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      一種采用光子晶體的色散型太陽能電池的制作方法

      文檔序號:6939803閱讀:139來源:國知局
      專利名稱:一種采用光子晶體的色散型太陽能電池的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明屬于太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域,特別涉及一種提高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池。
      背景技術(shù)
      面向21世紀(jì),人類文明將永無止境地繼續(xù)向前發(fā)展,在文明發(fā)展的過程中,能源科學(xué)和技術(shù)是保障文明發(fā)展的重要的科學(xué)技術(shù)之一。太陽能將是我們所需要的對地球環(huán)境無害且取之不盡用之不竭的綠色能源。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(jìn)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)可以縮小太陽能電池的面積,降低成本,提高接收效率。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大的吸收效率,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)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足,提供一種能夠提高電池的光電轉(zhuǎn)換效
      率且工藝簡單、成本低廉的太陽能電池。為此,本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案 —種采用光子晶體的色散型太陽能電池,包括聚光單元、分光單元和環(huán)狀光伏電
      池組,其中, 聚光單元包括支架,設(shè)置在支架上的聚光反射鏡和固定在聚光反射鏡焦點處的凸
      透鏡,由凸透鏡將從聚光反射鏡反射的光線整形后的光入射到分光單元; 分光單元具有雙錐形的圓對稱結(jié)構(gòu),包括前錐形分光棱鏡和后錐形分光棱鏡,前
      錐形分光棱鏡將入射的光中不同頻率的光譜分開,產(chǎn)生色散后,由后錐形分光棱鏡進(jìn)一步
      分散不同頻率的光譜,不同頻率的光出射角不同,再入射到環(huán)狀光伏電池組; 環(huán)狀光伏電池組由各個不同窄頻帶的基于光子晶體的環(huán)狀光伏電池組成,每個環(huán)
      狀光伏電池為單結(jié)半導(dǎo)體光電池,對應(yīng)的最大吸收峰波長不同,分別對入射到其上的光譜
      吸收效率最高。 作為優(yōu)選實施方式,所述的各個環(huán)狀光伏電池包括耦合層和反射層,所述耦合層由光子晶體重復(fù)單元構(gòu)成,所述的反射層為分布布拉格反射層;它的圓心處不含單結(jié)半導(dǎo)體光電池;各個環(huán)狀光伏電池之間串聯(lián)或者并聯(lián)。 本發(fā)明的實質(zhì)性特點是通過聚光裝置獎太陽光匯聚到色散裝置上面,將廣譜的太陽光的各個不同頻率帶利用色散裝置分散開來,聚焦到不同半徑的環(huán)狀電池上面。各個電池的吸收峰不相同,因此分開的各頻率帶可以在相應(yīng)的電池上面可以獲得最大的轉(zhuǎn)換效率。從而提高整個太陽光的轉(zhuǎn)換效率。 相比于之前的太陽能電池,本發(fā)明采用多個吸收峰不同的單結(jié)太陽能電池相連來吸收廣譜太陽光。每個電池是單結(jié)的,相比于多結(jié)太陽能電池更易于設(shè)計、制作。同時對于整個太陽光譜的吸收也更充分,從而能夠大大提高提高光電轉(zhuǎn)換效率。整個電池采用聚光和雙錐形棱鏡分光設(shè)計,大大減少了所需要的分光棱鏡的體積,和太陽光散開的長度。之前的色散結(jié)構(gòu)采用三角棱鏡,色散后不同頻率的光呈"一"字排開,所需要的分光距離較長,實際所占的遮光面積較大。遮光面積過大,將使聚光型太陽能電池失去意義。本發(fā)明采用雙錐形棱鏡分光單元,將不同頻率帶的光譜色散到對應(yīng)的環(huán)狀光伏電池上面,并且圓心處沒有光伏電池,因此更加節(jié)省材料。


      圖1為本發(fā)明專利一種采用光子晶體的色散型太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本發(fā)明專利的整體外觀圖。 圖3為分光單元與環(huán)狀光伏電池組的結(jié)構(gòu)圖。 圖4為單結(jié)光伏電池的結(jié)構(gòu)圖。
      具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明專利作進(jìn)一步描述 見附圖l,本發(fā)明的太陽能由聚光單元,分光單元以及環(huán)狀光伏電池組組成,環(huán)狀光伏電池組由各不同窄頻帶的基于光子晶體的光伏電池1,2…5構(gòu)成。聚光單元如圖2所示,包括支架1、聚光反射鏡2和凸透鏡3,入射的太陽光首先由聚光反射鏡2聚光到小面積的凸透鏡3上面,凸透鏡3安裝在聚光反射鏡2的焦點處。它可以將匯聚的太陽光變成平行光射入分光單元上面。 分光單元與光伏電池組的結(jié)構(gòu)如圖3所示,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4和后錐形分光棱鏡5。它的前錐形分光棱鏡4可以將廣譜太陽光中不同頻率的光譜分開,產(chǎn)生色散,后錐形分光棱鏡5能夠進(jìn)一步將不同頻率的光分開,使得出射光入射到光伏電池上面。不同的頻率的光圓對稱的色散到光伏電池組6上面,光伏電池組6由各個半徑不同的光伏電池1,2…n構(gòu)成(圖中的編號7,8,9,10分別標(biāo)識環(huán)狀光伏電池1,2和n以及中間波段光伏電池),而圓心處沒有入射光,因此也沒有放置光伏電池。構(gòu)成光伏電池組的各個環(huán)狀光伏電池l,2…n的最大吸收頻率不同,由分光棱鏡射出的不同頻率的光對應(yīng)入射到各個環(huán)狀光伏電池1,2…n上面,最大效率的完成各頻率光譜分量的光電轉(zhuǎn)換。環(huán)狀光伏電池1,2…n分別為單結(jié)的半導(dǎo)體光電池,對特定頻率吸收效率很高。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(jìn)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。同時中心處沒有電池,可以減少原材料的耗費(fèi)。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
