CN101814536A - 用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法 - Google Patents
用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101814536A CN101814536A CN200910025233A CN200910025233A CN101814536A CN 101814536 A CN101814536 A CN 101814536A CN 200910025233 A CN200910025233 A CN 200910025233A CN 200910025233 A CN200910025233 A CN 200910025233A CN 101814536 A CN101814536 A CN 101814536A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sunlight
- interface
- battery
- energy
- absorbed
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 23
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 21
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 10
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 2
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000013082 photovoltaic technology Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/52—PV systems with concentrators
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
本发明提供一种用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，制作一光学玻璃，包括第一界面、第二界面、第三界面，第二界面与第三界面的夹角为28度，在第一界面镀介质膜，在第二界面也镀介质膜，其中，第一界面镀介质膜将能量高于2.7eV的太阳光反射被第一电池所吸收，能量低于2.7eV的太阳光透射进入光学玻璃中；第二界面镀介质膜，将能量范围在1.4～2.4eV的太阳光反射经过第三界面被第二电池吸收，将能量低于1.4eV的太阳光透射被第三电池吸收；从而，不同能量的太阳光被不同带隙能量的太阳电池所吸收，由各级子电池半导体材料吸收利用与其带隙宽度最相匹配的太阳光谱，实现太阳光的全光谱转换。转换效率较高，非常易于大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于太阳光谱分光的紧凑型分光元件的结构设计方法。
背景技术
太阳能发电技术作为一种清洁的、可再生能源利用技术不断取得突破。光电转换效率的不断提高及制造成本的持续降低使得光伏技术在空间和地面都得到了广泛的应用。在效率提高方面，由于太阳光谱中的能量分布较宽，任何一种半导体材料都只能吸收其中能量的一部分。低于其带隙能量的光子将透过电池，被背电极金属吸收，转化成热能；而高出其带隙能量很多的太阳光所产生的载流子则通过热化将能量传递给材料本身的点阵原子，这些能量不能通过光生载流子传给负载，变成有效的电能。因此单结太阳能电池的理论转换效率一般较低。多结级联式太阳电池结构可以有效地实现对太阳光的全光谱吸收，从而提高光电转换效率。理论上来说，结数越多，效率越高。但是在实践上，很难找到在带隙宽度上理想搭配，晶格常数又非常匹配的两种材料来实现单片级联电池结构。目前所知的直接生长的四结级联式太阳电池的最高效率仅为35.7％，低于三结InGaP/(In)GaAs/Ge电池的40.7％。这表明要实现最大限度地与太阳光谱匹配，在此三结级联电池中增加新的材料，虽然带隙宽度可以理想搭配，但是由于受到不同半导体材料间晶格常数失配和由失配带来的应力引起的缺陷等问题的限制，生长三结以上的太阳能电池变得十分困难，同时材料的生长成品率低、成本昂贵。
基于以上问题，2007年以美国特拉华大学为首的研究团队利用一个二向色镜，将太阳光谱分为能量不同的两部分，分别被不同带隙能量的太阳电池材料所吸收。这种设计有效地降低了材料生长的困难从而获得了42.8％的电池转换效率。这对未来多结电池的发展提供了一种思路，即可以通过二次甚至多次分光来有效地提高全光谱吸收从而获得更高效率。但多次分光同时带来一些问题，即太阳光经过分光元件后在前后两个界面会存在界面损失，从而导致太阳电池模块的输出效率要远小于太阳电池的效率。因此，减少分光元件的光学损失对分光技术的使用是十分关键的问题，尤其是对太阳光进行两次以上的分光。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于太阳光谱分光的紧凑型分光元件的结构设计方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，特点是：制作一光学玻璃，其折射率为1.5，包括第一界面、第二界面、第三界面，第一界面与第二界面相互平行，第二界面与第三界面的夹角为28度；在第一界面镀介质膜，在第二界面也镀介质膜，其中，第一界面镀介质膜将能量高于2.7eV的太阳光反射被第一电池所吸收，能量低于2.7eV的太阳光透射进入光学玻璃中；第二界面镀介质膜，将能量范围在1.4～2.4eV的太阳光反射经过第三界面被第二电池吸收，将能量低于1.4eV的太阳光透射被第三电池吸收；从而，不同能量的太阳光被不同带隙能量的太阳电池所吸收，由各级子电池半导体材料吸收利用与其带隙宽度最相匹配的太阳光谱，实现太阳光的全光谱转换。
