PL215998B1 - Ogniwo fotowoltaiczne - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest ogniwo fotowoltaiczne służące do przemiany energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną metodą fotowoltaiczną, polegająca na powstawaniu siły elektromotorycznej w wyniku napromieniowania półprzewodnika przez promienie słoneczne.

Znane i stosowane powszechnie ogniwo fotowoltaiczne składa się z płytki półprzewodnika posiadającej złącze typu p-n, w którego strukturze powstaje pole elektryczne. W chwili gdy na ogniwo to pada światło słoneczne powstaje para nośników o przeciwnych ładunkach elektrycznych, znana jako elektron - dziura, które następnie zostaje rozdzielone przez powstałe pole elektryczne. Tak rozdzielone ładunki powodują, że w ogniwie tym powstaje napięcie, a po dołączeniu do niego obciążenia w postaci urządzenia odbierającego energię następuje przepływ prądu elektrycznego. Podstawowym parametrem fizycznym cechującym ogniwo słoneczne jest jego sprawność wyrażająca się stosunkiem uzyskiwanej z ogniwa energii elektrycznej do energii promieniowania słonecznego padającego na to ogniwo, która w zależności od jego średnicy kształtuje się na poziomie 10-25% przy uzyskiwanej mocy wynoszącej od 10-80 W.

Znane są słoneczne ogniwa fotowoltaiczne składające się z paneli łączonych równolegle lub szeregowo, zawierające konstrukcje nośne służące do dostosowania właściwego kąta pochylenia tych paneli względem poziomu, gdzie kąt pochylania uzależniony jest od geograficznego miejsca położenia paneli.

Znany z polskiego opisu patentowego PL 201280 sposób wytwarzania modułu fotowoltaicznego, w postaci laminatu w którym jako warstwę rdzeniową stosuje się układ ogniw słonecznych, po obu stronach których umieszcza się warstwy materiałów osłonowych, z których co najmniej jeden materiał osłonowy zawiera warstwę uszczelniającą i warstwę zaporową, którą formuje się z folii z tworzywa sztucznego lub folii zespolonej z tego tworzywa. Na warstwę tę nakłada się nieorganiczną warstwę tlenku, po jej stronie zwróconej do układu ogniw słonecznych przez wytrącenie go z pary w próżni z wykorzystaniem wiązki elektronów.

Z kolei znane z polskiego opisu patentowego PL 169472 ogniwo fotowoltaiczne zawiera ogniwo z końcówkami integralnie wbudowanymi w przezroczysty rdzeń, przy czym jedna z jego czołowych powierzchni pokryta jest przeciwodbiciową warstwą, zaś pozostałe powierzchnie zewnętrzne pokryte są warstwą odbijającą światło.

Znane jest również z opisu polskiego zgłoszenia patentowego P-380136 ogniwo fotowoltaiczne stosowane jako dachowa bateria słoneczna zawierające półprzewodniki, elektrody oraz warstwy zabezpieczające, charakteryzujące się tym, że od strony powierzchni prostopadłej do powierzchni złącza p-n ma co najmniej jeden doprowadzający energię element wykonany korzystnie ze szkła optycznego.

Podstawową wadą znanych dotychczas ogniw fotowoltaicznych jest to, że nadają się one głównie do niewielkich obciążeń mechanicznych i dlatego muszą być otoczone z obu stron materiałem osłonowym, przy czym jako materiał osłonowy stosuje się z reguły jedną lub kilka warstw ze szkła i/lub folii z tworzywa sztucznego i/lub folii zespolonych z tworzywa sztucznego.

Folie zespolone z tworzywa sztucznego, składające się zasadniczo z polichlorku winylu (PVF) i politereftalanu etylenu (PET), wytwarzane są pod nazwą handlową ICOSOLAR. Stosowanie tych folii ujawniono w opisie patentowym WO-A1-94/29106, w której przedstawiono sposób laminowania próżniowego do wytwarzania modułów fotowoltaicznych. Układ ogniw słonecznych w tych modułach jest chroniony nie tylko przed uszkodzeniami mechanicznymi, ale także przed wpływem niekorzystnych warunków atmosferycznych, zwłaszcza przed parą wodną.

