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公開番号2019205347
公報種別公開特許公報(A)
公開日20191128
出願番号2019135898
出願日20190724
発明の名称電場を複数の太陽パネルに印加する方法及びシステム
出願人ソーラーリティックス インコーポレイテッド,SOLARLYTICS, INC.
代理人個人
主分類H02S 10/00 20140101AFI20191101BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】電子-正孔対の可動性の増大投の効率及び電力出力を増大させる改善された太陽電池システム及び方法を提供する。
【解決手段】太陽電池の効率及び電力出力を増大させる太陽電池管理システム及びこのシステムを製造し使用する方法において、管理システムは、1つ又は複数の太陽電池にわたり電場を提供する。印加された電場は、太陽電池に入射した光によって生成される電子及び正孔の両方に力を及ぼし、電子-正孔対を太陽電池の電極に向けて加速させる。太陽電池管理システムは、太陽電池の構成の多様性を考慮して、太陽電池の電力出力を最大にする。加速された電子-正孔対は、電池の半導体材料内で再結合する確率がより低い。電子-正孔再結合率のこの低減は、太陽電池の効率を全体的に増大させるとともに、電力出力をより大きくする。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項1】
1つまたは複数の光起電デバイスを管理する方法であって、
正の大きさを有する一連の電圧パルスを含む電圧信号の第1の構成要素を、前記光起電デバイスから選択された光起電デバイスに印加するステップであって、前記第1の構成要素は、前記選択された光起電デバイスによって生成された既存の電圧の上に重ねられて、該選択された光起電デバイスにわたって外部電場を生成するオン状態を含むものであるステップと、
前記電圧信号の第2の構成要素を、前記選択された光起電デバイスに印加するステップであって、前記第2の構成要素は、隣り合う第1の構成要素の間のオフサイクルを含むものであるステップとを、
含み、
前記第1の構成要素は、該第1の構成要素に負の参照を生成することによって、前記既存の電圧の上に重ねられるものである方法。

発明の詳細な説明【書類名】
関連出願の相互参照
【技術分野】
【0002】
本開示は、一般的には光起電デバイスに関し、より詳細には、例えば、太陽電池にわたり外部電場を印加して調整することにより、1つ又は複数の太陽電池の電力又は生成エネルギー及び全体効率を最大にするシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【0003】
太陽電池(光起電電池とも呼ばれる)は、「光起電効果」として知られるプロセスにより、光のエネルギーを電気に直接変換する電気デバイスである。光に露出されると、太陽電池は、いかなる外部電圧源にも取り付けられずに、電流を生成し、サポートすることができる。
【0004】
最も一般的な太陽電池は、図1に示される太陽電池100内の半導体材料等の半導体材料(例えば、シリコン)から製作されるp−n接合110からなる。例えば、p−n接合110は、p型シリコンのより厚い層の上にn型シリコンの超薄層からなる薄いウェーハを含む。これらの2つの層が接触する場所において、太陽電池100の上面近傍で電場(図示せず)が生成され、高電子濃度の領域(p−n接合110のn型側)から低電子濃度の領域(p−n接合110のp型側)への電子の拡散が生じる。
【0005】
p−n接合110は、2つの導電性電極101aと101bとの間に封入される。上部電極101aは、入射(太陽)放射線を透過するか、又は太陽電池100の上部を全体的には覆わない。電極101a、101bは、直列結合される外部負荷30に接続された抵抗金属半導体接点として機能することができる。抵抗性のみが示されるが、負荷30は抵抗成分及び反応成分の両方を含むこともできる。
【0006】
光子が太陽電池100に衝突すると、光子は、太陽電池材料を直線で透過する−これは一般に、光子のエネルギーがより低い場合に生じる−か、太陽電池の表面から反射されるか、又は好ましくは、太陽電池材料に吸収される−光子エネルギーがシリコンバンドギャップよりも高い場合−電子−正孔対を生成する。
【0007】
光子が吸収される場合、光子のエネルギーは太陽電子材料内の電子に与えられる。通常、この電子は荷電子帯にあり、近傍の原子間の共有結合において強く結合され、したがって、遠くに移動することができない。光子によって電子に与えられたエネルギーは、電子を伝導帯に「励起」させ、伝導帯では、電子は太陽電池100内で自在に動き回ることができる。電子が前に一部であった共有結合はここでは、1つ少ない電子を有する−これは正孔として知られている。共有結合の欠損の存在により、近傍の原子の結合電子は正孔内に移動することができ、別の正孔を後に残す。このようにして、正孔も太陽電池100を通して効率的に移動することができる。したがって、太陽電池100に吸収された光子は、可動電子−正孔対を生成する。
