Застосування шару на основі матеріалів з фазовим переходом «метал — напівпровідник» для електротеплового захисту сонячних елементів
One of the main problems in ensuring the reliability of solar electrical power sources is local overheating, when hot spots form in photovoltaic cells of solar arrays. It is currently considered that these negative phenomena are caused, among other things, by overvoltage in the electrical circuits o...
Gespeichert in:
| Datum: | 2021 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
2021
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.3-4.57 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Technology and design in electronic equipment |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Technology and design in electronic equipment| _version_ | 1867841466553860096 |
|---|---|
| author | Tonkoshkur, Alexander Ivanchenko, Alexander |
| author_facet | Tonkoshkur, Alexander Ivanchenko, Alexander |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Alexander Tonkoshkur",
"institution": "Oles Honchar Dnipropetrovsk National University, Dnipro, Ukraine"
},
{
"author": "Alexander Ivanchenko",
"institution": "Oles Honchar Dnipropetrovsk National University, Dnipro, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Tonkoshkur, Alexander |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-06-12T12:20:03Z |
| description | One of the main problems in ensuring the reliability of solar electrical power sources is local overheating, when hot spots form in photovoltaic cells of solar arrays. It is currently considered that these negative phenomena are caused, among other things, by overvoltage in the electrical circuits of solar arrays. This leads to the appearance of defective elements and a significant decrease in the functionality of the entire power generation system up to its complete failure.This study considers the possible ways to increase the reliability of solar arrays by using thermistor thermocontacting layers for preventing overvoltage events and overheating.The authors use simulation to study electrical characteristics of a photovoltaic cell in thermal contact with an additional layer based on thermistor materials with a metal to semiconductor phase transition. Vanadium dioxide with a phase transition temperature of ~340 K is considered to be a promising material for this purpose. During the phase transition, electrical resistance sharply decreases from the values characteristic of dielectrics to the values associated with metal conductors.It is shown that such thermistor layers can be used for protecting solar cells from electrical overheating under the following basic conditions:— the layer’s resistance in the «cold» state significantly exceeds that of the lightened forward-biased solar cell;— the layer’s resistance in the «heated» state is sufficiently low compared to those of the reverse-biased photovoltaic cell and of the power source.The current and temperature of the reverse-biased photovoltaic cell are limited and stabilized, and the voltage drop sharply decreases from the moment when the temperature of the thermistor layer reaches the values close to the temperature of its transition to the low-conductivity state.The obtained results substantiate the potntial of the described approach to protect photovoltaic cells of solar modules against electric thermal overloads. |
| doi_str_mv | 10.15222/TKEA2021.3-4.57 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:30:21Z |
| format | Article |
| fulltext |
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–4 57ISSN 2309-9992 (Online)
1
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
УДК 621.31
Д. ф.-м. н. О. С. ТОНКОШКУР, к. ф.-м. н. О. В. ІВАНЧЕНКО
Україна, Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара
E-mail: IvanchenkoAV@ukr.net
ЗАСТОСУВАННЯ ШАРУ НА ОСНОВІ МАТЕРІАЛІВ
З ФАЗОВИМ ПЕРЕХОДОМ «МЕТАЛ — НАПІВПРОВІДНИК»
ДЛЯ ЕЛЕКТРОТЕПЛОВОГО ЗАХИСТУ СОНЯЧНИХ
ЕЛЕМЕНТІВ
Проблема локальних перегрівів і появи так званих
гарячих плям у сонячних батареях (СБ), яка була ви-
явлена на ранніх етапах їх використання, до теперіш-
нього часу є однією з найактуальніших. Наявність
дефектних сонячних елементів у електричному колі
СБ призводить до значного зниження функціональ-
них можливостей всієї системи енергогенерування
аж до її повного виходу з ладу.
Основний метод, який використовується для запо-
бігання виникненню гарячих плям, — встановлення
пасивного байпасного (обвідного) діода паралельно
ланцюгу фотоелектричних сонячних елементів (СЕ)
[1—3]. Проте дослідження систем з байпасними діо-
да ми показали, що гарячі плями все ж виникають,
і це призводить до прискореного погіршення харак-
теристик СБ. Методами моделювання та експеримен-
тальними дослідженнями показано, що часткове за-
темнення ланцюга СЕ з обвідним діодом може при-
звести до розсіювання значної кількості тепла і фор-
мування гарячих плям [4, 5].
Розробці нових методів і засобів запобігання елек-
тричним перевантаженням, що призводять до появи
локальних перегрівів й інших відмов у СБ, приділя-
ється значна увага. Тут слід відзначити рішення такої
задачі шляхом використання СЕ з низькою напругою
зворотного пробою [6]; включення до СБ додаткових
елементів — активних обвідних транзисторних пере-
микачів [6, 7]; методи і технічні засоби, що основані
на виявленні гарячих плям за допомогою автомати-
зованих систем відстеження точки максимальної по-
тужності МРРТ (maximum power point tracking) в по-
єднанні з активним захистом способом розімкнуто-
го контуру [8]. Але всі ці схемотехнічні підходи не є
достатньо ефективними за технічними та економіч-
ними показниками [3, 4, 6—8].
Шляхом моделювання досліджено кінетичні залежності розподілів температури, струму і напруги фотоелектрич-
ного елемента з додатковим шаром на основі матеріалів з фазовим переходом «метал — напівпровідник», які зна-
ходяться в тепловому контакті. Показано, що основою застосування таких терморезисторних шарів для реаліза-
ції захисту сонячних фотоелементів від електричного перегріву є істотне перевищення їхнього опору в «холодному»
стані відносно опору освітленого прямозміщеного сонячного елемента, а також опір зазначених шарів, який у «на-
грітому» стані має бути значно меншим за опір зворотнозміщеного фотоелемента та джерела живлення.
Ключові слова: сонячний елемент, терморезистор, фазовий перехід, перенапруга, локальний перегрів.
Останнім часом одним з нових перспективних
напрямів вирішення проблеми захисту компонентів
фотоелектричних систем від електричних переван-
тажень вважається застосування елементів сучасної
твердотільної електроніки, зокрема виробів на осно-
ві варисторної кераміки і позисторних нанокомпози-
тів [9—11]. Прийнятий в дослідженнях підхід базу-
ється на використанні недорогих самовідновлюваль-
них запобіжників PolySwitch, виготовлених з компо-
зитних матеріалів типу нановуглецевий наповнювач
у полімерній матриці. Пропонується використовува-
ти базову функціональну властивість самовідновлю-
вального запобіжника — стрибкоподібне збільшен-
ня опору на кілька порядків при досягненні критич-
ної температури та повернення в початковий високо-
провідний стан при зниженні температури. Проведені
останнім часом дослідження дозволили обґрунтувати
загальні схеми використання самовідновлювальних
запобіжників для обмеження струму в паралельних
з’єднаннях фотоелектричних елементів і шаруватих
структур типу «варистор — самовідновлювальний
запобіжник», що знаходяться в тепловому контакті,
для обмеження напруги у фотоелектричних модулях
з байпасними діодами.
