用于管理光伏电池的功率输出的系统和方法技术方案

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。该管理系统跨单独的太阳能电池、被配置成板的太阳能电池阵列或一组太阳能板提供电场。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。与常规太阳能电池相比，这些加速电子‑空穴对从形成开始行进较短距离并且在该太阳能电池材料内花费较少的时间，因此这些电子‑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。

System and method for managing the power output of photovoltaic cells

A solar cell management system for improving efficiency and power output of solar cells and a method for manufacturing and using solar cell management system. The management system provides an electric field across a single solar cell, a solar cell array configured into a board or a set of solar panels. The electric field imposed by the force applied to the solar cell formed by the incident in the light of the electrons and holes, and the electronic hole on the electrode of the solar battery accelerated towards the marching. Compared with the conventional solar cells, the accelerated electron hole pairs traveling a short distance from the beginning of the formation and the solar cell materials within less time consuming, so the possibility of the electron hole on the semiconductor in these cells within the material re combination of low. The electronic hole re combination rate of this lead to reduce the overall efficiency of these solar cells increased and the higher power output.

【技术实现步骤摘要】
用于管理光伏电池的功率输出的系统和方法本申请是国际申请日为2015年2月21日、国际申请号为PCT/US2015/016981、国家申请号为201580009869.5、专利技术名称为“用于管理光伏电池的功率输出的系统和方法”的专利申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求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。典型地，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2所示)。参考图2，示出了使用至少一个太阳能板10的典型安装配置。这些太阳能板10可以并联连接(如图2所示)、串联连接、抑或以其组合的方式连接，并且被附接到负载(诸如逆变器31)上。逆变器31可以包括电阻分量和电抗分量两者。返回图1，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。太阳能电池100或太阳能板10的成本典型地用以下单位来给出：美元数/在正规条件下可以产生的峰值电功率瓦特数。高效率太阳能电池降低太阳能的成本。许多的太阳能发电系统或设备成本与所要求的太阳能板的数目以及安装这些板所要求的(土地)面积成比例。较高效率的太阳能电池将允许减少给定能量输出所要求的太阳能板的数目以及部署该系统所要求的面积。所使用的板数目和空间的这种减少可以降低总设备成本，即使这些电池自身的成本较高。最终目标是使得太阳能发电的成本与利用天然气、煤、和/或燃料油产生电力的常规发电设备相比是相当的或更小的。不同于要求大型集中式发电设备的大多数常规发电手段，太阳能发电系统可以由电力公用事业部署在大型集中式位置处、可以部署在商用建筑物上以便帮助补偿电力成本，并且甚至可以由住宅基地部署在住宅上。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种管理光伏器件的方法，包括：向该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光伏器件产生外电场的导通状态；并且向该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】
2014.02.21 US 61/943,127;2014.02.21 US 61/943,134;1.一种管理光伏器件的方法，包括：向该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光伏器件产生外电场的导通状态；并且向该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，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。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使该电压源和该光伏器件断开，以便在该开关处于该第二位置时，任选地在该电压源与由该光伏器件驱动的负载之间提供电隔离。4.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：当该电压脉冲发生器电路的开关晶体管处于用于产生该第一状态的导通位置时，将该电压脉冲发生器电路的高压源的输出外加到该光伏器件上；并且任选地继续所述外加该高压源的该输出，直到该电压脉冲发生器电路的脉冲发生器将该开关晶体管切换到用于产生该第二状态的断开位置为止。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产生具有第一方向或第二方向的该外电场，该第一方向和该光伏器件的多个内部电极的极性在相同方向上以用于增大该光伏器件的功率输出，并且该第二方向在这些内部电极的该极性的相反方向上以用于减小该功率输出。6.如以上权利要...

【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