CN101937934A

CN101937934A - 基于二次反射聚光的太阳能电池

Info

Publication number: CN101937934A
Application number: CN2010102867499A
Authority: CN
Inventors: 刘�文; 聂晶; 王双保
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-09-19
Filing date: 2010-09-19
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2030-09-19
Also published as: CN101937934B

Abstract

本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种基于二次反射聚光的太阳能电池，包括抛物面太阳能聚光器，二次抛物面反射器，分光器件和光伏电池组，光伏电池组由对不同波长的光敏感的光伏电池组成；抛物面太阳能聚光器与二次抛物面反射器的反射面相对，两者共轴且共焦，在抛物面太阳能聚光器的底部开设有经过二次抛物面反射器反射的光通过的孔；经过孔的光被分光器件分开为的不同波长的光，各个不同波长的光被分别入射到光伏电池组中对相应的各个不同波长的光敏感的光伏电池上。本发明同时提供了另一种具有相同发明构思的基于二次反射聚光的太阳能电池。本发明充分发挥了抛物面二次反射的优势，可节省光电池材料，提高效率和产品档次。

Description

基于二次反射聚光的太阳能电池

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，涉及一种太阳能电池。

背景技术：

随着社会的进步科技的发展，各国尤其是像中国这样的发展中国家对能源的需求日益增加。人与自然的和谐共存是人类永恒追求的信念，自然界的太阳光是最环保、最清洁、最舒适的自然能源，取之不尽，用之不竭。

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大大缩小太阳能电池的面积，从而降低成本。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高的吸收效率，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，可以大大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

本发明的目的是针对太阳光的不易汇聚和广谱特性，克服现有技术的上述不足，提供两种能够较好的反射聚焦太阳光，提高能量利用率并可提高光电转换效率的太阳能电池。本发明的技术方案如下：

一种基于二次反射聚光的太阳能电池，包括抛物面太阳能聚光器，二次抛物面反射器，分光器件和光伏电池组，所述的光伏电池组由对不同波长的光敏感的光伏电池组成；所述的抛物面太阳能聚光器与二次抛物面反射器的反射面相对，两者共轴且共焦，在抛物面太阳能聚光器的底部开设有经过二次抛物面反射器反射的光通过的孔；经过所述孔的光被分光器件分开为的不同波长的光，各个不同波长的光被分别入射到光伏电池组中对相应的各个不同波长的光敏感的光伏电池上。

本发明同时提供另一种基于二次反射聚光的太阳能电池，包括抛物面太阳能聚光器，二次抛物面反射器，凸透镜，分光器件和光伏电池组，所述的光伏电池组由对不同波长的光敏感的光伏电池组成；所述的抛物面太阳能聚光器与二次抛物面反射器的反射面相对，两者共轴且焦点相互靠近，在抛物面太阳能聚光器的底部开设有经过二次抛物面反射器反射的光通过的孔；经过所述孔的光被凸透镜整形后由分光器件分开为的不同波长的光，各个不同波长的光被分别入射到光伏电池组中对相应的各个不同波长的光敏感的光伏电池上。

作为优选实施方式，上述的两种基于二次反射聚光的太阳能电池，所述的抛物面太阳能聚光器的焦距大于其长度的2倍；二次抛物面反射器直径是抛物面太阳能聚光器直径的30分之一到50分之一，其焦距短于其长度；所述的抛物面太阳能聚光器的参数范围：开孔半径10-30mm；焦距450-470mm；直径：1000-1200mm；长度：180-200mm；二次抛物面反射器的参数范围：焦距2-5mm；直径：20-40mm；长度：20-40mm；所述的分光器件可以为分光棱镜，也可以为双锥形的圆对称棱镜，此时，光伏电池组由环形的光子晶体光伏电池组成。

本发明提出太阳能电池，将聚光系统与分光系统进行了有机结合，充分发挥了两个抛物面共焦聚光的优势，克服了单一太阳能聚光器造成的分光系统不易安置及太阳能电池遮挡住部分日光的问题，并且避免了广谱太阳能电池效率低的问题，可节省光电池材料，进一步提高效率和产品档次。

