專利名稱：基于二次反射聚光的太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種太陽能電池。
背景技術(shù)：
隨著社會的進步科技的發(fā)展，各國尤其是像中國這樣的發(fā)展中國家對能源的需求 日益增加。人與自然的和諧共存是人類永恒追求的信念，自然界的太陽光是最環(huán)保、最清 潔、最舒適的自然能源，取之不盡，用之不竭。盡管太陽能電池在制造以及應(yīng)用方面日益成熟，但是還存在著許多問題，比如進 一步提高效率仍然存在瓶頸，每單位發(fā)電成本仍然昂貴。因此實現(xiàn)大規(guī)模推廣普及應(yīng)用還 有一定困難。研究發(fā)現(xiàn)采用聚光技術(shù)可以大大縮小太陽能電池的面積，從而降低成本。由 于太陽光的廣譜特性，而單結(jié)太陽能電池對特定窄譜的光有較高的吸收效率，使得光能利 用率不夠高。因此有多結(jié)串聯(lián)太陽能電池的提出，各個結(jié)對應(yīng)不同的波段有各自的吸收峰， 可以大大增加光伏電池的效率。但是外延生長多層結(jié)構(gòu)，工藝復(fù)雜。太陽能光伏電池在不斷發(fā)展，提高光電轉(zhuǎn)換效率，降低材料和工藝成本是推動太 陽能電池發(fā)展的主要動力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對太陽光的不易匯聚和廣譜特性，克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足， 提供兩種能夠較好的反射聚焦太陽光，提高能量利用率并可提高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽能電 池。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于二次反射聚光的太陽能電池，包括拋物面太陽能聚光器，二次拋物面反 射器，分光器件和光伏電池組，所述的光伏電池組由對不同波長的光敏感的光伏電池組成； 所述的拋物面太陽能聚光器與二次拋物面反射器的反射面相對，兩者共軸且共焦，在拋物 面太陽能聚光器的底部開設(shè)有經(jīng)過二次拋物面反射器反射的光通過的孔；經(jīng)過所述孔的光 被分光器件分開為的不同波長的光，各個不同波長的光被分別入射到光伏電池組中對相應(yīng) 的各個不同波長的光敏感的光伏電池上。本發(fā)明同時提供另一種基于二次反射聚光的太陽能電池，包括拋物面太陽能聚光 器，二次拋物面反射器，凸透鏡，分光器件和光伏電池組，所述的光伏電池組由對不同波長 的光敏感的光伏電池組成；所述的拋物面太陽能聚光器與二次拋物面反射器的反射面相 對，兩者共軸且焦點相互靠近，在拋物面太陽能聚光器的底部開設(shè)有經(jīng)過二次拋物面反射 器反射的光通過的孔；經(jīng)過所述孔的光被凸透鏡整形后由分光器件分開為的不同波長的 光，各個不同波長的光被分別入射到光伏電池組中對相應(yīng)的各個不同波長的光敏感的光伏 電池上。作為優(yōu)選實施方式，上述的兩種基于二次反射聚光的太陽能電池，所述的拋物面 太陽能聚光器的焦距大于其長度的2倍；二次拋物面反射器直徑是拋物面太陽能聚光器直 徑的30分之一到50分之一，其焦距短于其長度；所述的拋物面太陽能聚光器的參數(shù)范圍開孔半徑10-30mm ；焦距450_470mm ；直徑1000-1200mm ；長度180-200mm ；二次拋物面反 射器的參數(shù)范圍焦距2-5mm ；直徑20-40mm ；長度20-40mm ；所述的分光器件可以為分光 棱鏡，也可以為雙錐形的圓對稱棱鏡，此時，光伏電池組由環(huán)形的光子晶體光伏電池組成。
本發(fā)明提出太陽能電池，將聚光系統(tǒng)與分光系統(tǒng)進行了有機結(jié)合，充分發(fā)揮了兩 個拋物面共焦聚光的優(yōu)勢，克服了單一太陽能聚光器造成的分光系統(tǒng)不易安置及太陽能電 池遮擋住部分日光的問題，并且避免了廣譜太陽能電池效率低的問題，可節(jié)省光電池材料， 進一步提高效率和產(chǎn)品檔次。