【0008】
可動電子−正孔対は、電極101a、101bに向かって拡散又はドリフトする。通常、電子は、負電極に向かって拡散/ドリフトし、正孔は正電極に向かって拡散/ドリフトする。キャリア(例えば、電子)の拡散は、キャリアが電場によって捕捉されるまで、ランダム熱運動に起因する。キャリアの拡散は、太陽電池100の活性場にわたり確立される電場によって駆動される。薄膜太陽電池では、電荷キャリア分離の支配的なモードは、薄膜太陽電池の厚さ全体を通して延びるp−n接合110の静電場によって駆動されるドリフトである。しかし、活性領域に電場が略ないより厚い太陽電池の場合、電荷キャリア分離の支配的なモードは拡散である。少数キャリアの拡散長(すなわち、光子生成キャリアが再結合される前に移動することができる長さ)は、より厚い太陽電池では長くなければならない。
【0009】
最終的に、p−n接合110のn型側に生成され、p−n接合110によって「収集」され、n型側に掃引される電子は、電力を外部負荷30に提供し(電極101aを介して)、太陽電池100のp型側に戻る(電極101bを介して)ことができる。p型側に戻ると、電子は、p型側の電子−正孔対として生成されるか、又はn型側からp−n接合110にわたり掃引された正孔と再結合することができる。
【0010】
図1に示されるように、電子−正孔対は、電子−正孔対が生成されるポイントから電子−正孔対が電極101a、101bにおいて収集されるポイントまで回り道を移動する。電子−正孔対が移動する経路は長いため、電子又は正孔が別の正孔又は電子と再結合する十分な機会が存在し、再結合は、任意の外部負荷30への電流の損失を生じさせる。別の言い方をすれば、電子−正孔対が生成されるとき、キャリアの1つはp−n接合110に到達し(収集キャリア)、太陽電池100によって生成される電流に寄与し得る。代替的には、キャリアは、セル電流に正味の寄与を有さずに再結合することができる。電荷再結合は、量子効率(すなわち、太陽電池100場合、電流に変換される光子の割合)を下げ、したがって、太陽電池100の全体効率を下げる。
【0011】
太陽電池のコストを低減し、効率を増大させる最近の試みは、太陽電池に使用される様々な材料及び様々な製作技法をテストすることを含む。別の手法は、p−n接合110の周囲に形成される空乏領域を強化して、太陽電池100を通る電荷キャリアの移動を強化しようと試みる。例えば、1991年5月3日に出願され、Hingoraniらに付与された特許文献1(「Hingorani」)及び2010年12月3日の出願日への優先権を主張する2011年12月2日に出願され、Fornageに付与された特許文献2(「Fornage」)を参照のこと。これらの開示は全体的に、参照により本明細書に援用される。
【0012】
しかし、太陽電池100を通る電荷キャリアの移動を強化するこれらの従来の手法では、太陽電池100の基礎構造を変更する必要がある。Hingorani及びFornageは、例えば、変更された太陽電池構造を使用する太陽電池に外部電場を印加することを開示している。外部電場を印加するには、電場を誘導する電極間に電圧を印加する必要がある(以下の式2を参照して更に詳細に説明する)。太陽電池100の基礎構造を変更しない場合、電圧を太陽電池100の既存の電極101a、101bに印加すると、外部負荷30を通して印加電圧が短絡する。別の言い方をすれば、太陽電池100の電極101a、101bへの電圧の印加は、外部電場を生成し、電荷キャリアの移動を強化するには非効率である。したがって、Hingorani及びFornageに開示される手法等の従来の手法では、太陽電池100のベースに1組の外部(且つ電気的に絶縁された)電極を挿入すること等により、太陽電池100の基礎構造を変更する必要がある。この手法には幾つかの欠点がある。
【0013】
例えば、外部電極は、製作プロセス中に太陽電池100に配置されなければならない−外部電極を既存の太陽電池又はパネルに追加導入することは略不可能である。製作プロセスへのこの変更は、製造コストを大幅に増大させるとともに、製造歩留まりを大幅に低減する。さらに、太陽電池100の前側、すなわち入射側を覆うように外部電極を配置することは、太陽電池100に達する光エネルギーを低減させ、それにより、生成される電力出力を低下させる。
【0014】