附图说明：

图1为本太阳能二次反射聚光和分光系统方案一结构示意图。

图2为本太阳能二次反射聚光和分光系统方案二结构示意图。

图3为双锥形结构分光棱镜单元与光伏电池的结构图。

图4为单结光伏电池的结构图。

图5为普通棱镜分光结构与光伏电池组结构图。

1抛物面太阳能聚光器1 2二次抛物面反射器 3凸透镜

4分光棱镜 5太阳能电池(光伏电池组) 6孔

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

11吸收区即耦合层 12布拉格反射层

13前锥形分光棱镜 14后锥形分光棱镜

15，16，17，18分别代表实施例1采用的光伏电池1、光伏电池2、中间波段光伏电池

和光伏电池n

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做具体说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例包括抛物面太阳能聚光器1，二次抛物面反射器2，凸透镜3镜，分光棱镜4，太阳能电池五大部分。太阳光垂直入射(可以利用自动跟踪系统)到抛物面太阳能聚光器1，经聚焦后再经过二次抛物面器反射形成顺向聚焦结构，光线从小孔6透出。经过凸透镜3将其变为较细的平行光，经计算这时光束约半径20～60mm。光束经棱镜4分光后入射到光子晶体光伏电池组表面转化为电能。

抛物面太阳能聚光器1和二次抛物面反射器2的抛物面内镀有聚酯薄膜真空镀金属反光材料能够较好的反射聚焦太阳光，提高能量利用率。太阳光经抛物面太阳能聚光器1和二次反射再次汇聚于成焦斑，经过凸透镜3整形成近似平行光，然后利用分光棱镜4将不同波长的光分开。

光伏电池组由基于光子晶体的光伏电池构成，每个光伏电池对不同窄波段的光敏感，见图5，图中，编号15，16，17，18分别代表光伏电池1、光伏电池2、中间波段光伏电池和光伏电池n。经过分光棱镜4分开的光入射到对相应波段的光敏感的光伏电池上。

本发明将由两个抛物面构成的聚光系统与分光系统进行了有机结合，充分发挥了两个抛物面顺向聚焦的优势，并且克服了单一太阳能聚光器造成的分光系统不易安置及太阳能电池遮挡住部分日光的问题，可以进一步提高效率和产品档次。

二次反射系统后光斑的大小可由抛物面太阳能聚光器1(简称大锅)的开口半径和二次抛物面反射器2(简称小锅)的直径决定，其中较小的一个作为孔径光阑看待，大锅小锅严格共焦后可出平行光，若不直接出射平行光，需要调节两个锅的距离保持二次反射的光能全部通过抛物面反射器的开口，之后再通过共焦透镜形成平行光，此时平行光的光斑大小由透镜的结构直接决定。具体大小可按实际需要调节。

大锅的参数范围：厚度5-7mm；开孔半径10-30mm；焦距450-470mm；直径：1000-1200mm；长度：180-200mm；小锅的参数范围：厚度3-5mm；焦距2-5mm；直径：20-40mm；长度：20-40mm。易知要求大锅的焦距较长，一般要求长于大锅的长度2倍以上，以便得到不太发散的一次反射光束；而小锅的焦距需短，例如，其焦距可以是大锅的焦距的200分之一到100分之一之间，为了尽量不影响太阳光投射到大锅上，小锅的直径也应当尽可能小，例如，可以是大锅直径的30分之一到50分之一。这样在相同的发散光束条件下可以尽可能的多截取到一次反射的光线，并将其二次反射形成汇聚或平行的高质量光束。上述部分参数可同比例放大，并在具体实验中根据需求调节。

考虑到反光材料的各种物理性能、机械性能，使用寿命、加工条件等因素，选择聚酯薄膜真空镀金属反光材料。

凸透镜3的材质可选用K9，K10，BK7等玻璃材料定制，也可以选用短焦距的菲涅耳透镜，其可以在其他条件相同情况下截取更多的光束，提高能量利用率。实际情况需根据不同厂家，和材料面型性价比具体考虑。

实施例2

实施例1中，第二次抛物面反射器2与抛物面太阳能聚光器1第一反射的抛物面还可以成共焦状态，其下孔输出的光束即为平行光，充分利用抛物面的成像原理，互补共焦。这样一次到位的形成高质量的平行光束。如图2所示。这时候，主要包括抛物面太阳能聚光器1、二次抛物面反射器2、分光棱镜4和太阳能电池几个部分。

