RU2821594C1

RU2821594C1 - Фотовольтаический 3d-элемент

Info

Publication number: RU2821594C1
Application number: RU2024104788A
Authority: RU
Inventors: Николай Дмитриевич Жуков
Original assignee: Николай Дмитриевич Жуков
Filing date: 2024-02-26
Publication date: 2024-06-25

Abstract

Изобретение относится к области фотоэлектрических систем и может быть использовано для изготовления солнечных активных элементов. Фотовольтаический 3D-элемент согласно изобретению включает оптически прозрачную подложку в виде прямоугольного параллелепипеда, имеющего по две противоположные грани: широкие, узкие длинные, узкие короткие. На поверхности обеих широких граней нанесена пленочная слоистая структура, выполненная как p-n⁺-переход полупроводников разных составов, кристаллической структуры и ширины запрещенной зоны с поглощением в области максимума спектра солнечного света. Структура выполнена между двумя электродами: оптически прозрачным пленочным проводящим слоем и отражательным электродом в виде тонкой металлической фольги, присоединенной прижимом по всей поверхности сопряжения. К одной из узких длинных граней подложки присоединен оптическим клеем элемент оптического сопряжения в виде положительной поясной линзы Френеля. Соотношения величин показателя преломления: n_п>n_к>n_л>1, где n_п - показатель преломления подложки, n_к - клея, n_л - линзы, 1 - воздуха. Соотношения размеров узкой короткой грани - ширины d и высоты h: h/d≥3(sinα)^-1n_п, где α - выходной апертурный угол линзы Френеля. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента полезного действия в 4-5 раз при уменьшении площади, отсутствии системы поворота, защиту рабочей структуры от влияния пыли, дождя, града, снега, радиации. 4 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к области техники фотоэлектрических систем преобразования световой энергии в электрическую и может быть использовано для изготовления солнечных активных элементов.

Целью заявки является повышение коэффициента полезного действия (КПД) - эффективности преобразования энергии света в определенном спектральном интервале, а также - улучшения ряда свойств для условий применений. Цель достигается тем, что может быть использована подложка из простого дешевого материала со структурой тонкого слоя. В тонкослойной структуре точно совмещены области поглощения фотонов и сбора (диффузии) неравновесных носителей заряда, и обеспечивается полное поглощение фотонов по всей площади слоя многократным отражением света от слоя с его циркуляцией внутри подложки. При этом значительно ослабляются такие нежелательные явления, как разогрев структуры и безизлучательная рекомбинация носителей от сильного возбуждения. Рабочая структура защищена от прямого воздействия пыли, дождя, града, снега, радиации.

Вводная.

В сентябре 2023 г. Oxford Smith School of Enterprise and the Environment опубликовал обзор истории и современного состояния солнечной энергетики с описанием, в том числе, основных современных систем, модулей, элементов фотовольтаики [1].

В 2022 г. European Commission опубликовала отчет о состоянии солнечной энергетики в Европе и мире [2].

Преобразование энергии в фотоэлектронном преобразователе (ФЭП) основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах (р-п-переходах) при воздействии на них света. В системах преобразования световой энергии в принципе могут быть использованы любые созданные и разрабатываемые типы ФЭП различной структуры на базе разнообразных материалов. В литературе отмечаются три поколения фотовольтаических структур [3]: на основе монокремния, занимающих до 90% рынка; тонкопленочные - в основном, на основе аморфного и поликристаллического кремния и, в незначительной степени - полупроводников А₃В₅ и А₂В₆; тонкопленочные, на основе новых материалов, в том числе органических, нанотехнологий и совсем новых эффектов, например, в металлоорганических материалах и экситонных структурах.

Основная научно-техническая проблема солнечной фотовольтаики заключена в необходимости повышения коэффициента полезного действия (КПД) элемента, определяемого как отношение получаемой в нем электрической энергии к падающей на него солнечной. Значения КПД промышленных структур на монокремнии достигают 24%, на аморфном и поли- кремнии - 16%, в экзотических (особых, лабораторных) случаях - до 45%. На структурах третьего поколения пока достигнутые лучшие результаты не превышают 12%.

