專利名稱：太陽能生成系統(tǒng)的制作方法
太陽能生成系統(tǒng)
太陽能光伏(PV)電池現(xiàn)在為地球上的偏遠(yuǎn)場所和航天器提供電力，在這些地方 其它電源是昂貴的或不能利用的。太陽能PV技術(shù)還不能同大部分中心位置的發(fā)電應(yīng)用相 競爭，因?yàn)樗鼈兌硷@著地比其它可用能源(例如，煤，氣和核能)昂貴。
太陽能PV技術(shù)仍然被關(guān)注，因?yàn)殡S著其供給的減少，現(xiàn)存的發(fā)電形式無疑將會(huì)變 得更加昂貴。所有形式的太陽能電力也是可再生的和對環(huán)境友好的。當(dāng)前具有動(dòng)力來使太 陽能PV電池更便宜并且提高其效率(直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電)。
當(dāng)前全球僅電能生產(chǎn)成本大約為$300M/hr ；并且整體的能源市場是該數(shù)字的兩 倍。能夠以比現(xiàn)有的燃煤或核能安裝成本低的成本來安裝的任何能源生產(chǎn)能力都將會(huì)受到 熱烈歡迎。
太陽能PV電池的現(xiàn)存問題是雙重的。首先，基于其安裝成本，對于中心位置的發(fā) 電而言，它們不能同傳統(tǒng)能源相競爭，(太陽能大約$7-$10/安裝瓦特，相比而言，煤、核能、 或天然氣為$4_$5/瓦特)。其次，目前太陽能PV電池需要與用于眾多電子工業(yè)(計(jì)算機(jī)、 LED和二極管激光器)中的稀缺半導(dǎo)體材料相同的稀缺半導(dǎo)體材料。為了使太陽能PV電池 作為發(fā)電源具有競爭性，它們必須具有更低的制造成本，在它們將太陽能轉(zhuǎn)換為電時(shí)變得 更有效率得多，并且它們必須幾乎完全使用便宜且豐富的材料來制造。
當(dāng)前太陽能電池技術(shù)在屋頂應(yīng)用中使用單結(jié)電池。這種電池通常具有大約12%到 18%的效率且需要純硅，純硅在電子工業(yè)大量用于其它應(yīng)用。為了提高太陽能電池的效率， 已進(jìn)行了大量嘗試來制造“多結(jié)”電池。設(shè)計(jì)這些堆疊的電池，使得電池的不同層吸收入射 太陽能的不同能量帶。
這種多結(jié)電池被證明是更有效率的-在實(shí)驗(yàn)室中最好的例子取得的效率是剛剛 超過40%。然而，復(fù)雜性限制了其組件中必須用的材料(例如Ge，III-V)并且目前它們比 單結(jié)電池要昂貴得多。
當(dāng)前聚光太陽能電池的制造中，可以實(shí)現(xiàn)(Spectrolab，波音公司)40%或更大的 最大效率，但只有當(dāng)每個(gè)電池層(包括涂層)的厚度能夠極高精度地氣相沉積時(shí)，才是如 此。每個(gè)電池層的厚度必須被精確控制以在電池的每個(gè)部分保持相同的電流生成。對于多 結(jié)電池，尤其如此，在多結(jié)電池中結(jié)間相等的電流需要在每個(gè)結(jié)之間的昂貴的、精確的隧道 二極管。除了與精確制造相關(guān)的高工藝成本之外，這些多結(jié)部件還必須相互間“晶格匹配”。
這意味著電池設(shè)計(jì)者受限于稀缺的、昂貴的半導(dǎo)體合金組合，以便在每一個(gè)結(jié)達(dá) 到精確相同的分子晶格間距。
為了在中心位置發(fā)電市場中競爭，太陽能PV電池和聚光系統(tǒng)必須成本低于$2/安 裝瓦特。同樣，它們必須達(dá)到高效率以使它們的“占空比”(duty cycle)有競爭力。目前一 種典型的中心位置發(fā)電設(shè)備“工作”(on station) 20小時(shí)/天。在美國西南部，固定的， SOA太陽能板只有大約6小時(shí)/天產(chǎn)生電能，占空比為 25%。跟蹤太陽的太陽能電池將 會(huì)每天平均約11小時(shí)產(chǎn)生電能。發(fā)明內(nèi)容
