, b, c and d of the photosensitive region 12, the current collection strips 11 are parallel to each other. Contact slip strips 11 are located in segments a, b, c and d at an angle of 35-55 ° to the side face 13 of the solar cell 8. For a more uniform current collection, slip strips 11 (see Fig. 4) of one segment (for example, a) can be offset relative to the current-collecting strips 11 of the adjacent segment (for example, b) along the dividing line of these segments by a distance d = 1 / 2D, where D is the distance between the proximal ends 14 of the adjacent strips 11. Current-collecting strips 11 (see Fig. 5) of two neighboring segments (for example, a and b) can be located symmetrically relative a plane passing through the section of these segments. In the event that the implementation of the contact grid with contact strips 11 is technologically too complicated, each current collector strip 11 of one segment (for example, a) can be connected to a symmetrical current collector strip 11 of an adjacent segment (for example, b). In particular, the connection of symmetrical strips 11 of adjacent segments (for example, b and c) can be performed by pairing 15 (see Fig.7). As shown in FIG. 5, the proximal end 14 of each current collection strip 11 of one segment (e.g., b) can be separated by a gap 16 from the proximal end 14 of the symmetrical current collection strip 11 of an adjacent segment (e.g., c), which allows to increase the photoactive area. In each corner of the square, a current collector 17, for example, made in the form of a gold wire, is attached to the collector bus 10 by ultrasonic or thermosonic microwelding.

Увеличение КПД заявляемого концентраторного солнечного элемента подтверждается проведенной численной оценкой. Конструкция контактной сетки концентраторного солнечного элемента-прототипа 1 представлена на фиг.2, а конструкция используемой в численной оценке контактной сетки заявляемого солнечного элемента 8 представлена на фиг.4. Размер фоточувствительной области 12 в обоих случаях будет равен 1 мм (длина стороны квадрата на фиг.2 и диаметр круга на фиг.4). Ширина контактных полосок 7 и 11 равна 5 мкм, удельное поверхностное сопротивление 0,35 Ом/□. Ширина токосъемных шин 10, расположенных по периметру фоточувствительной области 12 (фиг.4), равна 100 мкм. Учитывая симметричность рисунка контактной сетки концентраторного солнечного элемента-прототипа 1 и концентраторного солнечного элемента 8, задача определения падения напряжения будет решаться только для области, составляющей 1/8 от всей площади солнечного элемента и выделенной жирной штриховой линией на фиг.2 и 4. Учитывая симметричность распределения интенсивности солнечного излучения, а также схожесть геометрии контактных полосок 7 и 11, различиями в падении напряжения на контактных полосках 7 и 11, представленных соответственно на фиг.2 и фиг.4, можно пренебречь. Таким образом, задача сводится к определению падения напряжения на токосъемных шинах 6 и 10 для двух указанных выше вариантов исполнения контактной сетки. Величина падения напряжения на токосъемной шине 6 и 10 между двумя контактными полосками 11 (n-1 и n) равнаThe increase in efficiency of the inventive concentrator solar cell is confirmed by a numerical evaluation. The design of the contact grid of the concentrator solar cell prototype 1 is presented in figure 2, and the design used in the numerical evaluation of the contact grid of the inventive solar cell 8 is presented in figure 4. The size of the photosensitive region 12 in both cases will be 1 mm (the length of the side of the square in figure 2 and the diameter of the circle in figure 4). The width of the contact strips 7 and 11 is 5 μm, the specific surface resistance is 0.35 Ohm / □. The width of the slip rings 10 located along the perimeter of the photosensitive region 12 (figure 4) is 100 μm. Given the symmetry of the contact grid pattern of the concentrator solar cell prototype 1 and the concentrator solar cell 8, the task of determining the voltage drop will be solved only for the region of 1/8 of the total area of the solar cell and highlighted by a thick dashed line in figure 2 and 4. Considering the symmetry the distribution of the intensity of solar radiation, as well as the similarity of the geometry of the contact strips 7 and 11, the differences in the voltage drop across the contact strips 7 and 11 shown respectively in FIG. .2 and FIG. 4 can be neglected. Thus, the task boils down to determining the voltage drop across the collector buses 6 and 10 for the two above-mentioned contact grid designs. The magnitude of the voltage drop across the collector bus 6 and 10 between the two contact strips 11 (n-1 and n) is

Figure 00000002
Figure 00000002

где Jk - величина силы тока, протекающей по k-ой токосъемной полоске 11; m=5 - число токосъемных полосок 11 в рассматриваемой области; rn -сопротивление участка токосъемной шины 6, 10 между контактными полосками 11 (n-1 и n), которое можно выразить какwhere J k is the magnitude of the current flowing along the k-th current collection strip 11; m = 5 - the number of slip strips 11 in the considered area; r n is the resistance of the portion of the collector bus 6, 10 between the contact strips 11 (n-1 and n), which can be expressed as