Из интернет-сообщения [4] (курсивом сделаны наши вставки) следует:

«В настоящий момент самой массовой технологией на рынке солнечных панелей является PERC. (PERC расшифровывается как Passivated Emitter Rear Cell - пассивированный эмиттер заднего контакта и означает диэлектрический слой на задней части солнечного элемента) КПД солнечных панелей, изготовленных с помощью этой технологии (на монокремнии), составляет 20-24%, что является достаточно высоким показателем. Однако, индустрия альтернативной энергетики стремительно развивается и на смену PERC приходит технология TOPCon.

TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) - более совершенная технология (моно)кремниевых элементов N-типа. Данная концепция была представлена еще в 2014 году немецким институтом солнечных исследований Fraunhofer ISE, однако масштабирование технологии началось только в 2019 году.

В настоящий момент панели PERC держат первенство на рынке солнечной энергетики, однако, TOPCon отлично набирает обороты. Согласно глобальным отчетам исследования использования TOPCon, доля рынка вырастет с 8% в 2020 году до 50% в 2031 году. Однако, Китайская ассоциация фотоэлектрической промышленности (CPIA) утверждает, что технология TOPCon может занять лидирующие позиции уже в 2024 году»

Данная технология эффективна тем, что в отличие от PERC, металл не вступает в прямой контакт с кремниевой пластиной. Это достигается за счет того, что ТОРСоn имеет кремниевую подложку N-типа, на которую наносят тонкий туннельный оксид, а после этого слой поликремния, который имеет высокую степень легирования n или р. В дальнейшем поликремний контактирует с металлом на концах. Эти туннельные оксиды блокируют один тип носителя, благодаря чему они и получили свое название - пассивирующие контакты.

Solar3D, американский производитель фотоэлектрических элементов, получил международный патент на свою технологию 3D солнечных элементов [5]. Предыдущий прототип Solar3D установил рекорд эффективности кремниевых фотоэлектрических элементов, достигнув 25% в 2012 году. Компания ожидает, что ее новейшая версия будет лучше и дешевле в производстве.

КПД. По физике действия фотовольтаического эффекта используемыми для него материалами могут быть только полупроводники. По степени достижения наибольших результатов по внутреннему КПД преобразования наиболее приемлемыми являются полупроводники совершенной кристаллической структуры - монокристаллы, в которых наилучшим образом дело обстоит с наибольшей подвижностью носителей заряда и с управляемостью и стабильностью свойств в процессе эксплуатации. Наиболее подходящим по отработанности технологии и оптимальности свойств является монокремний (mc-Si). В силу ряда особых обстоятельств вторым наиболее используемым является поликремний (m-Si), третьим - аморфный кремний (a-Si) и в последнее время развиваются идеи с использованием нанокремния (nc-Si) [6].

По типам структуры разрабатываются и используются варианты в виде полупроводниковых пластин и пленок, формируемых, в основном, на стеклянных подложках.

Преимуществами пленочных вариантов являются более широкие возможности конструктивных исполнений с целью достижений наилучших результатов по параметрам, свойствам и условиям применений. При этом возможно получение вариаций и управляемости свойств на одном материале. Например, кремний имеет разные значения ширины запрещенной зоны в формах моно-, поли-, нано-, аморфном. Также важным является состояние промышленной отработанности технологии.

КПД преобразования солнечного света в электричество определяется двумя основными обстоятельствами: 1) способностью поглощения света (сбора фотонов) и 2) свойствами активной зоны максимально «собрать» в р-п-переходе неравновесные (возбужденные светом) носители заряда (сбор носителей).

1) На фиг. 1 (спектральные зависимости коэффициента поглощения разных полупроводников) представлены спектральные зависимости основных свойств поглощения и излучения. Из рисунков видно, что в основном интервале поглощения полупроводников 400-600 нм (сине-красном) КПД равен ~45%. Эта цифра многими авторами принимается как теоретический предел КПД преобразования солнечных элементов. Кроме того можно обратить внимание на то, что увеличение спектрального интервала до 400-800 нм даст повышение КПД до ~65%, то есть примерно в 1,5 раза.

