一種應(yīng)用在高效太陽(yáng)電池中的新型聚光分光集成系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種應(yīng)用在高效太陽(yáng)電池中的新型聚光分光集成系統(tǒng)，該新型聚光分光集成系統(tǒng)包括聚光系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、光伏電池；所述聚光系統(tǒng)包括低倍廣角聚光元件；分光系統(tǒng)包括光譜分解元件a、光譜分解元件b；光伏電池包括子電池a、子電池b、子電池c；所述分光系統(tǒng)的光譜分解元件a、光譜分解元件b為二色鏡；本聚光分光集成系統(tǒng)將各元器件封裝在一個(gè)封閉空間內(nèi)，子電池分別固定在底面或側(cè)壁上，二色鏡懸空固定于光路上，低倍廣角聚光元件固定在封閉空間的頂部。本發(fā)明擴(kuò)展了高效光伏電池材料、器件結(jié)構(gòu)和制作工藝的選擇空間，還可以在優(yōu)化單位面積輸出功率的同時(shí)有效降低聚光倍數(shù)，不需要常規(guī)聚光光伏系統(tǒng)中的散熱裝置。
【專利說明】一種應(yīng)用在高效太陽(yáng)電池中的新型聚光分光集成系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用在高效太陽(yáng)電池中的新型聚光分光集成系統(tǒng)，屬半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機(jī)和大氣污染問題日益突出，太陽(yáng)能作為理想的可再生能源受到了越來越多國(guó)家的重視，開展太陽(yáng)能電池研究、發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)對(duì)國(guó)家能源的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。目前，太陽(yáng)能電池的面臨的主要問題為光電轉(zhuǎn)換效率較低，性價(jià)比不高，不能滿足大規(guī)模民用的需求。商用太陽(yáng)能電池中，單晶硅和多晶硅電池約占90%的市場(chǎng)份額。商用單晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率約為16% -20%，多晶硅電池約為14% -16%。其光電轉(zhuǎn)換效率均有待提高。
[0003]目前，研究人員主要采用聚光技術(shù)和多結(jié)疊層電池技術(shù)來提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。其中，聚光系統(tǒng)中必需的散熱設(shè)備和對(duì)日跟蹤設(shè)備加大了光伏系統(tǒng)的制作難度，同時(shí)增加了系統(tǒng)集成的成本；多結(jié)疊層電池系統(tǒng)中各電池單元之間的電流匹配、晶格匹配、隧道結(jié)、串聯(lián)電阻等問題也在很大程度上限制了光伏材料的選擇范圍，使得光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率難以得到進(jìn)一步的提聞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種新型聚光分光集成系統(tǒng)由低倍廣角聚光元件和光譜分解元件構(gòu)成采用全息技術(shù)收集天空中大多數(shù)漫散射光線；采用光譜分解技術(shù)將太陽(yáng)光譜中不同波長(zhǎng)的光引導(dǎo)到對(duì)應(yīng)響應(yīng)波長(zhǎng)的太陽(yáng)電池單元上。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種應(yīng)用在高效太陽(yáng)電池中的新型聚光分光集成系統(tǒng)，該新型聚光分光集成系統(tǒng)包括聚光系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、光伏電池；所述聚光系統(tǒng)包括低倍廣角聚光元件6 ;分光系統(tǒng)包括光譜分解元件a4、光譜分解元件b5 ;光伏電池包括子電池al、子電池b2、子電池c3 ;所述分光系統(tǒng)的光譜分解元件a4、光譜分解元件b5為二色鏡。
[0006]本聚光分光集成系統(tǒng)將各兀器件封裝在一個(gè)封閉空間內(nèi)，子電池分別固定在底面或側(cè)壁上，二色鏡懸空固定于光路上，低倍廣角聚光元件6固定在封閉空間的頂部。
[0007]所述光伏電池的子電池al、子電池b2、子電池c3為基于不同半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)制作的響應(yīng)波段不同的多結(jié)太陽(yáng)電池，如S1、Ge、GaAs, GaInP, GaInN材料、以及薄膜電池；其響應(yīng)波段需要和低倍廣角聚光元件6、光譜分解元件a4、光譜分解元件b5的輸出光譜特性相匹配。
[0008]聚光系統(tǒng)為選用重鉻酸鹽或溴化銀等適宜的全息感光材料，通過先進(jìn)的鍍膜設(shè)備制備低倍廣角靜態(tài)聚光元件。通過聚光系統(tǒng)可以收集空中大多數(shù)漫散射光線，不需要復(fù)雜的跟蹤裝置；平鋪的光伏模塊可以降低電池基體的工作溫度。