进一步地，上述的用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，第一电池和第二电池固定在同一散热片上，经第一界面反射的太阳光垂直入射到第一电池，被第一电池垂直吸收；相似地，经第二界面反射的太阳光被第二电池垂直吸收；第三电池与第二界面的夹角为45度，使透射的太阳光正入射到第三电池上。
更进一步地，上述的用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，所述第一界面介质膜材料为TiO2和SiO2。
更进一步地，上述的用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，所述第二界面介质膜材料为TiO2和SiO2。
再进一步地，上述的用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，所述光学玻璃的厚度在5mm。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①本发明通过一块光学玻璃的不同表面的镀膜工艺实现太阳光谱的分光，采用一块玻璃实现对太阳光谱的二次分光，相比于以前所采用的传统分光方式，减少了一个界面，减少了光的损失，从而可以有效地提高系统效率；
②减少了光学对准过程，节省了空间；
③只采用一块光学玻璃，有利于分光元件和电池的系统集成，易于大规模生产，堪称是一项具有新颖性、创造性、实用性的好技术。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明紧凑型光学分光元件的结构示意图。
图中各附图标记的含义见下表：
| 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 |
| 1 | 第一界面 | 2 | 第二界面 | 3 | 第三界面 |
| 4 | 第一电池 | 5 | 第二电池 | 6 | 第三电池 |
具体实施方式
本发明用于太阳光谱分光的紧凑型分光元件的结构设计方法，将宽的太阳光谱分为几个不同能量段，分别被不同带隙能量的太阳电池所吸收，从而实现较高的太阳电池转换效率。
如图1所示的紧凑型光学分光元件结构，一光学玻璃，其厚度在5mm，折射率为1.5，包括第一界面1、第二界面2、第三界面3，第一界面1与第二界面2相互平行，第二界面2与第三界面3的夹角为28度，在第一界面1镀介质膜，介质膜材料为TiO2和SiO2，在第二界面2也镀介质膜，介质膜材料为TiO2和SiO2。其中，第一界面镀介质膜将能量高于2.7eV的太阳光反射被第一电池4所吸收，能量低于2.7eV的太阳光透射进入光学玻璃中；第二界面镀介质膜，将能量范围在1.4～2.4eV的太阳光反射经过第三界面被第二电池5所吸收，将能量低于1.4eV的太阳光透射被第三电池6吸收；从而，不同能量的太阳光被不同带隙能量的太阳电池所吸收，由各级子电池半导体材料吸收利用与其带隙宽度最相匹配的太阳光谱，实现太阳光的全光谱转换。其中，经第一界面1反射的太阳光能够垂直入射到第一电池4表面，相似地，经第二界面2反射的太阳光谱能够被第二电池5垂直吸收，第一电池4和第二电池5固定在同一散热片上，第三电池6与第二界面2的夹角为45度，使得透射的太阳光正入射到第三电池6上。
紧凑型分光装置的多结太阳能电池结构的制作过程，包括如下步骤：步骤1)选择一块光学玻璃，加工光学玻璃，第二界面2与第三界面3的夹角为28度；步骤2)在第一界面1镀介质膜，实现光谱能量在2.7eV处的分光，介质膜材料为TiO2和SiO2；步骤3)在第二界面2镀介质膜，实现光谱能量在1.4eV处分光，介质膜材料为TiO2和SiO2；步骤4)将太阳能电池和分光后相应的光束对准，实现太阳电池和分光元件的集成，完成电池系统单元的制作。
设计第三界面3和第二界面2之间的夹角θ为28度，使得从第二界面2反射的太阳光从第三界面3垂直出射并被第二电池5所吸收。其次，在第一界面1，从太阳电池设计需要出发，选用合适的介质膜系材料(如TiO2和SiO2)，通过膜系结构设计和制作，将能量高于E1的太阳光反射被第一电池4所吸收，能量低于E1的光透射进入光学玻璃中，达到二色分光的目的。此外，利用同样的方法，在第二界面2设计膜系，使得能量范围在E2到E1(E1＞E2)之间的太阳光反射经过第三界面3被第二电池5吸收，能量低于E2的太阳光透射被第三电池6所吸收。最后，实现分光元件和太阳电池的有效集成。根据该设计，不同能量的太阳光能够被不同带隙能量的太阳电池所吸收，用各级子电池半导体材料去吸收利用与其带隙宽度最相匹配的那部分太阳光谱，从而减小单结电池在光电转换过程中的电流损失和电压损失，实现太阳光的全光谱高效转换，提高光电转换效率。
综上所述，本发明设计独特、结构新颖，通过一块光学玻璃的不同表面的镀膜工艺实现太阳光谱的分光。采用一块玻璃实现对太阳光谱的二次分光，相比于以前所采用的传统分光方式，减少了一个界面，减少了光的损失，从而可以有效地提高系统效率；减少了光学对准过程，节省了空间；只采用一块光学玻璃，有利于分光元件和电池的系统集成，非常有利于大规模生产；具有广阔的应用前景。