Слід зазначити, що розглянуті засоби реалізу-
ють захист за способом розімкнутого контуру, при
цьому вхідними параметрами є електричні величи-
ни (сила струму або перенапруга). Проте видаєть-
ся актуальною розробка елементів захисту, що ре-
агують безпосередньо на підвищення температури.
Одним з можливих рішень такого завдання пред-
ставляється використання терморезисторів на осно-
ві мате ріа лів з фазовим переходом «метал — на-
півпровідник» (ФПМН) [12]. Ці твердотільні еле-
менти мають стрибкоподібну зростаючу залежність
DOI: 10.15222/TKEA2021.3-4.57
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–458 ISSN 2309-9992 (Online)
2
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
електричної провідності від температури [13—16].
Вони широко застосовуються при реалізації пристро-
їв автоматики, контролю, перемикачів і обмежувачів
потужно сті, термоелектричних перетворювачів елек-
тричних і оптичних сигналів [13, 17—20]. Однак ві-
домості про їх використання в сонячних батареях у
літературі не зустрічаються. Для просування ж в цьо-
му напрямку необхідно проводити аналіз, обґрунту-
вання можливостей і перспектив використання тер-
морезисторів на основі матеріалів з ФПМН для за-
побігання перегрівів у ланцюгах фотоелектричних
систем сонячних батарей.
В представленій роботі наводяться результати мо-
делювання та аналіз електричних характеристик фо-
тоелектричного елемента з додатковим шаром з кри-
тичного терморезистора на основі діоксиду ванадію,
що знаходяться в тепловому контакті, в умовах елек-
тричного перегріву.
Фізичні основи
Конструкцію та еквівалентну електричну схему
досліджуваного об’єкта, що являє собою двошарову
структуру із монокристалічного кремнієвого фото-
електричного елемента і шару матеріалу з ФПМН
(діоксиду ванадію), представлено на рис. 1, 2.
За відносно низьких температур (до температу-
ри фазового переходу Ttr = 340 К) терморезисторний
шар на основі діоксиду ванадію має електричний опір
RlT, величина якого близька до опору діелектриків і
розраховується, як RlT = d2/S/σl, де S, d2 — площа і
товщина терморезисторного шару; σl — електрич-
на провідність терморезистора в низькопровідному
стані. У вузькому температурному діапазоні поблизу
Ttr такий терморезисторний шар переходить у стан
з високою провідністю, а його електричний опір Rс
стрибкоподібно зменшується до значень, близьких
до опору металів.
Температурну залежність електричної провід-
ності σ(Т) такого терморезисторного матеріалу мож-
на апроксимувати рівнянням, аналогічним відомому
у фізиці сегнетоелектриків і феромагнетиків закону
Кюрі — Вейса [21]:
( ) σ – 273
, якщо ;
σ( )
σ , якщо ,
tr
tr
h
tr
t
l
r
T T
T T Т
T T
Tìïï <ïï= -íïïï ³ïî
(1)
де σh — вибрана константа, яка визначається значен-
нями σ(T) в діапазоні температур, що відповідає ста-
ну високої провідності.
Слід зазначити, що ці параметри і величина стриб-
ка електропровідності істотно залежать від технології
отримання та структурних добавок [22—26].
Таким чином, якщо температура фотоелектрично-
го елемента нижче Ttr, що відповідає умовам режиму
фотогенерації в сонячних модулях, то електричний
опір паралельно включеного йому терморезисторно-
го шару RlT має бути значно вищим за опір освітле-
ного прямозміщеного фотоелектричного елемента rs
і не впливати на його роботу, тобто
RlT >> rs. (2)
Якщо на фотоелектричний елемент подається зво-
ротна напруга, яка відповідає стану його затінення
(або несправності), то він має порівняно великий опір
rsh і нагрівається струмом інших освітлених фотое-
лектричних елементів сонячного модуля, який про-
тікає через нього [7, 27].
Тепло, що розсіюється пластиною СЕ, нагріває
шар терморезистора, який знаходиться в теплово-
му контакті й електрично паралельно з’єднаний з
ним, і викликає різке зменшення його опору до RhT
(RhT = d2/S/σh), яке «закорочує» зворотнозміщений
СЕ. При виконанні умов
1( ) ;
,
hT s
hT sh
R n r
R r
<ìïïí
< -
<<ïïî
(3)
відбувається перерозподіл вхідної перенапруги між
СЕ всього модуля, що в результаті забезпечує необ-
хідне зниження падіння напруги на фотоелектрич-
ному шарі.
Основні рівняння
Математична модель, що дозволяє проаналі-
зувати вплив обмеження зворотної напруги на
фото електричний елемент і визначити найбільш
ефективні режими такого захисту електричних кіл,
основана на рівняннях теплового балансу з ураху-
ванням теплового контакту між шарами структу-
ри (рис. 1, 2).
Кінетика процесу виникнення локального пере-
гріву включає поширення високої температури в по-
здовжніх напрямках розглянутої шаруватої структу-
ри до моменту спрацьовування її терморезисторного
Рис. 1. Досліджувана структура:
1 — p–n-перехід фотоелектричного елемента; 2, 3 — просвіт-
лювальне покриття та металева сітка (електрод) фотоелектрич-
ного елемента; 4 — шар ізолятора; 5 — електропровідні шари
1
5
4
2 3
СЕ
VO2 шар
Рис. 2. Еквівалентна електрич-
на схема фотоелектричного
елемента із захистом від пе-
ренапруги
СЕ
шар VO2
тепловий
потік
t°
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–4 59ISSN 2309-9992 (Online)
3
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
шару (площею S), що спричиняє коротке замикання
пластини фотоелемента. У першому наближенні для
опису цього процесу представляється обґрунтованим
розглядати область локального перегріву як систему
з зосередженими параметрами.
