用于向多个太阳能板施加电场的方法和系统技术方案

一种用于提高太阳能电池的效率和功率输出的太阳能电池管理系统及用于制造和使用该太阳能电池管理系统的方法。该管理系统跨一个或多个太阳能电池提供电场。所强加的电场对由入射在该太阳能电池上的光所形成的电子和空穴施加力，并且使这些电子‑空穴对加速朝向该太阳能电池的电极行进。该太阳能电池管理系统考虑太阳能电池配置中的变化，以便最大化这些太阳能电池的功率输出。这些加速的电子‑空穴对在这些电池的半导体的材料内重新组合的可能性较低。电子‑空穴重新组合率的这种降低导致这些太阳能电池的效率的总体提高和更大功率输出。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请是2015年2月20日提交的美国专利申请号14/628,079的部分继续申请并且要求其权益，该美国专利申请要求2014年2月21日提交的美国临时申请号61/943,127；2014年2月21日提交的美国临时申请号61/943,134；2014年3月3日提交的美国临时申请号61/947,326；以及2014年7月8日提交的美国临时申请号62/022,087的美国临时专利申请的权益，这些申请的披露内容以其全文并且出于所有目的通过引用并入本申请。
本披露总体上涉及光伏器件，并且更具体地但非排他地，涉及用于通过例如跨一个或多个太阳能电池施加外电场并调整该外电场来最大化所产生的功率或能量以及这些太阳能电池的总效率的系统和方法。
技术介绍
太阳能电池(也被称为光伏电池)是通过称之为“光伏效应”的过程将光能直接转换成电力的电气装置。当暴露于光时，太阳能电池可以产生并维持电流而无需被附接到任何外部电压源上。最常见的太阳能电池包括由半导体材料(例如，硅)制作的p-n结110，诸如在图1所示的太阳能电池100中。例如，p-n结110包括由位于较厚p型硅层的顶部上的超薄n型硅层组成的薄晶片。在这两层相接触的情况下，在太阳能电池100的顶表面附近形成了电场(未示出)，并且电子从高电子浓度区域(p-n结110的n型侧)向低电子浓度区域(p-n结110的p型侧)中扩散。p-n结110被封装在两个导电电极101a、101b之间。顶部电极101a是入射(太阳)辐射可透过的，抑或并未完全覆盖太阳能电池100的顶部。这些电极101a、101b可以用作连接到串联耦合的外部负载30上的欧姆金属半导体触点。尽管被示出为仅是电阻性的，负载30也可以包括电阻分量和电抗分量两者。当光子撞击太阳能电池100时，该光子：径直穿过太阳能电池材料—这总体上在较低能量光子的情况下发生；从该太阳能电池的表面反射；抑或优选地，被太阳能电池材料吸收—如果光子能量高于硅带隙的话—从而产生电子-空穴对。如果该光子被吸收，其能量被给予该太阳能电池材料中的电子。通常，这个电子位于价带中并且被紧密束缚在相邻原子之间的共价键中，并且因此不能远距离移动。由该光子给予该电子的能量“激励”该电子进入导带中，在该导带中，该电子自由地在太阳能电池100内四处移动。该电子先前是其一部分的共价键现在少了电子-这称之为空穴。残缺共价键的存在允许相邻原子的键合电子移动到该空穴中，从而留下另一个空穴。以此方式，空穴也可以在整个太阳能电池100内有效地移动。因此，被吸收在太阳能电池100中的光子形成了移动电子-空穴对。移动电子-空穴对朝向这些电极101a、101b扩散或漂移。典型地，电子朝向负电极扩散/漂移，而空穴朝向正电极扩散/漂移。在载流子(例如，电子)被电场捕获之前，载流子扩散是由于随机热运动。载流子漂移由跨太阳能电池100的活跃场建立的电场驱动。在薄膜太阳能电池中，电荷载流子分离的主导模式为漂移，这由p-n结110的贯穿薄膜太阳能电池厚度延伸的静电场驱动。然而，对于在活跃区中几乎没有电场的较厚太阳能电池，电荷载流子分离的主导式为扩散。在较厚太阳能电池中，少数载流子的扩散长度(即，光生载流子在其重新组合之前行进的长度)肯定是大的。最后，在p-n结110的n型侧上形成的、由p-n结110“收集”的、并且扫掠到n型侧上的电子可以向外部负载30提供功率(经由电极101a)并且返回太阳能电池100的p型侧(经由电极101b)。一旦返回p型侧，电子就可以与空穴重新组合，该空穴是在p型侧上作为电子-空穴对形成的，抑或从n型侧跨p-n结110被扫掠的。如图1所示，该电子-空穴对从形成该电子-空穴对的点行进迂回路径而到达该电子-空穴对在这些电极101a、101b处被收集处的点。由于该电子-空穴对所行进的路径较长，该电子或空穴有很大机会与另一个空穴或电子重新组合，该重新组合导致到任何外部负载30的电流损失。换句话说，当形成电子-空穴对时，这些载流子中的可以到达p-n结110(被收集载流子)并且对太阳能电池100所产生的电流有贡献。可替代地，该载流子可以重新组合而对电池电流无净贡献。电荷重新组合导致量子效率(即，当太阳能电池100时转换成电流的光子的百分比)下降，并且因此导致太阳能电池100的总效率下降。最近对降低太阳能电池的成本并提高其效率的尝试包括测试用于太阳能电池的不同材料和不同制作技术。另一种途径尝试增强在p-n结110周围形成的耗尽区，以用于增强电荷载流子在整个太阳能电池100内的移动。例如，参看于1991年5月3日提交的亨构莱宁等人(“Hingorani”)的美国专利(专利号5,215,599)，以及要求2010年12月3日提交日期的优先权、于2011年12月2日提交的福纳卢奇(“Fornage”)的美国专利(专利号8,466,582)，这些专利的披露内容以其全文并且出于所有目的通过引用并入本申请。