需要理解到的是：上述说明并非是对本发明的限制，在本发明构思范围内，所进行的添加、变换、替换等，也应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，其特征在于：制作一光学玻璃，包括第一界面、第二界面、第三界面，第一界面与第二界面相互平行，第二界面与第三界面的夹角为28度，在第一界面镀介质膜，在第二界面也镀介质膜，其中，第一界面镀介质膜将能量高于2.7eV的太阳光反射被第一电池所吸收，能量低于2.7eV的太阳光透射进入光学玻璃中；第二界面镀介质膜，将能量范围在1.4～2.4eV的太阳光反射经过第三界面被第二电池吸收，将能量低于1.4eV的太阳光透射被第三电池吸收；从而，不同能量的太阳光被不同带隙能量的太阳电池所吸收，由各级子电池半导体材料吸收利用与其带隙宽度最相匹配的太阳光谱，实现太阳光的全光谱转换。
2.根据权利要求1所述的用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，其特征在于：第一电池和第二电池固定在同一散热片上，经第一界面反射的太阳光垂直入射到第一电池，被第一电池垂直吸收；相似地，经第二界面反射的太阳光被第二电池垂直吸收；第三电池与第二界面的夹角为45度，使透射的太阳光正入射到第三电池上。
3.根据权利要求1所述的用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，其特征在于：光学玻璃的折射率为1.5。
4.根据权利要求1所述的用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，其特征在于：所述光学玻璃的厚度约为5mm。
5.根据权利要求1所述的用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，其特征在于：所述第一界面介质膜材料为TiO2和SiO2。
6.根据权利要求1所述的用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，其特征在于：所述第二界面介质膜材料为TiO2和SiO2。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200910025233A CN101814536A (zh) | 2009-02-25 | 2009-02-25 | 用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200910025233A CN101814536A (zh) | 2009-02-25 | 2009-02-25 | 用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101814536A true CN101814536A (zh) | 2010-08-25 |
Family
ID=42621720
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN200910025233A Pending CN101814536A (zh) | 2009-02-25 | 2009-02-25 | 用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101814536A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112063974A (zh) * | 2020-08-27 | 2020-12-11 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 基于类三明治结构界面和复合材料的二向色镜及其制备方法 |
| CN115172503A (zh) * | 2022-06-29 | 2022-10-11 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 夹角子电池组件和光伏电池 |
-
2009
- 2009-02-25 CN CN200910025233A patent/CN101814536A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112063974A (zh) * | 2020-08-27 | 2020-12-11 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 基于类三明治结构界面和复合材料的二向色镜及其制备方法 |
| CN112063974B (zh) * | 2020-08-27 | 2021-05-04 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 基于类三明治结构界面和复合材料的二向色镜及其制备方法 |
| CN115172503A (zh) * | 2022-06-29 | 2022-10-11 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 夹角子电池组件和光伏电池 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Shen et al. | Monolithic perovskite/Si tandem solar cells: pathways to over 30% efficiency | |
