光譜分光模塊和包括聚光器光學(xué)器件的光伏系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001] 優(yōu)先權(quán)
[0002] 本專利申請案要求2012年8月30日申請的題目為用于全光譜、超高效太陽能 轉(zhuǎn)化的光學(xué)器件（OPTICSFOR即化S陽CTRUM，ULTRAHIGHEFFICIENCYSOLARE肥RGY CONVERSION)的美國臨時專利申請案第61/695, 216號和2012年12月21日申請的題目 為光譜分光模塊和包括聚光器光學(xué)器件的光伏系統(tǒng)（SPECTRALLIGHTS化口TINGMODULE ANDP冊TOVOLTAICSYSTEMIN化UDINGCONCENTRATOROPTICS)的美國臨時專利申請案第 61/740, 969號的優(yōu)先權(quán)，其中所述臨時專利申請案的全文W引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明設(shè)及將入射光轉(zhuǎn)化成電能的光伏器件。更具體來說，本發(fā)明設(shè)及包括固體 光學(xué)元件的光伏器件，所述固體光學(xué)元件具有W平行六面體排列形式配置的多個光伏電 池。
【背景技術(shù)】
[0004] 光伏電池（也可W被稱作太陽能電池或PV電池）適用于將入射光（如日光）轉(zhuǎn) 化成電能?？赡躓單結(jié)太陽能電池形式提供運些電池，它們具有一種本質(zhì)上具有低轉(zhuǎn)化效 率的被?？诙x的帶隙。運是因為單個光伏電池只對入射光的寬帶光譜的小部分具有光伏 反應(yīng)，并且因此只將入射光的小部分轉(zhuǎn)化成能量。因此，使用并提議多種增加太陽能電池效 率的方式。
[0005] -種實現(xiàn)較高光伏效率的常見方法是共同使用多個帶隙W形成多結(jié)太陽能電池。 此類多結(jié)太陽能電池由具有不同半導(dǎo)體材料的系統(tǒng)組成，所述半導(dǎo)體材料具有與太陽能光 譜的不同部分對應(yīng)的不同帶隙能量。只有使用能量匹配或略微大于能隙的光子最有效。因 此，具有更廣范圍的帶隙使系統(tǒng)W相對有效方式轉(zhuǎn)化更多光譜。能量低于帶隙的光子無法 被吸收和隨后被轉(zhuǎn)化，并且在一些情況下可能被寄生吸收并且轉(zhuǎn)化成廢熱。能量大于帶隙 的光子只將它能量中匹配能隙的一部分轉(zhuǎn)化成電能，而多余能量主要W廢熱損失形式。
[0006] 按照慣例，多結(jié)電池生長成單片棒（monolithicstick)，使得每個半導(dǎo)體充當(dāng)吸 收高于其帶隙且低于其上電池帶隙的光的濾光器。雖然傳統(tǒng)多結(jié)串聯(lián)太陽能電池提供優(yōu)于 單結(jié)太陽能電池的優(yōu)勢，但通過使用用于將入射太陽福射分成多個光譜帶并將那些光譜帶 引導(dǎo)到不同和相應(yīng)的太陽能電池的分光光學(xué)器件可W實現(xiàn)更高效率。W此方式，子電池可 W獨立地生長并且電連接，避免晶格和電流匹配問題。設(shè)計每個目標電池W使它具有適應(yīng) 引導(dǎo)到所述電池的光譜帶的帶隙，W便幫助使能量轉(zhuǎn)化最大化。也就是說，分光光學(xué)器件將 入射光分隔成片段或片，隨后將所述片獨立地引導(dǎo)到具有適當(dāng)帶隙的光伏電池上。
[0007] 專利和技術(shù)文獻中已經(jīng)描述利用分光或光譜分裂來改良太陽能轉(zhuǎn)化效率的 光伏系統(tǒng)。實例包括美國專利公開案第2009/0056788號（吉布森（Gibson))和第 2011/0284054號（萬萊斯（Wanlass));己涅特度arnett)等人，光伏器件進展：研究和 應(yīng)用（ProgressinF*hotovoltaics:Resea;rchandApplications)，"極高效率太陽能 電池模塊（Very Hi曲Efficien巧Solar Cell Modules)"17 :75-83(2009);伊美尼斯(Imenes)等人，太陽能材料和太陽能電池（Solar !Energy Materials and Solar Cells), "在太陽能聚集系統(tǒng)中增加轉(zhuǎn)化效率的光譜束分裂技術(shù)，綜述（Spectral Beam Splitting Technology for Incre曰sed Conversion Efficiency in Sol曰r Concentr曰ting