然而，用于增强电荷载流子在整个太阳能电池100内的移动的这些常规途径要求修改太阳能电池100的基本结构。例如，Hingorani和Fornage披露了向使用一种修改的太阳能电池结构的太阳能电池施加外电场。外电场的施加要求在电极之间施加电压以便诱导出电场(以下参考方程2更详细地描述)。在不修改太阳能电池100的基本结构的情况下，向太阳能电池100的现有电极101a、101b施加电压通过外部负载30使该外加电压短路。换句话说，向太阳能100的这些电极101a、101b施加电压对于形成外电场并增强电荷载流子的移动是无效的。因此，常规途径—诸如在Hingoriani和Fornage中披露的—必须修改太阳能电池100的基本结构，诸如通过在太阳能电池100的基极上插入一组外部的(且电隔离的)电极。这种途径存在若干缺点。例如，这些外部电极必须在制作过程中被放置在太阳能电池100上-将这些外部电极改装到现有太阳能电池或太阳能板上几乎是不可能的。对制作过程的这种修改显著地提高了制造成本并且降低了制造成品率。另外，将这些外部电极放置在太阳能电池100的前侧或入射侧减少了到达太阳能电池100的光能，从而产生较低的功率输出。另一个缺点是，为了显著地提高太阳能电池100的功率输出，必须向太阳能电池100的这些外部电极施加相当大的电压。例如，Fornage披露了必须在这些外部电极上放置伏特数量级为“1,000”的电压，从而使得该外加电场是活跃的并增大太阳能电池100的功率输出。这个电压的量值要求专业维修训练以及现有或新的太阳能板部署中当前不存在的另外的高压设备和布线。作为举例，位于这些外部电极与太阳能电池100之间的绝缘层必须足以抵抗高外加电压。在该绝缘层发生故障的情况下，存在不仅对该太阳能电池100而且对与该故障的太阳能电池串联或并联连接的所有太阳能电池100以及外部负载30造成损坏的显著风险。另一个缺点是，太阳能电池100的典型安装可能引入可能影响太阳能电池100的功率输出的另外的因素-诸如另外的接线、外部硬件等。例如，多个太阳能电池100可以耦合在一起(串联和/或并联)以便形成太阳能板10(图2A-2D所示)。每个太阳能板10随后可以使用在此描述的任何合适方式(包括并联本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种管理一个或多个光伏器件的方法，包括：向选定光伏器件施加电压信号的第一分量，该第一分量表示用于跨该选定光伏器件产生外电场的导通状态；并且向该选定光伏器件施加该电压信号的第二分量，该第二分量表示断开周期。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.03 US 61/947,326;2014.07.08 US 62/022,087;1.一种管理一个或多个光伏器件的方法，包括：向选定光伏器件施加电压信号的第一分量，该第一分量表示用于跨该选定光伏器件产生外电场的导通状态；并且向该选定光伏器件施加该电压信号的第二分量，该第二分量表示断开周期。2.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：在所述向该选定光伏器件施加该第一分量的同时，向第二选定光伏器件施加该第一分量；并且在所述向该选定光伏器件施加该第二分量的同时，向该第二选定光伏器件施加该第二分量。3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述施加该第一分量包括施加来自电压脉冲发生器电路的时变电压脉冲的高电压，并且其中，所述施加该第二分量包括切断该电压脉冲发生器电路。4.如以上权利要求中任一项所述的方法，该方法进一步包括在由该选定光伏器件产生的现有电压的顶部上叠加该第一分量，其中，所述叠加该第一分量任选地包括经由耦合在所述电压脉冲发生器电路与该选定光伏器件之间的抬升注入电路来为该第一分量创建负基准。5.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述施加该第一分量包括在开关的第一位置连接电压源和该光伏器件，该开关被布置在该电压源与该选定光伏器件之间，并且其中，所述施加该第二分量包括在该开关的第二位置断开该电压源和该选定光伏器件。6.一种管理至少一个光伏器件的方法，包括：启动将耦合到选定光伏器件上的电压脉冲发生器；并且向该选定光伏器件施加由该电压脉冲发生器产生的电压信号，该电压信号具有用于跨该选定光伏器件产生外电场的第一状态以及表示断开周期的第二状态。7.如权利要求6所述的方法，该方法进一步包括启动将耦合在该电压脉冲发生器与该选定光伏器件之间的抬升注入电路，用于为该第一状态提供负基准。8.如权利要求6或权利要求7所述的方法，该方法进一步包括向第二选定光伏器件施加该电压信号，所述任选地向该第二选定光伏器件施加该电压信号与所述向该选定光伏器件施加该电压信号同时发生。9.如权利要求8所述的方法，该方法进一步包括启动将耦合到该第二选定光伏器件上的第二电压脉冲发生器电路，用于同时地跨该第二选定光伏器件提供第二时变电压脉冲，该第二时变电压脉冲提供该第一状态和该第...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·P·麦克纳马拉，道格拉斯·M·雷蒙德，
申请(专利权)人：太阳能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US