[0009]分光系統(tǒng)為選擇合適的鏡片材料和鍍膜材料制備二色鏡。采用二色鏡來分光，二色鏡能將一定波段的光線完全反射，而將其余波段的光線透射過去。選取適宜的鏡片材料和鍍膜材料，通過對(duì)相應(yīng)波長(zhǎng)透射比的有效控制，獲得滿足要求的分光二色鏡?？梢杂行П苊鈱盈B多結(jié)電池中各電池串聯(lián)帶來的一系列問題，如結(jié)與結(jié)之間的電流匹配、晶格失配、隧道結(jié)、緩沖層設(shè)計(jì)，以及由此造成的電池制作工藝的復(fù)雜化和成品率的下降等，此外還可以減小層疊多結(jié)電池中光自上而下傳輸過程中所產(chǎn)生的能量損失。
[0010]新型聚光分光集成系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)是每個(gè)子電池都是互相獨(dú)立的，所以本系統(tǒng)可以采用任意形式的太陽(yáng)電池，如:
[0011 ] 第一代太陽(yáng)電池:晶體硅電池；
[0012]第二代太陽(yáng)電池:各種薄膜電池。包括非晶硅薄膜電池(a-si)、碲化鎘太陽(yáng)電池(CdTe)、銅銦鎵硒太陽(yáng)電池(CIGS)、砷化鎵太陽(yáng)電池、納米二氧化鈦染料敏化太陽(yáng)電池等；
[0013]第三代太陽(yáng)電池:各種超疊層太陽(yáng)電池、熱光伏電池(TPV)、量子阱及量子點(diǎn)超晶格太陽(yáng)電池、中間帶太陽(yáng)電池、上轉(zhuǎn)換太陽(yáng)電池、下轉(zhuǎn)換太陽(yáng)電池、熱載流子太陽(yáng)電池、碰撞離化太陽(yáng)電池等新概念太陽(yáng)電池。
[0014]當(dāng)光線照射到低倍廣角聚光元件6上時(shí)，空中大多數(shù)漫散射光線將被收集起來并聚集。聚集后的光線入射到光譜分解元件a4上，根據(jù)光譜分解元件a4的特性，一部分光線透過光譜分解元件a4射入子電池al，另一部分光線經(jīng)過光譜分解元件反射入光譜分解元件b5。根據(jù)光譜分解元件b5的特性，一部分光線透過光譜分解元件b5射入子電池c3，另一部分光線經(jīng)過光譜分解元件反射入子電池b2。通過光譜分解元件a4和光譜分解元件b5，不同波長(zhǎng)(能量)的光線被分開，分別被對(duì)應(yīng)的禁帶寬度的子電池吸收。通過金屬線將子電池中的電流導(dǎo)出。
[0015]所述聚光系統(tǒng)為平鋪式的靜態(tài)聚光系統(tǒng)，低倍廣角聚光元件6采用重鉻酸鹽或溴化銀全息感光材料。
[0016]技術(shù)問題是通過以下解決方案實(shí)現(xiàn)的:如圖1所示是靜態(tài)聚光的復(fù)合全息原理示意圖。
[0017]1、新型低倍廣角聚光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
[0018]設(shè)計(jì)平鋪式的靜態(tài)聚光系統(tǒng)，包含一個(gè)靜止的寬接收角光學(xué)系統(tǒng)，以提高太陽(yáng)電池表面的光功率密度。可選取重鉻酸鹽或溴化銀等全息感光材料，通過光柵設(shè)計(jì)、消象差設(shè)計(jì)提高元件的衍射效率，并利用高精度真空鍍膜設(shè)備、雙面精度拋光機(jī)制備出低倍廣角聚光元件。靜態(tài)聚光系統(tǒng)可以收集天空中大多數(shù)漫散射光線，不需要復(fù)雜的跟蹤裝置；平鋪的光伏模塊可以降低電池基體的工作溫度。
[0019]2、新型分光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
[0020]采用二色鏡來分光，二色鏡能將一定波段的光線完全反射，而將其余波段的光線透射過去。選取適宜的鏡片材料和鍍膜材料，通過對(duì)相應(yīng)波長(zhǎng)透射比的有效控制，獲得滿足要求的分光二色鏡?？梢杂行П苊鈱盈B多結(jié)電池中各電池串聯(lián)帶來的一系列問題，如結(jié)與結(jié)之間的電流匹配、晶格失配、隧道結(jié)、緩沖層設(shè)計(jì)等，以及由此造成的電池制作工藝的復(fù)雜化和成品率的下降等，此外還可以減小層疊多結(jié)電池中光自上而下傳輸過程中所產(chǎn)生的能量損失。
[0021]3、聚光分光系統(tǒng)和光伏電池的集成設(shè)計(jì)
[0022]基于不同半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)制作的響應(yīng)波段不同的多結(jié)太陽(yáng)電池，如S1、Ge、GaAs,GaInP, GaInN等材料。其響應(yīng)波段需要和靜態(tài)廣角聚光系統(tǒng)、二色鏡的輸出光譜特性相匹配，這是提高電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。