圖1為本太陽能二次反射聚光和分光系統(tǒng)方案一結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本太陽能二次反射聚光和分光系統(tǒng)方案二結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為雙錐形結(jié)構(gòu)分光棱鏡單元與光伏電池的結(jié)構(gòu)圖。
圖4為單結(jié)光伏電池的結(jié)構(gòu)圖。
圖5為普通棱鏡分光結(jié)構(gòu)與光伏電池組結(jié)構(gòu)圖。
1拋物面太陽能聚光器1 2 二次拋物面反射器3凸透鏡
4分光棱鏡 5太陽能電池(光伏電池組)6孔
7，8，9，10分別標識環(huán)狀光伏電池1，2和η以及中間波段光伏電池
11吸收區(qū)即耦合層 12布拉格反射層
13前錐形分光棱鏡 14后錐形分光棱鏡
15，16，17，18分別代表實施例1采用的光伏電池1、光伏電池2、中間波段光伏電池
和光伏電池η
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做具體說明。實施例1 如圖1所示，本實施例包括拋物面太陽能聚光器1，二次拋物面反射器2，凸透鏡3 鏡，分光棱鏡4，太陽能電池五大部分。太陽光垂直入射(可以利用自動跟蹤系統(tǒng))到拋物 面太陽能聚光器1，經(jīng)聚焦后再經(jīng)過二次拋物面器反射形成順向聚焦結(jié)構(gòu)，光線從小孔6透 出。經(jīng)過凸透鏡3將其變?yōu)檩^細的平行光，經(jīng)計算這時光束約半徑20 60mm。光束經(jīng)棱鏡 4分光后入射到光子晶體光伏電池組表面轉(zhuǎn)化為電能。拋物面太陽能聚光器1和二次拋物面反射器2的拋物面內(nèi)鍍有聚酯薄膜真空鍍金 屬反光材料能夠較好的反射聚焦太陽光，提高能量利用率。太陽光經(jīng)拋物面太陽能聚光器 1和二次反射再次匯聚于成焦斑，經(jīng)過凸透鏡3整形成近似平行光，然后利用分光棱鏡4將 不同波長的光分開。光伏電池組由基于光子晶體的光伏電池構(gòu)成，每個光伏電池對不同窄波段的光敏 感，見圖5，圖中，編號15，16，17，18分別代表光伏電池1、光伏電池2、中間波段光伏電池和 光伏電池η。經(jīng)過分光棱鏡4分開的光入射到對相應(yīng)波段的光敏感的光伏電池上。本發(fā)明將由兩個拋物面構(gòu)成的聚光系統(tǒng)與分光系統(tǒng)進行了有機結(jié)合，充分發(fā)揮了 兩個拋物面順向聚焦的優(yōu)勢，并且克服了單一太陽能聚光器造成的分光系統(tǒng)不易安置及太
4陽能電池遮擋住部分日光的問題，可以進一步提高效率和產(chǎn)品檔次。二次反射系統(tǒng)后光斑的大小可由拋物面太陽能聚光器1 (簡稱大鍋)的開口半徑 和二次拋物面反射器2 (簡稱小鍋)的直徑?jīng)Q定，其中較小的一個作為孔徑光闌看待，大鍋 小鍋嚴格共焦后可出平行光，若不直接出射平行光，需要調(diào)節(jié)兩個鍋的距離保持二次反射 的光能全部通過拋物面反射器的開口，之后再通過共焦透鏡形成平行光，此時平行光的光 斑大小由透鏡的結(jié)構(gòu)直接決定。具體大小可按實際需要調(diào)節(jié)。大鍋的參數(shù)范圍厚度5-7mm ；開孔半徑10_30mm ；焦距450_470mm ；直徑 1000-1200mm ；長度180-200mm ；小鍋的參數(shù)范圍厚度3_5mm ；焦距2_5mm ；直徑20-40mm ； 長度20-40mm。易知要求大鍋的焦距較長，一般要求長于大鍋的長度2倍以上，以便得到不 太發(fā)散的一次反射光束；而小鍋的焦距需短，例如，其焦距可以是大鍋的焦距的200分之一 到100分之一之間，為了盡量不影響太陽光投射到大鍋上，小鍋的直徑也應(yīng)當(dāng)盡可能小，例 如，可以是大鍋直徑的30分之一到50分之一。這樣在相同的發(fā)散光束條件下可以盡可能 的多截取到一次反射的光線，并將其二次反射形成匯聚或平行的高質(zhì)量光束。上述部分參 數(shù)可同比例放大，并在具體實驗中根據(jù)需求調(diào)節(jié)?？紤]到反光材料的各種物理性能、機械性能，使用壽命、加工條件等因素，選擇聚 酯薄膜真空鍍金屬反光材料。