      能的頻率分開,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(dá)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。 單結(jié)半導(dǎo)體材料的太陽能電池的內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率可以高達(dá)50%,其基本能量損失表
      現(xiàn)在入射光譜和吸收光譜的不匹配,包括子帶隙的損失以及熱損失等。現(xiàn)在研制的太陽能
      電池也有采用多結(jié)結(jié)構(gòu),不同的結(jié)對應(yīng)不同的吸收頻率,較傳統(tǒng)的單結(jié)光伏電池,多結(jié)結(jié)構(gòu)
      提高太陽光譜的吸收和電池的轉(zhuǎn)換效率,但是制作相對復(fù)雜,成本高。同時對于聚光型太陽
      能電池來說,多結(jié)結(jié)構(gòu)雖然提高了對太陽光譜的吸收和轉(zhuǎn)換效率,但能量過于集中,發(fā)熱嚴(yán)
      重,可能威脅系統(tǒng)的長期可靠性。本發(fā)明中光伏電池的特點在于采用了單結(jié)結(jié)構(gòu),只需要對
      一個窄頻帶光譜有最佳的吸收效率。同時為了提高單結(jié)光伏電池的效率,引入光子晶體結(jié)
      構(gòu),通過設(shè)定光子晶體中重復(fù)單元的形狀,間隔,大小,光子晶體層的厚度等,對特定的窄帶
      頻率的光能夠最大限度的吸收并轉(zhuǎn)換成電能。從而使得對于廣譜的太陽光能夠達(dá)到最大的
      轉(zhuǎn)換效率。以前雖然已經(jīng)有采用光子晶體結(jié)構(gòu)提高太陽光電池轉(zhuǎn)換效率的報道,但對于廣
      譜的太陽光,光子晶體的作用還不能夠充分發(fā)揮,而對特定的窄帶光譜,通過光子晶體的最
      優(yōu)化設(shè)計就可以達(dá)到最大光電轉(zhuǎn)換效率。
      權(quán)利要求
      一種采用光子晶體的色散型太陽能電池,包括聚光單元、分光單元和環(huán)狀光伏電池組,其中,聚光單元包括支架,設(shè)置在支架上的聚光反射鏡和固定在聚光反射鏡焦點處的凸透鏡,由凸透鏡將從聚光反射鏡反射的光線整形后的光入射到分光單元;分光單元具有雙錐形的圓對稱結(jié)構(gòu),包括前錐形分光棱鏡和后錐形分光棱鏡,前錐形分光棱鏡將入射的光中不同頻率的光譜分開,產(chǎn)生色散后,由后錐形分光棱鏡進(jìn)一步分散不同頻率的光譜,不同頻率的光出射角不同,再入射到環(huán)狀光伏電池組;環(huán)狀光伏電池組由各個不同窄頻帶的基于光子晶體的環(huán)狀光伏電池組成,每個環(huán)狀光伏電池為單結(jié)半導(dǎo)體光電池,對應(yīng)的最大吸收峰波長不同,分別對入射到其上的光譜吸收效率最高。
      2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用光子晶體的色散型太陽能電池,其特征在于,所述的各個環(huán)狀光伏電池包括耦合層和反射層,所述耦合層由光子晶體重復(fù)單元構(gòu)成,所述的反射層為分布布拉格反射層。
      3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采用光子晶體的色散型太陽能電池,其特征在于,它的圓心處不含單結(jié)半導(dǎo)體光電池。
      4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的采用光子晶體的色散型太陽能電池,其特征在于,各個環(huán)狀光伏電池之間串聯(lián)或者并聯(lián)。
      全文摘要
      本發(fā)明屬于太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域,一種采用光子晶體的色散型太陽能電池包括聚光單元、分光單元、環(huán)狀光伏電池組,其分光單元實際是一種色散裝置,它具有雙錐形的圓對稱結(jié)構(gòu),可以將廣譜太陽光中不同頻率分量分開,且不同頻率的出射角度不相同;環(huán)狀光伏電池組是一系列單結(jié)光伏電池,且為環(huán)狀結(jié)構(gòu)的外觀,各個電池的最大吸收峰波長不同。本發(fā)明引入光子晶體結(jié)構(gòu)來提高光電轉(zhuǎn)換效率,從而進(jìn)一步提高整個太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。
      文檔編號H01L31/052GK101777596SQ20101003138
      公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月19日
      發(fā)明者劉 文, 徐智謀, 李靖娟, 汪毅, 王磊, 趙彥立, 邵晶, 龔貽文 申請人:華中科技大學(xué)
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