(На фиг. 1 кривым соответствуют полупроводники в последовательности слева-направо на пересечении с горизонтальной осью - α-Si, GaAs, InP, mono-Si, Ge)

2) Ширина зоны сбора носителей определяется дебаевской длиной (шириной р-п-перехода) и длиной диффузии (подвижностью) носителей. Для полупроводников это - примерно 2-10 мкм, в зависимости от уровня легирования и кристаллического совершенства. Для пленочных структур эта величина 2-3 мкм.

Из фиг. 2 (спектральные интенсивности излучений черного тела и солнца) следует, что для кремния коэффициент поглощения К в спектральном интервале 400-600 нм изменяется в пределах 10⁴-10⁶ см^-1, а в интервале 400-800 - в пределах 10²-10⁶ см^-1. Это означает, что ширина зоны максимального поглощения света и генерации носителей - от 0,01 до 100 мкм. При этом поглощение в зоне 0,01-0,1 (сине-зеленая зона) мкм происходит в условиях огромной удельной интенсивности света и, соответственно, резкого снижения сбора носителей за счет сильного повышения рекомбинации неравновесных электронов и дырок благодаря разогреву и нелинейным эффектам. Поэтому в качестве реальных величин ширины сбора носителей необходимо принять диапазон 0,1-100 мкм. (В монокремнии эта задача решается использованием p-i-n-структуры, в которой в i-слое толщиной 100 мкм происходит полевой дрейф носителей в зоны p-i- и i-n- переходов)

Из фиг. 2 также следует, что представляет интерес использование других полупроводников, например, германия, для которых К изменяется на те же два порядка в более широком спектральном интервале: для германия - 400-1200 нм.

Аналоги и прототип.

Известны патенты на конструкции и структуры трехмерного строения (3D) с использованием специальных оптических устройств и преобразований. Например...

1) Патент US 9899956 [7]. Трехмерный фотоэлектрический модуль, который позволяет поглощать солнечную энергию под разными углами в положении триста шестьдесят градусов, имеет базовую панель и солнечную конструкцию. Солнечная конструкция имеет множество солнечных элементов, каждый из которых имеет первый фотоэлектрический элемент и второй фотоэлектрический элемент, причем каждый из множества солнечных элементов поглощает свет с двух противоположных сторон. Концентрированная фотоэлектрическая линза направляет свет и улавливает свет во внутреннем объеме, обеспечивая внутреннее поглощение света в дополнение к внешнему поглощению света. Блок базовой панели имеет вращающееся основание, с которым соединена солнечная конструкция, и магнитное основание, вокруг которого вращающееся основание под действием магнита левитирует. Множество магнитов, расположенных вокруг вращающегося основания, создают магнитный вихрь, который в сочетании с магнитным основанием позволяет вращающемуся основанию и солнечной конструкции вращаться.

2) Патент US 20120007434 А1 [8]. Трехмерное фотоэлектрическое устройство. Изобретение относится к системе, включающей множество трехмерных фотоэлектрических устройств. Каждое из трехмерных фотоэлектрических устройств включает в себя соответственно один или несколько солнечных элементов, расположенных внутри объема. Соответствующие один или несколько солнечных элементов имеют соответствующую фотоэлектрическую поверхность, имеющую, по меньшей мере, одну соответствующую вогнутую поверхность и соответствующую первую область и соответствующую вторую область. Соответствующая первая область выполнена с возможностью отражения света в соответствующую вторую область.

Прочтение краткого описания этих двух примеров говорит о большой конструкторско-технологической сложности предлагаемых устройств.

Известны патенты на фотоэлектрические элементы, например, US 6075203 Фотоэлектрические элементы; в ЕР 407182 и патенте США 5350644 описан многослойный фотоэлектрический элемент, в котором в качестве полупроводникового слоя используется диоксид титана нанометрового размера, полученный из коллоидного раствора;

Недавно (сентябрь 2023, номер публикации: US 20230317863 A1) JinkoSolar подала патент на новую конструкцию фотовольтаического элемента [9]. Ячейка включает в себя несколько слоев, включая слои оксинитрида кремния и нитрида кремния, а также второй пассивирующий слой с оксидом алюминия. В отчете приведена информация о десяти новых патентах США по фотоэлектрическим элементам и модулям.

