由用于光處理的光電光子平臺(tái)、光子轉(zhuǎn)換器和用于形成太陽光轉(zhuǎn)換器的一個(gè)或多個(gè)光電 ...的制作方法
【專利說明】由用于光處理的光電光子平臺(tái)、光子轉(zhuǎn)換器和用于形成太陽光轉(zhuǎn)換器的一個(gè)或多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的光電裝置
[0001 ]發(fā)明定義
[0002]本發(fā)明是一種由光處理的光電光子平臺(tái),一個(gè)或多個(gè)光子轉(zhuǎn)換器和一個(gè)但更經(jīng)常幾個(gè)光電轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的光電裝置。
[0003]光電光子平臺(tái)包括至少一個(gè)平面襯底,其具有至少一個(gè)微米或納米結(jié)構(gòu)化表面,形成具有斜肋和模塊化特征的衍射光柵,其用于將光譜分散成光譜子帶,而不管其入射角。因此,入射角的光譜子帶分開進(jìn)行處理,并且每一個(gè)指向?qū)S霉怆娹D(zhuǎn)換器的指定表面,所述光電轉(zhuǎn)換器配置為具有最高可能的轉(zhuǎn)換效率。
[0004]為了聚光效果,光電光子平臺(tái)的光學(xué)部件是選擇性的微米或納米結(jié)構(gòu)的衍射系統(tǒng)。其結(jié)合兩個(gè)光子轉(zhuǎn)換器,所述光子轉(zhuǎn)換器用于將紫外輻射和紅外輻射轉(zhuǎn)換為可見光譜子帶,每個(gè)光譜子帶指向下游的專用光電轉(zhuǎn)換器,對(duì)于每個(gè)出現(xiàn)的光譜子帶所述專用光電轉(zhuǎn)換器具有最佳性能。
[0005]然后,組件由用于光處理的光電光子平臺(tái)和光電轉(zhuǎn)換單元構(gòu)成,所述光電轉(zhuǎn)換單元由用于獲得高性能光伏器件的一個(gè)或多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。
[0006]光電光子平臺(tái)基本上捕獲和聚集可見光和不可見光的入射太陽輻射的所有光譜分量或子帶,并且然后將他們引導(dǎo)到相關(guān)聯(lián)的光電轉(zhuǎn)換器以轉(zhuǎn)換最大可能量的入射光子能量,從而獲得最大可能的總收率。
[0007]技術(shù)問題
[0008]由目前市場可用的光伏傳感器所產(chǎn)生的電能是比較小的,主要是因?yàn)樗麄兊妮^低效率,而且也因?yàn)樗麄兿鄬?duì)于太陽的固定位置,其恒速運(yùn)動(dòng)引起由角度失調(diào)造成的損失。
[0009]當(dāng)他們的前表面垂直地暴露于陽光下時(shí),這些傳統(tǒng)光伏電池的總收率是最大的。然而,在全天的時(shí)間和整個(gè)季節(jié)中,太陽的傾斜角是連續(xù)變化的。即使選擇傳感器的位置,使得他們盡可能長的接收太陽輻射,但是在白天期間這個(gè)輻射的很大一部分不能被轉(zhuǎn)換為電能,因?yàn)檫@些傳感器的不靈活性以及輸入光線的或多或少“掠角反射”。
[0010]當(dāng)太陽輻射在地平線下面或散射時(shí),當(dāng)天空是陰天時(shí)或者當(dāng)太陽輻射由于懸浮氣溶膠而衰減或者由于包括那些在高海拔的云層而散射時(shí),護(hù)著當(dāng)輻射直接到達(dá)傳感器時(shí),問題就出現(xiàn)了。在這些情況下,由于為了轉(zhuǎn)換失去了太陽輻射的大部分光子能量,因此所產(chǎn)生的電量小。
[0011]當(dāng)前太陽能光伏的低產(chǎn)率是10-20%的量級(jí)。這個(gè)性能的較低性還以其他的方式產(chǎn)生。
[0012]太陽光涵蓋寬廣的光譜,由包含多種波長(從而包含不同的光子能量)的很多光譜子帶組成,其不能以相同的方式全部被轉(zhuǎn)換為電能。
[0013]對(duì)于任何當(dāng)前用于產(chǎn)生光伏電能的轉(zhuǎn)換器,由入射太陽輻射的光子提供的能量必須足以釋放電子。
[0014]科學(xué)家熟知的基本條件是:當(dāng)入射光子的能量超過在形成光伏轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體材料的禁帶隙時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換。電子可以被釋放并且表現(xiàn)為電流。
[0015]因此,具有小于形成光伏轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體材料的帶隙能量的光子能量的光譜分量或光譜子帶不能釋放電子。
[0016]另一方面,其光子能量大于光伏轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體材料的帶隙的光譜子帶的輻射釋放與那些具有與帶隙能量完全對(duì)應(yīng)的能量的光子相同數(shù)量的電子。這些高能量光譜子帶的額外光子能量無法用于釋放額外的電子。
[0017]此外,如果入射太陽輻射的可見光部分至少部分地被當(dāng)前光伏轉(zhuǎn)換器使用,那么紅外線光譜子帶的能量完全不轉(zhuǎn)換,使得紫外線子帶的能量不充分地轉(zhuǎn)換為電能,并且因此他們帶來大量的熱量,這對(duì)于傳感器和相關(guān)裝置是有害的。
[0018]因此,由輸入太陽輻射提供的大多數(shù)光子能量損失,這解釋了有資格作為太陽能光伏的現(xiàn)有傳感器的較差性能。
