CN101777596B - 一种采用光子晶体的色散型太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能光伏发电领域，一种采用光子晶体的色散型太阳能电池包括：聚光单元、分光单元、环状光伏电池组，其分光单元实际是一种色散装置，它具有双锥形的圆对称结构，可以将广谱太阳光中不同频率分量分开，且不同频率的出射角度不相同；环状光伏电池组是一系列单结光伏电池，且为环状结构的外观，各个电池的最大吸收峰波长不同。本发明引入引入光子晶体结构来提高光电转换效率，从而进一步提高整个太阳能电池的转换效率。

Description

一种采用光子晶体的色散型太阳能电池

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电领域，特别涉及一种提高光电转换效率的太阳能电池。

背景技术

面向21世纪，人类文明将永无止境地继续向前发展，在文明发展的过程中，能源科学和技术是保障文明发展的重要的科学技术之一。太阳能将是我们所需要的对地球环境无害且取之不尽用之不竭的绿色能源。尽管太阳能电池在制造以及应用方面日益成熟，但是还存在着许多问题，比如进一步提高效率仍然存在瓶颈，每单位发电成本仍然昂贵。因此实现大规模推广普及应用还有一定困难。

研究发现采用聚光技术可以缩小太阳能电池的面积，降低成本，提高接收效率。由于太阳光的广谱特性，而单结太阳能电池对特定窄谱的光有较大的吸收效率，使得光能利用率不够高。因此有多结串联太阳能电池的提出，各个结对应不同的波段有各自的吸收峰，可以增加光伏电池的效率。但是外延生长多层结构，工艺复杂。

太阳能光伏电池在不断发展，提高光电转换效率，降低材料和工艺成本是推动太阳能电池发展的主要动力。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种能够提高电池的光电转换效率且工艺简单、成本低廉的太阳能电池。为此，本发明采用如下的技术方案：

一种采用光子晶体的色散型太阳能电池，包括聚光单元、分光单元和环状光伏电池组，其中，

聚光单元包括支架，设置在支架上的聚光反射镜和固定在聚光反射镜焦点处的凸透镜，由凸透镜将从聚光反射镜反射的光线整形后的光入射到分光单元；

分光单元具有双锥形的圆对称结构，包括前锥形分光棱镜和后锥形分光棱镜，前锥形分光棱镜将入射的光中不同频率的光谱分开，产生色散后，由后锥形分光棱镜进一步分散不同频率的光谱，不同频率的光出射角不同，再入射到环状光伏电池组；

环状光伏电池组由各个不同窄频带的基于光子晶体的环状光伏电池组成，每个环状光伏电池为单结半导体光电池，对应的最大吸收峰波长不同，分别对入射到其上的光谱吸收效率最高。

作为优选实施方式，所述的各个环状光伏电池包括耦合层和反射层，所述耦合层由光子晶体重复单元构成，所述的反射层为分布布拉格反射层；它的圆心处不含单结半导体光电池；各个环状光伏电池之间串联或者并联。

本发明的实质性特点是：通过聚光装置奖太阳光汇聚到色散装置上面，将广谱的太阳光的各个不同频率带利用色散装置分散开来，聚焦到不同半径的环状电池上面。各个电池的吸收峰不相同，因此分开的各频率带可以在相应的电池上面可以获得最大的转换效率。从而提高整个太阳光的转换效率。

相比于之前的太阳能电池，本发明采用多个吸收峰不同的单结太阳能电池相连来吸收广谱太阳光。每个电池是单结的，相比于多结太阳能电池更易于设计、制作。同时对于整个太阳光谱的吸收也更充分，从而能够大大提高提高光电转换效率。整个电池采用聚光和双锥形棱镜分光设计，大大减少了所需要的分光棱镜的体积，和太阳光散开的长度。之前的色散结构采用三角棱镜，色散后不同频率的光呈“一”字排开，所需要的分光距离较长，实际所占的遮光面积较大。遮光面积过大，将使聚光型太阳能电池失去意义。本发明采用双锥形棱镜分光单元，将不同频率带的光谱色散到对应的环状光伏电池上面，并且圆心处没有光伏电池，因此更加节省材料。

附图说明

图1为本发明专利一种采用光子晶体的色散型太阳能电池的结构示意图。

图2为本发明专利的整体外观图。

图3为分光单元与环状光伏电池组的结构图。

图4为单结光伏电池的结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明专利作进一步描述：

见附图1，本发明的太阳能由聚光单元，分光单元以及环状光伏电池组组成，环状光伏电池组由各不同窄频带的基于光子晶体的光伏电池1，2…5构成。聚光单元如图2所示，包括支架1、聚光反射镜2和凸透镜3，入射的太阳光首先由聚光反射镜2聚光到小面积的凸透镜3上面，凸透镜3安装在聚光反射镜2的焦点处。它可以将汇聚的太阳光变成平行光射入分光单元上面。

