RU2544866C1 - Device with photoreceiving layer for conversion of solar energy into electrical energy - Google Patents

Device with photoreceiving layer for conversion of solar energy into electrical energy Download PDF

Info

Publication number
RU2544866C1
RU2544866C1 RU2013147697/28A RU2013147697A RU2544866C1 RU 2544866 C1 RU2544866 C1 RU 2544866C1 RU 2013147697/28 A RU2013147697/28 A RU 2013147697/28A RU 2013147697 A RU2013147697 A RU 2013147697A RU 2544866 C1 RU2544866 C1 RU 2544866C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cavities
solar energy
strip
profile
substrates
Prior art date
Application number
RU2013147697/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Лариса Аркадьевна Молохина
Марина Петровна Сахарова
Александр Владимирович Терещенко
Николай Андреевич МАРЧЕНКО
Original Assignee
Лариса Аркадьевна Молохина
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 Лариса Аркадьевна Молохина filed Critical Лариса Аркадьевна Молохина
Application granted granted Critical
Publication of RU2544866C1 publication Critical patent/RU2544866C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0547Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the reflecting type, e.g. parabolic mirrors, concentrators using total internal reflection
    • 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
    • Y02E10/52PV systems with concentrators

Abstract

FIELD: power engineering.
SUBSTANCE: offered device with photoreceiving layer for conversion of solar energy into electrical one contains, at least, one pair of substrates, each of which is designed as a strip, and, at least, one of strips is made profiled with a periodic profile in its longitudinal direction and variable profile - in a cross direction, meanwhile substrates of the same pair are connected to each other with a possibility of forming by profiles, at least, one row of cavities. The cavities can be cones and/or pyramids and/or spheres and/or spheroids and/or cylinders and/or truncated cones and/or truncated pyramids, meanwhile the cavities in different rows in a cross direction can be made with different shapes. The strip height is less than the profile height of cross and/or longitudinal sections of this strip.
EFFECT: increase of efficiency of the device for conversion of solar energy by means of increase of absorption coefficient of photoreception layer, decrease of dependence of an absorption coefficient from pitch angle of fall of solar radiation at simplification of technology of manufacture, setting and operation of the device, reduction of its weight and cost.
4 cl, 10 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области гелиоэнергетики, в частности к элементам с концентраторами излучения для получения электрической и тепловой энергии, и может быть использовано при создании высокоэффективных автономных источников электроэнергии.The invention relates to the field of solar energy, in particular to elements with radiation concentrators for generating electric and thermal energy, and can be used to create highly efficient autonomous sources of electricity.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Из уровня техники известны различные устройства для преобразования солнечной энергии, направленные на повышение концентрации солнечного излучения на солнечных элементах посредством создания отражающих поверхностей и увеличения их площади.The prior art various devices for converting solar energy, aimed at increasing the concentration of solar radiation on solar cells by creating reflective surfaces and increasing their area.

В основном отражающие поверхности формируют на фотоприемном слое, нанесенном на подложку. Среди подобных технических решений можно выделить солнечную батарею, раскрытую в заявке JP 2003158274, опубликованной 30.05.2003, в которой на фотоприемном слое образованы пирамидальные выступы или впадины с размером стороны основания пирамиды 40 µm. Аналогичные решения раскрыты, в частности, в патенте KR 100322711, опубликованном 17.01.2007, где описана солнечная батарея, фотоприемный слой которой выполнен с профилем в виде хаотично расположенных пирамидальных выступов; в патенте US 3,150,999, опубликованном 29.09.1964, где описан преобразователь лучистой энергии, фотоприемный слой которого выполнен с пирамидальными впадинами, и т.д. В известных технических решениях основные модификации микрорельефа по габитусу и технологии получения подразделяют на поверхности вогнутого направленно-профилированного микрорельефа и поверхности выпуклого «спонтанного» микрорельефа. Микрорельеф выполняется в слое поликристаллического кремния толщиной 200-300 мкм, который выращивают на плоской пластине монокристаллического кремния. Сам рельеф получают либо травлением, либо лазерной или механической резкой. Данная технология изготовления микрорельефа является сложным и дорогостоящим процессом. Углы при вершине невозможно изготовить менее 60°, что резко снижает количество переотражений внутри структуры, при этом коэффициент поглощения не превышает 40%.Basically, reflective surfaces are formed on a photodetector layer deposited on a substrate. Among such technical solutions, one can distinguish a solar battery disclosed in JP 2003158274, published May 30, 2003, in which pyramidal protrusions or depressions with a side size of the base of the pyramid of 40 μm are formed on the photodetector. Similar solutions are disclosed, in particular, in patent KR 100322711, published January 17, 2007, which describes a solar battery, the photodetector layer of which is made with a profile in the form of randomly arranged pyramidal protrusions; in US patent 3,150,999, published September 29, 1964, which describes a radiant energy converter, the photodetector layer of which is made with pyramidal depressions, etc. In well-known technical solutions, the basic modifications of the microrelief according to habitus and production technology are subdivided on the surface of a concave directionally-profiled microrelief and the surface of a convex "spontaneous" microrelief. The microrelief is performed in a layer of polycrystalline silicon with a thickness of 200-300 μm, which is grown on a flat plate of single-crystal silicon. The relief itself is obtained either by etching, or by laser or mechanical cutting. This technology for the manufacture of microrelief is a complex and expensive process. The angles at the apex cannot be made less than 60 °, which sharply reduces the number of reflections inside the structure, while the absorption coefficient does not exceed 40%.

