BSC – Двусторонние солнечные элементы: История двусторонних или двухповерхностных солнечных элементов

Опубликовано: 22 января 2022 г. / Обновлено: 24 февраля 2023 г. – Автор: Konrad Wolfenstein

История двухповерхностных солнечных элементов – Изображение: Xpert.Digital / Sunward Art|Shutterstock.com

Кремниевый солнечный элемент был впервые запатентован в 1946 году Расселом Олом во время работы в Bell Labs, а публично продемонстрирован в 1954 году Фуллером, Чапином и Пирсоном в том же исследовательском учреждении; однако эти ранние предложения представляли собой монофациальные элементы, обратная сторона которых не предназначалась для активной работы.

Первая теоретически предложенная двусторонняя солнечная батарея описана в японском патенте от 4 октября 1960 года, выданном Хироши Мори, сотрудником компании Hayakawa Denki Kogyo Kabushiki Kaisha (Hayakawa Electric Industry Co. Ltd.), которая впоследствии стала корпорацией Sharp. Предложенная батарея представляла собой двустороннюю структуру типа pnp с контактными электродами на двух противоположных краях.

Однако первые демонстрации двусторонних солнечных элементов и панелей были проведены в рамках советской космической программы на военных низкоорбитальных космических станциях «Салют-3» (1974) и «Салют-5» (1976). Эти двусторонние солнечные элементы были разработаны и изготовлены Бординой и др. в ВНИИТ (Всесоюзном научно-исследовательском институте источников энергии) в Москве, который в 1975 году стал российским производителем солнечных элементов КВАНТ. В 1974 году эта группа подала заявку на патент США, предложив элементы в виде миниатюрных параллельных трубок максимальным размером 1 мм х 1 мм х 1 мм, соединенных последовательно для достижения плотности 100 элементов/см². Как и в современных двусторонних солнечных элементах, они предложили использовать изотипные соединения pp+ вблизи одной из светоприемных поверхностей. В случае с «Салютом-3» небольшие экспериментальные панели с общей площадью ячеек 24 см² показали увеличение выработки энергии за один виток спутника до 34% по сравнению с односторонними панелями, использовавшимися в то время, благодаря альбедо Земли. Во время полета космической станции «Салют-5» было отмечено увеличение на 17–45% за счет использования двусторонних панелей (0,48 м² – 40 Вт).

Параллельно с этими российскими исследованиями, по другую сторону железного занавеса, полупроводниковая лаборатория Школы телекоммуникаций Мадридского технического университета под руководством профессора Антонио Луке независимо проводила комплексную исследовательскую программу по разработке промышленно применимых двусторонних солнечных элементов. В то время как патент Мори и прототипы космического аппарата ВНИИТ-КВАНТ были основаны на крошечных элементах без металлической сетки на поверхности и, следовательно, имели сложную взаимосвязь, больше напоминающую микроэлектронные устройства, находившиеся тогда на начальной стадии развития, Луке подал два испанских патента в 1976 и 1977 годах и один в США в 1977 году, которые стали предшественниками современных двусторонних солнечных элементов. Патенты Луке первыми предложили двусторонние солнечные элементы с одним элементом на кремниевой пластине, как это было в то время и остается сегодня с монофальными элементами, с металлическими сетками на обеих поверхностях. В них рассматривались как npp+, так и pnp структуры.

Разработка солнечных элементов на основе фотоэлектрических элементов (BSC) в полупроводниковой лаборатории велась в трех направлениях, что привело к защите трех докторских диссертаций Андресом Куэвасом (1980), Хавьером Эгуреном (1981) и Хесусом Санградором (1982). Научными руководителями первых двух диссертаций был Луке, а третьей — доктор Габриэль Сала из той же группы. Диссертация Куэваса была посвящена созданию первого патента Луке 1976 года, который благодаря своей транзисторной npn-структуре получил название «трансэлемент». Диссертация Эгурена была посвящена демонстрации второго патента Луке 1977 года, описывающего профиль легирования npp+, где изотопный переход pp+ расположен рядом с задней поверхностью элемента, создавая то, что в технологии солнечных элементов обычно называют «полем задней поверхности» (BSF). Эта работа привела к нескольким публикациям и дополнительным патентам. В частности, существенным оказался положительный эффект от уменьшения p-легирования в базе, поскольку снижение напряжения на эмиттерном переходе (передний pn-переход) компенсировалось увеличением напряжения на заднем изотипном переходе, одновременно обеспечивая большую длину диффузии неосновных носителей заряда, что увеличивает выходной ток при двустороннем освещении. В диссертации Санградора и третьем подходе к разработке, представленном в Мадридском техническом университете, был предложен так называемый вертикальный многопереходный солнечный элемент с краевым освещением, в котором p+nn+ ячейки расположены последовательно и освещаются с краев. Это высоковольтные элементы, для генерации тока в которых не требуется металлическая поверхностная сетка.

В 1979 году лаборатория полупроводников была преобразована в Институт солнечной энергии (IES-UPM), который под руководством Луке, первым директором, продолжил интенсивные исследования в области двусторонних солнечных элементов в первое десятилетие XXI века. Например, в 1994 году два бразильских аспиранта Института солнечной энергии, Адриано Моэлеке и Изете Занеско, вместе с Луке разработали и создали двусторонний солнечный элемент, достигший эффективности 18,1% на лицевой стороне и 19,1% на обратной; это был двусторонний рекорд в 103% (на тот момент рекордная эффективность для односторонних элементов составляла чуть менее 22%).

• Планирование установки фотоэлектрических систем на складах, коммерческих и промышленных зданиях
• Промышленное предприятие: Планирование фотоэлектрической системы открытого типа или системы для открытой площадки
• Планирование систем солнечной энергетики с использованием фотоэлектрических решений для транспортных компаний и компаний, занимающихся контрактной логистикой
• Солнечные системы и фотоэлектрические решения для бизнеса (B2B) и консалтинг

• Строительство и планирование навеса для автомобиля на солнечных батареях

Консультации по солнечным модулям от Xpert.Solar – помощь и советы по выбору подходящего солнечного модуля

Konrad Wolfenstein

Я с удовольствием стану вашим личным консультантом.

Вы можете связаться со мной, заполнив форму обратной связи ниже, или просто позвонить мне по номеру +49 7348 4088 965 .

Я с нетерпением жду начала нашего совместного проекта.

Или запишитесь на онлайн-консультацию прямо здесь (видеозвонок через Microsoft Teams)

Xpert.Digital – Konrad Wolfenstein

Xpert.Digital — это центр для предприятий, специализирующийся на цифровизации, машиностроении, логистике/внутрипроизводственной логистике и фотовольтаике.

С помощью нашего комплексного решения для развития бизнеса мы поддерживаем известные компании на всех этапах, от привлечения новых клиентов до послепродажного обслуживания.

Анализ рынка, маркетинговый маркетинг, автоматизация маркетинга, разработка контента, PR, почтовые рассылки, персонализированные кампании в социальных сетях и работа с потенциальными клиентами — все это входит в число наших цифровых инструментов.

Более подробную информацию можно найти по ссылкам: www.xpert.digital – www.xpert.solar – www.xpert.plus

Источник *21012022-1