專利名稱：絕緣柵型硅光伏電源組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及絕緣柵型硅光伏電源組件，尤其是通過提供一個獨立的直流方波電場，為絕緣柵型硅光伏電池提供一個激勵調(diào)控硅光伏電池半導體表面的電場效應，由感應電荷的多少改變偏置電壓使硅光伏電池pn結(jié)形成零偏與負偏，使該絕緣柵型硅光伏電池可以直接輸出直流脈動波形電流的電源組件。尤其是通過兩組串聯(lián)的絕緣柵型硅光伏電池組對及獨立的直流方波電場激勵調(diào)控電路，組成可交流輸出的絕緣柵型硅光伏組件。
背景技術(shù)：
當前單晶硅、多晶硅光伏電池組件輸出的是直流電，并通過專門的逆變電源將硅光伏電池組件輸出的是直流電逆變成高壓的交流電。硅光伏電池組件中的單晶硅、多晶硅光伏電池的基本結(jié)構(gòu)，都是采用P型半導體、η型半導體所組成具有pn結(jié)特征的光伏電池。 硅光伏電池的基本結(jié)構(gòu)是一個大面積的光電二極管，當半導體pn結(jié)處于零偏或負偏時，在 pn結(jié)的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場Enp，當有光照時，入射光子將把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導帶，激發(fā)出的電子空穴對在內(nèi)電場Enp作用下，分別飄移到N型區(qū)和P型區(qū)，當在pn結(jié)兩端加負載時就有一光生電流流過負載。所以，硅光伏電池必須處于零偏或負偏狀態(tài)工作，當硅光伏電池處于正偏狀態(tài)工作時，由于硅光伏電池pn結(jié)內(nèi)電場Enp被外電場抵消，此時硅光伏電池不產(chǎn)生光生電流。當前現(xiàn)有的硅光伏電池都是工作在零偏狀態(tài)，參看附圖1A、圖IB所示。圖IA所示的單晶或多晶硅光伏電池是由表面電極1. 1、耗盡區(qū)pn結(jié)1.2、背面電極1. 3、ρ型半導體1. 4、η型半導體1. 5所組成。圖IA中Enp是單晶或多晶硅光伏電池在零偏狀態(tài)時pn結(jié)自建電場，Ip是光伏電池輸出電流，Id是單晶或多晶硅光伏電池Pn結(jié)正向電流。η型半導體是在本征半導體材料中，摻入雜質(zhì)使自由電子濃度大大增加，稱為η型 (電子型)半導體。P型半導體在本征半導體中，摻入雜質(zhì)使空穴濃度大大增加，稱為P型 (空穴型)半導體。硅單晶或多晶硅光伏電池的η型半導體與ρ型半導體直接接觸或通過導體接觸， 并在接觸面形成pn結(jié)耗盡區(qū)，并在耗盡區(qū)載流子擴散形成自建電場Enp，硅光伏電池pn結(jié)界面的擴散勢壘深度一般為0. 05 μ m-0. 5 μ m,電勢一般在0. 4V-0. 65V。當入射光子進入硅單晶或多晶硅光伏電池pn結(jié)耗盡區(qū)，并光子能量大于pn結(jié)耗盡區(qū)能隙時，光子能量會被吸收，產(chǎn)生高勢能的電子和空穴對。電子和空穴對會分別受到自建電場Enp的影響而產(chǎn)生光電流Ip。圖IB中硅光伏電池pn結(jié)區(qū)載流子擴散自建電場Enp的大小，是由外電場E的大小與方向，來確定光伏電池是處在零偏、負偏或正偏狀態(tài)下，決定硅光伏電池發(fā)電與效率的重要參數(shù)
發(fā)明內(nèi)容
為了使硅光伏電池具有開關(guān)波形輸出電流與提高轉(zhuǎn)換效率，以及提供一種直接交流輸出的硅光伏電源組件。本發(fā)明提供一種絕緣柵型硅光伏電池；以及由多個串聯(lián)絕緣柵型光伏電池組件，通過一個直流方波電場為絕緣柵型硅光伏電池組件提供一個直流方波， 調(diào)控串聯(lián)的絕緣柵型硅光伏電池半導體表面的電場效應，由感應電荷的多少改變偏置電壓，使每個絕緣柵型硅光伏電池pn結(jié)同步形成零偏與負偏電壓，使該絕緣柵型硅光伏電池組件可以直接輸出直流脈動電流。尤其是由串聯(lián)絕緣柵型硅光伏電池組對及直流方波電源電路，直接組成一種可輸出交流的絕緣柵型光伏電池組件裝置。 