Систему рівнянь і початкових умов можна запи-
сати в наступному вигляді:
1 01 1 2
1 1 1 1
2 02 1 2
2 2 2 2
ρ ;
ρ ;
dis con
dis con
T TdT T Tс d S P
dt RT RT
T TdT T Tс d S P
dt RT RT
(4)
T1(0) = T2(0) = T0,
де ci — питома теплоємність фотоелектричних (індекс
i = 1) і терморезисторних (індекс i = 2) елементів
(c1 = 0,7 Вт·с/г/К, c2 = 0,465 Вт·с/г/К [28—30]);
ρi — густина (ρ1=2,328 г/см3, ρ2=4,571 г/см3 [28—30]);
di — товщина (d1 = 0,02 см, d2 = 0,1 см);
S — площа (S1 = S2 = S);
Ti — температура;
Pі — електрична потужність елементів, що перетво-
рюється в теплову;
T0 — температура навколишнього середовища (при-
йнято T0 =300 К);
RTdis — тепловий опір розсіювання в навколишнє сере-
довище (прийнятий однаковим для обох шарів
конструкції);
RTcon — тепловий опір теплопередачі контакту між шара-
ми конструкції.
Електрична потужність елементів розраховуєть-
ся згідно з виразами
1 1 1
1 1 2 2
1 1 2 2
( );
( ) ( )
( ) ( )S
UP R T
R T R TR
R T R T
2 2 2
1 1 2 2
1 1 2 2
( ),
( ) ( )
( ) ( )S
UP R T
R T R TR
R T R T
де R1, R2 — електричний опір фотоелектричних і термо-
резисторних елементів відповідно;
U, RS — напруга та внутрішній опір джерела живлен-
ня, U ≈ E = (n–1)·uF, RS = (n–1)·rs;
uF, rs — генерована напруга і електричний опір окре-
мого освітленого прямозміщеного СЕ (прий-
малось uF = 0,56 В, rs ≈ 0,01 Ом);
n — число СЕ, послідовно з’єднаних з паралель-
но приєднаним обвідним діодом, які утво-
рюють підмодуль сонячного фотоелектрич-
ного модуля [7].
Температурна залежність зворотного опору фото-
електричного елемента rsh = R1 з використанням уяв-
лень [31, 32] може бути апроксимована рівнянням
1 1 0
0
Δ 1 1( ) ( ) exp ,gER T R T
mkT T T
(5)
де ΔEg — заборонена зона напівпровідникового мате-
ріалу фотоелектричного елемента (для крем-
нію ΔEg = 1,11 eВ);
k — постійна Больцмана;
m — поправочний коефіцієнт для визначення енер-
гії активації цієї температурної залежності
(визначається експериментально, приймалося
m = 2).
Температурна залежність електричного опору тер-
морезисторного шару на основі діоксиду ванадію з
урахуванням виразу (1) описується рівнянням
2
2
( .)
σ
R
d
S T
T
(6)
Кінетичні характеристики електричних
параметрів досліджуваного фотоелектричного
елемента
Кінетика обмеження температури
і зворотної напруги
Кінетичні залежності розподілу температури,
струму та напруги двошарової структури на осно-
ві монокристалічного кремнієвого фотоелектрично-
го елемента і терморезисторного шару, коли елек-
Рис. 3. Кінетичні залежності температури, падіння напру-
ги, струму та потужності розсіювання області локально-
го перегріву затіненого зворотнозміщеного СЕ (індекс 1)
і терморезисторного шару (індекс 2) структури при при-
кладенні постійної напруги, яка створюється послідовним
з’єднанням 20 (1), 40 (2) та 60 (3) освітлених СЕ
0 1 2 3 4 5 6 t, с
1
3
2
1
3
2
1
3
2
1
3
2
1
3
2
340
320
300
30
20
10
0
6
4
2
0
40
20
0
10
5
0
Т1(2), К
U, В
P1, Вт
P2, Вт
І2, А
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–460 ISSN 2309-9992 (Online)
4
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
тронний p–n-перехід СЕ зміщено у зворотному на-
прямку, показано на рис. 3. Для чисельних експери-
ментів прий малися типові величини RTdis = 10 К/Вт,
RTcon = 0,1 К/Вт і наведені вище значення фізичних
параметрів матеріалів компонентів досліджуваної
структури. За температури Т0 = 300 К опори rsh ≈ R1
та R2 дорівнюють, відповідно, 50 та 1,8 кОм, а при
Т > Ttr = 340 К їх значення, згідно з виразами (1) і (5),
складають 5,0 та 0,13 Ом.
Як видно з рис. 3, кінетичні залежності темпера-
тури Т1,2(t) і струму I(t) досліджуваної структури різ-
ко зростають на початкових ділянках, що корелює з
спостереженнями для зворотнозміщених СЕ в пе-
редпробійному режимі [33]. Цьому відповідає зрос-
тання потужності розсіювання як для СЕ P1(t), так і
для терморезисторного шару P2(t) . Збільшення тем-
ператури призводить до зниження падіння напру-
ги U на структурі через зменшення її електричного
опору і перерозподілу загальної напруги, що відпо-
відає схемі на рис. 2. У результаті досягається ста-
більний стан з постійними параметрами — темпера-
турою структури, близькою до температури ФПМН
терморези сторного шару, значеннями струму й по-
тужності розсіювання терморезисторного шару. При
цьому падіння напруги й потужність розсіювання на
СЕ будуть незначними. Таким чином буде реалізова-
но тепловий і електричний захист СЕ.
Зі збільшенням діючої напруги U, тобто зі зро-
станням у ланцюзі кількості СЕ n, зменшується час
спрацьовування розглянутого захисту та збільшуєть-
ся пік потужності через те, що величина електрич-
ної енергії, необхідної для нагрівання структури до
критичної температури, залишається однією і тією ж.
Вплив параметрів терморезисторного шару
Як випливає з фізичних основ розглянутого спо-
собу захисту від електротеплових перевантажень СЕ,
основними параметрами, що підбираються, є тепло-
вий опір розсіювання до навколишнього середовища
RTdis і електричний опір шару терморезистора, зокре-
ма низькотемпературне його значення RlТ. При цьо-
му слід взяти до уваги, що стрибкоподібну зміну ве-
личини опору при фазовому переході, яка визнача-
ється конкретною технологією виготовлення, можна
вважати фіксованою.
Як впливає величина параметра RlТ на кінетику
процесу обмеження зворотної напруги для структу-
ри СЕ з терморезисторним шаром можна побачити
з рис. 4, а.
Зменшення значень низькотемпературного опору
терморезисторного шару RlТ призводить до зменшен-
ня часу спрацьовування розглянутого пристрою (криві
1, 2). Проте ця тенденція спостерігається до значень
RlТ, відповідних стану «холодного» опору зворотнозмі-
щеного СЕ rsh (rsh = R1(T0)). При RlТ << rsh кількості
розсіюваної потужності недостатньо для виникнен-
ня істотного перегріву CЕ (криві 3, 4).
