專利名稱：使用多色衍射聚光器的超高效多結(jié)太陽能電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光伏電池領域，具體地，涉及具有多色衍射透鏡的光伏電池，上述多色衍射透鏡分離太陽光光譜然后進行會聚或聚焦，由此將不同的譜帶引導至適當?shù)碾姵亍?br> 在傳統(tǒng)的單結(jié)(single-junction)太陽能電池中，當吸收了能量高于半導體帶隙的光子時，就會產(chǎn)生電荷載流子。這些電荷載流子被吸引至不同的電極，從而產(chǎn)生開路電壓。當電池上連接有負載時，就會有電流流過，因此產(chǎn)生了電能。當光子的能量大于上述帶隙時，超額能量主要是被傳遞給了所生成的自由載流子本身。這些所謂的“熱載流子”通過與半導體的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，以熱量的形式損失掉了上述超額能量的大部分。因此，太陽光光譜的相當大一部分的能量被浪費了。
為了克服上述局限性，使用了多結(jié)(或級聯(lián)式)太陽能電池。在這樣的級聯(lián)式電池中，在單個基板上形成有多層的半導體太陽能電池。調(diào)整這些多層的太陽能電池的帶隙，使得從頂層至底層帶隙能量是降低的。因此，較高能量的光子被最頂層吸收，但光譜的其余部分從最頂層穿過而未被吸收。具有較低帶隙的后續(xù)層(或電池)吸收較低能量的光子。這些多層的電池是串聯(lián)連接的，并且在串聯(lián)得到的整個結(jié)構(gòu)的兩端產(chǎn)生了累積的開路電壓。
然而，這些級聯(lián)式多結(jié)電池存在一些缺點。隨著光從多結(jié)電池中的每一者透射過去，就有一些光會被吸收，這就降低了總的轉(zhuǎn)換效率。在上述級聯(lián)式電池中，子電池是串聯(lián)連接的。電流會受到該串聯(lián)連接中的最低電流的限制。由于各個電池所產(chǎn)生的電流不同， 這極大地降低了可達到的效率。級聯(lián)式多結(jié)電池中需要特別注意的是用于將這些電池串聯(lián)連接起來的隧道結(jié)的設計。透光性(寬的帶隙)與低電阻是不可兼得的。另外，對于半導體級聯(lián)式電池來說，晶格失配也是一個問題。
在級聯(lián)式電池中，很難使用3個以上的子電池。由于使用了深聚焦(tightly focusing)聚光器，因此顯著地減少了太陽能子電池的有效面積。這將會減小材料成本，尤其是子電池結(jié)材料的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面提供了一種光伏電池。所述光伏電池包括聚光器鏡片結(jié)構(gòu)，所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)將太陽光光譜分成多個譜帶。所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)將上述這些譜帶聚焦為多個同心區(qū)域。所述光伏電池還包括多個子電池，各個所述子電池大致位于與由所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的對應譜帶相關聯(lián)的所述同心區(qū)域處。各個所述子電池從對應譜帶存儲或產(chǎn)生能量。
本發(fā)明的另一方面提供了一種光伏電池形成方法。所述形成方法包括如下步驟 形成聚光器鏡片結(jié)構(gòu)，所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)將太陽光光譜分成多個譜帶，且所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)將上述這些譜帶聚焦為多個同心深聚焦環(huán)狀斑點和一個中央圓形斑點。此外，所述形成方法還包括如下步驟形成多個子電池，各個所述子電池大致位于與由所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的對應譜帶相關聯(lián)的所述同心區(qū)域處。各個所述子電池從對應譜帶存儲或產(chǎn)生能量° 本發(fā)明的又一方面提供了一種在光伏電池中的光能存儲方法。所述光能存儲方法包括如下步驟設置聚光器鏡片結(jié)構(gòu)，所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)將太陽光光譜分成多個譜帶。所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)將上述這些譜帶聚焦為多個同心區(qū)域。此外，所述光能存儲方法還包括如下步驟將多個環(huán)形子電池中的每一者大致定位在與由所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的對應譜帶相關聯(lián)的環(huán)狀斑點處。各個所述子電池從對應譜帶存儲或產(chǎn)生能量。