Poza tym w znanych ze stosowania panelach słonecznych ich półprzewodnik zlaminowany jest z charakteryzującym się wysoką transmitancją światła materiałem, którym najczęściej jest szkło nisko żelazowe cechujące się niską absorpcją w zakresie prawie całego zakresu spektrum absorbowanego przez ogniwo fotowoltaiczne. Ich górna warstwa szyby szklanej często posiada pofałdowaną jedną powierzchnię, a dolna gładka jej powierzchnia jest połączona metodą laminowania z półprzewodnikiem, zwykle na bazie krzemu.

Z kolei wadą tych znanych rozwiązań paneli słonecznych jest powolna degradacja ogniw fotowoltaicznych powodująca spadek ich sprawności, przy czym ich degradacja najczęściej polega na delaminacji folii od szyby szklanej przykrywającej to ogniwo. Spowodowana jest ona głównie różnicą występującą w rozszerzalności temperaturowej folii i szkła, co z kolei powoduje obniżenie transmisji światła słonecznego, a tym samym obniżenie ilości przetworzonej energii słonecznej mogącej być wykorzystywaną przez panel słoneczny. Tak wywołany proces delaminacji w zależności od warunków

PL 215 998 B1 klimatycznych w jakich pracuje dane ogniwo fotowoltaiczne zwykle trwa kilka lat i z reguły jest znacznie krótszy niż oczekiwany czas pracy tego ogniwa, którego żywotność ustalona jest na 20-30 lat.

Celem wynalazku jest opracowanie nowej konstrukcji ogniwa fotowoltaicznego o znacznie zwiększonej jego żywotności, uniemożliwiającej delaminację folii łączącej jego płytę szklaną z półprzewodnikiem. Dalszym celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji ogniwa fotowoltaicznego pozwalającego na znaczne zwiększenie do ponad 90% transmisji hemisferycznej światła słonecznego w porównaniu do dotychczas uzyskiwanej przez znane tego typu ogniwa.

Istota ogniwa fotowoltaicznego według wynalazku polega na tym, że jego płyta szklana posiada na swych obu powierzchniach strukturę utworzoną z wpustów i wypustów, przy czym do dolnej powierzchni tej płyty przylega ściśle folia, oddzielająca tę płytę od elektrody górnej, przy czym te wpusty i wypusty mają wysokość wynoszącą 1-90 mikrometrów. Korzystnym jest gdy jako folie przysłaniające elektrody stosuje się folie wykonane z poli(etylenu-co-octanu winylu), oraz gdy płyta szklana posiada na swych obu powierzchniach nieregularną strukturę utworzoną z wykonanych na nich wpustów i wypustów.

Dzięki wykonaniu na powierzchni płyty szklanej ogniwa fotowoltaicznego struktury utworzonej z wpustów i wypustów zwiększono powierzchnię tej płyty, a zarazem powierzchnię przylegania do niej folii uzyskując zarazem efekt mocnego związania płyty szklanej przysłaniającej to ogniwo z elementem półprzewodnikowym stanowiącym elektrodę. Poza tym rzeźba na zewnętrznej powierzchni tej płyty szklanej pozwoliła na uzyskanie wysokiej wartości transmisji światła w zakresie kąta padania światła słonecznego wynoszącego od 0-90°. Zastosowanie obustronnej rzeźby na płycie szklanej pozwoliło na znaczne zwiększenie transmisji hemisferycznej i efektywności powierzchni przylegania folii do tej płyty. Do dalszych zalet ogniwa fotowoltaicznego według wynalazku należy zaliczyć także to, że zastosowana rzeźba na dolnej wewnętrznej powierzchni płyty szklanej dzięki zwiększeniu jej efektywnej powierzchni przylegania pozwoliła na wyeliminowanie zjawiska delaminacji folii. Z kolei wykonanie odpowiedniej rzeźby na zewnętrznej górnej powierzchni płyty szklanej tego ogniwa ma bezpośredni wpływ na zwiększenie transmisji energii hemisferycznej i zwiększenie nawet o kilkanaście procent w stosunku do gładkiej powierzchni płyty energii dopływającej do elementu półprzewodnikowego tego ogniwa. Poza tym rozwiązanie techniczne według wynalazku pozwoliło na maksymalne wykorzystanie energii słońca zachowując jednocześnie znacznie wydłużoną i bezawaryjną pracę tego ogniwa, jak również wyeliminowanie niepożądanego procesu odklejania się folii łączącej płytę szklaną z krzemowym lub innym półprzewodnikiem prądowym.