依照本發(fā)明用于產(chǎn)生太陽能光伏能量的設(shè)備通常包括聚焦太陽輻射的光學(xué)部 件；緊接著是準(zhǔn)直光學(xué)部件；半導(dǎo)體光學(xué)柵楔(optical gate wedge)，設(shè)置用于將入射的太 陽輻射分散成多個(gè)相鄰的波長帶。該楔可包括多個(gè)涂層以減少反射損失。
提供光伏電池陣列，每個(gè)電池用吸收和轉(zhuǎn)換被該楔分散的相應(yīng)波長帶成為電能的 材料形成。折射光學(xué)部件配置在該楔和該陣列之間以將被分離的波長帶引導(dǎo)到相應(yīng)的光伏 電池上。
以這種方式，在分散的陣列中的電池中的每種半導(dǎo)體材料為僅匹配該材料吸收和 轉(zhuǎn)換太陽光而成為電能的能力的入射太陽光譜中的波長范圍而設(shè)置。
這些“未堆疊的”(imstacked)太陽能電池陣列使用豐富的且不那么貴的材料以比 現(xiàn)有多結(jié)電池低很多的工藝成本制造。一旦每個(gè)PV材料和電池針對其適當(dāng)?shù)墓庾硬ㄩL或 能量而被優(yōu)化，則獲得的光伏(PV)電池陣列電能/總功率分?jǐn)?shù)(效率)將超過40%。
相反地，如前所述的，現(xiàn)有技術(shù)太陽能板系統(tǒng)受限于18%或更少的整體效率。
更特別地，折射光學(xué)部件設(shè)置在該楔和該陣列之間，其目的是將分離的波長帶引導(dǎo)到 相應(yīng)的光伏電池上。每個(gè)電池包括單結(jié)的III-V或&光伏電池，其顯著降低了設(shè)備的成本。
更特別的，作為一個(gè)示例，該陣列可以包括5個(gè)電池，其中第一個(gè)電池吸收能量為 0. 95到1. 15eV的太陽光子，第二個(gè)電池吸收能量為1. 2到1. 4eV的太陽光子，第三個(gè)電池 吸收能量為1. 45到1. 7eV的太陽光子，第四個(gè)電池吸收能量為1. 75到2. IeV的太陽光子， 并且第五個(gè)電池吸收能量為2. 15到2. SeV的太陽光子。
更特別的，第一個(gè)電池可由(ialnAsP形成，第二個(gè)電池可由Si形成，第三個(gè)電池可 由GaAs形成，第四個(gè)電池可由feilnP形成且第五個(gè)電池可由Al2^JnP4形成。
為了進(jìn)一步提高設(shè)備的效率和效果，該折射光學(xué)部件可以設(shè)置用于將來自該楔的 光空間分散到光伏電池上，垂直電池表面入射。
依照本發(fā)明提供一種優(yōu)化光伏電池陣列的方法，通常包括聚焦太陽輻射到半導(dǎo) 體光學(xué)柵楔上；通過該柵楔分散太陽輻射成多個(gè)相鄰波長帶，引導(dǎo)相鄰波長帶使它們垂直 光伏電池陣列的表面入射。更特別的，該方法進(jìn)一步包括設(shè)置多個(gè)單結(jié)III-V或Si光伏電 池以形成線性陣列。


通過考慮以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述本發(fā)明將更容易理解，其中
圖1是依照本發(fā)明的產(chǎn)生太陽光伏能量的光伏(PV)盒的圖示，其一般性地示出了 準(zhǔn)直光學(xué)部件、半導(dǎo)體光學(xué)柵楔、光伏電池陣列以及設(shè)置在該楔和該陣列之間的陣列光學(xué) 部件；
圖2是太陽能生成系統(tǒng)的圖示，包括與圖1所示PV盒操作上有關(guān)系地配置的聚焦 光學(xué)部件；
圖3是依照本發(fā)明圖2所示聚焦光學(xué)部件的一個(gè)實(shí)施例的圖示，其示例出具有4 面鏡子的菲涅耳陣列；
圖4是依照本發(fā)明圖2所示聚焦光學(xué)部件的一個(gè)可選實(shí)施例的圖示，其示例出具 有36面鏡子的菲涅耳陣列；以及
圖5是生成的電學(xué)瓦特對太陽光譜與以eV為單位的光子能量之間的關(guān)系圖，示出 了依照本發(fā)明通過使用單結(jié)二極管光伏電池陣列的設(shè)備的效率。
具體實(shí)施方式