Важливим, регульованим в певних межах, пара-
метром є тепловий опір розсіювання зовнішніх по-
верхонь структури до навколишнього середовища
RTdis. Як видно з рис. 4, б, величина цього опору та-
кож істотно впливає на час спрацьовування захисно-
го терморезисторного шару. Збільшення RТdis до пев-
них меж призводить до зростання швидкодії захи сту.
Криві 4 свідчать, що при дуже інтенсивному тепло-
відведенні (невеликих RТdis) потужності розсіюван-
Рис. 4. Кінетичні залежності температури, падіння напруги та потужності розсіювання для області локального перегріву
затіненого зворотнозміщеного CЕ (індекс 1) і терморезисторного шару (індекс 2) досліджуваної структури при прикладенні
постійної напруги, яка створюється послідовним з’єднанням 20 освітлених СЕ, за різних значень RlТ (а) та RТdis (б):
а) RlТ, Ом: 1 — 1860; 2 — 186; 3 — 18,6; 4 — 1,86 (RlT >> rs, RTdis = 10 К/Вт, R1(T0) = 50 Ом)
б) RТdis, К/Вт: 1 — 50; 2 — 20; 3 — 10; 4 — 5
а)
0 1 2 3 4 5 6 t, с
1
3
2
1
2
1
3
3
2
340
320
300
10
5
0
10
5
0
Т1(2), К
U, В
P1, Вт
4
4
4
б)
0 1 2 3 4 5 6 t, с
1
3
2
1 2
1 3
3
2
340
320
300
10
5
0
10
0
Т1(2), К
U, В
P1, Вт
4
4
4
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–4 61ISSN 2309-9992 (Online)
5
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
ня недостатньо для нагрівання СЕ до температури
ФПМН в терморезисторному шарі й прикладувана
до СЕ напруга не змінюється.
Висновки
Результати моделювання процесу обмеження зво-
ротної напруги, проведеного з використанням типо-
вих параметрів фотоелементів на основі монокри-
сталічного кремнію і терморезисторних шарів з фа-
зовим переходом «метал — напівпровідник» з діо-
ксиду ванадію, що знаходяться в тепловому контак-
ті, дозволили встановити такі закономірності.
Базовими умовами застосування матеріалів з
ФПМН для захисту сонячних елементів від електрич-
них перегрівів є істотне перевищення опору термо-
резисторного шару в «холодному» стані (при Т < Ttr)
опору освітленого прямозміщеного фотоелектрично-
го елемента, і незначна його величина у «нагрітому»
(при Т ≥ Ttr) в порівнянні з опорами зворотнозміще-
ного СЕ та джерела живлення, створюваного освіт-
леними СЕ модуля.
Струм і температура на зворотнозміщеному фото-
електричному елементі обмежуються і стабілізують-
ся, а падіння напруги різко зменшується з моменту,
коли температура терморезисторного шару досягає
значень, близьких температурі його переходу в низь-
копровідний стан.
Зі збільшенням напруги фотогенерації зменшуєть-
ся час спрацьовування аналізованої схеми захисту від
перенапруги і збільшується максимальний струм че-
рез досліджувану структуру.
Для розглянутих структур з терморезисторними
шарами з меншими значеннями «холодного» опору
і з однаковими іншими параметрами спостерігається
зменшення часу спрацьовування й амплітуди струму
розігріву СЕ. При зменшенні тепловтрат СЕ з елек-
тричним захистом на основі шарів терморезистора з
ФПМН на дисипацію в навколишнє середовище та-
кож має місце збільшення її швидкодії.
Наведені результати можна розглядати як об-
ґрунтування перспективи описуваного підходу для
захи сту від електротеплових перевантажень фо-
тоелектричних елементів у сонячних модулях.
Разом з тим, однак, необхідно зазначити наступне.
Максимальна температура експлуатації найпоши-
реніших крем ніє вих фотоелектричних елементів
лежить в ме жах 60—85°С [34, 35]. Якщо терморе-
зисторний шар виконати з чистого діоксиду вана-
дію (температура ФПМН 68°С), може вини кнути
ситуація спрацьовування захисту освітленого СЕ
при його розігріві сонячним випромінюванням.
У зв’язку з цим для фотоелектричних сонячних
елементів, максимальна температура експлуатації
яких перевищує 68°С, важливим є підбір і створен-
ня терморези сторних матеріалів з більш високою
температурою фазового переходу.
ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА
1. Köntges M., Kurtz S., Packard C. et al. Review of failures of
photovoltaic modules. IEA PVPS Task 13, 2014, 132 p.
2. Humaid V., Kumar M., Gupta R. Bypass diode effect on
temperature distribution in crystalline silicon photovoltaic module
under partial shading. Solar Energy, 2020, vol. 208, pp. 182–194.
https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.07.087
3. Han H., Dong X., Li B. et al. Degradation analysis of crystalline
silicon photovoltaic modules exposed over 30 years in hot-humid
climate in China. Solar Energy, 2018, vol. 170, pp. 510–519. https://
doi.org/10.1016/j.solener.2018.05.027
4. Oh W., Choi H., Seo K. W. et al. Evaluation based on
performance and failure of PV system in 10 years field-aged 1 MW PV
power plant. Microelectronics Reliability, 2020, vol. 114, p. 113763.
https://doi.org/10.1016/j.microrel.2020.113763
5. Karimi M., Samet H., Ghanbari T., Moshksar E. A current based
approach for hotspot detection in photovoltaic strings. International
Transactions on Electrical Energy Systems, 2020, vol. 30, no. 9,
p. e12517. https://doi.org/10.1002/2050-7038.12517
6. Kim K. A., Krein P. T. Reexamination of photovoltaic hot
spotting to show inadequacy of the bypass diode. IEEE Journal
of Photovoltaics, 2015, vol. 5, no. 5, pp. 1435–1441. https://doi.
org/10.1109/JPHOTOV.2015.2444091
7. Daliento S., Di Napoli F., Guerriero P., d’Alessandro V. A
modified bypass circuit for improved hot spot reliability of solar panels
subject to partial shading. Solar Energy, 2016, vol. 134, pp. 211–218.
https://doi.org/10.1016/j.solener.2016.05.001
8. Sanchez Pacheco F. J. Photovoltaic systems distributed
monitoring for performance optimization. Doctoral thesis, Universidad
de Málaga, Málaga, España, 2015.