Przedmiot wynalazku został pokazany w przykładzie jego wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia ogniwo fotowoltaiczne w przekroju pionowym wzdłuż linii A-A w znacznym powiększeniu jego wpustów i wypustów tworzących strukturę obu powierzchni płyty szklanej tego ogniwa, fig. 2 - to samo ogniwo w widoku z góry, którego górna płyta szklana posiada na swych obu powierzchniach powiększoną 270 razy strukturę utworzoną z profilowych wpustów i wypustów o mniejszej wysokości, a fig. 3 - to samo ogniwo w widoku z góry, którego górna płyta szklana posiada na swych obu powierzchniach powiększoną 670 razy strukturę utworzoną z wpustów i wypustów o większej wysokości.

Ogniwo fotowoltaiczne składa się z elektrody dodatniej (1), do której zewnętrznej dolnej powierzchni (2) przylega folia (3) oraz elektrody ujemnej (4) przylegającej ściśle do elektrody dodatniej (1) i z przylegającej do górnej powierzchni (5) elektrody ujemnej (4) folii (6), połączonej także z dolną powierzchnią górnej płyty szklanej (7), przy czym wszystkie elementy tego ogniwa połączone są ze sobą trwale metodą laminowania.

Obie elektrody (1 i 4) są półprzewodnikami typu p-n wykonanymi na bazie krzemu, natomiast jako folie (3 i 6) zastosowano folie wykonane z poli(etylenu-co-octanu winylu) typu EVA. Z kolei przysłaniająca poprzez folie (3) elektrodę (4) płyta szklana (7) wykonana ze szkła niskożelazowego posiada na swych obu powierzchniach wykonaną metodą wytrawiania strukturę utworzoną z wpustów (8) i wypustów (9) o wysokości H = 1-20 mikrometrów.

W drugim przykładzie wykonania płyty szklanej (7) posiada ona na swych obu powierzchniach strukturę utworzoną z profilowych wpustów i wypustów o wysokości H = 5-90 mikrometrów.

W kolejnym przykładzie wykonania ogniwa fotowoltaicznego zastosowano płytę szklaną posiadającą na obu swych powierzchniach nieregularną strukturę utworzoną z wykonanych na nich wpustów i wypustów.

Ustalono, że transmisja hemisferyczna światła słonecznego zastosowanej w tym ogniwie fotowoltaicznym płyty szklanej zlaminowanej od spodu z folią typu EVA wynosiła 84%, a transmisja bezpośrednia 91,5%).

Claims (4)

1. Ogniwo fotowoltaiczne składające się z dwóch połączonych ze sobą półprzewodników spełniających funkcję elektrody dodatniej i elektrody ujemnej, osłoniętych folią oraz przylegającej do jednych z tych folii płyty szklanej spełniającej funkcję pokrywy, znamienne tym, że płyta szklana (7) posiada na swych obu powierzchniach strukturę utworzoną z wpustów (8) i wypustów (9), przy czym do dolnej powierzchni tej płyty przylega ściśle folia (6), oddzielająca tę płytę od elektrody (4).

2. Ogniwo fotowoltaiczne według zastrz. 1, znamienne tym, że wpusty (8) i wypusty (9) tworzące strukturę na obu powierzchniach płyty szklanej (7) mają wysokość H = 1-90 mikrometrów.

3. Ogniwo fotowoltaiczne według zastrz. 1, znamienne tym, że jako folie (3 i 6) przysłaniające elektrody (1 i 4) stosuje się folie wykonane z poli(etylenu-co-octanu winylu).

4. Ogniwo fotowoltaiczne według zastrz. 1, znamienne tym, że płyta szklana (7) posiada na swych obu powierzchniach nieregularną strukturę utworzoną z wykonanych na nich wpustów (8) i wypustów (9).