[发明专利]用于管理光伏电池的功率输出的系统和方法

说明书

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。

技术领域

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。

背景技术

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。