Все эти примеры используют варианты на основе монокремния.

В качестве аналогов для предлагаемого в данном описании варианта могут быть использованы любые варианты тонкопленочной структуры, сформированной на прозрачной подложке. Таковыми могут быть, например, варианты с органическими структурами, наиболее активно развиваемые в последние годы благодаря их технологической и стоимостной привлекательности. На самом деле, однако, органические материалы этих структур подвержены существенным пагубным изменениям при взаимодействии с влагой, воздухом, светом. Это резко ограничивает возможности их использования.

Разработаны и применяются варианты пленочных фотовольтаических солнечных преобразователей, в состав которых входят прозрачная подложка с последовательно нанесенными на нее электродом, фоточувствительным элементом на основе р-i-n перехода из аморфного кремния, второго электрода и рефлектора [10]. Недостатками солнечного элемента на основе такой структуры являются низкий КПД, обусловленный малым коэффициентом поглощения света в активном слое, большими потерями света (до 50%) в электродах и стеклянной подложке. А также - необходимость поворота батареи за солнцем, незащищенность активного слоя от прямого воздействия пыли, дождя, града, снега, радиации.

Эти недостатки частично преодолеваются в варианте интерферометрической фотовольтаической ячейки [11], включающей оптический резонатор, активную область, рефлектор и электроды к активной области, причем оптический резонатор размещен между активной областью и рефлектором, а электродами являются проводящие прозрачные слои индий-оловянного окисла (ITO) или ZnO. Вся структура размещается на стеклянной подложке. Коэффициент поглощения света в активной области такого устройства может достигать в отдельных примерах исполнения значение 0,8-0,9. Недостатком такой интерферометрической фотовольтаической ячейки является недостаточно высокий КПД, что обусловлено поглощением света в слоях металлического рефлектора, а также высокая технологическая стоимость, обусловленная сложностью конструкции и управления.

Известен вариант в виде полезной модели [12], в котором решается задача усовершенствования фотовольтаической ячейки путем повышения в ней величины коэффициента поглощения света в активном слое, благодаря созданию более эффективного оптического резонатора. Задача решается тем, что фотовольтаическая ячейка, содержащая активную область, оптический резонатор из N пар оптически прозрачных чередующихся четвертьволновых диэлектрических слоев с низким и высоким показателями преломления, размещенный на подложке под активной областью, дополнительно содержит второй оптический резонатор, размещенный над активной областью. Существенными недостатками варианта являются то, что интероферометрический резонатор работает в узкой резонансной спектральной полосе, являющейся незначительной частью всего спектрального диапазона; структура резонатора чрезвычайно сложна технологически.

Указанные выше недостатки в значительной мере преодолеваются в варианте изобретения [13]. Задача в этом варианте решается тем, что в предлагаемой конструкции ячейки свет многократно отражается без спектральной селекции и весь поглощается в активном слое за счет того, что ячейка выполняется в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого сформирована тонкопленочная структура преобразователя. Лучи света, проникая в цилиндр, распространяются в нем, многократно-последовательно отражаясь от границ слоистой пленочной структуры, пока полностью ею не поглотятся. При этом благодаря тому, что пленочная структура может быть максимально тонкослойной (то есть, состоять, как бы, только из активного слоя), практически весь свет будет поглощен активным слоем. При этом области сбора фотонов и носителей заряда совпадают. Благодаря распределенному по большой поверхности излучению удельная интенсивность света резко уменьшается, что устраняет нежелательные эффекты безизлучательной рекомбинации неравновесных носителей при возбуждении высокоинтенсивными фотонами. Все это приводит к повышению КПД преобразования.

Недостатком, однако, этого варианта является технологическая сложность исполнения тонкослойной структуры в ячейке, что может снизить ожидаемый эффект. Выбранная объемная структура ячейки в виде полого цилиндра не позволяет использовать традиционные технологии газотранспортных реакций, а нетрадиционные (например, химическое и нанопорошковое осаждение) не имеют технологической отработанности в расчете на получение активной структуры с прецизионными свойствами - многослойной субмикронной полупроводниковой структуры с высокой степенью совершенства.