实施例3

考虑到非球面透镜的制作工艺以及焦斑的寻找和固定调节透镜的精度和难度。之后的分光系统还可有另外一种选择。本实施例中，聚光系统仍然不变，与实施例1和2相同，但利用了如图3所示双锥形的圆对称棱镜作为分光系统，它的上面的锥形结构可以将广谱太阳光中不同波长的光谱分开，产生色散，下面的锥形结构能够进一步将不同波长的光分开，使得出射光入射到光伏电池。普通的分光棱镜对分光器件要求较宽泛，而使用双锥形的圆对称棱镜可将太阳光根据其不同波长范围分散到不同的环状太阳能电池上，节省了电池材料和空间。

图3中，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13和后锥形分光棱镜14。它的前锥形分光棱镜13可以将广谱太阳光中不同波长的光谱分开，产生色散，后锥形分光棱镜14能够进一步将不同波长的光分开，使得出射光入射到光伏电池上面。不同的波长的光圆对称的色散到光伏电池组上面，光伏电池组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)，而圆心处是红外光，可以放置低成本红外光伏电池。构成光伏电池组的各个环状光伏电池1，2…n的最大吸收波长不同，由分光棱镜射出的不同波长的光对应入射到各个环状光伏电池1，2…n上面，最大效率的完成各波长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，对特定波长吸收效率很高。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。同时中心处可以采用低成本红外电池，可以降低原材料的成本。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波长分开，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。

Claims

1.一种基于二次反射聚光的太阳能电池，包括抛物面太阳能聚光器，二次抛物面反射器，分光器件和光伏电池组，所述的光伏电池组由对不同波长的光敏感的光伏电池组成；所述的抛物面太阳能聚光器与二次抛物面反射器的反射面相对，两者共轴且共焦，在抛物面太阳能聚光器的底部开设有经过二次抛物面反射器反射的光通过的孔；经过所述孔的光被分光器件分开为的不同波长的光，各个不同波长的光被分别入射到光伏电池组中对相应的各个不同波长的光敏感的光伏电池上。

2.根据权利要求1所述的基于二次反射聚光的太阳能电池，其特征在于，所述的抛物面太阳能聚光器的焦距大于其长度的2倍；二次抛物面反射器直径是抛物面太阳能聚光器直径的30分之一到50分之一，其焦距短于其长度。

3.根据权利要求1所述的基于二次反射聚光的太阳能电池，其特征在于，所述的抛物面太阳能聚光器的参数范围：开孔半径10-30mm；焦距450-470mm；直径：1000-1200mm；长度：180-200mm；二次抛物面反射器的参数范围：焦距2-5mm；直径：20-40mm；长度：20-40mm。

4.根据权利要求1所述的基于二次反射聚光的太阳能电池，其特征在于，所述的分光器件为分光棱镜。

5.根据权利要求1所述的基于二次反射聚光的太阳能电池，其特征在于，所述的分光器件为双锥形的圆对称棱镜，所述的光伏电池组由位于中心处的红外环形的光子晶体光伏电池组成。

6.一种基于二次反射聚光的太阳能电池，包括抛物面太阳能聚光器，二次抛物面反射器，凸透镜，分光器件和光伏电池组，所述的光伏电池组由对不同波长的光敏感的光伏电池组成；所述的抛物面太阳能聚光器与二次抛物面反射器的反射面相对，两者共轴且焦点相互靠近，在抛物面太阳能聚光器的底部开设有经过二次抛物面反射器反射的光通过的孔；经过所述孔的光被凸透镜整形后由分光器件分开为的不同波长的光，各个不同波长的光被分别入射到光伏电池组中对相应的各个不同波长的光敏感的光伏电池上。

7.根据权利要求6所述的基于二次反射聚光的太阳能电池，其特征在于，所述的抛物面太阳能聚光器的焦距大于其长度的2倍；二次抛物面反射器直径是抛物面太阳能聚光器直径的30分之一到50分之一，其焦距短于其长度。

8.根据权利要求6所述的基于二次反射聚光的太阳能电池，其特征在于，所述的抛物面太阳能聚光器的参数范围：开孔半径10-30mm；焦距450-470mm；直径：1000-1200mm；长度：180-200mm；二次抛物面反射器的参数范围：焦距2-5mm；直径：20-40mm；长度：20-40mm。

9.根据权利要求6所述的基于二次反射聚光的太阳能电池，其特征在于，所述的分光器件为分光棱镜。

10.根据权利要求6所述的基于二次反射聚光的太阳能电池，其特征在于，所述的分光器件为双锥形的圆对称棱镜，所述的光伏电池组由环形的光子晶体光伏电池组成。