Недостатками известных устройств являются сложность и, как следствие, высокая себестоимость технологии изготовления профиля фотоприемного слоя, а также невозможность выполнения пирамид с малыми углами при вершине, что приводит к высокому коэффициенту отражения и большой зависимости его от угла падения солнечного излучения.The disadvantages of the known devices are the complexity and, as a result, the high cost of the technology for manufacturing the profile of the photodetector layer, as well as the inability to make pyramids with small angles at the apex, which leads to a high reflection coefficient and its large dependence on the angle of incidence of solar radiation.

Из уровня техники известно также устройство для преобразования солнечной энергии, раскрытое в патенте JP 2007265826, опубликованном 11.10.2007, в котором один из элементов многослойной подложки - кремниевое основание - выполняют с пирамидальными углублениями.The prior art also knows a device for converting solar energy, disclosed in patent JP 2007265826, published 11.10.2007, in which one of the elements of a multilayer substrate - a silicon base - is performed with pyramidal recesses.

К недостаткам данного устройства относятся технологическая сложность изготовления профиля подложки и неудобство при эксплуатации, обусловленное тем, что для монтажа элементов устройства требуются довольно громоздкие и дорогостоящие приспособления.The disadvantages of this device include the technological complexity of manufacturing the profile of the substrate and the inconvenience during operation, due to the fact that the installation of the elements of the device requires rather bulky and expensive devices.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для преобразования солнечной энергии в электрическую, разработанное японским Национальным институтом передовых наук и технологий в промышленности, включающее подложку, фотоприемный слой, нанесенный на поверхность подложки, лицевой и тыльный электроды, контактирующие с лицевой и тыльной сторонами фотоприемного слоя соответственно (http://www.3dnews.ru/news/reshena_problema_proizvodstva_gibkih_solnechnih_batarei/).Closest to the claimed invention is a device for converting solar energy into electrical energy, developed by the Japanese National Institute of Advanced Sciences and Technologies in Industry, including a substrate, a photodetector layer deposited on the surface of the substrate, front and back electrodes in contact with the front and back sides of the photodetector, respectively (http://www.3dnews.ru/news/reshena_problema_proizvodstva_gibkih_solnechnih_batarei/).

Недостатком данного устройства является низкий коэффициент поглощения, обусловленный отсутствием многократного отражения, и, как следствие, низкий КПД устройства.The disadvantage of this device is the low absorption coefficient due to the lack of multiple reflection, and, as a consequence, the low efficiency of the device.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является повышение КПД устройства для преобразования солнечной энергии посредством увеличения коэффициента поглощения фотоприемного слоя, снижения зависимости коэффициента поглощения от угла падения солнечного излучения при упрощении технологии изготовления, установки и эксплуатации устройства, снижении его веса и стоимости.The technical result to which the claimed invention is directed is to increase the efficiency of a device for converting solar energy by increasing the absorption coefficient of the photodetector layer, reducing the dependence of the absorption coefficient on the angle of incidence of solar radiation while simplifying the manufacturing, installation and operation of the device, reducing its weight and cost.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство с фотоприемным слоем для преобразования солнечной энергии в электрическую содержит, по крайней мере, одну пару подложек, каждая из которых выполнена в виде полосы, при этом, по крайней мере, одна из полос выполнена профилированной с периодическим профилем в ее продольном направлении и переменным профилем - в поперечном направлении, при этом подложки одной пары соединены между собой с возможностью образования профилями, по крайней мере, одного ряда полостей. Полости могут представлять собой конусы и/или пирамиды и/или сферы и/или сфероиды и/или цилиндры и/или усеченные конусы и/или усеченные пирамиды, при этом полости в разных рядах в поперечном направлении могут быть выполнены различной формы.The specified technical result is achieved due to the fact that the device with a photodetector for converting solar energy into electrical energy contains at least one pair of substrates, each of which is made in the form of a strip, while at least one of the strips is made profiled with a periodic profile in its longitudinal direction and a variable profile in the transverse direction, while the substrates of one pair are interconnected with the possibility of formation of profiles of at least one row of cavities. The cavities can be cones and / or pyramids and / or spheres and / or spheroids and / or cylinders and / or truncated cones and / or truncated pyramids, while the cavities in different rows in the transverse direction can be made of various shapes.

Указанный технический результат достигается также за счет того, что толщина полосы меньше высоты профиля поперечного и/или продольного сечения этой полосы.The specified technical result is also achieved due to the fact that the thickness of the strip is less than the height of the profile of the transverse and / or longitudinal section of this strip.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Изобретение поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

На фиг.1 в аксонометрии изображена одна пара подложек, каждая из которых выполнена в виде профилированной полосы с периодическим профилем в ее продольном направлении и переменным профилем - в поперечном направлении;Figure 1 is a perspective view of one pair of substrates, each of which is made in the form of a profiled strip with a periodic profile in its longitudinal direction and a variable profile in the transverse direction;

На фиг.2 изображен в аксонометрии общий вид пары подложек в сборе с образованием полостей в виде пирамид;Figure 2 shows a perspective view of a General view of a pair of substrates assembled with the formation of cavities in the form of pyramids;

На фиг.3 - общий вид пары подложек в сборе с образованием полостей в виде конусов;Figure 3 is a General view of a pair of substrates assembled with the formation of cavities in the form of cones;

На фиг.4 изображен в аксонометрии общий вид пары подложек в сборе с образованием в двух рядах в поперечном направлении полостей одинаковой формы в виде усеченных пирамид;Figure 4 shows a perspective view of a General view of a pair of substrates assembled with the formation in two rows in the transverse direction of the cavities of the same shape in the form of truncated pyramids;