Преодоление этой проблемы предлагается в варианте [14], выбранном как прототип заявленному, путем выполнения геометрически обращенной (перевернутой) структуры, что позволит наносить слоистую структуру на подложки-ячейки предварительно, а затем из них собирать (например, склеивать) элементы преобразователя.

Однако, и этот вариант не лишен недостатков, к которым надо отнести следующие:

1. Отсутствует оптическое устройство ввода излучения, что снижает КПД за счет потери света на отражение и обратное переизлучение.

2. Слои с обеих сторон подложки имеют одинаковую структуру, что снижает КПД за счет потери на поглощение.

3. Размерные соотношения не оптимальны, что не обеспечивает все преимущества варианта трехмерной конструкции и структуры.

Предложенный в данной заявке вариант учитывает все эти обстоятельства и преодолевает указанные проблемы.

Структурная схема фотовольтаического элемента в двумерном разрезе представлена на фиг. 3 и состоит следующих составляющих:

1 - подложка;

2, 2* - активные слои;

3, 3* - прозрачный электрод;

4 - первый электрический вывод;

5, 5* - отражательный электрод;

6 - второй электрический вывод;

7, 8 - элемент оптического сопряжения;

9 - отображение хода лучей света.

Подложка 1 выполнена из оптически прозрачного материала в виде прямоугольного параллелепипеда, имеющего по две противоположные грани: широкие, узкие длинные, узкие короткие. Размеры в плане рисунка: h - высота, d - ширина; перпендикулярно плоскости рисунка: l - длина.

Активные слои 2, 2*, преобразующие световую энергию в электрическую и выполненные в виде пленочной слоистой полупроводниковой структуры

Прозрачный электрод 3 - прозрачный проводящий слой с показателем преломления, немногим большим, чем у подложки, но меньшим, чем у активного слоя. Это обеспечит необходимое проникновение света в структуру активного слоя при хорошем его отражении внутрь подложки. Предполагаемые для этого проводящие - нестехиометрические окислы: In₂O₃, ZnO, SnO₂ и CdO [15].

Первый электрический вывод 4 - вывод, контактирующий к прозрачному электроду.

Отражательный электрод 5 - тонкая металлическая фольга, присоединенная к активному слою прижимом по всей поверхности сопряжения. Кроме роли электрического проводника, она выполняет функцию отражателя света. Она должна быть максимально тонкой, чтобы не занимать объем, но быть технологичной. По опыту работы можно установить ее толщину 20 - 80 мкм.

Второй электрический вывод 6 - вывод, присоединенный ко второму электроду всех ячеек.

Элемент оптического сопряжения 7, 8 - оптическое устройство или структура, обеспечивающие максимум ввода излучения в подложку.

Отображение хода лучей света 9 - условное изображение.

Элемент оптического сопряжения.

Проблема максимально возможного ввода излучения с учетом того, что лучи солнечного света постоянно изменяют направление, решается использованием одного из нескольких способов, например: 1) оптический резонатор, включая стеклопластину с пленочным просветлением [11, 12]; 2) линза Френеля [16, 17]; сложная трехмерная оптическая конструкция [7, 8].

Нами выбран вариант линзы Френеля 7, сопряженной конструктивно и оптически с подложкой 1 оптическим клеевым слоем 6.

Линза Френеля.

Обзор способов и возможностей использования линз Френеля приведен в [17].

В 2006 году компании SolFocus удалось разработать компактные линзовые солнечные панели [18]. Такие концентраторы солнечного света увеличивали солнечную энергию в 500 раз, и таким образом они наращивали продуктивность фотоэлементов. Что в то время сокращало расходы на производство солнечной энергии практически на 40%. За последующие 5 лет компания SolFocus реализовала несколько крупных проектов.

Линзы Френеля бывают кольцевыми и поясными. Кольцевые линзы Френеля направляют световой поток в одном направлении к ее оси, в то время как поясные линзы посылают свет от источника по всем направлениям в определенной плоскости.