本發(fā)明的再一方面提供了一種光伏存儲結(jié)構(gòu)。所述光伏存儲結(jié)構(gòu)包括多個光伏電池，各個所述光伏電池包括聚光器鏡片結(jié)構(gòu)，所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)將太陽光光譜分成多個譜帶，并將這些譜帶聚焦為多個同心區(qū)域；以及多個子電池，各個所述子電池大致位于與由所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的對應譜帶相關聯(lián)的所述同心區(qū)域處，各個所述子電池從對應譜帶存儲或產(chǎn)生能量。此外，所述光伏存儲結(jié)構(gòu)還包括多個電極，各個所述電極與所述環(huán)形子電池相連接，由此獲取存儲于所述環(huán)形子電池中的能量。
本發(fā)明的另外一個方面提供了一種光伏電池。所述光伏電池包括聚光器鏡片結(jié)構(gòu)，所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)將太陽光光譜分成多個譜帶。所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)將上述這些譜帶聚焦為多個一維區(qū)域。所述光伏電池還包括多個子電池，各個所述子電池大致位于與由所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的對應譜帶相關聯(lián)的所述一維區(qū)域處。各個所述子電池從對應譜帶存儲或產(chǎn)生能量。


圖1是圖示了本發(fā)明的太陽能電池的總體概況的示意圖； 圖2A和圖2B是圖示了本發(fā)明新型光伏電池結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖3A和圖;3B是圖示了本發(fā)明新型光伏電池結(jié)構(gòu)中所使用的電極的示意圖； 圖4是圖示了本發(fā)明所使用的多色透鏡(polychromat lens)的示意圖； 圖5是圖示了本發(fā)明所使用的多色透鏡結(jié)構(gòu)的焦平面的示意圖； 圖6是圖示了本發(fā)明所形成的太陽能電池陣列的示意圖；以及 圖7是圖示了本發(fā)明一種太陽能電池結(jié)構(gòu)的示意圖，該太陽能電池結(jié)構(gòu)中具有一維多色結(jié)構(gòu)和一維太陽能電池陣列100。
具體實施例方式本發(fā)明是一種新型的包含有多色衍射透鏡的太陽能電池或光伏電池，上述多色衍射透鏡分離太陽光光譜然后進行會聚(或聚焦)，由此將不同的譜帶引導至適當?shù)碾姵亍Ｔ擁椥碌脑O計方案能夠?qū)⑻柟夤庾V中明顯較高的部分轉(zhuǎn)換為有用的電能。另外，該設計方案簡化了多結(jié)電池，并且能夠使用平面制造工藝從而降低了制造成本。
圖1是圖示了本發(fā)明的太陽能電池70的總體概況的示意圖。該電池70包括光譜分離元件72、聚光元件74和子電池陣列76。光譜分離元件72將射進來的日光78分為兩個單獨的光譜90和光譜92，每個光譜均與具有下列中心波長λ” λ2.....λ Ν之一的各個譜帶相關聯(lián)。值得注意的是，在本發(fā)明的其他實施例中，光譜分離元件72不是必需的。光譜分離元件72可以是正弦光柵、二元光柵、閃耀光柵或全息元件。
聚光元件74將這些譜帶聚焦為多個同心區(qū)域88。聚光元件74可以是多色透鏡或平凸透鏡，或者可以是任何的正透鏡或波帶片或閃耀波帶片或光子篩。該聚光元件74也可以是由較小元件組成的陣列，各個較小元件將光譜的不同部分會聚到下面的對應電池上。 由子電池84組成的陣列76沿橫向設置在基板82上，使得各個子電池84受到如下的會聚過來的光的照射該會聚過來的光與跟該子電池84的帶隙相對應的譜帶的同心區(qū)域88相關聯(lián)。各個子電池84從各自對應的譜帶產(chǎn)生能量。根據(jù)各個子電池84的最高能量轉(zhuǎn)換效率來選擇譜帶的合適部分。
圖2A示出了本發(fā)明另一實施例的太陽能電池2。該電池2包括聚光器鏡片或多色透鏡4，還包括由沿橫向布置的單結(jié)環(huán)形太陽能子電池組成的陣列6，這些太陽能子電池不一定必需是串聯(lián)連接的。多色透鏡是特別設計的衍射透鏡，它將太陽光光譜3分成先前規(guī)定的譜帶。具有焦距的多色透鏡4還將這些譜帶聚焦為陣列6上的多個同心深聚焦環(huán)狀斑點和一個中央圓形斑點。多色透鏡4也可以被設計成能夠有效地對離軸照射進行聚焦。這將會消除對昂貴的太陽追蹤機構(gòu)的需求。各個子電池6大致位于與由多色透鏡4產(chǎn)生的對應譜帶相關聯(lián)的環(huán)狀斑點處。各個子電池6從它們各自對應的譜帶產(chǎn)生能量。陣列6包括帶隙可被控制的普通電池，其可以是半導體光伏電池、有機光伏電池或任何其它形式的光伏電池。