[0019]光電光子平臺(tái)光譜地轉(zhuǎn)換紫外線和紅外線輻射,整個(gè)拆分入射太陽輻射,并且通過光譜子帶將其引導(dǎo)到為每個(gè)光譜子帶進(jìn)行優(yōu)化的光電轉(zhuǎn)換器上,這使得這種新光伏傳感器具有高得多的總產(chǎn)率。
現(xiàn)有技術(shù)
[0020]在試圖解決現(xiàn)有技術(shù)的低效率中,已經(jīng)提出了將這些早期的光伏轉(zhuǎn)換器安裝在太陽跟蹤系統(tǒng)上,在白天盡可能長的定向他們以保持他們完全暴露在太陽下。
[0021]這些跟蹤系統(tǒng)有使得有可能增加由光伏轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的能量總量,但是以幾個(gè)缺點(diǎn)為代價(jià)。跟蹤系統(tǒng)時(shí)復(fù)雜的,難以安裝和維護(hù),主要由于他們的可移動(dòng)機(jī)構(gòu)而易碎和相當(dāng)昂蟲貝ο
[0022]還存在用于聚集太陽能的靜態(tài)裝置。然而這些裝置是繁瑣的,并且需要大量的感測表面,其限制在房屋的屋頂安裝的可能性。
[0023]透鏡已經(jīng)被用于將太陽輻射聚集到光伏轉(zhuǎn)換器,例如一套多個(gè)并列的匯聚透鏡,但是他們不恢復(fù)更多能量,然后使其落在他們身上。這些系統(tǒng)主要用于加熱水。
[0024]本發(fā)明通過特定的優(yōu)化衍射數(shù)字光柵來聚集陽光。衍射光學(xué)最早由模擬方式進(jìn)行,利用全息技術(shù)的資源,遵循丹尼斯.伽博在1971年獲得諾貝爾將的原則。但是如果這個(gè)模擬方法構(gòu)成用于成形波陣面的衍射光學(xué)證明,特別是用于太陽能應(yīng)用中,其性能是有限的。另外,所獲得的衍射元件在大型串聯(lián)中是不可再現(xiàn)的。
[0025]自80年代中期,衍射光學(xué)已經(jīng)數(shù)字化,其已經(jīng)擴(kuò)展適用于太陽能領(lǐng)域,但是還具有兩個(gè)缺點(diǎn):
[0026]-標(biāo)量建模減輕從光學(xué)對(duì)稱軸移開的機(jī)會(huì)非常小,
[0027]-模式復(fù)制是能用塑料制成。
[0028]利用條紋的衍射技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)通過新的理論可能性增加了在陽光下的性能。制造干涉條紋衍射元件需要特定技術(shù)和特別昂貴的機(jī)器的困難已經(jīng)限制了預(yù)期收益。因此,這種技術(shù)從未被大規(guī)模開發(fā)。
[0029]本發(fā)明的簡要描述
[0030]光電裝置包括用于光處理的光電光子平臺(tái),其采取透明支承的形式,所述透明支承可以是平面形式,并且用透明介電材料來實(shí)現(xiàn),所述透明介電材料包括的衍射聚光器的網(wǎng)絡(luò),所述衍射聚光器具有光學(xué)數(shù)字肋或者傾斜和調(diào)制條紋,其用于收集最多的太陽光,而不管其入射角。其將入射光分散成多個(gè)光譜子帶,并且重新排列在最佳效率的光譜子帶中那些無效或熱有害的光譜子帶。接著,其引導(dǎo)和單獨(dú)地聚焦每個(gè)光譜子帶到相關(guān)聯(lián)的光電轉(zhuǎn)換器的前表面的接收區(qū)域上。給定的轉(zhuǎn)換器為光譜子帶進(jìn)行優(yōu)化。整個(gè)系統(tǒng)形成高性能的光伏傳感器。
[0031]光電光子平臺(tái)包括用于將紫外線和紅外線輻射轉(zhuǎn)換為可見光輻射的裝置以及至少一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器。這允許通過增加光電轉(zhuǎn)換的找那個(gè)效率來更好的利用太陽光譜。
[0032]因此,光電光子平臺(tái)是衍射數(shù)字聚光器,其與至少兩個(gè)光子轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)。一個(gè)轉(zhuǎn)換紫外線輻射和另一個(gè)轉(zhuǎn)換紅外線輻射成光譜子帶:可見光或近紅外光。這樣,每個(gè)接收光譜子帶輻射的光電轉(zhuǎn)換器達(dá)到良好的效率。
[0033]光電光子平臺(tái)的數(shù)字衍射微米或納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)太陽光處理的不同功能。他們將入射光分散成多個(gè)光譜子帶,每個(gè)對(duì)應(yīng)于有限寬度的選定光譜子帶,并且彼此獨(dú)立地引導(dǎo)每個(gè)這些光譜子帶,以及將他們聚集到光電光子平臺(tái)的指定輸出區(qū)域。光譜子帶然后被投影為具有對(duì)應(yīng)于所分配光電轉(zhuǎn)換器的表面的形狀、尺寸和位置的光點(diǎn),所述光電轉(zhuǎn)換器被適當(dāng)?shù)牟迦牍馐穆窂缴稀?br>[0034]然后入射光在途中被處理以從太陽能產(chǎn)生最大功率。對(duì)于太陽光的每個(gè)光譜子帶分量這是事實(shí):太陽光的可見光和不可見光獨(dú)立地入射到平臺(tái)上。所有這些集成功能導(dǎo)致效率超過當(dāng)前安裝的太陽能板。
[0035]本發(fā)明的優(yōu)勢
[0036]如本發(fā)明中所描述的光電光子單元是一個(gè)純粹的光學(xué)裝置,其允許考慮到全部光采集和光聚集功能,