Нами выбран вариант положительной поясной линзы Френеля, когда свет входит параллельным пучком, а выходит под углами. Как и у любой линзы, у френелевской есть параметр «оптическая сила», измеряемый в диоптриях (1/м) и равный величине, обратной фокусному расстоянию ƒ. Ход лучей в плоскости изображен на фиг. 4.

Структура линзы Френеля рассчитывается под каждый конкретный случай применения [19, 20]. На рынке есть большой выбор линз Френеля [21].

Описание действия фотовольтаического элемента.

Параллельные лучи солнечного света 9 проходят через элемент оптического сопряжения 7, 8 (линзу Френеля), проникая в ячейку под всеми возможными углами, засвечивают слоистую структуру на поверхности подложки, проходя через прозрачный электрод 3 и активные слои 2, 2*, многократно и последовательно отражаясь от отражательного электрода 5. Частично поглощаемый при каждом акте взаимодействия в активных слоях 2, 2* свет вызывает генерацию неравновесных носителей в зоне p-n⁺-перехода, за счет чего создается фотовольтаичекий эффект преобразования световой энергии в электрическую. Между электродами 3 и 5 на электрических выводах 4 и 6 возникает разность потенциалов - фотоэдс элемента.

Отличительные свойства и соотношения.

Максимальный эффект действия системы, являющейся многомерной и многопараметровой, обусловлен свойствами и соотношениями величин, определяющих электронные и оптические процессы и отличительные свойства заявленного технического решения.

Соотношения величин показателя преломления оптических элементов.

В данном случае используется оптическая схема прохождения света так, чтобы ввести его максимально в объем подложки 1 и максимально в ней «удержать». В подложке 1 свет многократно зеркально отражается от стенок (ее поверхности и металлических электродов), поглощаясь многократно в активном слое 2, 2*. Это условие выполняется подбором соотношения величин показателя преломления, а именно, n_п>n_к>n_л>1, где: n_п - показатель преломления подложки; n_к - клея; n_п - линзы; 1 -воздуха.

Свойства активных слоев.

Каждый активный слой выполнен как p-n+-переход - контакт полупроводника р-типа (дырочного) и n⁺-типа (электронного). Здесь «⁺» означает сильное донорное легирование, что обеспечит хороший «прижимной» электрический контакт с отражательным электродом 5. Источником фотоэдс является сформированный в активных слоях 2, 2* p-n⁺-переход, обеспечивающий максимальное, примерно равное ширине запрещенной зоны полупроводника, значение ЭДС (электро-движущая сила) холостого хода или ток короткого замыкания для разных режимов применения. Слои 2, 2* имеют разные составы, кристаллическую структуру (поликристалл, аморфный слой) и ширины запрещенной зоны полупроводников с поглощением в области максимума спектра солнечного света.

Угловые ограничения.

Принцип действия предлагаемого устройства основан на преломлении хода параллельных солнечных лучей линзой Френеля так, что они входят в подложку под разными углами и многократно отражаются от ее стенок - отражательных электродов. Важным при этом является число проходов луча в подложке, определяемое соотношением размеров прямоугольника узкой короткой грани - ширины d и высоты h: h/d ~ (sinα)^-1n_п, где α - выходной апертурный угол линзы Френеля (угол между крайним лучом светового пучка и осью линзы) на воздухе. Принятое нами минимальное число проходов будет при условии h/d≥3(sinα)^-1n_п. Расчет поясняется фиг. 5. На рисунке апертурный угол в подложке указан как α*.

Пример исполнения.

Оптимальным для подложки является тонколистовое стекло с двусторонним покрытием проводящим слоем ITO, широко используемое в производстве и применении ЖК-экранов. Оно имеет хорошую оптическую прозрачность, малое поглощение в спектре солнечного излучения, высокую технологическую отработанность и распространенность. Например, можно использовать такое стекло размерами 100×100×1,1 мм (https://aliexpress.ru/popular/conductive-glass-ito.html].