凸透鏡3的材質(zhì)可選用K9，K10，BK7等玻璃材料定制，也可以選用短焦距的菲涅耳 透鏡，其可以在其他條件相同情況下截取更多的光束，提高能量利用率。實際情況需根據(jù)不 同廠家，和材料面型性價比具體考慮。實施例2實施例1中，第二次拋物面反射器2與拋物面太陽能聚光器1第一反射的拋物面 還可以成共焦?fàn)顟B(tài)，其下孔輸出的光束即為平行光，充分利用拋物面的成像原理，互補共 焦。這樣一次到位的形成高質(zhì)量的平行光束。如圖2所示。這時候，主要包括拋物面太陽 能聚光器1、二次拋物面反射器2、分光棱鏡4和太陽能電池幾個部分。實施例3考慮到非球面透鏡的制作工藝以及焦斑的尋找和固定調(diào)節(jié)透鏡的精度和難度。之 后的分光系統(tǒng)還可有另外一種選擇。本實施例中，聚光系統(tǒng)仍然不變，與實施例1和2相同， 但利用了如圖3所示雙錐形的圓對稱棱鏡作為分光系統(tǒng)，它的上面的錐形結(jié)構(gòu)可以將廣譜 太陽光中不同波長的光譜分開，產(chǎn)生色散，下面的錐形結(jié)構(gòu)能夠進一步將不同波長的光分 開，使得出射光入射到光伏電池。普通的分光棱鏡對分光器件要求較寬泛，而使用雙錐形的 圓對稱棱鏡可將太陽光根據(jù)其不同波長范圍分散到不同的環(huán)狀太陽能電池上，節(jié)省了電池 材料和空間。圖3中，分光單元是雙錐形分光棱鏡結(jié)構(gòu)。它是一種色散裝置，包括前錐形分光棱 鏡13和后錐形分光棱鏡14。它的前錐形分光棱鏡13可以將廣譜太陽光中不同波長的光譜 分開，產(chǎn)生色散，后錐形分光棱鏡14能夠進一步將不同波長的光分開，使得出射光入射到 光伏電池上面。不同的波長的光圓對稱的色散到光伏電池組上面，光伏電池組由各個半徑 不同的光伏電池1，2…η構(gòu)成(圖中的編號7，8，9，10分別標識環(huán)狀光伏電池1，2和η以及 中間波段光伏電池)，而圓心處是紅外光，可以放置低成本紅 光伏電池。構(gòu)成光伏電池組 的各個環(huán)狀光伏電池1，2…η的最大吸收波長不同，由分光棱鏡射出的不同波長的光對應(yīng)入射到各個環(huán)狀光伏電池1，2···η上面，最大效率的完成各波長光譜分量的光電轉(zhuǎn)換。環(huán)狀 光伏電池1，2…η分別為單結(jié)的半導(dǎo)體光電池，對特定波長吸收效率很高。如圖4，電池的 吸收區(qū)即耦合層11引入了光子晶體結(jié)構(gòu)，背面引入反射結(jié)構(gòu)，即分布布拉格反射層12，可 以提高入射光的耦合效率，增加入射光在光伏電池中的作用時間，進而提高光生載流子的 濃度，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。光伏電池組中的各環(huán)狀光伏電池，其外型是圓對稱的，采用 現(xiàn)代激光切割技術(shù)可以實現(xiàn)外延片的環(huán)狀切割。因而是一種全新的設(shè)計。同時中心處可以 采用低成本紅外電池，可以降低原材料的成本。這種多環(huán)光伏電池也可以采用多次外延選 區(qū)生長的方式制作。各光伏電池可以采取串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接。串聯(lián)連接，可以提高電池的電壓。 并聯(lián)連接，可以提高電池的輸出電流。本發(fā)明結(jié)合已有的聚光太陽能電池的優(yōu)點，在此基礎(chǔ)上利用色散裝置將廣譜太陽 能的波長分開，分別入射在各個不同帶寬的環(huán)狀光伏電池上，使得太陽光中不同波長的光 在各不同電池上達到最大的轉(zhuǎn)換效率，同時電池總面積較小，可以大大節(jié)省材料。
權(quán)利要求