更なる欠点として、太陽電池100の電力出力の大幅な改善をもたらすために、かなりの電圧を太陽電池100の外部電極に印加しなければならない。例えば、Fornageは、印加される電場を効率的にし、太陽電池100の電力出力を増大させるために、約「1,000代」のボルトの電圧を外部電極に供給しなければならないことを開示している。この電圧の大きさは、サービス提供に特殊な訓練と、既存又は新しい太陽パネル配備に現在存在していない追加の高電圧機器及び配線とを必要とする。例として、外部電極と太陽電池100との間の絶縁層は、高い印加電圧に耐えるのに十分でなければならない。絶縁層の不具合が生じる場合、太陽電池100のみならず、故障した太陽電池に直列接続又は並列接続された全ての太陽電池100及び外部負荷30も破損する大きなリスクがある。
【0015】
更なる欠点として、太陽電池100の典型的な設置は、太陽電池100の電力出力に影響し得る、追加の配線、外部ハードウェア等の追加の要因を導入し得る。例えば、複数の太陽電池100は一緒に結合されて(直列及び/又は並列で)、太陽パネル10(図2A〜図2Dに示される)を形成することができる。次に、各太陽パネル10は、並列、直列、又はそれらの組合せを含め、本明細書に記載される任意の適する手段を使用して結合することができる。図2A〜図2Dを参照して、少なくとも1つの太陽パネル10を使用する典型的な設置構成を示す。
【0016】
太陽パネル10は、並列(図2A)、直列(図2B)、又はそれらの組合せ(図2C)で接続することができる。図2A〜図2Cのそれぞれでは、太陽パネル10は、インバータ31等の負荷を駆動することができる。図2Aは、太陽パネル10の直列結合を示す。図2Bを参照すると、太陽パネル10は、直列に接続されて示され、インバータ31を駆動する。図2Cは、並列及び直列の両方で接続された太陽パネル10の代替の設置を示す。更に別の実施形態では、図2Dは、設置−通常、多くの住宅設備で見られる−各太陽パネル10がそれ自体のインバータ31に接続される−を示す。
【0017】
太陽電池100及び太陽パネル10を接続する各方法は、電気特性/挙動及び接続された太陽パネル10の対応する電力出力を変える異なる配線及び設置方法を必要とする。太陽電池の効率を上げる従来の努力は、複数の太陽電池100及び/又は複数の太陽パネル10を接続する様々な方法等の設置障害を説明することは希である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0018】
米国特許第5,215,599号明細書
米国特許第8,466,582号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0019】
上記に鑑みて、従来の太陽電池システムの上述した障害及び欠陥を解消するために、電子−正孔対の可動性の増大投の効率及び電力出力を増大させる改善された太陽電池システム及び方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【0020】
本開示は、少なくとも1つの光起電デバイスの電力出力を最適化するシステム並びにそのシステムを使用する方法及び製作する方法に関する。本明細書に開示される第1の態様によれば、光起電デバイスを管理する方法が記載され、本方法は、
電圧信号の第1の構成要素を選択された光起電デバイスに印加するステップであって、第1の構成要素は、選択された光起電デバイスにわたり外部電場を生成するオン状態を表す、第1の構成要素を印加するステップと、
電圧信号の第2の構成要素であって、オフサイクルを表す第2の構成要素を選択された光起電デバイスに印加するステップと
を含む。
【0021】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、上記第1の光要素を選択された光起電デバイスに印加するステップと同時に、第1の構成要素を第2の選択された光起電デバイスに印加するステップと、
上記第2の構成要素を選択された光起電デバイスに印加するステップと同時に、第2の構成要素を第2の選択された光起電デバイスに印加するステップと
を更に含む。
【0022】
開示される方法の幾つかの実施形態では、上記第1の構成要素を印加するステップは、高電圧の時変電圧パルスを電圧パルサ回路から印加するステップを含み、上記第2の構成要素を印加するステップは、電圧パルサ回路を遮断するステップを含む。
【0023】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、選択された光起電デバイスによって生成された既存の電圧の上に第1の構成要素を重ねるステップを更に含み、上記第1の構成要素を重ねるステップは任意選択的に、上記電圧パルサ回路と選択された光起電デバイスとの間に結合される上昇注入回路を介して、第1の構成要素に負の参照を生成するステップを含む。
【0024】
開示される方法の幾つかの実施形態では、上記第1の構成要素を印加するステップは、電圧源と選択された光起電デバイスとの間に配置されるスイッチの第1の位置において、電圧源と光起電デバイスとを接続するステップを含み、上記第2の構成要素を印加するステップは、スイッチの第2の位置において、電圧源と選択された光起電デバイスとを切断するステップを含む。
【0025】