參考圖1，示出了按照本發(fā)明的產(chǎn)生太陽光伏能量的光伏(PV)盒，其通常包括準(zhǔn) 直光學(xué)部件12 ；半導(dǎo)體光學(xué)柵楔14，如果需要選擇性反射入射輻射，則其可以被涂覆；設(shè)置 在楔14和光伏電池22、24J6、28、30的陣列18之間的折射光學(xué)部件16。太陽輻射通過窗 口 8進(jìn)入該P(yáng)V盒10。
如圖2所示，太陽能量生成系統(tǒng)2包括聚焦太陽輻射到PV盒10的窗口 8上的聚 焦光學(xué)部件4。該P(yáng)V盒通過幾個(gè)支柱6附著到聚焦光學(xué)部件4的支撐上。
聚焦光學(xué)部件4可以具有任意適合的構(gòu)造和尺寸，例如，圖3中所示，其中聚焦光 學(xué)部件包括具有4面鏡子34、36、38、40的菲涅耳陣列4a，每面鏡子直徑為0. 5m，它們離兩 個(gè)半導(dǎo)體光學(xué)柵楔14約0. 5m的距離。所述楔14具有約0. 04m2的面積。假設(shè)太陽能輸入為 920ff/m2且聚焦光學(xué)部件收集面積為0. 78m2，位于該楔位置處的功率大約是722W。以40% 的效率來計(jì)，功率輸出差不多為300瓦電能。合適的楔14在by的美國專利No. 7238954 和7286582中描述。這些參考文獻(xiàn)在這里整體引入目的是為了描述用于本發(fā)明的適合的楔 14。
PV盒10可通過增加聚焦光學(xué)部件4、準(zhǔn)直光學(xué)部件12、楔14、折射光學(xué)部件16和 光伏電池陣列18的尺寸，而調(diào)節(jié)為任何適合的尺寸。例如，如圖4所示，聚焦光學(xué)部件4b 可包括排列為三圈的36面鏡子的陣列，總的直徑為Hm且收集面積為113m2。假設(shè)太陽能 輸入為920W/m2且聚焦光學(xué)部件收集面積為113m2，位于所述楔處的功率大約是105，OOOff0 以40%的效率來計(jì)，功率輸出差不多為42，000瓦電能。這種情況下，可使用面積為0. ISm2 的9個(gè)楔14。利用聚焦光學(xué)部件如和4b收集的太陽能的量分別代表了適用于家庭和商業(yè) 發(fā)電的實(shí)施例。
用于聚焦光學(xué)部件4的菲涅耳透鏡和折射光學(xué)部件16可從Edmuds Optics或Opto Sigma，或Newport Optical得到。半導(dǎo)體光學(xué)柵楔14，如上文參考的美國專利所述可以通 過 TWO-SIX 和 Janos Optical 得到。
可以利用常規(guī)的太陽能跟蹤器(未示出)以便使聚焦光學(xué)部件^、4b在0. 1度內(nèi) 垂直于入射太陽輻射。
重要地，本發(fā)明的設(shè)置使光伏電池的線性陣列成為可能，所述光伏電池可以包括 單結(jié)的III-V或Si光伏電池。任何數(shù)量的合適的光伏電池22-30可在該陣列中使用，雖然 圖中示出了 5個(gè)，但是任何數(shù)量，例如3個(gè)，可以被使用，這取決于太陽能生成系統(tǒng)2的尺 寸。這些“未堆疊的”太陽能電池陣列18使用豐富的且不那么昂貴的材料，具有低得多的工 藝成本。由于每個(gè)光伏材料和電池由于所述楔而針對其適合的光波長或能量入射被優(yōu)化， 該光伏電池陣列18可具有超過40%的效率。轉(zhuǎn)而，所述楔14具有與串聯(lián)連接以增加電壓 的光伏電池陣列18的表面大約相同的折射率。另外，這些PV電池優(yōu)選地通過外部電連接 相互阻抗匹配以最大化整體電輸出。
采用5個(gè)電池的陣列的情況下，第一個(gè)電池22可構(gòu)造為吸收能量為0.95到 1. 15eV的太陽光子，第二個(gè)電池M可構(gòu)造為吸收能量為1.20到1. 4eV的太陽光子，第三個(gè)電池沈可構(gòu)造為吸收能量為1. 45到1. 7eV的太陽光子，第四個(gè)電池觀可構(gòu)造為吸收能量 為1. 75到2. IeV的太陽光子，并且第五個(gè)電池30可構(gòu)造為吸收能量為2. 15到2. ISeV的 太陽光子。