實現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案是一種絕緣柵型硅光伏電源組件，包括絕緣柵型硅光伏電池，所述的絕緣柵型硅光伏電池是由P型半導體、η型半導體及兩者之間的pn結(jié)組成的單晶硅或多晶硅光伏電池， 在光伏電池的光輻射面(或稱為表面)與背面分別設有表面電極和背面電極，在所述的絕緣柵型硅光伏電池的η型半導體光輻射面的上面依次設有透明減反絕緣膜、透明導電膜； η型半導體光輻射面、透明減反絕緣膜和透明導電膜之間構(gòu)成一個絕緣柵結(jié)，透明導電膜為控制柵級；所述P型半導體背面電極為正電極，N型半導體柵型表面電極為負電極；所述透明導電膜(控制柵級)與P型半導體背面電極之間設有外加電場電壓源VI，外加電場電壓源Vl正電極連接控制柵級，負電極連接ρ型半導體背面電極。本發(fā)明通過外部電源Vl接入絕緣柵型硅光伏電池，外加電源電壓范圍Vl彡V(V 是單片硅光伏電池零偏時的開路電壓)，電場電源Vi是一定頻率的直流方波或直流的電壓源；絕緣柵結(jié)膜厚度< 0. 1 μ m，絕緣柵結(jié)膜是采用Si02或SiN的減反絕緣膜。絕緣柵型硅光伏電池是由柵型表面電極、pn結(jié)區(qū)、背面電極、P型半導體、η型半導體、減反絕緣膜、透明導電膜所組成，透明導電膜被稱為控制柵級。所述外加電場Vi的絕緣柵型硅光伏電池結(jié)構(gòu)是采用單個絕緣柵型硅光伏電池，電場電源Vl ^ V的直流方波電場電源，Vi電場電源正電極連接絕緣柵型硅光伏電池的透明導電膜，負電極連接絕緣柵型硅光伏電池的背面電極。負載電阻R連接在絕緣柵型硅光伏電池的柵型表面電極和背面電極之間。參照圖3Β，是絕緣柵型硅光伏電池的等效電路，El = Ej+Enp, Ej是絕緣柵結(jié)的電場，Enp是電池pn結(jié)的電場；Vl電場電源激勵絕緣柵型硅光伏電池周期性工作在零偏與負偏狀態(tài)下，絕緣柵型硅光伏電池工作在零偏時，絕緣柵型硅光伏電池有輸出直流電流；絕緣柵型硅光伏電池工作在負偏時，絕緣柵型硅光伏電池有增強的脈動輸出電流。參照圖3C，是Vl電場電源激勵絕緣柵型硅光伏電池周期性工作在零偏與負偏狀態(tài)下，Vl電場電壓與絕緣柵型硅光伏電池輸出電流Ip的曲線圖。本發(fā)明的優(yōu)化方案有本發(fā)明中，所述絕緣柵型硅光伏電源組件，由多個絕緣柵型硅光伏電池串聯(lián)構(gòu)成， 第一個絕緣柵型硅光伏電池柵型表面電極與最后一個絕緣柵型硅光伏電池背面電極，組成多個串聯(lián)絕緣柵型硅光伏電池組件的負電極與正電極；絕緣柵型硅光伏電池組件中每個電池控制柵級之間有電阻R連接，最后一個絕緣柵型硅光伏電池的控制柵級與背面電極有電阻R連接；電場電源Vl采用Vl > nV的直流方波電場電源或直流電源，η是絕緣柵型硅光伏電池串聯(lián)的個數(shù)，V是單片絕緣柵型硅光伏電池零偏時的開路電壓；Vl電場電源正電極連接第一個絕緣柵型硅光伏電池的控制柵級，負電極連接最后一個絕緣柵型硅光伏電池的正電極；負載電阻&連接在絕緣柵型硅光伏電池組件的負電極與正電極之間。本發(fā)明中，所述絕緣柵型硅光伏電源組件，還可以是由一對奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組與Vl電場電源電路組成，其中奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組是兩列相互獨立而相同數(shù)量的絕緣柵型硅光伏電池進行串聯(lián)；Vl電場電源采用Vl 的直流方波電場電源，η為相互獨立兩列串聯(lián)的絕緣柵型硅光伏電池片個數(shù)，V是單片絕緣柵硅光伏電池零偏時的開路電壓；奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組對輸出的兩個正電極，連接各自的絕緣柵雙極型晶體管集電極(C)，而兩個絕緣柵雙極型晶體管發(fā)射極(E)相連，并共同接參考地e ；奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組對的兩個負電極，分別連接變壓器T初級端，初級的中端接參考地e ;V1 電場電源負電極連接參考地e，正電極連接驅(qū)動器(IC1、IC3)與反相驅(qū)動器(IC2、IC4)的輸入端，驅(qū)動器(ICl)與反相驅(qū)動器(1以)輸出分別連接奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組的透明導電膜(控制柵級)，驅(qū)動器(IO)與反相驅(qū)動器(IC4)輸出分別連接奇、偶絕緣柵雙極型晶體管的控制門級(G)。上述由一對奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組與Vl電場電源電路組成的絕緣柵型硅光伏電源組件，提供一種交流輸出的絕緣柵型硅光伏電池組件，交流輸出的絕緣柵型硅光伏電源組件是一種不需要外部提供DC/AC逆變電源，可直接輸出交流的絕緣柵型硅光伏電源組件，并且可直接轉(zhuǎn)換提供高壓交流電輸出的絕緣柵型硅光伏電源組件。


圖I-A為現(xiàn)有的硅光伏電池結(jié)構(gòu)原理圖；圖I-B為現(xiàn)有的硅光伏電池偏置電壓原理圖；圖2為本發(fā)明絕緣柵型單晶或多晶硅光伏電池結(jié)構(gòu)原理圖；圖3A為本發(fā)明絕緣柵型硅光伏電池施加直流方波電源電路圖；圖;3B為施加直流方波電源與絕緣柵型場效應光伏電池電路原理圖；圖3C為絕緣柵型硅光伏電池工作在零偏與負偏，Vl與Ip的曲線圖；圖4A為絕緣柵型硅光伏電池組件施加直流方波電源結(jié)構(gòu)原理圖；圖4B為絕緣柵型場效應光伏電池組件在零偏與負偏，Vl與Ip的曲線圖；圖5為本發(fā)明交流輸出的絕緣柵型硅光伏電池組件電路原理圖。
具體實施例方式實施例1參照附圖2所示，絕緣柵型硅光伏電池，是一種單晶或多晶硅絕緣柵型硅光伏電池，其結(jié)構(gòu)是由柵型表面電極2. Upn結(jié)區(qū)2. 2、背面電極2. 3、p型半導體2. 4、n型半導體 2. 5、減反絕緣膜2. 6、透明導電膜2.7(控制柵級)所組成。絕緣柵型硅光伏電池結(jié)構(gòu)中，背面電極2. 3與柵型表面電極2. 1，是絕緣柵型硅光伏電池輸出的正電極與負電極，而透明導電膜2. 7與背面電極2. 3連接電場電源VI，使透明導電膜2. 7與背面電極2. 3之間形成電場El = Ej+Enp,Ej是絕緣柵結(jié)的電場，Enp是電池pn結(jié)的電場；其中透明導電膜2. 7是通過減反絕緣膜2. 6與η型半導體2. 5之間組成絕緣柵結(jié)，絕緣柵結(jié)中的減反絕緣膜2. 6膜厚< 0. 1 μ m，材料為Si02或SiN。而電場電源Vl與絕緣柵型硅光伏電池也是相互獨立的電源。絕緣柵型硅光伏電池的工作原理是電場電源Vl采用Vl > V的直流方波電場電源或直流電源，本實施例1采用直流方波電場電源；Vi電場電源正電極連接絕緣柵型硅光伏電池的控制柵級，負電極連接絕緣柵型硅光伏電池的背面電極。參照圖3B，是絕緣柵型硅光伏電池等效電路，El = Ej+Enp,Ej是絕緣柵結(jié)的電場， Enp是電池pn結(jié)的電場；Vl電場電源激勵絕緣柵型硅光伏電池周期性工作在零偏與負偏狀態(tài)下，絕緣柵型硅光伏電池工作在零偏時，絕緣柵型硅光伏電池有直流輸出電流；絕緣柵型硅光伏電池工作在負偏時，絕緣柵型硅光伏電池有增強的脈動輸出電流。參照圖3C，是Vl電場電源激勵絕緣柵型硅光伏電池周期性工作在零偏與負偏狀態(tài)下，Vl電場電壓與絕緣柵型硅光伏電池輸出電流Ip的曲線圖。實施例2參照附圖4A所示，絕緣柵型硅光伏電源組件，是由多個絕緣柵型硅光伏電池串聯(lián)與每個電池控制柵級之間有電阻R連接，最后一個絕緣柵型硅光伏電池的控制柵級與背面電極有電阻R連接組成；工作原理是電場電源Vl采用Vl彡nV的直流方波電場電源，η是場效應硅光伏電池串聯(lián)的個數(shù)；Vl電場電源正電極連接串聯(lián)絕緣柵型硅光伏電池組中第一電池的控制柵級，負電極連接最后一個絕緣柵型硅光伏電池的正電極；負載電阻RL連接串聯(lián)絕緣柵型硅光伏電池組的正、負電極。