本明細書に開示される別の態様によれば、少なくとも1つの光起電デバイスを管理する方法が記載され、本方法は、
電圧パルサを選択された光起電デバイスに結合できるようにするステップと、
電圧パルサによって生成される電圧信号であって、選択された光起電デバイスにわたり外部電場を生成する第1の状態と、オフサイクルを表す第2の状態とを有する電圧信号を選択された光起電デバイスに印加するステップと
を含む。
【0026】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、上昇注入回路を電圧パルサと選択された光起電デバイスとの間に結合して、第1の状態に負の参照を提供できるようにする選択された光起電デバイスにわたり外部電場を生成する第1の状態と、オフサイクルを表す第2の状態とを有する、電圧信号を更に含む。
【0027】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、電圧信号を第2の選択された光起電デバイスを印加するステップを更に含み、上記電圧信号を任意選択的に第2の選択された光起電デバイスに印加するステップは、上記電圧信号を選択された光起電デバイスに印加するステップと同時に行われる。
【0028】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、第2の電圧パルサ回路を第2の選択された光起電デバイスに結合して、同時に、第1の状態及び第2の状態を提供する第2の時変電圧パルスを第2の選択された光起電デバイスにわたり提供できるようにするステップを更に含む。
【0029】
開示される方法の幾つかの実施形態では、上記電圧信号を印加するステップは、調整可能な電圧を選択された光起電デバイスに印加するステップを含む。
【0030】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、電圧パルサに結合される制御回路を介して、第1の状態及び第2の状態の周波数及び持続時間のうちの少なくとも一方を制御するステップを更に含む。
【0031】
本明細書に開示される別の態様によれば、1つ又は複数の光起電デバイスを管理する方法が記載され、本方法は、
スイッチの第1のポートを選択された光起電デバイスに結合できるようにするステップと、
スイッチの第2のポートを、選択された光起電デバイスによって駆動される負荷に結合できるようにするステップと、
スイッチの第3のポートを電圧源に結合できるようにするステップであって、スイッチは、選択された光起電デバイスと電圧源との間に電流路を提供する第1の位置及び選択された光起電デバイスと負荷との間に電流路を提供する第2の位置で動作することができる、第3のポートを電圧源に結合できるようにするステップと、
電圧源によって生成される電圧信号であって、スイッチが第1の位置にあるとき、選択された光起電デバイスにわたり外部電場を生成する第1の状態と、スイッチが第2の位置にあるとき、電圧源と負荷との間に電気的絶縁を提供する第2の状態とを有する電圧信号を選択された光起電デバイスに印加するステップと
を含む。
【0032】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、
第2のスイッチの第1のポートを第2の選択された光起電デバイスに結合できるようにするステップと、
第2のスイッチの第2のポートを、選択された光起電デバイス及び第2の選択された光起電デバイスによって駆動される前記負荷に結合できるようにするステップと、
第2のスイッチの第3のポートを電圧源に結合できるようにするステップであって、第2のスイッチは、第2の選択された光起電デバイスと電圧源との間に電流路を提供する第1の位置及び第2の選択された光起電デバイスと負荷との間に電流路を提供する第2の位置において動作することができる、電圧源に結合できるようにするステップと、
電圧源によって生成された電圧信号を選択された光起電デバイス及び第2の選択された光起電デバイスの両方に同時に印加するステップであって、スイッチ及び第2のスイッチが第1の位置にある場合、第1の状態は、選択された光起電デバイス及び第2の選択された光起電デバイスの両方にわたり外部電場を生成し、スイッチ及び第2のスイッチが第2の位置にある場合、第2の状態は、電圧源と負荷との間に電気的絶縁を提供する、印加するステップと
を更に含む。
【0033】
開示される方法の幾つかの実施形態では、上記スイッチの第1のポートをできるようにするステップは、双投スイッチの第1のポートを選択された光起電デバイスに結合できるようにするステップを含む。
【0034】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、双投スイッチに結合されるスイッチコントローラを介して、第1の位置と第2の位置とを切り換える周波数及び持続時間のうちの少なくとも一方を制御するステップを更に含む。
