[发明专利]具有绝缘旁通二极管的太阳能电池接收器

说明书

技术领域

本揭示内容涉及具有绝缘旁通二极管的太阳能电池接收器。

背景技术

通常，多个太阳能电池设置在阵列或面板中，且太阳能系统通常包括多个这种面板。每一面板中的太阳能电池常常串联连接，且既定系统中的面板也是串联连接，以使每一面板具有许多太阳能电池。另一选择为，每一面板中的太阳能电池可并联布置。

历史上，太阳能电力(在太空与陆地两者中)主要由硅太阳能电池提供。然而，在过去的几年中，大批量制造高效率多结太阳能电池使这种替代性技术能用于发电。当前的一些多结电池的能量效率已超过27％，而硅技术通常却仅达到约17％的效率。

大体来说，多结电池是p上n极性且由InGaP/(In)GaAs III-V化合物组成。III-V化合物半导体多结太阳能电池层可通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长在锗衬底上。外延晶片可通过以下步骤加工成完整的装置：自动机器人光刻、敷金属、化学清洗和蚀刻、抗反射(AR)涂覆、切割成片以及测试过程。n-和p-触点敷金属通常主要由Ag组成，其具有薄Au顶盖层以保护Ag免受氧化。所述AR通常是双层TiO_x/A1₂O₃介电堆叠，其光谱反射率特性经设计以将盖片玻璃互连电池(CIC)或太阳能电池组合件(SCA)层级处的反射降到最低，以及使电池的寿命终止(EOL)性能达到最高。

在一些多结电池中，与GaAs电池不同，中间电池是InGaAs电池。对于InGaAs中间电池，铟浓度可在约1.5％的范围内。在一些实施方案中，此一布置呈现增加的效·率。

无论使用的电池类型如何，太阳能系统的一个已知问题是个别太阳能电池可受到损坏或被障碍物的遮蔽。举例来说，当太阳能电池暴露于严酷的环境条件时，可能会发生损坏。具有一个或一个以上受损或受遮蔽的太阳能电池的面板的载流容量会下降，且来自与所述面板串联的其它面板的输出会反偏压所述受损或受遮蔽的电池。跨越所述受损或受遮蔽的电池的电压因此会在反极性上增加，直到所述系列中的所有面板的全部输出电压施加到所关注的面板中的所述受损或受遮蔽的电池为止。此致使所述受损或受遮蔽的电池击穿。

由于典型的太阳能电池系统具有数千个太阳能电池，因此其电压输出一般是在数百伏范围内，且其电流输出是在数十安培范围内。在所述输出功率电平下，如果太阳能电池端子未受保护，那么往往会发生火花形式的不可控制放电，且此可致使太阳能电池乃至整个系统的损坏。

第6,020,555号美国专利描述一种由面板构成的太阳能电池系统，每一面板包括多个太阳能电池，每一太阳能电池具有连接在其正端子与负端子之间的二极管。二极管(通常为肖特基旁通二极管)的提供的确对保护太阳能电池免受上述不可控制放电的影响有极大帮助。然而，遗憾的是，二极管中的每一者的各端子之间留出的气隙并不会消除产生火花和短路的风险，如果湿气或外来微粒桥接此二极管的气隙，那么仍可能发生上述风险。因此，尽管空气是介电介质，但其具有低介电强度，这意味着当跨越气隙的电场达到约3mv/m时，电流可跳过气隙且以火花的形式放电。这称为介电介质击穿。

第6,020,555号美国专利中所述的太阳能电池系统的另一个缺陷是不能管理旁通二极管的热耗散。在太阳能电池遭到“旁通”的既定时刻，相关联的二极管(假设在600-1000V、10A下操作的标准系统)将传导6000-10,000瓦的电功率，其中一些电功率以热能的形式辐射掉。考虑到这些二极管的大小较小，如果不能很好地管理热量，那么将会显著缩短其操作寿命。当太阳能电池系统(举例来说)与卫星结合使用，且因此不可进行现场修缮时，此缺陷更令人关注。此外，使用散热片或类似装置进行的被动式冷却增加了重量且在材料和制作/组装两个方面成本都是昂贵的。尽管在管理由二极管产生的热量方面是有效的，但主动式冷却成本极高又笨重，且耗用太阳能电池系统所产生的大量能量。

已知太阳能电池接收器的另一缺点是，由于需要此类接收器在1000伏下产生10瓦的功率持续长达或超过20年的延长周期，所以在将太阳能电池系统的一个接收器连接到相邻接收器的电端子处存在冒火花的危险。

发明内容