一種基于二次反射聚光的太陽能電池，包括拋物面太陽能聚光器，二次拋物面反射器，分光器件和光伏電池組，所述的光伏電池組由對不同波長的光敏感的光伏電池組成；所述的拋物面太陽能聚光器與二次拋物面反射器的反射面相對，兩者共軸且共焦，在拋物面太陽能聚光器的底部開設(shè)有經(jīng)過二次拋物面反射器反射的光通過的孔；經(jīng)過所述孔的光被分光器件分開為的不同波長的光，各個不同波長的光被分別入射到光伏電池組中對相應(yīng)的各個不同波長的光敏感的光伏電池上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二次反射聚光的太陽能電池，其特征在于，所述的拋物 面太陽能聚光器的焦距大于其長度的2倍；二次拋物面反射器直徑是拋物面太陽能聚光器 直徑的30分之一到50分之一，其焦距短于其長度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二次反射聚光的太陽能電池，其特征在于，所述的拋 物面太陽能聚光器的參數(shù)范圍開孔半徑10-30mm ；焦距450_470mm ；直徑1000-1200mm ； 長度180-200mm ；二次拋物面反射器的參數(shù)范圍焦距2_5mm ；直徑20-40mm ；長度 20-40mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二次反射聚光的太陽能電池，其特征在于，所述的分光 器件為分光棱鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二次反射聚光的太陽能電池，其特征在于，所述的分光 器件為雙錐形的圓對稱棱鏡，所述的光伏電池組由位于中心處的紅外環(huán)形的光子晶體光伏 電池組成。
6.一種基于二次反射聚光的太陽能電池，包括拋物面太陽能聚光器，二次拋物面反射 器，凸透鏡，分光器件和光伏電池組，所述的光伏電池組由對不同波長的光敏感的光伏電池 組成；所述的拋物面太陽能聚光器與二次拋物面反射器的反射面相對，兩者共軸且焦點相 互靠近，在拋物面太陽能聚光器的底部開設(shè)有經(jīng)過二次拋物面反射器反射的光通過的孔； 經(jīng)過所述孔的光被凸透鏡整形后由分光器件分開為的不同波長的光，各個不同波長的光被 分別入射到光伏電池組中對相應(yīng)的各個不同波長的光敏感的光伏電池上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于二次反射聚光的太陽能電池，其特征在于，所述的拋物 面太陽能聚光器的焦距大于其長度的2倍；二次拋物面反射器直徑是拋物面太陽能聚光器 直徑的30分之一到50分之一，其焦距短于其長度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于二次反射聚光的太陽能電池，其特征在于，所述的拋 物面太陽能聚光器的參數(shù)范圍開孔半徑10-30mm ；焦距450_470mm ；直徑1000-1200mm ； 長度180-200mm ；二次拋物面反射器的參數(shù)范圍焦距2_5mm ；直徑20-40mm ；長度 20-40mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于二次反射聚光的太陽能電池，其特征在于，所述的分光 器件為分光棱鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于二次反射聚光的太陽能電池，其特征在于，所述的分光 器件為雙錐形的圓對稱棱鏡，所述的光伏電池組由環(huán)形的光子晶體光伏電池組成。
全文摘要
本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于二次反射聚光的太陽能電池，包括拋物面太陽能聚光器，二次拋物面反射器，分光器件和光伏電池組，光伏電池組由對不同波長的光敏感的光伏電池組成；拋物面太陽能聚光器與二次拋物面反射器的反射面相對，兩者共軸且共焦，在拋物面太陽能聚光器的底部開設(shè)有經(jīng)過二次拋物面反射器反射的光通過的孔；經(jīng)過孔的光被分光器件分開為的不同波長的光，各個不同波長的光被分別入射到光伏電池組中對相應(yīng)的各個不同波長的光敏感的光伏電池上。本發(fā)明同時提供了另一種具有相同發(fā)明構(gòu)思的基于二次反射聚光的太陽能電池。本發(fā)明充分發(fā)揮了拋物面二次反射的優(yōu)勢，可節(jié)省光電池材料，提高效率和產(chǎn)品檔次。
文檔編號H01L31/052GK101937934SQ201010286749
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月19日
發(fā)明者劉 文, 王雙保, 聶晶 申請人:華中科技大學(xué)