【0035】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、第1の構成要素の任意の電圧降下を軽減するデバイスを負荷と選択された光起電デバイスとの間に結合できるようにするステップを更に含む。
【0036】
開示される方法の幾つかの実施形態では、電圧信号を印加するステップは、調整可能な電圧を選択された光起電デバイスに印加するステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【0037】
従来技術の太陽電池の実施形態を示す例示的な上部レベル断面図である。
図1の太陽電池を使用する従来技術の太陽パネルアレイの一実施形態を示す例示的な上部レベルブロック図である。
各太陽パネルが直列結合される、図1の太陽電池を使用する従来技術による太陽パネルアレイの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
各太陽パネルが直列及び並列の両方で結合される、図1の太陽電池を使用する従来技術による太陽パネルアレイの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
各太陽パネルが負荷に直接結合される、図1の太陽電池を使用する従来技術による太陽パネルアレイの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
太陽電池管理システムの実施形態を示す例示的な上部レベルブロック図である。
太陽パネルアレイが、図2Aに示される構成に従って並列に配線され、スイッチを通して電圧源に結合される、図3の太陽電池管理システムの実施形態を示す例示的なブロック図である。
太陽パネルアレイが、図2Aに示される構成に従って並列に配線され、電圧パルサ回路に結合される、図3の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
太陽パネルアレイが、図2Bに示される構成に従って直列結合される、図4の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
図6の太陽電池管理システムの各太陽パネルにわたる電圧に相対する印加電圧V
APP
を示すグラフである。
太陽パネルアレイのうちの1つ又は複数が、1つ又は複数のスイッチを通して電圧源に結合される、図6の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
太陽パネルアレイのうちの1つ又は複数が、1つ又は複数のスイッチを通して電圧源に結合される、図4の太陽電池管理システムの別の代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
太陽パネルアレイのうちの1つ又は複数が、図2Dに示される構成に従って直列及び並列の両方で配線され、スイッチを通して電圧源に結合される、図4の太陽電池管理システムの別の代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
太陽パネルアレイのうちの1つ又は複数が、1つ又は複数のスイッチを通して電圧源に結合される、図10の太陽電池管理システムの別の代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
図2Eの太陽パネルアレイと協働する図4の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
図2Eの太陽パネルアレイと協働する図4の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
太陽パネルアレイが、図2Bの太陽パネルアレイに従って直列に配線される、図5の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
図13の太陽電池管理システムの各太陽パネルにわたる電圧に相対した印加電圧V
APP
を示すグラフである。
太陽パネルアレイのうちの1つ又は複数が、1つ又は複数の電圧パルサに結合される、図13の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
太陽パネルアレイのうちの1つ又は複数が、1つ又は複数の電圧パルサに結合される、図13の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
太陽パネルアレイが、図2Cに示される構成に従って配線される、図5の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
太陽パネルアレイが、図2Dに示される構成に従って配線される、図5の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
太陽パネルアレイが、図2Dに示される構成に従って配線される、図5の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
