專利名稱：一種高效聚光式太陽能光電轉換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高效聚光式太陽能光電轉換器。
背景技術：
根據照在換能器上日光的強度是否大于或小于等于1倍自然日光強度，太陽能裝 置可以分為聚光型和非聚光型兩大類。常見的非聚光型太陽能發電裝置(PV)是由多晶硅 太陽能電池板構成。照在多晶硅電池板上的日光強度等于1倍的自然日光光強。而聚光型 太陽能發電裝置(CPV)則通過光學系統將日光聚集到10至1000倍之后再照射到光電池 上。在聚光式太陽能集熱系統中，拋物柱面常常被用作聚光元件以便將置于其焦線上 的水管加熱實現光熱轉換。目前聚光型太陽能發電裝置多使用兩個圓形拋物面反光鏡或圓形菲涅爾透鏡將 陽光匯聚于光電池表面，而光電池也多為多量子井(多PN結)層疊式以便得到較高的光電
轉化率。目前獲得最高光電轉換率(41.7%)的多結層疊式光電池是由GaInP(磷化鎵 銦)、GaAs (砷化鎵)以及鍺所構成的三結層疊式光電池。其三結的能帶差分別為1.8、1.4 以及0. 7電子伏。有兩個因素制約著多結層疊式光電池的轉換率1)各層材料的晶格常數 必須足夠接近，這就限制了制造光電池所能使用的材料；2)各層所產生的電流必須相等， 從而限定了其能帶差的選擇及耗盡區的厚度。聚光式太陽能系統通常需要一維或二維太陽跟蹤伺服系統以保證系統的正常工 作及高轉換效率。

發明內容
本發明涉及一種高效聚光式太陽能光電轉換器。


圖1 本專利提出的聚光式太陽能發電系統的一種實現方案的結構原理圖。圖2 本專利提出的聚光式太陽能發電系統的另一種實現方案的結構原理圖。圖3 :圖2方案中一種光波導的放大圖。圖4 本專利提出的新型多結太陽能電池的結構圖。
具體實施例方式本專利可以以離散的光學和光電轉換元件實現，也可以以某種透明光學材料將光 學系統和光電轉換器集成起來實現。本專利的各種實現方案統稱為技術方按。例如，本專 利中使用的太陽能電池，在某個時間分段內還可以間作太陽跟蹤器的光電傳感器。由此派 生出來的技術方案，只要其光電轉化方式與本專利相符，應看作本專利的一種技術實現。
以下將提供本專利的詳細說明以及相關原理圖。在太陽能發電領域中一個廣泛的共識是，工業級別的發電設備應當以聚光型的發 電系統為基礎。這是因為，與非聚光型太陽能發電裝置相比，聚光型太陽能發電裝置使用更 少的昂貴的光電轉換材料，從而使制造太陽能發電設備的工藝過程本身更清潔、更綠色。在太陽能發電領域的另一個共識是，提高光電池效率的關鍵在于使光電池材料的 能帶差與太陽光譜相匹配。因此，目前所采用的技術是將具有不同能帶差的多個3到5族 元素組成的光電PN結層疊在一起。能帶差最大的PN結在光電池受光表面，能帶差最小的 PN結則在最底(內)層。不同能帶差的PN結將太陽光中不同能量的光子轉變為相應的電 能。目前，最高效的層疊式光電池有三層，光電池總轉換率為41.7%。其每層光量子轉換效 率可高達90%以上。然而，將不同能帶差的多個光電PN結層疊在一起所形成的光電池受到兩個設計 約束1)各層材料的晶格常數必須足夠接近(目前最好的層疊式太陽能電池的晶格常數的 匹配達到0.01%)，這就限制了光電池所能使用的材料的范圍；2)各層所產生的電流必須 相等，這就限制了光電池各層能帶差及耗盡區厚度的選擇。這些約束阻礙了為進一步提高 轉換效率所做的優化努力如果我們不是把光電PN結層疊起來而是將它們并列在光電池表面，并且使它們 的幾何尺寸以及能帶差與被分裂的太陽光譜相匹配，那么這樣設計的太陽能光電池其效率 豈不更高？本專利正是為實現這個簡單而出色想法提出的。它將有助于實現更加高效的太 陽能電池以及更加經濟的太陽能電站。有多種技術方案可以實現本專利。但這些方案都包括三個共同組成部分一個陽 光聚光器、一個光譜分裂器以及一個由多個量子井的線性表面陣列所構成的光電池。本發明的聚光系統可以由一個一維菲涅爾透鏡或者一到兩個匹配的柱面反光鏡 組成。聚光系統的焦點剛好落在光電池表面。聚光比率越高，太陽能發電系統所使用的光 電敏感材料就越少；但要求太陽跟蹤控制系統精度卻越高。聚光系統的一維柱面結構可使 光電池的多個量子井具有一維陣列的簡單結構，便于制造和多電池的系統集成。盡管聚光 系統是一維的，但太陽跟蹤系統依舊是二維的，以保證光電轉換的高效率。通過將一部分聚 光器水平排列而另一部分聚光器垂直排列可以使光電池復用做太陽跟蹤器的方向(角度) 傳感器，從而進一步降低整個系統的成本。圖1和圖2給出了本專利的兩種實現方案。兩 種方案都使用反射式聚光系統2，但卻使用不同的光譜分裂器3和5。由二維太陽跟蹤器保 證平行太陽光束1垂直射入聚光器2。聚光器2的兩個反光柱面鍍有合金鋁(或者PTFE材 料)以提高其對300納米到1800納米光波的反射率。聚光鏡2連同光譜分裂器3或5組 合光學系統的焦點剛好落在光電池4的表面。如圖1和圖2所示，光譜分裂器是由一種高色差、低吸收材料制造的光波導5或經 特殊設計的透鏡3。一般說來，從300納米到1800納米透明介質材料的色差越大、透鏡3越 厚或波導5越長，分光效果就越好，而介質對光波的吸收所導致的能量損失也就越大。出于