9. Ivanchenko A. V., Tonkoshkur A. S., Mazurik S. V. Application
of varistor-posistor structure for protection from overvoltages of
photovoltaic cells of solar arrays. Journal of Physics and Electronics,
2019, vol. 27, no. 1, pp. 79–88. https://doi.org/10.15421/331913
10. Tonkoshkur A. S., Ivanchenko A. V. Modeling of electrical
characteristics of photovoltaic solar arrays with protection against
current overloads based on PolySwitch elements. Multidiscipline
Modeling in Materials and Structures, 2020, vol. 16, no. 3,
pp. 425–438. https://doi.org/10.1108/MMMS-01-2019-0022
11. Ivanchenko A. V., Tonkoshkur A. S. Application of a polymer
nanocomposite with carbon filler to limit overvoltages in a photovoltaic
element. Journal of Advanced Dielectrics, 2020, vol. 10, no. 5,
p. 2050020. https://doi.org/10.1142/S2010135X20500204
12. Тонкошкур О. Перспективи застосування обмежувачів
потужності на основі матеріалів з фазовим переходом метал-
напівпровідник у фотоелектричних системах сонячних електро-
станцій. Матеріали ІХ МНПК «Інформаційно-аналітичне забез-
печення прийняття управлінських рішень щодо енергетичних та
соціально-економічних проблем України», Україна, Дніпро, 2021,
с. 102–104. https://doi.org/10.46489/iazpur-08
13. Nordquist C. D., Leonhardt D., Custer J. O. et al. Power
handling of vanadium dioxide metal-insulator transition RF limiters.
Proceedings of 2018 IEEE MTT-S International Microwave Workshop
Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz
Applications (IMWS-AMP). USA, MI, Ann Arbor, 2018, pp. 1–3.
https://doi.org/10.1109/IMWS-AMP.2018.8457150
14. Андреев В. Н., Климов В. А. Фазовый переход металл-
диэлектрик в тонких пленках диоксида ванадия, легированного
железом. Физика твердого тела, 2018, т. 60, № 12, pp. 2425–2428.
https://doi.org/10.21883/FTT.2018.12.46734.142
15. Zhong X., LeClair P., Sarker S. K., Gupta A. Metal-insulator
transition in epitaxial VO2 thin films on TiO2 (100). Physical
Review B, 2012, vol. 86, no. 9, p. 094114. https://doi.org/10.1103/
PhysRevB.86.094114
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–462 ISSN 2309-9992 (Online)
6
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
16. Pergament A. L., Stefanovich G. B., Velichko, A. A. Oxide
electronics and vanadium dioxide perspective: A review. Journal on
Selected Topics in Nano Electronics and Computing, 2013, vol. 1,
no. 1, pp. 24–43. http://dx.doi.org/10.15393/j8.art.2013.3002
17. Pan K., Wang W., Shin E. et al. Vanadium oxide thin-film
variable resistor-based RF switches. IEEE Transactions on Electron
Devices, 2015, vol. 62, no. 9, pp. 2959–2965. https://doi.org/10.1109/
TED.2015.2451993
18. Soltani M., Kaye A. B. Properties and applications of
thermochromic vanadium dioxide smart coatings. In book: Intelligent
Coatings for Corrosion Control. Butterworth-Heinemann, 2015,
pp. 461–490. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-411467-8.00013-1
19. Li L., Wang W., Shin E. et al. Design of tunable shunt and
series interdigital capacitors based on vanadium dioxide thin film.
Proceedings of 2017 IEEE National Aerospace and Electronics
Conference (NAECON). USA, OH, Dayton, 2017, pp. 279–283. https://
doi.org/10.1109/NAECON.2017.8268785
20. Givernaud J., Crunteanu A., Orlianges J. C. et al. Microwave
power limiting devices based on the semiconductor-metal transition
in vanadium-dioxide thin films. IEEE Transactions on Microwave
Theory and Techniques, 2010, vol. 58, no. 9, pp. 2352–2361. https://
doi.org/10.1109/TMTT.2010.2057172
21. Tonkoshkur A. S., Ivanchenko A.V. Electrical properties of
structures based on varistor ceramics and polymer nanocomposites
with carbon filler. Journal of Advanced Dielectrics, 2019, vol. 9,
no. 03, p. 1950023. https://doi.org/10.1142/S2010135X19500231
22. Бугаев А. А., Захарченя Б. П., Чудновский Ф. А. Фазовый
переход металл-полупроводник и его применение. Ленинград,
Наука, 1979, 183 с.
23. Shao Z., Cao X., Luo H., Jin P. Recent progress in the phase-
transition mechanism and modulation of vanadium dioxide materials.
NPG Asia Materials, 2018, vol. 10, no. 7, pp. 581–605. https://doi.
org/10.1038/s41427-018-0061-2
24. Тутов Е. А., Крюков П. И., Зломанов В. П. Особенности
проводимости поликристаллического диоксида ванадия на пере-
менном токе. Конденсированные среды и межфазные границы,
2014, т. 16, № 2, с. 220–224.
25. Березина О. Я., Артюхин Д. В., Величко А. А. и др.
Фазовый переход металл-полупроводник в нелегированных и
легированных пленках диоксида ванадия. Конденсированные
среды и межфазные границы, 2009. т. 11, № 3, с. 194–197.
26. Ивон А. И., Колбунов В. Р., Черненко И. М. Керамика из
диоксида ванадия. Неорганические материалы, 1996, т. 32, № 5,
с. 624–626.
27. Тонкошкур О. С., Накашидзе Л. В. Проблеми надійності
фотоелектричних компонентів сонячних батарей. Відновлювана
енергетика, 2018, no. 3, pp. 21–30.
28. Tilli M., Haapalinna A. Properties of Silicon. In book:
Handbook of silicon based MEMS materials and technologies. Eds.
by Tilli M. et al., Elsevier, 2020, pp. 3–18.
29. Lechner M. D. Polymers. In book: Springer handbook of
condensed matter and materials data. Eds. by Martienssen W.,
Warlimont H., Springer, Berlin, 2005, pp. 477–522.
30. Черняев В. С., Щетников Е. Н., Швейкин Г. П., Гельд П.
В. Теплоемкость кубической моноокиси и оксикарбида вана-
дия. Известия АН СССР, Неорганические материалы, 1968, т. 4,
№ 12, с. 2117–2123.
31. Chirvase D., Chiguvare Z., Knipper M. et al. Temperature
dependent characteristics of poly (3 hexylthiophene)-fullerene based
heterojunction organic solar cells. Journal of applied physics, 2003,
vol. 93, no. 6, pp. 3376–3383. https://doi.org/10.1063/1.1545162
32. Musembi R. J., Rusu M., Mwabora J. M. et al. Intensity and
temperature dependent characterization of eta solar cell. Physica
Status Solidi (A), 2008, vol. 205, no. 7, pp. 1713–1718. https://doi.
org/10.1002/pssa.200723466
33. Иванченко А. В., Тонкошкур А. С. Изменения характери-
стик кремниевых фотоэлектрических преобразователей сол-
нечных батарей после токовых перегрузок. Технология и кон-
струирование в электронной аппаратуре, 2019, № 3–4, c. 19–25.
http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2019.3-4.19
34. Гудкова А. В., Губин С. В., Белоконь В. И. Термо стаби-
лизация фотоэлектрических преобразователей для измерения ВАХ
с импульсным источником света. Открытые информационные
и компьютерные интегрированные технологии, 2012, № 57,
с. 187–196.