На фиг.5 изображен в аксонометрии общий вид пары подложек в сборе с образованием в двух рядах в поперечном направлении полостей различной формы: в виде усеченных пирамид и сфер;Figure 5 shows a perspective view of a General view of a pair of substrates assembled with the formation in two rows in the transverse direction of cavities of various shapes: in the form of truncated pyramids and spheres;

На фиг.6 изображен продольный разрез устройства с фотоприемным слоем для преобразования солнечной энергии в электрическую, содержащего пару подложек;Figure 6 shows a longitudinal section of a device with a photodetector for converting solar energy into electrical energy, containing a pair of substrates;

На фиг.7 - вид А на фиг.6;Fig.7 is a view A in Fig.6;

На фиг.8 - вид Б на фиг.6;In Fig.8 is a view of B in Fig.6;

На фиг.9 - вид В на фиг.6;Figure 9 is a view In figure 6;

На фиг.10 в аксонометрии изображена пара подложек, одна из которых выполнена в виде гладкой полосы, а вторая - в виде профилированной полосы с периодическим профилем в ее продольном направлении и переменным профилем - в поперечном направлении.Figure 10 shows a perspective view of a pair of substrates, one of which is made in the form of a smooth strip, and the second in the form of a profiled strip with a periodic profile in its longitudinal direction and a variable profile in the transverse direction.

Лучший вариант осуществления изобретенияThe best embodiment of the invention

Устройство с фотоприемным слоем для преобразования солнечной энергии в электрическую содержит, по крайней мере, одну пару подложек (1), в которой, по крайней мере, одна из них выполнена в виде профилированной полосы с периодическим профилем в ее продольном направлении и переменным профилем - в поперечном направлении. На подложки (1) каждой пары нанесен, по крайней мере, один фотоприемный слой (2), с лицевой и тыльной сторонами которого контактируют лицевой (3) и тыльный (4) электроды соответственно.A device with a photodetector for converting solar energy into electrical energy contains at least one pair of substrates (1), in which at least one of them is made in the form of a profiled strip with a periodic profile in its longitudinal direction and a variable profile in transverse direction. At least one photodetector layer (2) is deposited on the substrates (1) of each pair, with the front (3) and rear (4) electrodes in contact with the front and back sides, respectively.

Пара подложек выполнена сборной из двух, по крайней мере, однослойных полос. При этом возможен вариант, когда одна из полос - гладкая, а вторая - с периодическим профилем. Такой вариант предпочтителен при необходимости формирования полостей в виде трехгранных пирамид. Кроме того, возможен вариант исполнения, при котором используются две профилированные полосы, каждое из продольных сечений которых на одной высоте представляет собой периодическую ломаную линию одного типа. При этом каждое из поперечных сечений полосы представляет собой периодическую ломаную линию, по крайней мере, одного типа, но может представлять собой различные ломаные линии.A pair of substrates is made of a team of two at least single-layer strips. In this case, a variant is possible when one of the bands is smooth, and the second with a periodic profile. This option is preferable if it is necessary to form cavities in the form of trihedral pyramids. In addition, a variant is possible in which two profiled strips are used, each of the longitudinal sections of which at the same height is a periodic broken line of the same type. Moreover, each of the cross sections of the strip represents a periodic broken line of at least one type, but may be different broken lines.

Подложки одной пары соединены между собой таким образом, что имеющийся на них профиль образует, по крайней мере, один ряд полостей. Полости могут представлять собой конусы и/или пирамиды (трехгранные, четырехгранные, пятигранные, шестигранные, восьмигранные и т.д.) и/или сферы и/или сфероиды и/или цилиндры. Для обеспечения формирования полостей необходимой формы ломаные линии в поперечном и продольном сечениях полосы, используемой при изготовлении подложки, могут быть зигзагообразные, волнообразные, или представлять собой сочетание различных линий, например зигзаг и прямая, или волнообразная и прямая, или зигзаг и прямая и волнообразная.The substrates of one pair are interconnected in such a way that the profile on them forms at least one row of cavities. The cavities can be cones and / or pyramids (trihedral, tetrahedral, pentahedral, hexahedral, octahedral, etc.) and / or spheres and / or spheroids and / or cylinders. To ensure the formation of cavities of the required shape, broken lines in the transverse and longitudinal sections of the strip used in the manufacture of the substrate can be zigzag, wavy, or a combination of different lines, for example, zigzag and straight, or wave and straight, or zigzag and straight and wave.

Если при сборке образуются один ряд полостей в виде пирамид, то в различных по высоте полосы продольных сечениях сочетание ломаных линий - различно. Сначала зигзаг одинаков - это образует прямой поясок на основании пирамиды; затем при снижении разрезов - зигзаг будет уменьшаться, и начнут появляться прямолинейные участки. По мере снижения разрезов зигзаг будет уменьшаться, а прямолинейные участки будут увеличиваться до тех пор, пока зигзаги полностью не исчезнут.If during assembly one row of cavities is formed in the form of pyramids, then in different longitudinal sections of the strip height the combination of broken lines is different. At first the zigzag is the same - it forms a straight girdle on the base of the pyramid; then when the cuts are reduced, the zigzag will decrease, and straight sections begin to appear. As the cuts decrease, the zigzag will decrease, and the straight sections will increase until the zigzags completely disappear.