更特別地，電池22可以是feilnAsP，第二電池M可以是Si，第三電池沈可以是 GaAs，第四電池觀可以是^JnP2,且第五電池30可以是Al2GaInP4。這些電池基于沿用已 久的發(fā)光二極管或者LED工業(yè)技術(shù)。這些LED將電流轉(zhuǎn)換為多個(gè)波長的光，每一個(gè)接近該 材料的帶隙。這些相同的LED(通過小的設(shè)計(jì)變更)能夠接收通過楔分散的每個(gè)波長帶內(nèi) 的太陽光并將其高效率地轉(zhuǎn)化為電流。
這種基于的LED光伏電池可通過許多廠商獲得，例如，Cree公司等。然而，合適 的材料并不局限于上文列舉的那些，還可包括用于優(yōu)化太陽光譜的近紅外不可見區(qū)域的光 伏-電能轉(zhuǎn)換的IV、III-V、或II-VI族材料類型的材料。適用于本發(fā)明的材料的進(jìn)一步描 述在Fay的U. S. 5617206,7238954和7286582中描述。這些參考文獻(xiàn)也通過該特定的引用 結(jié)合到本文中。
如上文所述，光伏電池22-30的效率通過光學(xué)柵楔18提供，光學(xué)柵楔18引起的分 散足夠克服太陽角直徑(9. 3毫弧度)的光學(xué)產(chǎn)生的局限性。折射光學(xué)部件16完成分散且 聚焦不同波長(光子能量)的光到不同的電池22-30。折射光學(xué)部件16進(jìn)一步垂直于電池 22-30在空間上分散光，以防止光伏陣列18的電池22-30過熱。
設(shè)備的效率如圖5所示。橫跨太陽光譜大氣層上的太陽光譜(圖5中所描述的標(biāo) 題為ΑΜ0，或者在空氣質(zhì)量為零)如曲線52所示，并且生成的電瓦數(shù)如曲線M所示，其中以 分段1、2、3、4、5表示的每個(gè)電池的太陽能轉(zhuǎn)換范圍對應(yīng)于電池22、24、沈、28、30。
盡管上文描述了根據(jù)本發(fā)明的特定的太陽能生成系統(tǒng)和方法，其目的是闡明本發(fā) 明的優(yōu)勢，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于此。就是說，本發(fā)明可合適地含有所描述的元件，由 所描述的元件組成，或者基本由所描述的元件組成。進(jìn)一步地，可以在缺少在此處未特別公 開的任何元件的情況下，適當(dāng)?shù)貙?shí)踐本文所說明性地公開的發(fā)明。相應(yīng)地，對本技術(shù)熟練人 員來說的任何及所有變更、改變或等效設(shè)置，應(yīng)視為在由所附權(quán)利要求界定的本發(fā)明的范 圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生太陽光伏能量的設(shè)備，該設(shè)備包括用于聚焦太陽輻射的光學(xué)部件；準(zhǔn)直光學(xué)部件；半導(dǎo)體光學(xué)柵楔，其設(shè)置成靠近所述準(zhǔn)直光學(xué)部件的焦點(diǎn)，用于將入射的太陽輻射分 散成多個(gè)相鄰的波長帶；光伏電池陣列，每個(gè)電池由吸收通過所述楔分散的相應(yīng)波長帶并且將所述波長帶轉(zhuǎn)換 成電能的材料形成；以及折射光學(xué)部件，置于所述楔和所述陣列之間用于將分離的波長帶引導(dǎo)到相應(yīng)的光伏電 池上。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中每個(gè)電池包括單結(jié)的、IH-V或者Si光伏電池。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述陣列包括3個(gè)光伏電池。