35. Шкляр В. И., Дубровская В. В., Карпенко Д. С. Исполь-
зование энергии Солнца фотоэлектрическими системами.
Відновлювана енергетика, 2014, № 3, с. 39–48.
Дата надходження рукопису
до редакції 05.07 2021 р.
A. S. TONKOSHKUR, A. V. IVANCHENKO
Ukraine, Oles Honchar Dnipro National University
E-mail: IvanchenkoAV@ukr.net
USING A LAYER BASED ON MATERIALS WITH A METAL TO SEMICONDUCTOR
PHASE TRANSITION FOR ELECTROTHERMAL PROTECTION OF SOLAR CELLS
One of the main problems in ensuring the reliability of solar electrical power sources is local overheating, when hot spots form
in photovoltaic cells of solar arrays. It is currently considered that these negative phenomena are caused, among other things,
by overvoltage in the electrical circuits of solar arrays. This leads to the appearance of defective elements and a significant
decrease in the functionality of the entire power generation system up to its complete failure.
This study considers the possible ways to increase the reliability of solar arrays by using thermistor thermocontacting layers
for preventing overvoltage events and overheating.
The authors use simulation to study electrical characteristics of a photovoltaic cell in thermal contact with an additional
layer based on thermistor materials with a metal to semiconductor phase transition. Vanadium dioxide with a phase transition
temperature of ~340 K is considered to be a promising material for this purpose. During the phase transition, electrical
resistance sharply decreases from the values characteristic of dielectrics to the values associated with metal conductors.
DOI: 10.15222/TKEA2021.3-4.57
UDC 621.31
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–4 63ISSN 2309-9992 (Online)
7
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
REFERENCES
1. Köntges M., Kurtz S., Packard C. et al. Review of Failures of
Photovoltaic Modules. IEA PVPS Task 13, 2014, 132 p.
2. Humaid V., Kumar M., Gupta R. Bypass diode effect on tem-
perature distribution in crystalline silicon photovoltaic module under
partial shading. Solar Energy, 2020, vol. 208, pp. 182–194. https://
doi.org/10.1016/j.solener.2020.07.087
3. Han H., Dong X., Li B. et al. Degradation analysis of crystal-
line silicon photovoltaic modules exposed over 30 years in hot-humid
climate in China. Solar Energy, 2018, vol. 170, pp. 510–519. https://
doi.org/10.1016/j.solener.2018.05.027
4. Oh W., Choi H., Seo K. W. et al. Evaluation based on perfor-
mance and failure of PV system in 10 years field-aged 1 MW PV
power plant. Microelectronics Reliability, 2020, vol. 114, p. 113763.
https://doi.org/10.1016/j.microrel.2020.113763
5. Karimi M., Samet H., Ghanbari T., Moshksar E. A current based
approach for hotspot detection in photovoltaic strings. International
Transactions on Electrical Energy Systems, 2020, vol. 30, no. 9,
p. e12517. https://doi.org/10.1002/2050-7038.12517
6. Kim K. A., Krein P. T. Reexamination of photovoltaic hot
spotting to show inadequacy of the bypass diode. IEEE Journal
of Photovoltaics, 2015, vol. 5, no. 5, pp. 1435–1441. https://doi.
org/10.1109/JPHOTOV.2015.2444091
7. Daliento S., Di Napoli F., Guerriero P., d’Alessandro V. A modi-
fied bypass circuit for improved hot spot reliability of solar panels
subject to partial shading. Solar Energy, 2016, vol. 134, pp. 211–218.
https://doi.org/10.1016/j.solener.2016.05.001
8. Sanchez Pacheco F. J. Photovoltaic systems distributed moni-
toring for performance optimization. Doctoral thesis, Universidad de
Málaga, Málaga, España, 2015.
9. Ivanchenko A. V., Tonkoshkur A. S., Mazurik S. V. Application
of varistor-posistor structure for protection from overvoltages of photo-
voltaic cells of solar arrays. Journal of Physics and Electronics, 2019,
vol. 27, no. 1, pp. 79–88. https://doi.org/10.15421/331913
10. Tonkoshkur A. S., Ivanchenko A. V. Modeling of electrical
characteristics of photovoltaic solar arrays with protection against
current overloads based on PolySwitch elements. Multidiscipline
Modeling in Materials and Structures, 2020, vol. 16, no. 3,
pp. 425–438. https://doi.org/10.1108/MMMS-01-2019-0022
11. Ivanchenko A. V., Tonkoshkur A. S. Application of a polymer
nanocomposite with carbon filler to limit overvoltages in a photovol-
taic element. Journal of Advanced Dielectrics, 2020, vol. 10, no. 5,
p. 2050020. https://doi.org/10.1142/S2010135X20500204
12. Tonkoshkur A. [Prospects for the use of power limiters
based on materials with a metal-semiconductor phase transition in
photovoltaic systems of solar power plants]. Materials of the IX
International Scientific and Practical Conference “Information and
Analytical Support for Making Management Decisions on Energy
and Socio-Economic Problems of Ukraine”, Ukraine, Dnipro, 2021,
pp. 102–104. https://doi.org/10.46489/iazpur-08 (Ukr)
13. Nordquist C. D., Leonhardt D., Custer J. O. et al. Power
handling of vanadium dioxide metal-insulator transition RF limit-
ers. Proceedings of 2018 IEEE MTT-S International Microwave
Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and
THz Applications (IMWS-AMP). USA, MI, Ann Arbor, 2018, pp. 1–3.
https://doi.org/10.1109/IMWS-AMP.2018.8457150
14. Andreev V.N., Klimov V.A. Metal–insulator phase transi-
tion in iron-doped vanadium dioxide thin films. Physics of the Solid
State, 2018. vol. 60, no. 12, pp. 2604–2607. https://doi.org/10.1134/
S1063783418120028
15. Zhong X., LeClair P., Sarker S. K., Gupta A. Metal-insulator
transition in epitaxial VO2 thin films on TiO2 (100). Physical
Review B, 2012, vol. 86, no. 9, p. 094114. https://doi.org/10.1103/
PhysRevB.86.094114
16. Pergament A. L., Stefanovich G. B., Velichko, A. A. Oxide
electronics and vanadium dioxide perspective: A review. Journal on
Selected Topics in Nano Electronics and Computing, 2013, vol. 1,
no. 1, pp. 24–43. http://dx.doi.org/10.15393/j8.art.2013.3002
17. Pan K., Wang W., Shin E. et al. Vanadium oxide thin-film
variable resistor-based RF switches. IEEE Transactions on Electron
Devices, 2015, vol. 62, no. 9, pp. 2959–2965. https://doi.org/10.1109/
TED.2015.2451993
18. Soltani M., Kaye A. B. Properties and applications of ther-
mochromic vanadium dioxide smart coatings. In book: Intelligent
Coatings for Corrosion Control. Butterworth-Heinemann, 2015,
pp. 461–490. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-411467-
8.00013-1
19. Li L., Wang W., Shin E. et al. Design of tunable shunt and
series interdigital capacitors based on vanadium dioxide thin film.