Если при сборке образуются два ряда полостей в виде пирамид (вторая пирамида образует вторую ловушку), то после того как разрезы снизятся ниже первой пирамидки зигзаги скачкообразно увеличатся, а затем будут вновь уменьшаться.If during assembly two rows of cavities are formed in the form of pyramids (the second pyramid forms a second trap), then after the cuts fall below the first pyramid, the zigzags will increase spasmodically and then decrease again.

Если при сборке после первого ряда полостей в виде пирамид выполняется второй ряд полостей в виде сферы или сфероида, то на сечении появятся дугообразные участки вместо зигзагов.If during assembly, after the first row of cavities in the form of pyramids, the second row of cavities in the form of a sphere or a spheroid is made, then arched sections will appear on the section instead of zigzags.

В случае, если обе полосы выполнены профилированными, то каждая из них выполняется методом тиснения на специальных матрицах, позволяющих получить половину требуемой пустотелой сложной пространственной фигуры. Все слои (по крайней мере, один фотоприемный слой, нанесенный на поверхность подложки, лицевой и тыльный электроды, контактирующие с лицевой и тыльной сторонами фотоприемного слоя) наносятся на однослойные листы до или после тиснения, после чего производится сборка устройства. Устройство для преобразования солнечной энергии в электрическую может содержать то число пар подложек, которое требуется в зависимости от условий эксплуатации устройства и его требуемой производительности.If both strips are made profiled, then each of them is embossed on special matrices, allowing to obtain half of the required hollow complex spatial figure. All layers (at least one photodetector layer deposited on the substrate surface, the front and back electrodes in contact with the front and back sides of the photodetector layer) are applied to single-layer sheets before or after embossing, after which the device is assembled. A device for converting solar energy into electrical energy may contain the number of pairs of substrates that is required depending on the operating conditions of the device and its required performance.

Полости (пустотелые конструкции) предназначены для обеспечения максимально возможного поглощения падающей на фотопоглощающий слой солнечной энергии за счет многократного переотражения и соответственно поглощения излучения внутри полостей (пустотелых конструкций).Cavities (hollow structures) are designed to provide the maximum possible absorption of solar energy incident on the photo-absorbing layer due to multiple re-reflection and, accordingly, absorption of radiation inside the cavities (hollow structures).

При этом при больших углах при вершине конструкций происходит увеличение поглощающей площади относительно габаритных размеров солнечного элемента. С уменьшением угла при вершине конструкций, в зависимости от угла при вершине и угла падения излучения, начинает происходить многократное переотражение излучения внутри пустотелых элементов конструкции, каждый раз с поглощением энергии и чем острее угол, тем больше растет количество переотражений и, соответственно, увеличивается суммарный коэффициент поглощения излучения. Например, для четырехгранных пирамид с углом при вершине 22° и прямом падении света, данная конструкция становится световой ловушкой, т.е. происходит 100% поглощение излучения. Аналогично для трехгранных пирамид: световая ловушка возникает при угле 35° между гранью пирамиды и ее противоположным ребром. Остроконечные конструкции могут иметь различную конфигурацию, однако технологически наиболее выгодно изготавливать трех- или четырехгранные конструкции. Недостатком простых пирамидальных конструкций является то, что начальное падение света происходит при углах, при которых коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую в р-n переходах весьма мал и, соответственно, мал КПД устройства. Организация дополнительных ловушек в виде пирамидок или сфероидов позволяет получить более удачное распределение углов падения света на поверхность полупроводника, что и повышает КПД устройства.At the same time, at large angles at the top of the structures, an increase in the absorbing area relative to the overall dimensions of the solar cell occurs. With a decrease in the angle at the apex of the structures, depending on the angle at the apex and the angle of incidence of the radiation, multiple re-reflection of radiation begins inside the hollow structural elements, each time with absorption of energy and the sharper the angle, the more the number of reflections increases and, accordingly, the total coefficient increases radiation absorption. For example, for tetrahedral pyramids with an angle at the apex of 22 ° and direct incidence of light, this design becomes a light trap, i.e. 100% absorption of radiation occurs. Similarly for trihedral pyramids: a light trap occurs at an angle of 35 ° between the face of the pyramid and its opposite edge. Peaked constructions can have various configurations, however, it is technologically most profitable to produce trihedral or tetrahedral constructions. The disadvantage of simple pyramidal structures is that the initial incidence of light occurs at angles at which the coefficient of conversion of solar energy into electrical energy in pn junctions is very small and, accordingly, the efficiency of the device is small. The organization of additional traps in the form of pyramids or spheroids allows you to get a better distribution of the angles of incidence of light on the surface of the semiconductor, which increases the efficiency of the device.

При этом каждая полоса может быть выполнена как из полимерного материала, так и из металла, например, прессованием или способом вакуумного формования полимерных пленок или металлической фольги.In addition, each strip can be made of either a polymeric material or a metal, for example, by compression or by vacuum forming of polymer films or metal foil.

Подложка является основанием, на котором устанавливаются фотоприемный слой (2) и электроды (3) и (4).The substrate is the base on which the photodetector layer (2) and electrodes (3) and (4) are mounted.