図5の太陽電池管理システムと併用されるパルス上昇回路の実施形態を示す例示的な回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0038】
図が一定の縮尺で描かれておらず、同様の構造又は機能の要素が一般に、図全体を通して、例示のために同様の参照番号によって表されることに留意されたい。図が、好ましい実施形態の説明の促進のみを意図することにも留意されたい。図は、説明される実施形態のあらゆる態様を示しているわけではなく、本開示の範囲を限定しない。
【0039】
現在利用可能な太陽電池システムは、光起電電池の電力出力を最大にすることができないため、電子−正孔対の可動性を増大させ、半導体材料での再結合電流を低減する太陽電池システムは、太陽パネルとして構成された太陽電池の効率及び電力出力を増大させる等のために、望ましい太陽電池システムを提供するとともに、多種多様な太陽電池システムのベースを提供することができる。この結果は、図3に示されるような太陽電池管理システム300により、本明細書に開示される一実施形態により達成することができる。
【0040】
図3を参照すると、太陽電池管理システム300は、多種多様な光起電デバイスとの併用に適する。一実施形態では、太陽電池管理システム300は、図1に示される太陽電池100との併用に適することができる。例えば、太陽電池100は、結晶シリコンのウェーハベース電池(第一世代)、非晶質シリコン電池を含む薄膜太陽電池(第二世代)、及び/又は第三世代電池等の太陽電池の任意の適する世代を表すことができる。太陽電池管理システム300は有利なことに、構造的変更及び関連する欠点なしで、任意の世代の太陽電池100と併用することができる。
【0041】
別の実施形態では、太陽電池管理システム300は、図2A〜図2Dに示される太陽パネル10等の複数の太陽電池100との併用に適することができる。上述したように、複数の太陽電池100を一緒に結合して(直列及び/又は並列)、太陽パネル10を形成することができる。太陽パネル10は、地面搭載、屋根搭載、ソーラー追跡システム、固定ラック等を介して支持構造体(図示せず)に搭載することができ、地上用途及び衛星搭載用途の両方に利用することができる。同様に、太陽電池管理システム300は有利なことに、太陽パネル10の構造的変更及び関連する欠点なしで、任意の世代の太陽パネル10と併用することができる。
【0042】
図3に示されるように、光起電デバイス200は電場250と協働する。幾つかの実施形態では、電場250の極性は、光起電デバイス200内の電極101a、101b(図1に示される)の極性と同じ方向又は逆の方向のいずれかで印加することができる。例えば、電場250を光起電デバイス200内の電極101a、101bの極性と同じ方向で印加する場合、電場250は、光起電デバイス200内の電子−正孔対に作用して、力−e

E又はh

Eを電子又は正孔にそれぞれかけ、それにより、各電極に向けた電子及び正孔の可動性を加速化させる。代替的には、電場250の極性が逆になる場合、光起電デバイス200内の電子−正孔対の可動性は低減し、それにより、光起電デバイス200内の再結合電流を増大させる。したがって、光起電デバイス200の効率は、光起電デバイス200の電力出力の管理等のために、所望に応じて低減することができる。
【0043】
さらに、光起電デバイス200に印加される電場250は、所望に応じて静的又は時変であることができる。電場250は、時変である場合、非ゼロの時間平均大きさを有する。別の言い方をすれば、電子及び正孔への正味の力は非ゼロであり、光起電デバイス200の電子−正孔対の可動性の増大を提供する。
【0044】
太陽電池管理システム300は、図4に示されるスイッチ55の使用を含め、本明細書に記載される任意の適する手段を使用して、外部電圧V
APP
を光起電デバイス200に印加することができる。図4を参照すると、光起電デバイス200は、示される太陽電池100及び/又は太陽パネル10等の任意の数の光起電デバイスを表すことができる。太陽パネル10は、並列に配線されて示され(図2Aにも示される)、単極双投(又は三路)スイッチ等のスイッチ55に接続される。しかし、図6及び図8〜図12を参照して考察するように、太陽パネル10は、直列、直列及び並列の組合せ、及び互いから独立して配線することもできる。一実施形態では、スイッチ55は、電圧源50及び外部負荷R

(例えば、インバータ31として示される)にも結合される。インバータ31は、抵抗性構成要素及び反応性構成要素の両方を含むことができる。幾つかの実施形態では、インバータ31は、DC電圧及び電流をAC電圧及び電流に変換することができ、これは通常、従来のAC送電網の電圧及び周波数と互換性を有する。インバータ31の出力周波数及びAC電流/電圧の振幅は、国、ロケーション、及び地域送電要件に基づくことができる。