| US20080156372A1 (en) | Thin film solar cell module of see-through type and method of fabricating the same | |
| CN110957378A (zh) | 一种提升p型双面电池双面率的背膜及其制备方法 | |
| CN110867516A (zh) | 新型基于钙钛矿和晶硅背钝化叠层太阳电池及其制造方法 | |
| CN101478014A (zh) | 五结太阳能电池系统的分光制作方法 | |
| CN104576799A (zh) | 带有相位光栅纳米结构的太阳能电池 | |
| Gota et al. | Energy yield modelling of textured perovskite/silicon tandem photovoltaics with thick perovskite top cells | |
| CN101789459B (zh) | 太阳能电池模块 | |
| CN101814536A (zh) | 用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法 | |
| CN102157596B (zh) | 一种势垒型硅基薄膜半叠层太阳电池 | |
| CN114203843A (zh) | 一种背接触式钙钛矿/硅异质结叠层电池组件及其制备方法和太阳能电池 | |
| Gao et al. | Effects of beam splitting on photovoltaic properties of monocrystalline silicon, multicrystalline silicon, GaAs, and perovskite solar cells for hybrid utilization | |
| CN102856420A (zh) | 一种多吸收层横向分布的非晶硅太阳能电池 | |
| Guha et al. | Science and technology of amorphous silicon alloy photovoltaics | |
| CN204332984U (zh) | 太阳能光伏组件 | |
| CN215771167U (zh) | 一种太阳能电池片及光伏组件 | |
| CN101478015A (zh) | 四结太阳能电池系统的分光制作方法 | |
| CN112531055B (zh) | 一种柔性太阳能电池及其制备方法 | |
| CN112490301B (zh) | 实现光子循环增强的多结太阳电池及其制作方法 | |
| CN211208454U (zh) | 一种提升p型双面电池双面率的背膜结构 | |
| Guha | Multijunction solar cells and modules | |
| CN102496633A (zh) | 一种GaAs系太阳能电池的多层减反射膜 | |
| CN114203831A (zh) | 一种背接触钙钛矿硅叠层电池组件及其制备方法和太阳能电池 | |
| CN110600500A (zh) | 一种钙钛矿与n型硅基背接触电池叠加电池结构 | |
| Jäger et al. | Improving monolithic perovskite/silicon tandem solar cells from an optical viewpoint |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SUZHOU INSTITUTE OF NANO-TECH AND NANO-BIONICS(SIN Free format text: FORMER OWNER: SUZHOU NANO TECHNIQUE + NANO BIONIC RESEARCH INST. Effective date: 20100907 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 215125 NO.398, RUOSHUI ROAD, GAOJIAO DISTRICT, DUSHUHU, INDUSTRIAL PARK, SUZHOU CITY, JIANGSU PROVINCE TO: 215123 NO.398, RUOSHUI ROAD, INDUSTRIAL PARK, SUZHOU CITY, JIANGSU PROVINCE |
|
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20100907 Address after: 215123 Suzhou Industrial Park, Jiangsu, if waterway No. 398 Applicant after: Suzhou Institute of Nano-Tech and Bionics (SINANO), Chinese Academy of Sciences Address before: 215125 Jiangsu city of Suzhou province Dushu Lake Industrial Park No. 398 waterway if higher education Applicant before: Suzhou Nano Technique & Nano Bionic Research Inst. |
|
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20100825 |