В зависимости от материала, из которого изготовлена подложка, определяется необходимость наличия диэлектрического слоя. В случае если подложка (1) изготавливается из металла, на нее наносится диэлектрический слой (5), на который далее последовательно устанавливаются тыльный электрод (4), фотоприемный слой (2) и лицевой электрод (3). При изготовлении подложки (1) из диэлектрического материала на нее далее последовательно устанавливаются тыльный электрод(4), фотоприемный слой (2) и лицевой электрод (3).Depending on the material from which the substrate is made, the need for a dielectric layer is determined. If the substrate (1) is made of metal, a dielectric layer (5) is applied to it, onto which the back electrode (4), the photodetector layer (2) and the front electrode (3) are subsequently installed. In the manufacture of the substrate (1) from a dielectric material, a back electrode (4), a photodetector layer (2), and a front electrode (3) are then sequentially mounted on it.

Фотоприемный слой (2) может быть выполнен в одно- или многокаскадном исполнении, на основе кремния, диатомовых водорослей и пр., и иметь различные коэффициенты поглощения в различных диапазонах длин волн солнечного спектра.The photodetector layer (2) can be made in single or multi-stage design, based on silicon, diatoms, etc., and have different absorption coefficients in different wavelength ranges of the solar spectrum.

Выбор материала подложки зависит от типа фотоприемного слоя и способа его нанесения. Например, в случаях высокотемпературных способов создания p-n переходов, в качестве подложки может быть использован металл, например медь, молибден и др.The choice of substrate material depends on the type of photodetector layer and the method of its application. For example, in cases of high-temperature methods for creating p-n junctions, a metal, such as copper, molybdenum, etc., can be used as a substrate.

На поверхность подложки (1) может быть нанесено отражающее покрытие (6). В случае если стенки конструкции выполнены гладкими, оптического качества, то последующие слои, нанесенные, например, напылением в вакууме, имеют высокий коэффициент отражения. В таком случае отражающее покрытие (6), если оно выполнено из металла, например алюминий, серебро и пр., может одновременно выполнять и функции тыльного электрода (4).A reflective coating (6) can be applied to the surface of the substrate (1). If the walls of the structure are made of smooth, optical quality, then subsequent layers deposited, for example, by spraying in vacuum, have a high reflection coefficient. In this case, the reflective coating (6), if it is made of metal, for example aluminum, silver, etc., can simultaneously perform the functions of the back electrode (4).

На лицевой стороне устройства для преобразования солнечной энергии размещен, по крайней мере, один защитный экран (7), который предназначен для предохранения фотоприемного слоя и электродов от неблагоприятного воздействия внешней среды. В зависимости от конкретных условий работы устройства защитный экран (7) выполняют оптически прозрачным из полимерных материалов (ПВХ, поликарбонат и т.п.) или стекла и, как правило, на его лицевую поверхность наносят пыле- и/или водоотталкивающее и/или износостойкое покрытие (8), которое предназначено для повышения стойкости поверхности к истиранию и царапинам, а также для отталкивания загрязнений и воды от защитного оптически прозрачного экрана. Покрытие (8) предпочтительно выполняют из полиметилметакрилата толщиной 5 мкм.At least one protective screen (7) is placed on the front side of the device for converting solar energy, which is designed to protect the photodetector layer and electrodes from the adverse effects of the external environment. Depending on the specific operating conditions of the device, the protective screen (7) is made optically transparent from polymeric materials (PVC, polycarbonate, etc.) or glass and, as a rule, it is dustproof and / or water-repellent and / or wear-resistant. coating (8), which is intended to increase the surface resistance to abrasion and scratches, as well as to repel dirt and water from a protective optically transparent screen. The coating (8) is preferably made of polymethylmethacrylate with a thickness of 5 μm.

На тыльную поверхность защитного оптически прозрачного экрана наносят фильтрующий слой (9), который обеспечивает оптимизацию диапазона длин волн солнечного излучения, проходящего через защитный оптически прозрачный экран для различных типов фотоприемного слоя.A filter layer (9) is applied to the back surface of the protective optically transparent screen, which provides optimization of the wavelength range of solar radiation passing through the protective optically transparent screen for various types of photodetector.

В качестве фильтрующих материалов используют, например, различные окислы: Al2O3 (1,59), SiO2 (1,46), TiO2 (2,2-2,6); фториды: MgF2 (1,38), CaF2 (1,24), LiF (1,35); сульфиды: ZnS (2,35), CdS. Выбор конкретного материала зависит от типа фотоприемного слоя и определяется длиной волны спектра, активно поглощаемой фотоприемным слоем. Кроме того, для создания эффекта фильтрации солнечного излучения может быть использован слой голографического тиснения.As filter materials, for example, various oxides are used: Al 2 O 3 (1.59), SiO 2 (1.46), TiO 2 (2.2-2.6); fluorides: MgF 2 (1.38), CaF 2 (1.24), LiF (1.35); sulfides: ZnS (2.35), CdS. The choice of a particular material depends on the type of photodetector layer and is determined by the wavelength of the spectrum actively absorbed by the photodetector layer. In addition, a holographic embossing layer can be used to create the effect of filtering solar radiation.

Кроме того, устройство может быть снабжено дополнительным защитным экраном (10), размещенным с тыльной стороны устройства и выполненным с отверстиями различной формы для обеспечения вентиляции устройства. Помимо этого, наличие дополнительного экрана (10) позволяет создать с тыльной стороны подложки полости и устройство (11) для подвода хладоагента, например воды, позволяющие обеспечить охлаждение подложки (1). Это имеет существенное значение, поскольку при работе любого солнечного элемента происходит повышение температуры подложки, что снижает электрические характеристики солнечной батареи в целом. При этом введение в полости хладоагента, например воды или воздуха, приводит не только к снижению температуры подложки, но и осуществляет нагрев самого хладагента, например, воды, которая в таком случае является дополнительным продуктом предлагаемого изобретения.In addition, the device can be equipped with an additional protective screen (10) placed on the back of the device and made with holes of various shapes to ensure ventilation of the device. In addition, the presence of an additional screen (10) makes it possible to create cavities and a device (11) for supplying a coolant, for example, water, on the back side of the substrate, allowing cooling of the substrate (1). This is significant, since during the operation of any solar cell, the temperature of the substrate increases, which reduces the electrical characteristics of the solar battery as a whole. Moreover, the introduction into the cavity of a refrigerant, for example water or air, leads not only to lower the temperature of the substrate, but also heats the refrigerant itself, for example, water, which in this case is an additional product of the present invention.