Proceedings of 2017 IEEE National Aerospace and Electronics
Conference (NAECON). USA, OH, Dayton, 2017, pp. 279–283. https://
doi.org/10.1109/NAECON.2017.8268785
20. Givernaud J., Crunteanu A., Orlianges J. C. et al. Microwave
power limiting devices based on the semiconductor-metal transition
in vanadium-dioxide thin films. IEEE Transactions on Microwave
Theory and Techniques, 2010, vol. 58, no. 9, pp. 2352–2361. https://
doi.org/10.1109/TMTT.2010.2057172
21. Tonkoshkur A. S., Ivanchenko A.V. Electrical properties of
structures based on varistor ceramics and polymer nanocomposites
with carbon filler. Journal of Advanced Dielectrics, 2019, vol. 9,
no. 03, p. 1950023. https://doi.org/10.1142/S2010135X19500231
22. Bugaev A. A., Zakharchenia B. P., Chudnovskii, F. A. The
Metal-Semiconductor Phase Transition and its Application. Leningrad,
Nauka, 1979, 183 p. (Rus)
It is shown that such thermistor layers can be used for protecting solar cells from electrical overheating under the following
basic conditions:
— the layer’s resistance in the «cold» state significantly exceeds that of the lightened forward-biased solar cell;
— the layer’s resistance in the «heated» state is sufficiently low compared to those of the reverse-biased photovoltaic cell and
of the power source.
The current and temperature of the reverse-biased photovoltaic cell are limited and stabilized, and the voltage drop sharply
decreases from the moment when the temperature of the thermistor layer reaches the values close to the temperature of its
transition to the low-conductivity state.
The obtained results substantiate the potential of the described approach to protect photovoltaic cells of solar modules against
electric thermal overloads.
Keywords:solar cell, thermistor, phase transition, overvoltage, local overheating.
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–464 ISSN 2309-9992 (Online)
8
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
Опис статті для цитування:
Тонкошкур О. С., Іванченко О. В. Застосування шару на основі
матеріалів з фазовим переходом «метал — напівпровідник»
для електротеплового захисту сонячних елементів. Техно-
логия и конструи рование в электронной аппаратуре, 2021,
№ 3–4, с. 57–64. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2021.3-4.57
Cite the article as:
Tonkoshkur A. S., Ivanchenko A. V. Using a layer based on materials
with a metal to semiconductor phase transition for electrothermal
protection of solar cells. Tekhnologiya i Konstruirovanie v
Elektronnoi Apparature, 2021, no. 3–4, pp. 57–64. http://dx.doi.
org/10.15222/TKEA2021.3-4.57
23. Shao Z., Cao X., Luo H., Jin P. Recent progress in the phase-
transition mechanism and modulation of vanadium dioxide materials.
NPG Asia Materials, 2018, vol. 10, no. 7, pp. 581–605. https://doi.
org/10.1038/s41427-018-0061-2
24. Tutov E. A., Kryukov P. I., Zlomanov V. P. Features of conductivity
of polycrystalline vanadium dioxide on alternating current. Condensed
Matter and Interphases, 2014, vol. 16, no. 2, pp. 220–224. (Rus)
25. Berezina O. Y., Artyukhin D. V., Velichko A. A et al. Metal-
semiconductor phase transition in undoper and doped vanadium
dioxide films. Condensed Matter and Interphases, 2009, vol. 11,
no. 3, pp. 194–197. (Rus)
26. Ivon A. I., Kolbunov V. R., Chernenko I. M. Vanadium dioxide
ceramics. Inorganic Materials, 1996, vol. 32, no. 5, pp. 555–557.
27. Tonkoshkur A. S., Nakashidze L. V. [Problems of reliability of
photoelectric components of solar batteries]. Vidnovluvana Energetika,
2018, no. 3, pp. 21–30. (Ukr)
28. Tilli M., Haapalinna A. Properties of Silicon. In book:
Handbook of Silicon Based MEMS Materials and Technologies. Eds.
by Tilli M. et al., Elsevier, 2020, pp. 3–18.
29. Lechner M. D. Polymers. In book: Springer handbook of con-
densed matter and materials data. Eds. by Martienssen W., Warlimont
H., Springer, Berlin, 2005, pp. 477–522.
30. Chernyaev V.S., Shchetnikov E.N., Shveikin G.P., Gel’d
P.V. [Heat capacity of cubic monoxide and vanadium oxycarbide]
Izvestiya AN SSSR, Neorganicheskiye Materialy, 1968, vol. 4, no. 12,
pp. 2117–2123. (Rus)
31. Chirvase D., Chiguvare Z., Knipper M. et al. Temperature
dependent characteristics of poly (3 hexylthiophene)-fullerene
based heterojunction organic solar cells. Journal of Applied
Physics, 2003, vol. 93, no. 6, pp. 3376–3383. https://doi.
org/10.1063/1.1545162
32. Musembi R. J., Rusu M., Mwabora J. M. et al. Intensity and
temperature dependent characterization of eta solar cell. Physica
Status Solidi (A), 2008, vol. 205, no. 7, pp. 1713–1718. https://doi.
org/10.1002/pssa.200723466
33. Ivanchenko A. V., Tonkoshkur A. S. Changes in the char-
acteristics of silicon photovoltaic cells of solar arrays after current
overloads. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature,
2019, no. 3–4, pp. 19–25. (Rus) http://dx.doi.org/10.15222/
TKEA2019.3-4.19
34. Gudkova A. V., Gubin S. V., Belokon’ V. I. [Thermal stabiliza-
tion of solar cells for current-voltage characteristics measurement with
the pulsed light source]. Open Information and Computer Integrated
Technologies, 2012, no. 57, pp. 187–196. (Rus)
35. Shklyar V. I., Dubrovskaya V. V., Karpenko D. S. [Using of Solar
Energy by Photovoltaic Systems]. Vidnovluvana Energetika, 2014,
no. 3, pp. 39–48. (Rus).