На этом стекле методами плазмохимии осаждается поликремний на одной стороне и полигерманий - на другой. Каждый вариант - в два процесса: первый слой р-типа или нелегированный, второй - с сильным донорным легированием.

Далее пластины скрайбированием делятся на полоски шириной 10 мм. Затем делается сборка пакетов по 90 шт с закладкой полосками фольги между полосками подложек. Фольга продается при очень большом выборе материала и толщин [https://ochv. ru/magazin/folder/folga-metallicheskaya].

К торцу сборки оптическим клеем приклеивается линза Френеля размерами 100×100 мм.

Сейчас линзы Френеля изготавливают из множества различных материалов - от акрила до поликарбоната и винила, в зависимости от длины волны излучения, на которой предполагается работа линзы. Чаще всего в производстве используют акрил - такие линзы имеют высокую пропускательную способность в видимом и УФ диапазонах. Для жестких внешних условий больше подойдет линза из поликарбоната - этот материал известен своей устойчивостью к температурным перепадам. Выбор линз огромен [https.//aliexpress.ru/popular/fresnel-lens-plastic. html]

Для оценок условий и величин максимальной эффективности ячейки приведены взятые из интернета известные данные по спектральным зависимостям коэффициента поглощения (фиг. 1) для наиболее распространенных полупроводников и спектральные зависимости интенсивности излучения черного тела и солнечного на земле (фиг. 2). Для оценок принята толщина активного слоя d ~1 мкм.

Результаты оценок КПД на поглощение приведены в таблице 1.

Из таблицы следует, что интересным является вариант германия. Интересным и перспективным для реализации денного изобретения является также вариант нанокремния [22].

Расчет по формуле h/d≥3 (sinα)^-1n_п Для нашего случая h/d=8 и n_п=2 дает значение α~49°. При этом практически все излучение не менее трех раз провзаимодействует с активным слоем, произведя не мене, чем трехкратный, вклад в сбор неравновесных носителей заряда.

В табл. 1 приведены КПД преобразования поглощенного света, вычисленные из данных рыночных образцов (монокремний - 22%, поликремний - 15%, германий - по данным поликремния). Принимая, что кратность преобразования в нашем случае будет, по минимуму, три раза, получены прогнозируемые значения КПД (табл. 1).

Преимущества.

Такие элементы будут иметь выигрыш по площади батареи примерно в 5 раз, но проигрыш по массе (объему) примерно в 2 раза. Значительно ослабляются такие нежелательные явления, как разогрев структуры и безизлучательная рекомбинация носителей от сильного возбуждения. Не потребуется система поворота батарей за солнцем. Активный слой защищен от влияния пыли, дождя, града, снега, радиации. Это создаст условия для большей надежности и долговечности.

Использованные источники информации

1. httpswww.smithschool.ox.ac.uksitesdefaultfiles2023-10How-the-kidnapping-of-a-solar-energy-pioneer-impacted-the-cost-of-renewable-energy-and-the-climate-crisis.pdf

2. PHOTOVOLTAICS IN THE EUROPEAN UNION European Commission, Joint Research Centre, Ispra, Italy https://joint-research-centre.ec.europa.eu

3. В.А. Миличко, А.С. Шалин, И.С. Мухин, А.Э. Ковров, А.А. Красилин, А.В. Виноградов, П.А. Белов, К.Р. Симовский. Солнечная фотовольтаика: современное состояние и тенденции развития//УФН.- 2016. - Т. 186. - С. 801-852.--DOI:10.3367/UFNr.2016.02.037703

4. Фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии. http://www.gigavat. com/ses_preobrazovateli_l.php

5. https://www.engineering.com/story/ypywr

6. https://www.litres.ru/book/uriy-stepanovich-pochanin/konstrukcii -i-montazh-fotoelektricheskih-moduley-64631666/chitat-onlayn/page-2

7. 3D PRINTED SOLAR ENERGY. Patent No.: US 9, 899, 956 B2. Feb. 25, 2016. Inventor ventor:: Daniel S Clark, Orangevale, CA. Applicant: Daniel S Clark, Orangevale, CA (US)

8. THREE-DIMIENSIONAL PHOTOVOLTAC APPARATUS AND METHOD. US 201200.07434A1. Jan. 12, 2012. Assignee: MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY, Cambridge Center, MA (US).