Наличие в устройстве двух экранов, один из которых размещен на лицевой стороне, а второй - на тыльной, позволяет в совокупности с профилированным листом, из которого изготовлена подложка, обеспечить создание конструкции сотовой панели. Данные конструкции имеют высокие прочностные характеристики при малом удельном весе, что оказывается важным при установке устройства и его эксплуатации.The presence of two screens in the device, one of which is located on the front side, and the second on the back, allows, in combination with the profiled sheet from which the substrate is made, to ensure the creation of a honeycomb panel design. These designs have high strength characteristics with a low specific gravity, which is important when installing the device and its operation.

Каждый из защитных экранов (7), (10) может быть соединен с подложкой (1) с обеспечением создания между экраном и подложкой герметичной полости (12). Создание герметичной полости позволяет обеспечить защиту внутренних систем устройства от атмосферного воздействия и создания области пониженного давления. При этом герметичная полость может быть заполнена любым газом. Герметизация может создаваться сваркой материала по внешнему контуру изделия или склеиванием. Это обеспечивает плотное прилегание защитного экрана к сотовой панели и снижает вероятность его отставания в процессе эксплуатации устройства при повышении температуры подложки. При повышении температуры в процессе работы устройства для преобразования солнечной энергии давление внутри герметизированного пространства начинает расти. Для снижения вероятности разгерметизации устройства для преобразования солнечной энергии в этом случае необходимая разница давлений рассчитывается с учетом условий эксплуатации работы в южных или северных климатических зонах.Each of the protective screens (7), (10) can be connected to the substrate (1) to ensure that a sealed cavity (12) is created between the screen and the substrate. The creation of a sealed cavity allows you to protect the internal systems of the device from atmospheric exposure and create a low pressure area. In this case, the sealed cavity can be filled with any gas. Sealing can be created by welding the material along the external contour of the product or by gluing. This ensures a snug fit of the protective screen to the honeycomb panel and reduces the likelihood of its lag during operation of the device with increasing substrate temperature. With increasing temperature during operation of the device for converting solar energy, the pressure inside the sealed space begins to increase. To reduce the likelihood of depressurization of the device for converting solar energy in this case, the necessary pressure difference is calculated taking into account the operating conditions of work in the southern or northern climatic zones.

На внешнем контуре устройства для преобразования солнечной энергии устанавливаются крепежные элементы (13), посредством которых несколько устройств могут быть соединены между собой в единую солнечную батарею требуемых размеров. Крепежные элементы (13) могут изготавливаться в виде кнопочного соединения, например, посредством тиснения рельефа. Кроме того, крепежные элементы (13) могут быть выполнены в виде любых известных соединений, таких как замковые, резьбовые и т.д. В результате, при сборке устройств для преобразования солнечной энергии в солнечную батарею не требуется сложных и материалоемких устройств и приспособлений. Установка на внешнем контуре предлагаемого тонкопленочного устройства для преобразования солнечной энергии крепежных элементов (13) обеспечивает простоту сборки множества устройств для преобразования солнечной энергии в солнечную батарею и, при необходимости, их замену.Fasteners (13) are installed on the external circuit of the device for converting solar energy, through which several devices can be interconnected into a single solar battery of the required size. The fastening elements (13) can be made in the form of a push-button connection, for example, by embossing the relief. In addition, the fastening elements (13) can be made in the form of any known connections, such as locking, threaded, etc. As a result, when assembling devices for converting solar energy into a solar battery, complex and material-intensive devices and devices are not required. The external circuit of the proposed thin-film device for converting solar energy of fasteners (13) makes it easy to assemble many devices for converting solar energy into a solar battery and, if necessary, replace them.

Для снятия заряда статического электричества устройство для преобразования солнечной энергии снабжается антистатическим устройством (14), в качестве которого может быть использован, например, антистатический шнур компании «Юман», устанавливаемый на внешнем контуре устройства для преобразования солнечной энергии.To remove the charge of static electricity, the device for converting solar energy is equipped with an antistatic device (14), which can be used, for example, the antistatic cord of the company "Human", installed on the external circuit of the device for converting solar energy.

Электрические шины (15 и 16) обеспечивают электрический контакт тыльных и лицевых электродов отдельных устройств при их сборке в большую солнечную батарею. Электрические шины (17 и 18) обеспечивают съем электрической энергии с солнечной батареи.Electric buses (15 and 16) provide electrical contact between the back and front electrodes of individual devices when they are assembled in a large solar battery. Electric buses (17 and 18) provide removal of electric energy from the solar battery.

Устройство с фотоприемным слоем для преобразования солнечной энергии в электрическую работает следующим образом.A device with a photodetector for converting solar energy into electrical energy works as follows.