分光单元与光伏电池组的结构如图3所示，分光单元是双锥形分光棱镜结构。它是一种色散装置，包括前锥形分光棱镜4和后锥形分光棱镜5。它的前锥形分光棱镜4可以将广谱太阳光中不同频率的光谱分开，产生色散，后锥形分光棱镜5能够进一步将不同频率的光分开，使得出射光入射到光伏电池上面。不同的频率的光圆对称的色散到光伏电池组6上面，光伏电池组6由各个半径不同的光伏电池1，2…n构成(图中的编号7，8，9，10分别标识环状光伏电池1，2和n以及中间波段光伏电池)，而圆心处没有入射光，因此也没有放置光伏电池。构成光伏电池组的各个环状光伏电池1，2…n的最大吸收频率不同，由分光棱镜射出的不同频率的光对应入射到各个环状光伏电池1，2…n上面，最大效率的完成各频率光谱分量的光电转换。环状光伏电池1，2…n分别为单结的半导体光电池，对特定频率吸收效率很高。如图4，电池的吸收区即耦合层11引入了光子晶体结构，背面引入反射结构，即分布布拉格反射层12，可以提高入射光的耦合效率，增加入射光在光伏电池中的作用时间，进而提高光生载流子的浓度，从而提高光电转换效率。光伏电池组中的各环状光伏电池，其外型是圆对称的，采用现代激光切割技术可以实现外延片的环状切割。因而是一种全新的设计。同时中心处没有电池，可以减少原材料的耗费。这种多环光伏电池也可以采用多次外延选区生长的方式制作。

各光伏电池可以采取串联或者并联的方式连接。串联连接，可以提高电池的电压。并联连接，可以提高电池的输出电流。

本发明结合已有的聚光太阳能电池的优点，在此基础上利用色散装置将广谱太阳能的频率分开，分别入射在各个不同带宽的环状光伏电池上，使得太阳光中不同波长的光在各不同电池上达到最大的转换效率，同时电池总面积较小，可以大大节省材料。

单结半导体材料的太阳能电池的内部转换效率可以高达50％，其基本能量损失表现在入射光谱和吸收光谱的不匹配，包括子带隙的损失以及热损失等。现在研制的太阳能电池也有采用多结结构，不同的结对应不同的吸收频率，较传统的单结光伏电池，多结结构提高太阳光谱的吸收和电池的转换效率，但是制作相对复杂，成本高。同时对于聚光型太阳能电池来说，多结结构虽然提高了对太阳光谱的吸收和转换效率，但能量过于集中，发热严重，可能威胁系统的长期可靠性。本发明中光伏电池的特点在于采用了单结结构，只需要对一个窄频带光谱有最佳的吸收效率。同时为了提高单结光伏电池的效率，引入光子晶体结构，通过设定光子晶体中重复单元的形状，间隔，大小，光子晶体层的厚度等，对特定的窄带频率的光能够最大限度的吸收并转换成电能。从而使得对于广谱的太阳光能够达到最大的转换效率。以前虽然已经有采用光子晶体结构提高太阳光电池转换效率的报道，但对于广谱的太阳光，光子晶体的作用还不能够充分发挥，而对特定的窄带光谱，通过光子晶体的最优化设计就可以达到最大光电转换效率。

Claims (4)

1.一种采用光子晶体的色散型太阳能电池，包括聚光单元、分光单元和环状光伏电池组，其中，

聚光单元包括支架，设置在支架上的聚光反射镜和固定在聚光反射镜焦点处的凸透镜，由 凸透镜将从聚光反射镜反射的光线整形后的光入射到分光单元；

分光单元具有双锥形的圆对称结构，包括前锥形分光棱镜和后锥形分光棱镜，前锥形分光棱镜将入射的光中不同频率的光谱分开，产生色散后，由后锥形分光棱镜进一步分散不同频率的光谱，不同频率的光出射角不同，再入射到环状光伏电池组；

环状光伏电池组由各个不同窄频带的基于光子晶体的环状光伏电池组成，每个环状光伏电池为单结半导体光电池，对应的最大吸收峰波长不同，分别对入射到其上的光谱吸收效率最高。

2.根据权利要求1所述的采用光子晶体的色散型太阳能电池，其特征在于，所述的各个环状光伏电池包括耦合层和反射层，所述耦合层由光子晶体重复单元构成，所述的反射层为分布布拉格反射层。

3.根据权利要求1或2所述的采用光子晶体的色散型太阳能电池，其特征在于，它的圆心处不含单结半导体光电池。

4.根据权利要求1或2所述的采用光子晶体的色散型太阳能电池，其特征在于，各个环状光伏电池之间串联或者并联。

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