圖2B示出了子電池6的截面圖，該圖中，視需要，各個環(huán)形子電池6可以具有它自身的一對接觸部，即頂部電極8和底部電極10。支撐著各個環(huán)形子電池6的基板可以作為各個子電池6的共用底部電極10。每個子電池6通過絕緣體7與另一個子電池6相連接。
如圖3A所示底部電極12對于各個子電池18而言可以是分開的，或者如圖所示可以使用共用的底部電極16。頂部電極始終是分開的頂部電極14，并且使用絕緣體15 將各個子電池18連接起來?？梢允褂酶鱾€子電池18的基板作為底部電極，或者也可以另外形成底部電極12或底部電極16。如果各個子電池18是通過底部電極12和埋入式導線而被單獨連接起來的，則分開的電極是有益的。埋入式導線因為不會受到光的影響所以是優(yōu)選的。
多色透鏡是基于在先公開的美國專利申請第MIT 13051號(其全部內(nèi)容被引用而并入本文中)而設計的。多色透鏡是由同心圓環(huán)組成的相位元件，該相位元件中，交替的圓環(huán)相對于彼此是移相的。圖4示出了這種透鏡的示意圖。
多色透鏡結(jié)構(gòu)20包括半徑分別為ri、r2........rM的多個環(huán)區(qū)22，并且這些環(huán)區(qū)的高度為h。焦平面中的特定格式化的強度分布表明了多色透鏡20的設計要求，即多色透鏡20在A1處聚焦亮斑，并且在λ 2處以及其他波長λ3 λ 5處聚集環(huán)狀斑點。多色透鏡20的外側(cè)是不透明的。如圖2Α所示，通過改變交替環(huán)區(qū)之間的高度差來實現(xiàn)相移。該鏡片可以用圓形對稱的傳輸函數(shù)來表述如下。

權(quán)利要求
1.一種光伏電池，其包括聚光器鏡片結(jié)構(gòu)，所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)將太陽光光譜分成多個譜帶，并將所述多個譜帶聚焦為多個同心區(qū)域；以及多個子電池，各個所述子電池大致位于與由所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的對應譜帶相關聯(lián)的所述同心區(qū)域處，各個所述子電池從對應譜帶存儲或產(chǎn)生能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中，所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)包括多色透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中，各個所述子電池包括頂部電極和底部電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光伏電池，其中，各個所述子電池使用共用的底部電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光伏電池，其中，各個所述子電池具有分開的底部電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中，所述多色透鏡對離軸照射進行聚焦。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中，所述子電池含有以半導體為基體的材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中，所述子電池含有以有機物為基體的材料。
9.一種光伏電池形成方法，其包括如下步驟形成聚光器鏡片結(jié)構(gòu)，所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)將太陽光光譜分成多個譜帶，并將所述多個譜帶聚焦為多個同心區(qū)域；以及形成多個子電池，各個所述子電池大致位于與由所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的對應譜帶相關聯(lián)的所述同心區(qū)域處，各個所述子電池從對應譜帶存儲或產(chǎn)生能量。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光伏電池形成方法，其中，所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)包括多色透^Mi O
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光伏電池形成方法，其中，各個所述環(huán)形子電池包括頂部電極和底部電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光伏電池形成方法，其中，各個所述環(huán)形子電池使用共用的底部電極。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光伏電池形成方法，其中，各個所述環(huán)形子電池具有分開的底部電極。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光伏電池形成方法，其中，所述多色透鏡對離軸照射進行聚焦ο