參照圖4Β，Vl電場電源激勵絕緣柵型硅光伏電池組件周期性工作在零偏與負偏狀態(tài)下，絕緣柵型硅光伏電池組件工作在零偏時，絕緣柵型硅光伏電池組件輸出直流電流； 絕緣柵型硅光伏電池組件工作在負偏時，絕緣柵型硅光伏電池組件有增強的脈動輸出電流。實施例3參照附圖5所示，本實施例是交流輸出的絕緣柵型硅光伏電源組件，由奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組對與Vl電場電源電路組成的交流輸出的絕緣柵型硅光伏電池組件。本實施例中，奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組，各自都有多個相同數(shù)量的絕緣柵型硅光伏電池串聯(lián)而成；Vl電場電源采用Vl ^ nV的直流方波電場電源，η為奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組對的電池片個數(shù)；IC1、IC3為驅(qū)動器；IC2、IC4為反相驅(qū)動器；IGBTl、IGBT2為絕緣柵雙極型晶體管；每個絕緣柵型硅光伏電池控制柵級之間有電阻R連接，最后一個絕緣柵型硅光伏電池的控制柵級與背面電極有電阻R連接；T為變壓器；電容C是變壓器輸出端波形整形的電容。交流輸出的絕緣柵型硅光伏電池組件電路中，奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組對輸出正極分別連接IGBT1、IGBT2絕緣柵雙極型晶體管的集電極(C)，GBTU IGBT2絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極(E)相連，并共同接參考地e ；奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組對的負極，分別連接變壓器T初級的a、b端，初級的中端接參考地e ；Vl電場電源負電極連接參考地e，正電極連接ICl、IC3驅(qū)動器與IC2、IC4反相驅(qū)動器的輸入端，ICl、IC3驅(qū)動器與IC2、IC4反相驅(qū)動器輸出分別連接奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組的透明導電膜(控制柵級)與IGBT1、 IGBT2絕緣柵雙極型晶體管的控制門級(G)。Vl電場電源采用Vl彡nV的直流方波電場電源時，IC1、IC3驅(qū)動器與IC2、IC4反相驅(qū)動器輸出相位相反的直流方波電壓，此時的奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組，分別按Vl電場電源輸出直流方波的頻率，周期性工作在負偏與推挽開關(guān)狀態(tài)工作。當絕緣柵型硅光伏電池組件有太陽輻射時，變壓器T的初級a、e端與b、e端分別有交替周期性快速響應的 Ipa與Ipb增強光電流，變壓器T的次級g、f端有交流電壓輸出，并可通過變壓器T改變初級與次級的線圈比，提高交流輸出電壓，而電容C為濾波電容。
權(quán)利要求
1.一種絕緣柵型硅光伏電源組件，包括絕緣柵型硅光伏電池，所述的絕緣柵型硅光伏電池是由P型半導體、η型半導體及兩者之間的ρη結(jié)組成的單晶硅或多晶硅光伏電池，在光伏電池的光輻射面與背面分別設有表面電極和背面電極，其特征是，在所述的絕緣柵型硅光伏電池的η型半導體光輻射面的上面依次設有透明減反絕緣膜、透明導電膜；η型半導體光輻射面、透明減反絕緣膜和透明導電膜之間構(gòu)成一個絕緣柵結(jié)，透明導電膜為控制柵級；所述P型半導體背面電極為正電極，N型半導體柵型表面電極為負電極；所述透明導電膜與P型半導體背面電極之間設有外加電場電壓源VI，外加電場電壓源Vl正電極連接控制柵級，負電極連接P型半導體背面電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣柵型硅光伏電源組件，其特征是，所述絕緣柵結(jié)膜厚度 ^0. Iym,絕緣柵結(jié)膜是采用Si02或SiN的減反絕緣膜；所述絕緣柵型硅光伏電池的ρ型半導體背面電極與該透明導電膜之間設有外加電壓源VI，電源Vl可以是一定頻率的直流方波或是直流的電壓源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣柵型硅光伏電源組件，其特征是，所述絕緣柵型硅光伏電源組件由多個絕緣柵型硅光伏電池串聯(lián)與每個絕緣柵型硅光伏電池控制柵級之間有電阻R連接，最后一個絕緣柵型硅光伏電池的控制柵級與背面電極有電阻R連接；第一個絕緣柵型硅光伏電池的控制柵級，為絕緣柵型硅光伏電池組件的控制柵級，絕緣柵型硅光伏電池組件的正、負電極是絕緣柵型硅光伏電池組件中最后電池的背面電極與第一個電池柵極表面電極；電場電源Vl采用Vl > nV的直流方波電場電源或直流電源，η是絕緣柵型硅光伏電池串聯(lián)的個數(shù)，V是單片絕緣柵型硅光伏電池零偏時的開路電壓；電場電源Vl正電極連接絕緣柵型硅光伏電池組件的控制柵級，負電極連接絕緣柵型硅光伏電池組件的正電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣柵型硅光伏電源組件，其特征在于，所述絕緣柵型硅光伏電源組件由一對奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組與電場電源Vl及電路組成，其中奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組是兩列相互獨立而相同片數(shù)的絕緣柵型硅光伏電池進行串聯(lián)；Vl電場電源采用Vl ^ nV的直流方波電場電源，η為相互獨立兩列串聯(lián)的絕緣柵型硅光伏電池片個數(shù)，V是單片絕緣柵型硅光伏電池零偏時的開路電壓；絕緣柵型硅光伏電源組件由多個絕緣柵型硅光伏電池串聯(lián)與每個絕緣柵型硅光伏電池控制柵級之間有電阻R連接，最后一個絕緣柵型硅光伏電池的控制柵級與背面電極有電阻R連接；奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組對輸出正極分別連接I GBT1、I GBT2絕緣柵雙極型晶體管的集電極(C)，GBTU IGBT2 絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極(E)相連，并共同接參考地e ；奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組對的負極，分別連接變壓器T初級的a、b端，初級的中端接參考地e ；Vl電場電源負電極連接參考地e，正電極連接IC1、IC3驅(qū)動器與IC2、IC4反相驅(qū)動器的輸入端，IC1、IC3驅(qū)動器與IC2、IC4反相驅(qū)動器輸出分別連接奇、偶絕緣柵型硅光伏電池組的透明導電膜與IGBT1、 IGBT2絕緣柵雙極型晶體管的控制門級(G)。
全文摘要
一種絕緣柵型硅光伏電源組件，包括絕緣柵型硅光伏電池，所述的絕緣柵型硅光伏電池是由p型半導體、n型半導體及兩者之間的pn結(jié)組成的單晶硅或多晶硅光伏電池，在光伏電池的光輻射面與背面分別設有表面電極和背面電極，在所述的絕緣柵型硅光伏電池的n型半導體光輻射面的上面依次設有透明減反絕緣膜、透明導電膜；n型半導體光輻射面、透明減反絕緣膜和透明導電膜之間構(gòu)成一個絕緣柵結(jié)，透明導電膜為控制柵級；所述p型半導體背面電極為正電極，N型半導體柵型表面電極為負電極；所述透明導電膜與p型半導體背面電極之間設有外加電場電壓源，外加電場電壓源正電極連接控制柵級，負電極連接p型半導體背面電極。
文檔編號H01L31/042GK102231395SQ20111016309
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者毛星原, 郭建國 申請人:毛星原, 郭建國