4.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述陣列包括5個(gè)光伏電池。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述陣列包括5個(gè)電池，第一個(gè)電池吸收能量為 0. 95到1. 15eV的太陽光子，第二個(gè)電池吸收能量為1. 2到1. 4eV的太陽光子，第三個(gè)電池 吸收能量為1. 45到1. 7eV的太陽光子，第四個(gè)電池吸收能量為1. 75到2. IeV的太陽光子， 并且第五個(gè)電池吸收能量為2. 15到2. SeV的太陽光子。
6.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中第一電池是feilnAsP，第二電池是Si，第三電池是 GaAs，第四電池是^JnP2，且第五電池是Al2^JnP4。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中折射光學(xué)部件布置用于將來自所述楔的光空間分散 到所述光伏電池上，垂直于電池表面入射。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述楔包括防反射涂層以減少反射損失。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述聚焦光學(xué)部件包括多面菲涅耳鏡子。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述聚焦光學(xué)部件包括4面菲涅耳鏡子。
11.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述聚焦光學(xué)部件包括以3個(gè)同心圓排列的36面 菲涅耳鏡子。
12.—種最佳化光伏電池陣列的方法，所述方法包括將太陽輻射聚焦到半導(dǎo)體光學(xué)柵楔上；通過所述柵楔將太陽輻射分散成多個(gè)相鄰波長帶；以及大致與所述光伏電池陣列成直角地將所述相鄰波長帶引導(dǎo)到所述光伏電池陣列上，使 得每個(gè)陣列元件的帶隙能量匹配入射的光子能量。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括排列多個(gè)單結(jié)的、III-V或者Si光伏電池 以形成光伏電池陣列。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中排列多個(gè)電池包括排列3個(gè)相鄰的電池。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中排列多個(gè)電池包括排列5個(gè)相鄰的電池。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其中聚焦光學(xué)部件包括多面菲涅耳鏡子。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中使用多面菲涅耳鏡子包括使用4面菲涅耳鏡子。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中使用多面菲涅耳鏡子包括使用36面菲涅耳鏡子。
全文摘要
一種產(chǎn)生太陽能電能的設(shè)備通常包括聚焦太陽輻射的光學(xué)部件；準(zhǔn)直光學(xué)部件；布置于準(zhǔn)直光學(xué)部件的焦點(diǎn)附近的用于在多個(gè)相鄰的波長帶之間分散入射太陽輻射的半導(dǎo)體光學(xué)柵楔；光伏電池陣列，每個(gè)電池由將通過楔分散的相應(yīng)波長帶吸收并轉(zhuǎn)換成光伏能量的材料而形成；以及，配置于所述楔和陣列之間用于將分離的波長帶引導(dǎo)到相應(yīng)的光伏電池上的折射光學(xué)部件。
文檔編號H01L31/055GK102037572SQ200980109006
公開日2011年4月27日 申請日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月14日
發(fā)明者T·D·費(fèi) 申請人:楔技術(shù)有限責(zé)任公司