Systems， A Re view) ",84:19-69 (2004);麥克劍橋（McCambridge)等人，光伏器件進展：研究和 應(yīng)用，高效率緊密光譜分裂光伏模塊（Compact Spectrum Splitting Photovoltaic Module With Hi曲Efficiency)"，19 :352-360(2011);米切爾（Mitchell)等人，光伏器 件進展：研究和應(yīng)用，"具有高光學(xué)效率的四結(jié)光譜束分裂光伏接收器（Four-化nction Spectral Beam-Splitting Photovoltaic Receiver With High Optical Efficiency)"， 19 :61-72(2011);和彼得斯（Peters)等人，能量巧nergies)，"用于PV應(yīng)用的光譜選擇 性光子結(jié)構(gòu)（Spectrall}f-Selective Photonic Structures for PV Applications)"，3: 171-193(2010)O
[0008] 盡管使用太陽能電池分光技術(shù)的光伏系統(tǒng)在理論上一般應(yīng)改良入射光轉(zhuǎn)化成電 能的效率，但需要提供實際上可W允許甚至更高效且具有更好分光光學(xué)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明設(shè)及一種將入射光轉(zhuǎn)化成電能的光伏系統(tǒng)，它可W被稱作多面鏡面反射 器。所述系統(tǒng)可W用于將光分隔到一系列單結(jié)太陽能子電池或一系列串聯(lián)生長子電池。所 述系統(tǒng)一般可W包括排列在固體光學(xué)元件對側(cè)上的太陽能電池或光伏電池陣列，它們可W 與聚光光學(xué)器件組合使用。運些系統(tǒng)的相對高效是置放每個子電池（因此它可W吸收由那 個電池最有效吸收的光譜的特定子集），隨后通過固體光學(xué)元件將其余光反射到后續(xù)電池 (它可能隨后吸收其自身的光譜的子集）上的結(jié)果。此吸收和反射光的過程在每個太陽能 電池上繼續(xù)，其中在每個后續(xù)太陽能電池上可W用于吸收和反射的光的量減少，直到到達 任選的背反射器化ack reflector),所述背反射器一般位于電池陣列的輸入端的相對端。 放置太陽能電池，使得入射光首先到達的電池能夠吸收最高能量光譜，同時最后到達的電 池能夠吸收最低能量光譜。在本發(fā)明的一個實施例中，至少兩個光伏電池與光學(xué)聚光元件 組合使用，其中電池被配置成有助于入射光的光學(xué)禪合的固體平行六面體。
[0010] 在本發(fā)明的一個方面中，提供將入射光轉(zhuǎn)化成電能的分光光學(xué)模塊。模塊包括包 含接收光的輸入端、第一側(cè)面W及與第一側(cè)面隔開的第二側(cè)面的固體光學(xué)元件；鄰近于固 體光學(xué)元件的第一側(cè)面的第一太陽能電池；W及鄰近于固體光學(xué)元件的第二側(cè)面的第二太 陽能電池。放置第一太陽能電池W吸收入射光的第一子集，并且使入射光的第一其余部分 通過固體光學(xué)元件反射到第二太陽能電池。
[0011] 在本發(fā)明的另一個方面中，分光光學(xué)模塊與收集且聚集入射光的光學(xué)聚光器元件 組合，其中光學(xué)聚光器元件和固體光學(xué)元件的輸入端光學(xué)接觸。
【附圖說明】
[0012] 將參看隨附圖式進一步解釋本發(fā)明，其中在若干視圖中類似結(jié)構(gòu)由類似數(shù)字指 代，并且其中：
[0013] 圖1是本發(fā)明光伏系統(tǒng)的透視圖；
[0014] 圖2是圖I中展示的太陽能電池的平行六面體排列的放大側(cè)面示意圖。
[0015]圖3是圖1中所說明類型的排列成模塊的多個光伏系統(tǒng)的俯視圖；
[0016] 圖4是圖3中所說明的一部分模塊的透視圖；
[0017]圖5是表示使用本發(fā)明光伏系統(tǒng)的聚光度對光學(xué)損耗的例示性影響的曲線圖；
[0018] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的具有單獨電池聚光器W及槽型聚光器的平行六面體排列的 側(cè)視圖；并且
[0019] 圖7是類似于圖6平行六面體排列的但不具有分離槽型聚光器的平行六面體排列 的側(cè)視圖。
【具體實施方式】
[0020] 下文描述的本發(fā)明的實施例并不意圖是窮盡性的或?qū)⒈景l(fā)明限于W下具體實施 方式中所公開的精確形式。