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光伏電池形成方法，其中，所述環(huán)形子電池含有以半導體為基體的材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光伏電池形成方法，其中，所述環(huán)形子電池含有以有機物為基體的材料。
17.一種在光伏電池中存儲光能的方法，其包括如下步驟設置聚光器鏡片結(jié)構(gòu)，所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)將太陽光光譜分成多個譜帶，并將所述多個譜帶聚焦為多個同心區(qū)域；以及將多個環(huán)形子電池中的每一者大致定位在與由所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的對應譜帶相關聯(lián)的環(huán)狀斑點處，各個所述子電池從對應譜帶存儲或產(chǎn)生能量。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)包括多色透鏡。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，各個所述環(huán)形子電池包括頂部電極和底部電極。
20.根據(jù)權(quán)利要19所述的方法，其中，各個所述環(huán)形子電池使用共用的底部電極。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，各個所述環(huán)形子電池具有分開的底部電極。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述多色透鏡能夠?qū)﹄x軸照射進行聚焦。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述環(huán)形子電池含有以半導體為基體的材料。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述環(huán)形子電池含有以有機物為基體的材料。
25.一種光伏存儲結(jié)構(gòu)，其包括多個光伏電池和多個電極， 各個所述光伏電池包括聚光器鏡片結(jié)構(gòu)，所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)將太陽光光譜分成多個譜帶，并將所述多個譜帶聚焦為多個同心區(qū)域；以及多個子電池，各個所述子電池大致位于與由所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的對應譜帶相關聯(lián)的所述同心區(qū)域處，各個所述子電池存儲或產(chǎn)生在對應譜帶處生成的能量，各個所述電極與所述環(huán)形子電池相連接，由此獲取存儲于所述環(huán)形子電池中的能量。
26.一種光伏電池，其包括聚光器鏡片結(jié)構(gòu)，所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)將太陽光光譜分成多個譜帶，并將所述多個譜帶聚焦為多個一維區(qū)域；以及多個子電池，各個所述子電池大致位于與由所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的對應譜帶相關聯(lián)的所述一維區(qū)域處，各個所述子電池從對應譜帶存儲或產(chǎn)生能量。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光伏電池。所述光伏電池包括將太陽光光譜分成多個譜帶的聚光器鏡片結(jié)構(gòu)。所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)將上述這些譜帶聚焦為多個同心深聚焦環(huán)狀斑點和一個中央圓形斑點。多個環(huán)形子電池分別大致位于與由所述聚光器鏡片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的對應譜帶相關聯(lián)的所述環(huán)狀斑點處。各個所述子電池把在對應譜帶處產(chǎn)生的能量存儲起來。
文檔編號H01L31/042GK102187473SQ200980141430
公開日2011年9月14日 申請日期2009年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者拉杰什·梅農(nóng) 申請人:麻省理工學院