Figure 00000003
Figure 00000003

где ln - длина этого участка токосъемной шины 6, 10; Wn - его ширина в случае конструкции контактной сетки, представленной на фиг.2, или эффективная ширина для случая конструкции контактной сетки, представленной на фиг.4; ρs - удельное поверхностное сопротивление. С учетом формулы (1) суммарное падение напряжения на токосъемной шине 6, 10 может быть выражено следующим образом:where l n is the length of this section of the collector bus 6, 10; W n is its width in the case of the design of the contact grid shown in figure 2, or the effective width for the case of the design of the contact grid shown in figure 4; ρ s is the specific surface resistance. Given the formula (1), the total voltage drop across the collector bus 6, 10 can be expressed as follows:

Figure 00000004
Figure 00000004

Считая, что падающее на солнечный элемент 1 и 8 концентрированное солнечное излучение распределено по закону Гаусса, а также что плотность тока короткого замыкания при одном солнце равна 14 мА/см2, расчет по формуле (3) при концентрации 1000 солнц дает величину падения напряжения 60 мВ и 20 мВ соответственно для солнечных элемента 1 и солнечного элемента 8. Таким образом, заявляемая конструкция концентраторного солнечного элемента 8 позволяет в три раза уменьшить потери на сопротивлении контактной сетки при высоких уровнях концентрации солнечного излучения, что может дать увеличение абсолютного значения КПД на 0,5-1%. Дополнительным положительным эффектом может являться снижение стоимости концентраторного солнечного элемента 8 за счет уменьшения его размеров без уменьшения площади фоточувствительной области 12.Assuming that the concentrated solar radiation incident on solar cells 1 and 8 is distributed according to the Gauss law, and also that the short circuit current density at one sun is 14 mA / cm 2 , calculation by formula (3) at a concentration of 1000 suns gives a voltage drop of 60 mV and 20 mV, respectively, for solar cell 1 and solar cell 8. Thus, the claimed design of the concentrator solar cell 8 allows three times to reduce losses on the resistance of the contact grid at high levels of solar concentration radiation, which can give an increase in the absolute value of the efficiency by 0.5-1%. An additional positive effect may be a decrease in the cost of the concentrator solar cell 8 by reducing its size without reducing the area of the photosensitive region 12.

Claims (13)