【0045】
電圧源50は、理想的な電圧源、被制御電圧源等を含め、定電圧を維持する任意の適する手段を含むことができる。しかし、幾つかの実施形態では、電圧源50は、可変の調整可能な出力(例えば、時変電圧)を有することができる。スイッチ制御デバイス(又はコントローラ)45がスイッチ55に結合されて、太陽パネル10への接続の持続時間及び/又は電圧源50とインバータ31との切り換え等の切り換えの周波数を制御する。スイッチコントローラ45は、一定の切り換え持続時間D及び切り換え周波数fで動作するように予め設定することができる。幾つかの実施形態では、電圧源50によって印加される電圧V
APP
の大きさ、接続の持続時間D、及び/又は切り換えの周波数fは、予め設定してもよく、且つ/又は負荷の状況に基づいて変更されてもよい。
【0046】
例えば、スイッチ55は、第1の位置(図4のスイッチ55において矢印で示されるように)において、太陽パネル10を電圧源50に接続する。第1の位置で接続される場合、電圧源50は、電圧を太陽パネル10の電極101a、101b(図1に示される)にわたり電圧V
APP
を印加し、電場250を各太陽パネル10にわたり誘導する(図3に示される)。電場250が太陽パネル10にわたり確立されると、スイッチ55は、第2の位置において太陽パネル10をインバータ31(すなわち、負荷R

)に接続するように切り替わる。したがって、電圧源50は、太陽パネル10及びインバータ31に同時に接続せずに、電場250を提供することができる。したがって、外部電圧V
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の印加は、負荷R

(例えば、インバータ31)に電圧源50から直接電流を消費させない。
【0047】
太陽パネル10への電場250の印加は、太陽パネル10が続けて、第2の位置においてインバータ31に接続される場合、所定量だけ太陽パネル10の電流及び電力出力を増大させることができる。所定量は、太陽パネル10に入射する光の強度、電圧源50によって太陽パネル10に印加される電圧V
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、太陽パネル10の厚さ、電圧源50が太陽パネル10に接続される周波数f、及び第1の位置と第2の位置との切り換えプロセスのデューティサイクルに依存し、デューティサイクルは、太陽パネル10が電圧源50に接続される時間量を切り換え時間1/fで除算(すなわち、周波数fで乗算するか、又は信号の全周期で除算)したものとして定義される。切り換え持続時間D、切り換え周波数f、及びデューティサイクルが全て、任意の2つの数量の定量化により、第3の数量の特定が可能なように相互に関連する数量であることに留意されたい。例えば、切り換え周波数及びデューティサイクルの指定により、切り換え持続時間Dを特定することができる。例えば、高強度光状況下では、電力出力の改善は約20%であることができ、低光状況下では、50+%であることができる。
【0048】
図4に示される実施形態は有利なことに、追加の外部電極を含むように太陽パネル10及び/又は太陽電池100を変更する必要なく、電場250を光起電デバイス200に提供する。
【0049】
幾つかの実施形態では、キャパシタ41、インダクタ42、及び/又は電池43等のエネルギー貯蔵デバイスをインバータ31の前に配置して、スイッチ55が第1の位置にある間、インバータ31によって見られる任意の電圧降下を軽減することができる。したがって、スイッチ55が第1の位置にあり、電場250が太陽パネル10にわたり確立されているとき、インバータ31(すなわち、負荷)が太陽パネル10から切断されている間、エネルギー貯蔵デバイスは、エネルギーをインバータ31に供給して、この切り換え期間中、電流が流れている状態を保つ。別の言い方をすれば、エネルギー貯蔵デバイスは、太陽パネル10がインバータ31から切断されている間、放電することができる。
【0050】
したがって、電圧源50からの定電圧−これは電場250を生成する−は、太陽パネル10の電力出力を改善するために、常に印加される必要はない。例えば、持続時間切り換え時間Dが公称10〜2000nsであり、V
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が公称100〜500+ボルトであり、切り換え周波数fが20μ秒である場合、公称0.1〜10%のデューティサイクルを使用することができる。インダクタ42、キャパシタ41、及び/又は電池43は、太陽パネル10が切断され、電場250が太陽パネル10にわたり配置されて、インバータ31の出力を降下させないようにしている間、十分な放電を提供するのに十分なサイズのものが選ばれる。
(【0051】以降は省略されています)

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