Солнечное излучение, попадая внутрь полостей в виде пирамид и/или конусов и/или сфер и/или сфероидов и/или усеченных пирамид и/или усеченных конусов многократно переотражается от стенок полостей. При этом при каждом дополнительном переотражении происходит поглощение света в фотоприемном слое (2) и его преобразование в электрическую энергию. Съем электрической энергии осуществляется посредством лицевого (3) и тыльного (4) электродов, контактирующих соответственно с лицевой и тыльной сторонами фотоприемного слоя (2) и далее через электрические шины (15-18).Solar radiation entering the cavities in the form of pyramids and / or cones and / or spheres and / or spheroids and / or truncated pyramids and / or truncated cones is repeatedly reflected from the walls of the cavities. In this case, with each additional rereflection, light is absorbed in the photodetector layer (2) and is converted into electrical energy. The removal of electrical energy is carried out by means of the front (3) and rear (4) electrodes in contact with the front and back sides of the photodetector layer (2), respectively, and then through the electric busbars (15-18).

Основным недостатком существующих солнечных элементов является большая зависимость коэффициента полезного действия (КПД) от угла падения солнечного излучения. При отклонении излучения от зенита не более чем на 10° начинает резко падать КПД и при углах около 40° устройство практически перестает преобразовывать солнечную энергию. Это приводит к необходимости либо использовать дополнительные дорогостоящие устройства для слежения за солнцем, что возможно только в случае малогабаритных солнечных батарей, либо не менее сложные накопительные устройства, позволяющие накапливать пиковую энергию при нахождении солнца в зените и распределять ее затем в течение суток, что актуально для солнечных электростанций. Наличие же световых ловушек в виде полостей приводит к возможности попадания излучения внутрь конструкции при значительном отклонении солнца от зенита. Так, при угле 20° при вершине четырехгранной пирамиды коэффициент переотражения внутри ее составляет 4,25 для угла отклонения от зенита 70°. Кривая суточного распределения энергии, выдаваемая в течение светового дня, более полого спускается к нулю, обеспечивая повышение общего КПД устройства на 10-60%. Такие устройства, в результате, не требуют слежения за солнцем и накопительных установок, что резко снижает затраты на установку и эксплуатацию устройства.The main disadvantage of existing solar cells is the large dependence of the coefficient of performance (COP) on the angle of incidence of solar radiation. When the radiation deviates from the zenith by no more than 10 °, the efficiency begins to drop sharply and at angles of about 40 ° the device practically ceases to convert solar energy. This leads to the need to either use additional expensive devices for tracking the sun, which is possible only in the case of small-sized solar panels, or no less complex storage devices that allow you to accumulate peak energy when the sun is at its zenith and then distribute it during the day, which is relevant for solar power plants. The presence of light traps in the form of cavities leads to the possibility of radiation entering the structure with a significant deviation of the sun from the zenith. So, at an angle of 20 ° at the apex of the tetrahedral pyramid, the reflection coefficient inside it is 4.25 for an angle of deviation from the zenith of 70 °. The curve of the daily energy distribution, issued during the daylight hours, more gently descends to zero, providing an increase in the overall efficiency of the device by 10-60%. Such devices, as a result, do not require tracking the sun and storage installations, which dramatically reduces the cost of installing and operating the device.

Профилирование полос, используемых для изготовления подложек в устройстве для преобразования солнечной энергии, выполняется методом тиснения по матрицам в подложке (1), что обеспечивает оптическое качество стенок пустотелых конструкций. При этом изготовление профилированных полос проводится на серийном оборудовании, что значительно снижает себестоимость самой подложки и устройства в целом.Profiling of strips used for the manufacture of substrates in a device for converting solar energy is performed by embossing by matrices in a substrate (1), which ensures the optical quality of the walls of hollow structures. In this case, the production of profiled strips is carried out using serial equipment, which significantly reduces the cost of the substrate itself and the device as a whole.

За счет более качественного исполнения рельефа и больших возможностей по глубине профиля в виде полостей (максимальные возможности имеет полость в форме трехгранной пирамиды с углом при вершине менее 30°) возникает повышение КПД, т.к. в данной полости происходит поглощение более 70% падающего излучения. Кроме того, предлагаемое устройство для преобразования солнечной энергии работает и без прямого падения на панель солнечного излучения - только за счет поглощения рассеянного света, и практически не зависит от угла падения света, так как при любом угле падения на него солнечных лучей последние, попадая в пустотелые конструкции, переотражаются на их боковых стенках и перемещаются вглубь фотоприемного слоя в направлении их реальных или воображаемых вершин. Это обеспечивает возможность изготовления двухсторонних устройств, в которых либо обе стороны работают в условиях рассеянного света, либо одна сторона работает при ярком солнечном излучении, а вторая либо от отраженного дополнительным отражающим устройством излучения, например от зеркала, либо от рассеянного излучения.Due to better execution of the relief and great opportunities in the depth of the profile in the form of cavities (the cavity in the form of a trihedral pyramid with an angle at the apex of less than 30 ° has the maximum potential), an increase in efficiency occurs because in this cavity, more than 70% of the incident radiation is absorbed. In addition, the proposed device for converting solar energy works without direct incidence on the solar radiation panel - only by absorbing scattered light, and practically does not depend on the angle of incidence of light, since at any angle of incidence of sunlight on it, the latter falling into hollow structures are reflected on their side walls and moved deep into the photodetector layer in the direction of their real or imaginary peaks. This makes it possible to manufacture double-sided devices in which either side operates under scattered light conditions, or one side operates in bright sunlight, and the other either from radiation reflected by an additional reflecting device, for example, from a mirror, or from scattered radiation.