1. Концентраторный солнечный элемент, выполненный в форме прямоугольника с соотношением длин сторон, находящимся в интервале от 1 до 1,5, и включающий подложку, многослойную структуру, сформированную на подложке, с центральной фоточувствительной областью, контактный слой, сплошной нижний электрод и верхний электрод в виде контактной сетки, содержащей, по меньшей мере, одну токосъемную шину, расположенную по периметру фоточувствительной области, и токосъемные полоски, эквидистантно выходящие из по меньшей мере одной токосъемной шины под углом 35°-55° к сторонам упомянутого прямоугольника и параллельные друг другу в пределах каждого из четырех сегментов, лежащих между взаимно перпендикулярными плоскостями, проведенными через середины противолежащих сторон упомянутого прямоугольника, при этом по меньшей мере в одном углу упомянутого квадрата к токосъемной шине прикреплен токоотвод.1. A concentrator solar cell made in the form of a rectangle with a ratio of side lengths ranging from 1 to 1.5, and comprising a substrate, a multilayer structure formed on the substrate, with a central photosensitive region, a contact layer, a solid lower electrode and an upper electrode in the form of a contact grid containing at least one current collector bus located along the perimeter of the photosensitive region, and current collector strips equidistantly emerging from at least one current collector bus at an angle scrap 35 ° -55 ° to the sides of the said rectangle and parallel to each other within each of the four segments lying between mutually perpendicular planes drawn through the midpoints of the opposite sides of the said rectangle, while a collector is attached to the collector busbar in at least one corner of the said square . 2. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что упомянутые токосъемные полоски одного сегмента смещены относительно токосъемных полосок соседнего сегмента вдоль линии раздела этих сегментов на расстояние d=1/2D, где D - расстояние между проксимальными концами соседних полосок.2. The solar cell according to claim 1, characterized in that said current collector strips of one segment are offset relative to the current collector strips of an adjacent segment along the dividing line of these segments by a distance d = 1 / 2D, where D is the distance between the proximal ends of adjacent strips. 3. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что упомянутые токосъемные полоски двух соседних сегментов расположены симметрично относительно плоскости, проходящей по линии раздела этих сегментов.3. The solar cell according to claim 1, characterized in that said current collector strips of two adjacent segments are located symmetrically with respect to a plane passing along the dividing line of these segments. 4. Солнечный элемент по п.3, отличающийся тем, что каждая токосъемная полоска одного сегмента соединена с симметричной ей токосъемной полоской соседнего сегмента.4. The solar cell according to claim 3, characterized in that each current collector strip of one segment is connected to a current collector strip symmetrical to it of the adjacent segment. 5. Солнечный элемент по п.4, отличающийся тем, что соединение упомянутых симметричных полосок соседних сегментов выполнено сопряжением.5. The solar cell according to claim 4, characterized in that the connection of the aforementioned symmetrical strips of adjacent segments is performed by pairing. 6. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что проксимальный конец каждой токосъемной полоски одного сегмента отделен зазором от проксимального конца симметричной ей токосъемной полоски соседнего сегмента.6. The solar cell according to claim 1, characterized in that the proximal end of each collector strip of one segment is separated by a gap from the proximal end of the symmetrical collector strip of the adjacent segment. 7. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что фоточувствительная область выполнена в форме круга.7. The solar cell according to claim 1, characterized in that the photosensitive area is made in the form of a circle. 8. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что фоточувствительная область выполнена в форме круга, сплющенного с четырех сторон упомянутого квадрата.8. The solar cell according to claim 1, characterized in that the photosensitive area is made in the form of a circle, flattened on four sides of the said square. 9. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что фоточувствительная область выполнена в форме квадрата со срезанными углами.9. The solar cell according to claim 1, characterized in that the photosensitive area is made in the form of a square with cut corners. 10. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что контактная сетка содержит четыре одинаковых токосъемных шины, отделенных друг от друга зазором вблизи осей симметрии упомянутого квадрата.10. The solar cell according to claim 1, characterized in that the contact grid contains four identical collector busbars, separated from each other by a gap near the axis of symmetry of the said square. 11. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что токосъемные полоски, эквидистантно выходят из по меньшей мере одной токосъемной шины под углом 45° к сторонам упомянутого квадрата.11. The solar cell according to claim 1, characterized in that the collector strips equidistantly exit at least one collector bus at an angle of 45 ° to the sides of the said square. 12. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что токоотвод выполнен из золота.12. The solar cell according to claim 1, characterized in that the collector is made of gold. 13. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что солнечный элемент выполнен в форме квадрата. 13. The solar cell according to claim 1, characterized in that the solar cell is made in the form of a square.
RU2008113598/28A 2008-04-07 2008-04-07 Concentrating solar cell RU2407108C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008113598/28A RU2407108C2 (en) 2008-04-07 2008-04-07 Concentrating solar cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008113598/28A RU2407108C2 (en) 2008-04-07 2008-04-07 Concentrating solar cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008113598A RU2008113598A (en) 2009-10-20
RU2407108C2 true RU2407108C2 (en) 2010-12-20

Family

ID=41262423

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008113598/28A RU2407108C2 (en) 2008-04-07 2008-04-07 Concentrating solar cell

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2407108C2 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Galiniana, C.Algora, I.Rey-Stolle. - Comparison of ID and 2D analysis of the front contact influence on GaAs concentrator solar cell performance. - Solar Energy Materials and Solar Cells. - 90, 2006, 2589-2604. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008113598A (en) 2009-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9806206B2 (en) Optimized grid design for concentrator solar cell
US4228315A (en) Solar cell grid patterns
US4110122A (en) High-intensity, solid-state-solar cell device
CA1073996A (en) Photovoltaic system including a lens structure
KR101894585B1 (en) Solar cell
US4283589A (en) High-intensity, solid-state solar cell
EP2126978B1 (en) Solar cell contact fingers and solder pad arrangement for enhanced efficiency
Hermle et al. Shading effects in back-junction back-contacted silicon solar cells
CN103280465B (en) A kind of solar photovoltaic assembly being effectively improved output
CN107170841A (en) Solar cell photovoltaic module and solar cell photovoltaic component
WO2009022945A1 (en) Electromagnetic emission converter
EA017920B1 (en) Electromagnetic radiation converter and a battery
US20110079270A1 (en) Concentrator photovoltaic cell
US20180062002A1 (en) Solar cell
JP5667280B2 (en) Solar cell and manufacturing method thereof
US3278337A (en) Device for converting radiant energy into electrical energy
CN114023832A (en) Main-grid-free IBC battery unit and IBC battery assembly
RU2407108C2 (en) Concentrating solar cell
CN207587743U (en) Solar cell photovoltaic module and solar cell photovoltaic component
JP3198451U (en) 4 busbar solar cells
US20170084763A1 (en) Semiconductor device
KR101358857B1 (en) Solar cell
RU2442244C1 (en) The superconducting spin gate
KR20100064478A (en) Solar cell
KR101109087B1 (en) Improved Solar Cell and Method for connecting the Solar cell between