9. https://www.power-technology.com/data-insights/jinkosolar-files-patent-for-the-patent-filed-is-for-a-photovoltaic-cell-with-specific-layers/

10. Thin film solar cells: fabrication, characterization and applications / Edited by J. Poortman, V. Atchipov. Wiley, 2006. P. 205

11. Патент US 20090078316 A.

12. Фотовольтаическая ячейка. Полезная модель 150125. Авторы модели: Прокопов А.P. (RU) Каравайников А.В. (RU) Шапошников А.Н. (RU). Владельцы модели: Крымский национальный университет им. В.И.Вернадского (RU).

13. Патент РФ 264293515.07.2016. Фотовольтаическая ячейка и способ ее изготовления. Приоритет - 15.07.2016. Авторы - Жуков Н.Д., Абаньшин Н.П., Мосияш Д.С., Хазанов А.А. Патентообладатель - Жуков Н.Д.

14. Патент РФ 2773627 «Фотовольтаическая 3D-ячейка». Приоритет 07.03.2019. Авторы: Жуков Н.Д., Абаньшин Н.П., Митрохин В.В., Ягудин И.Т. Патентообладатель ООО «НПП Волга».

15. Кондрашин В.И. и др. Прозрачные проводящие покрытия на основе оксидов металлов. Технологии получения, свойства и области применения. «Молодой ученый». №13(93). Июль, 2015 г. https://moluch.ru/archive/93/20562/

16. Линзы Френеля [Электронный ресурс] - URL: https://www.4glaza.ru/katalog/ lupy/linza-frenelya/

17. https://installed.ro/ru/solnechnyye-paneli-s-linzoy-frenelya/

18. Линзовые солнечные панели, https://sparnins.livejournal.com/583007.html

19. Казанский В.Л. Вычислительный эксперимент с линзой Френеля, https: //cyberleninka.ru/article/n/vychislitelnyy-eksperiment-s-linzoy-frenelya

20. Сопоставительный анализ линзы Френеля и киноформной линзы / Г.И. Грейсух, С.А. Степанов, А.И. Антонов // Компьютерная оптика. - 2018. - Т. 42, №3. - С. 369-376. - DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-3-369-376.

21. https://www.ozon.ru/category/linza-frenelya/ https://www.vashaoptika.ru/linza-frinelya.html

22. Захаров В.Н. Синтез и свойства нанокремния, стабилизированного лигандами: дис.к.хим.н 02.00.01: защищена 18.12.2015 г. МГУ. - М. 2015.

Claims

Фотовольтаический 3D-элемент, состоящий из подложки, выполненной из оптически прозрачного материала в виде прямоугольного параллелепипеда, имеющего по две противоположные грани: широкие, узкие длинные, узкие короткие; активные, преобразующие световую энергию в электрическую, слои, нанесенные на поверхность обеих широких граней, в виде пленочной слоистой полупроводниковой структуры, выполненной между двумя электродами: прозрачным электродом - оптически прозрачным пленочным проводящим слоем с присоединенным к нему первым электрическим выводом и отражательным электродом с присоединенным к нему вторым электрическим выводом, отличающийся тем, что к одной из узких длинных граней подложки присоединен оптическим клеем элемент оптического сопряжения в виде положительной поясной линзы Френеля, при этом соотношения величин показателей преломления: n_п>n_к>n_л>1, где n_п - показатель преломления подложки, n_к - клея, n_л - линзы, 1 - воздуха, отражательный электрод выполнен как металлическая фольга толщиной 20-80 мкм, присоединенная к активному слою прижимом по всей поверхности сопряжения, активные слои выполнены как p-n⁺-переходы полупроводников разных составов, кристаллической структуры и ширины запрещенной зоны с поглощением в области максимума спектра солнечного света, соотношения размеров узкой короткой грани: ширины d и высоты h h/d≥3(sinα)^-1n_п, где α - выходной апертурный угол линзы Френеля.