Бондаренко Олександр Федорович, канд. техн. наук, доцент, НТУУ «Київський
політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ
Глушеченко Едуард Миколайович, канд. техн. наук, начальник відділу, НПП «Сатурн»,
м. Київ
Должиков Володимир Васильович, докт. фіз-мат. наук, зав. кафедри, Харківський
національний університет радіоелектроніки, м. Харків
Добровольский Юрій Георгійович, докт. техн. наук, доцент, Чернівецький національний
університет ім. Ю. Федьковича, м. Чернівці
Колісник Костянтин Васильович, канд. техн. наук, доцент, НТУ «Харківський
політехнічний інститут», м. Харків
Плаксін Сергій Вікторович, докт. фіз.-мат. наук, зав. відділу, Інститут транспортних
систем і технологій НАНУ, м. Дніпро
Садченко Андрій Валерійович, канд. техн. наук, доцент, Державний університет
«Одеська політехніка», м. Одеса
Ткачук Андрій Іванович, канд. техн. наук, доцент, Центральноукраїнський державний
педагогічний університет ім. В. Винниченка, м. Кропивницький
РЕЦЕНЗЕНТИ НОМЕРА
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-79 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-13T01:00:33Z |
| publishDate | 2021 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/68/a3c778ca00a5914671a81706756a5c68.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-792026-06-12T12:20:03Z Using a layer based on materials with a metal to semiconductor phase transition for electrothermal protection of solar cells Застосування шару на основі матеріалів з фазовим переходом «метал — напівпровідник» для електротеплового захисту сонячних елементів Tonkoshkur, Alexander Ivanchenko, Alexander solar cell thermistor phase transition overvoltage local overheating сонячний елемент терморезистор фазовий перехід перенапруга локальний перегрів One of the main problems in ensuring the reliability of solar electrical power sources is local overheating, when hot spots form in photovoltaic cells of solar arrays. It is currently considered that these negative phenomena are caused, among other things, by overvoltage in the electrical circuits of solar arrays. This leads to the appearance of defective elements and a significant decrease in the functionality of the entire power generation system up to its complete failure.This study considers the possible ways to increase the reliability of solar arrays by using thermistor thermocontacting layers for preventing overvoltage events and overheating.The authors use simulation to study electrical characteristics of a photovoltaic cell in thermal contact with an additional layer based on thermistor materials with a metal to semiconductor phase transition. Vanadium dioxide with a phase transition temperature of ~340 K is considered to be a promising material for this purpose. During the phase transition, electrical resistance sharply decreases from the values characteristic of dielectrics to the values associated with metal conductors.It is shown that such thermistor layers can be used for protecting solar cells from electrical overheating under the following basic conditions:— the layer’s resistance in the «cold» state significantly exceeds that of the lightened forward-biased solar cell;— the layer’s resistance in the «heated» state is sufficiently low compared to those of the reverse-biased photovoltaic cell and of the power source.The current and temperature of the reverse-biased photovoltaic cell are limited and stabilized, and the voltage drop sharply decreases from the moment when the temperature of the thermistor layer reaches the values close to the temperature of its transition to the low-conductivity state.The obtained results substantiate the potntial of the described approach to protect photovoltaic cells of solar modules against electric thermal overloads. СШляхом моделювання досліджено кінетичні залежності розподілів температури, струму і напруги фотоелектричного елемента з додатковим шаром на основі матеріалів з фазовим переходом «метал - напівпровідник», які знаходяться в тепловому контакті. Показано, що основою застосування таких терморезисторних шарів для реалізації захисту сонячних фотоелементів від електричного перегріву є істотне перевищення їхнього опору в «холодному» стані відносно опору освітленого прямозміщеного сонячного елемента, а також опір зазначених шарів, який у «нагрітому» стані має бути значно меншим за опір зворотнозміщеного фотоелемента та джерела живлення. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2021-09-07 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.3-4.57 10.15222/TKEA2021.3-4.57 Technology and design in electronic equipment; No. 3–4 (2021): Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature; 57-64 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 3–4 (2021): Технология и конструирование в электронной аппаратуре; 57-64 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2021.3-4 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.3-4.57/72 Copyright (c) 2021 Tonkoshkur A. S., Ivanchenko A. V. http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | сонячний елемент терморезистор фазовий перехід перенапруга локальний перегрів Tonkoshkur, Alexander Ivanchenko, Alexander Застосування шару на основі матеріалів з фазовим переходом «метал — напівпровідник» для електротеплового захисту сонячних елементів |
| title | Застосування шару на основі матеріалів з фазовим переходом «метал — напівпровідник» для електротеплового захисту сонячних елементів |
| title_alt | Using a layer based on materials with a metal to semiconductor phase transition for electrothermal protection of solar cells |
| title_full | Застосування шару на основі матеріалів з фазовим переходом «метал — напівпровідник» для електротеплового захисту сонячних елементів |
| title_fullStr | Застосування шару на основі матеріалів з фазовим переходом «метал — напівпровідник» для електротеплового захисту сонячних елементів |
| title_full_unstemmed | Застосування шару на основі матеріалів з фазовим переходом «метал — напівпровідник» для електротеплового захисту сонячних елементів |
| title_short | Застосування шару на основі матеріалів з фазовим переходом «метал — напівпровідник» для електротеплового захисту сонячних елементів |
| title_sort | застосування шару на основі матеріалів з фазовим переходом «метал — напівпровідник» для електротеплового захисту сонячних елементів |
| topic | сонячний елемент терморезистор фазовий перехід перенапруга локальний перегрів |
| topic_facet | solar cell thermistor phase transition overvoltage local overheating сонячний елемент терморезистор фазовий перехід перенапруга локальний перегрів |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.3-4.57 |
| work_keys_str_mv | AT tonkoshkuralexander usingalayerbasedonmaterialswithametaltosemiconductorphasetransitionforelectrothermalprotectionofsolarcells AT ivanchenkoalexander usingalayerbasedonmaterialswithametaltosemiconductorphasetransitionforelectrothermalprotectionofsolarcells AT tonkoshkuralexander zastosuvannâšarunaosnovímateríalívzfazovimperehodommetalnapívprovídnikdlâelektroteplovogozahistusonâčnihelementív AT ivanchenkoalexander zastosuvannâšarunaosnovímateríalívzfazovimperehodommetalnapívprovídnikdlâelektroteplovogozahistusonâčnihelementív |