[0023]本發(fā)明提出的新型聚光分光集成系統(tǒng)由低倍廣角聚光元件和光譜分解元件構(gòu)成采用全息技術(shù)收集天空中大多數(shù)漫散射光線，不需要復(fù)雜的跟蹤裝置；采用光譜分解技術(shù)將太陽(yáng)光譜中不同波長(zhǎng)的光引導(dǎo)到對(duì)應(yīng)響應(yīng)波長(zhǎng)的太陽(yáng)電池單元上，在減小光譜區(qū)的不匹配造成的損失、提高光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，擴(kuò)展了高效光伏電池材料、器件結(jié)構(gòu)和制作工藝的選擇空間，還可以在優(yōu)化單位面積輸出功率的同時(shí)有效降低聚光倍數(shù)，不需要常規(guī)聚光光伏系統(tǒng)中的散熱裝置。可以獲得高光電轉(zhuǎn)換效率、高可靠性、低成本的太陽(yáng)電池集成系統(tǒng)，這對(duì)于加快我國(guó)在高效太陽(yáng)電池方面的新技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化步伐，提升我國(guó)在高效太陽(yáng)電池領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力和核心競(jìng)爭(zhēng)力，以及支撐我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展都有著十分重要的戰(zhàn)略意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是靜態(tài)聚光的復(fù)合全息原理示意圖。
[0025]圖2是新型聚光分光集成光伏系統(tǒng)單元原理三束分光示意圖。
[0026]圖3是新型聚光分光集成光伏系統(tǒng)單元原理二束分光示意圖。
[0027]圖中:1、子電池a，2、子電池b，3、子電池c，4、光譜分解元件a，5、光譜分解元件b，6、低倍廣角聚光元件。

【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0029]實(shí)施例一:參見附圖2-3所示，一種新型聚光分光集成系統(tǒng)在高效太陽(yáng)電池中的應(yīng)用的制備方法，包括下列步驟:
[0030]1、選用重鉻酸鹽或溴化銀等適宜的全息感光材料，通過先進(jìn)的鍍膜設(shè)備制備低倍廣角靜態(tài)聚光元件。
[0031]2、選擇合適的鏡片材料和鍍膜材料制備二色鏡，使得鏡片在一定角度內(nèi)對(duì)特定波長(zhǎng)范圍的光完全反射或衍射。
[0032]3、選用兩種適宜的二色鏡制備出三束分光元件，將入射光分為<520nm、520-880nm和>880nm三束。
[0033]4、根據(jù)引導(dǎo)三束光的波長(zhǎng)選擇對(duì)應(yīng)的電池，如Si電池、GaAs/GalnP電池和InGaN電池等。
[0034]5、通過金屬連線將光生電流導(dǎo)出。
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用在高效太陽(yáng)電池中的新型聚光分光集成系統(tǒng)，其特征在于:該聚光分光集成系統(tǒng)包括聚光系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、光伏電池；所述聚光系統(tǒng)包括低倍廣角聚光兀件(6);分光系統(tǒng)包括光譜分解元件a(4)、光譜分解元件b(5);光伏電池包括子電池a(l)、子電池b(2)、子電池c(3);所述分光系統(tǒng)的光譜分解元件a (4)、光譜分解元件b (5)為二色鏡； 本聚光分光集成系統(tǒng)將各元器件封裝在一個(gè)封閉空間內(nèi)，子電池分別固定在底面或側(cè)壁上，二色鏡懸空固定于光路上，低倍廣角聚光元件(6)固定在封閉空間的頂部； 所述光伏電池的子電池a(l)、子電池b (2)、子電池c (3)為基于不同半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)制作的響應(yīng)波段不同的多結(jié)太陽(yáng)電池，如S1、Ge、GaAs, GaInP, GaInN材料、以及薄膜電池；其響應(yīng)波段需要和低倍廣角聚光元件出)、光譜分解元件a (4)、光譜分解元件b (5)的輸出光譜特性相匹配； 聚光系統(tǒng)為選用重鉻酸鹽或溴化銀等適宜的全息感光材料，通過先進(jìn)的鍍膜設(shè)備制備低倍廣角靜態(tài)聚光元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用在高效太陽(yáng)電池中的新型聚光分光集成系統(tǒng)，其特征在于:當(dāng)光線照射到低倍廣角聚光元件(6)上時(shí)，空中大多數(shù)漫散射光線將被收集起來并聚集；聚集后的光線入射到光譜分解元件a(4)上，根據(jù)光譜分解元件a(4)的特性，一部分光線透過光譜分解元件a (4)射入子電池a (I)，另一部分光線經(jīng)過光譜分解元件反射入光譜分解元件b (5);根據(jù)光譜分解元件b (5)的特性，一部分光線透過光譜分解元件b (5)射入子電池c (3)，另一部分光線經(jīng)過光譜分解元件反射入子電池b (2);通過光譜分解元件a(4)和光譜分解元件b (5)，不同波長(zhǎng)的光線被分開，分別被對(duì)應(yīng)的禁帶寬度的子電池吸收；通過金屬線將子電池中的電流導(dǎo)出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用在高效太陽(yáng)電池中的新型聚光分光集成系統(tǒng)，其特征在于:所述聚光系統(tǒng)為平鋪式的靜態(tài)聚光系統(tǒng)，低倍廣角聚光元件(6)采用重鉻酸鹽或溴化銀全息感光材料。
【文檔編號(hào)】H02S40/22GK104393830SQ201410540166
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】王智勇, 楊光輝, 張楊, 劉友強(qiáng), 陳丙振, 代明崇 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)