Claims (4)

1. Устройство с фотоприемным слоем для преобразования солнечной энергии в электрическую, характеризующееся тем, что содержит, по крайней мере, одну пару подложек, каждая из которых выполнена в виде полосы, при этом, по крайней мере, одна из полос выполнена профилированной с периодическим профилем в ее продольном направлении и переменным профилем - в поперечном направлении, при этом подложки одной пары соединены между собой с возможностью образования профилями, по крайней мере, одного ряда полостей.1. A device with a photodetector layer for converting solar energy into electrical energy, characterized in that it contains at least one pair of substrates, each of which is made in the form of a strip, while at least one of the strips is made profiled with a periodic profile in its longitudinal direction and a variable profile in the transverse direction, while the substrates of one pair are interconnected with the possibility of the formation of profiles of at least one row of cavities. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полости представляют собой конусы и/или пирамиды и/или сферы и/или сфероиды и/или цилиндры и/или усеченные конусы и/или усеченные пирамиды.2. The device according to claim 1, characterized in that the cavities are cones and / or pyramids and / or spheres and / or spheroids and / or cylinders and / or truncated cones and / or truncated pyramids. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полости в разных рядах в поперечном направлении выполнены различной формы.3. The device according to claim 1, characterized in that the cavities in different rows in the transverse direction are made of various shapes. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толщина полосы меньше высоты профиля поперечного и/или продольного сечения этой полосы. 4. The device according to claim 1, characterized in that the thickness of the strip is less than the height of the profile of the transverse and / or longitudinal section of this strip.
RU2013147697/28A 2011-09-02 2011-09-02 Device with photoreceiving layer for conversion of solar energy into electrical energy RU2544866C1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2011/000672 WO2013032356A1 (en) 2011-09-02 2011-09-02 Device with a photoreceptive layer for converting solar energy into electrical energy

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2544866C1 true RU2544866C1 (en) 2015-03-20

Family

ID=47756614

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013147697/28A RU2544866C1 (en) 2011-09-02 2011-09-02 Device with photoreceiving layer for conversion of solar energy into electrical energy

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2544866C1 (en)
WO (1) WO2013032356A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021003150A1 (en) * 2019-07-01 2021-01-07 Aegis Power Systems, Inc. Multiplanar high-efficiency solar panel

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2555197C1 (en) * 2014-03-04 2015-07-10 Илья Валерьевич Молохин Device for converting solar energy

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3150999A (en) * 1961-02-17 1964-09-29 Transitron Electronic Corp Radiant energy transducer
RU2127470C1 (en) * 1997-05-19 1999-03-10 Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Photoelectric battery
JP2007265826A (en) * 2006-03-29 2007-10-11 Enplas Corp Dye-sensitized solar cell and its photoelectrode substrate

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2904612A (en) * 1956-07-30 1959-09-15 Hoffman Electronics Corp Radiant energy converter

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3150999A (en) * 1961-02-17 1964-09-29 Transitron Electronic Corp Radiant energy transducer
RU2127470C1 (en) * 1997-05-19 1999-03-10 Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Photoelectric battery
JP2007265826A (en) * 2006-03-29 2007-10-11 Enplas Corp Dye-sensitized solar cell and its photoelectrode substrate

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021003150A1 (en) * 2019-07-01 2021-01-07 Aegis Power Systems, Inc. Multiplanar high-efficiency solar panel

Also Published As

Publication number Publication date
WO2013032356A1 (en) 2013-03-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10903382B2 (en) Light redirecting film useful with solar modules
US8338693B2 (en) Solar arrays and other photovoltaic (PV) devices using PV enhancement films for trapping light
US7968790B2 (en) Photovoltaic (PV) enhancement films for enhancing optical path lengths and for trapping reflected light
US20090178704A1 (en) Solar electric module with redirection of incident light
WO2012046319A1 (en) Solar cell module, photovoltaic device, and process for manufacture of solar cell module
NL1040088C2 (en) Concentrating solar panel with diffuse light conversion.
Weinstein et al. Enhanced absorption of thin-film photovoltaic cells using an optical cavity
US20160172518A1 (en) Reflective microstructured films with microstructures having curved surfaces, for use in solar modules
EP3895219B1 (en) Photovoltaic module
RU2544866C1 (en) Device with photoreceiving layer for conversion of solar energy into electrical energy
JP5734382B2 (en) Photovoltaic element module and manufacturing method thereof
JP2004519700A (en) Polygon reflection type light guide film
WO2013002662A1 (en) Device for converting solar energy
US7904871B2 (en) Computer-implemented method of optimizing refraction and TIR structures to enhance path lengths in PV devices
KR20160030529A (en) Reflecting films with rounded microstructures for use in solar modules
Hebrink Durable polymeric films for increasing the performance of concentrators
US20200350452A1 (en) Holographic system for extended energy capture
WO2023031426A1 (en) Photovoltaic system for low solar elevation angles
US20190305165A1 (en) Photovoltaic module
RU2555197C1 (en) Device for converting solar energy
JP2003243689A (en) Cover glass for solar cell and its manufacturing method, and solar cell module using the cover glass
US20150287842A1 (en) Photovoltaic system including light trapping filtered optical module
KR101325140B1 (en) Solar cells having horizontal arrayed photovoltaic cells and manufacturing method of the same
WO2014036411A1 (en) Photovoltaic system including light trapping filtered optical module
RU2685043C1 (en) Solar panel with a volume structure

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170903

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20181001