段落中所述的同樣理由，光譜分裂器同樣具有一維的柱面結構。圖3給出了光波導 5的結構放大圖。匯聚后的光線8進入波導的入射面及出射面6以及波導的側面7均經過 優化設計使太陽光的能量損失為最小，同時又保證光譜焦面是一個平面。如圖4所示的新型光電池包括一個量子井的線性陣列9。它們是由元素周期表中3到5族的元素構成、具有不同能帶差并被某種絕緣材料10，例如，二氧化硅或二氧化鍺，隔 開。整個陣列制作在襯底11，例如，硅或鍺，上。使用更多的能帶差在0，69電子伏至4. 01 電子伏之間的量子井陣列制造光電池，便能使之更好地與日光譜相匹配從而獲得更高的轉 換效率。此外，還可以通過對量子井(包括不同光電池之間的量子井)的串并聯實現光電 池組分支電流的最佳匹配，這同樣能夠提高整個太陽能系統的發電效率。
權利要求
一種高效聚光式太陽能光電轉換器，該太陽能光電轉換器包括一個由菲涅爾聚光鏡或者一到兩個匹配的反光面組成的聚光系統使聚光焦點剛好落在太陽能電池表面；經過聚焦的太陽光束通過一個由高色差材料制成的透鏡或者波導組成的分光系統而分裂成完全的太陽光譜；該光譜光束照射到一種新型光電池上，該光電池是由一組能量帶差和幾何形狀剛好與投射其上的太陽光譜束相吻合的高效光敏量子井組成。通過對量子井的巧妙串并聯實現分支電流的匹配從而實現極高的光電轉換率。
2.專利權項1中所述的聚光系統是由一維菲涅爾透鏡或者一到兩個匹配的反光柱面 組成。
3.專利權項2中所述的聚光系統將太陽光束聚焦在光電池的表面。
4.專利權項2中所述的反光柱面鍍有合金鋁(或者PTFE材料)以提高反光鏡對300 納米到1800納米陽光的反射率。
5.專利權項1中所述的光波導或特殊透鏡是由一種在300納米至1800納米波長范圍 內具有高色差、低吸波的材料制成，并且具有柱面結構的一維光學特征。
6.專利權項5中所述的光波導或透鏡的入射面和出射面系經過減少太陽光能損失的 優化設計。
7.專利權項5中所述的光波導側面角度保證了在需要時對從入射面射入的300納米至 1800納米光波全反射。
8.專利權項5中所述的光波導的長度或特殊透鏡的厚度是在滿足光譜充分分離的前 提下最短(或最薄)。
9.專利權項1中所述的光電池其表面至少排列有兩個以上的具有不同能帶差的光敏 量子井組成，并且其能帶差及幾何形狀剛好與投射其上的光譜束相匹配。
10.專利權項1中所述的高效聚光式太陽能光電轉換器的部分或全部組件可以通過某 種光學透明材料集成為整體，因此應看作本專利的一種技術實現。
11.專利權項1中所述反光柱面通過某種材料的封裝以保持它們潔凈所得到聚光式太 陽能光電轉換器，屬于本專利的一種技術實現。
12.專利權項1中所述太陽能電池和光譜分裂系統通過某種材料的封裝以保持它們潔 凈所得到聚光式太陽能光電轉換器，屬于本專利的一種技術實現。
13.將專利權項1中所述的高效聚光式太陽能光電轉換器安裝于具有一維或二維跟蹤 太陽能力的平臺上所得到的裝置，屬于本專利的一種技術實現。
14.將多個專利權項1中所述的高效聚光式太陽能光電轉換器集成為更大規模的太陽 能光電轉換器，屬于本專利的一種技術實現。
15.一種接收利用太陽能的方法，包括接收太陽射線并按照專利權項2中所述的方法 聚光；按照專利權項5中所述的方法將光束分裂為光譜束；用專利權項9中所述的光電池 將光譜束的能量轉換為電能。
全文摘要
本發明提出一種高效聚光式太陽能光電轉換器。該太陽能光電轉換器包括一個由菲涅爾聚光鏡或者一到兩個匹配的反光面組成的聚光系統使聚光焦點剛好落在太陽能電池表面；經過聚焦的太陽光束通過一個由高色差材料制成的透鏡或者波導組成的分光系統而分裂成完全的太陽光譜；該光譜光束照射到一種新型光電池上，該光電池是由一組能量帶差和幾何形狀剛好與投射其上的太陽光譜束相吻合的高效光敏量子井組成，這些光敏量子井的光電轉換量子效率可高達90％以上。通過對量子井巧妙串并聯實現分支電流的匹配從而實現極高的光電轉換率。
文檔編號H01L31/02GK101894875SQ201010129200
公開日2010年11月24日 申請日期2010年3月22日 優先權日2010年3月22日
發明者施昊 申請人:施昊