CN103219407A

CN103219407A - 多带隙中空光电转换电池板

Info

Publication number: CN103219407A
Application number: CN 201210014536
Authority: CN
Inventors: 王广武
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2013-07-24

Abstract

多带隙中空光电转换电池板，包括：透光面板，电池板，电池芯片或薄膜，透明导电材料，保护膜，外框架，密封材料，胶，外框架上部设上层电池板镶嵌槽，外框架下部设下层电池板镶嵌槽，上层电池板插进外框架上层电池板镶嵌槽内，上层电池板上设带隙较高的光电转换材料，吸收激光或太阳光照射较高能量的光子，下层电池板插进外框架下层电池板镶嵌槽内，下层电池板上设带隙较低的光电转换材料，吸收激光或太阳光穿过高带隙光电转换材料和透明导电材料照射较低能量的光子，上层高带隙电池与下层低带隙电池间是空气层，空气层内的气体吸收激光或太阳光照射产生的热量。

Description

多带隙中空光电转换电池板

技术领域；

本发明涉及光电转换电池板。

背景技术；

太阳能光谱中只有能量大于其禁带宽度的光子才会被吸收并引起光生载流子，被吸收的光子，不管其能量有多高，它对外电路能量贡献不会超过禁带宽度的数值，其余能量消耗在带内的驰豫过程中转化为热量，对于太阳光谱，最佳的禁带宽度为1。4eV。不同的电池材料具有不同的禁带宽度，可以吸收不同波段的光，通过不同电池材料吸收不同波段的光产生光电转换效应的叠加，提高电池光电转换效率。

中国专利201010610412.9《多带隙太阳能电池及其生产方法》使用一透明中间层接合具有不同带隙的两个太阳能电池来制造具有多带隙的太阳能电池。该透明中间层具有高于6000V的击穿电压，该透明中间层为一绝缘体以防止氧气及湿气穿透该透明中间层，该透明中间层包含至少一层粘接层。

中国专利201010215793.0《介孔ZnO组装半导体量子点/非晶硅多带隙叠层太阳能电池》一位于顶部吸收偏向短波的高能太阳光的多带隙非晶硅太阳能电池；以及一位于底部吸收偏向长波的低能太阳光的组装半导体量子点的介孔ZnO太阳能电池；其中多带隙非晶硅太阳能电池和组装半导体量子点的介孔ZnO太阳能电池通过一透明导电薄膜连接形成叠层结构。

上述专利的共同特点是：采用透明中间层将高带隙电池材料与低带隙电池材料结合在一起。存在的共同问题是：1、透明中间层具有高于6000V的击穿电压，材料价格高，与高带隙电池材料与高带隙电池材料结合制造工艺复杂，透明中间层不具备散热功能。2、不适宜不透明或低透明的高带隙电池材料。3、未解决电极材料的高透光问题。4、未解决高带隙电池材料与低带隙电池材料组合产生的温度升高降低电池材料光电转换效能问题。

发明内容：

本发明的目的是：1、将高带隙电池材料和低带隙电池材料结合制造电池板，通过不同带隙电池材料吸收不同波段的光产生光电转换效应的叠加，提高电池光电转换效率。2、高带隙光电转换材料上加工多个阵列透光孔或加工多个阵列透光格栅，孔或格栅增加高带隙电池材料的透光性能，解决低透光或不透光高带隙电池材料的透光问题。3、电极材料上加工多个阵列透光孔或加工多个阵列透光格栅，解决电极材料的透光问题。4、电极材料的透光孔或透光格栅与电池材料上的透光孔或透光格栅具有压缩光束截面和提高光功率密度和光频电场强度作用。5、上层高带隙电池与下层低带隙电池间空气层内的气体吸收激光或太阳光照射产生的热量，解决组合电池材料温度升高降低电池材料光电转换效能问题。6、高带隙电池材料和低带隙电池材料分别制造后进行组装，简化制造工艺、降低制造成本。

本发明提出的多带隙中空光电转换电池板，包括：透光面板，电池芯片或薄膜，透明导电材料，保护膜，外框架，密封材料，胶，外框架上部设上层电池板镶嵌槽，外框架下部设下层电池板镶嵌槽，上层电池板插进外框架上层电池板镶嵌槽内，上层电池板上设带隙较高的光电转换材料，吸收激光或太阳光照射较高能量的光子，下层电池板插进外框架下层电池板镶嵌槽内，下层电池板上设带隙较低的光电转换材料，吸收激光或太阳光穿过高带隙光电转换材料和透明导电材料照射较低能量的光子，上层高带隙电池与下层低带隙电池间是空气层，空气层内的气体吸收激光或太阳光照射产生的热量。

为解决低透光或不透光高带隙电池材料的透光问题，高带隙光电转换材料上加工多个阵列透光孔或加工多个阵列透光格栅，多个阵列透光孔或多个阵列透光格栅将上层电池板带隙较高的光电转换材料吸收高能量光子的剩余光子通过多个阵列透光孔或多个阵列透光格栅照射到低带隙光电转换材料上进行光电转换。

为解决电极材料的透光问题，电极材料上加工多个阵列透光孔或加工多个阵列透光格栅，多个阵列透光孔或多个阵列透光格栅减少对光的阻挡，提高光子的透光数量，解决了金属电极材料的透光问题。

电极材料的透光孔或透光格栅与电池材料上的透光孔或透光格栅具有压缩光束截面和提高光功率密度和光频电场强度作用。

上层高带隙电池与下层低带隙电池间是空气层，空气层内惰性气体包括：氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氮气(N2)、二氧化碳(CO2)。惰性气体具有防止光电转换材料氧化，吸收光子热量，提高光电转换材料使用寿命的作用。

高带隙光电转换材料上加工多个阵列透光孔或加工多个阵列透光格栅，使得更多的高带隙光电转换材料得到应用，光电转换材料包括：单晶硅制造的光电转换材料或多晶硅制造的光电转换材料或非晶硅制造的光电转换材料或多元化合物制造的光电转换材料或多层半导体膜组合制造的光电转换材料或砷化镓光电转换材料或硒化铟铜光电转换材料或碲化镉光电转换材料及其组合。

多带隙中空光电转换电池板由多层组成，上层电池板设带隙较高的光电转换材料插进外框架上层电池板镶嵌槽内，中层电池板设带隙居中的光电转换材料插进外框架中间层电池板镶嵌槽内，下层电池板设带隙较低的光电转换材料插进外框架下层电池板镶嵌槽内，上层电池板高带隙光电转换材料和中层电池板中带隙光电转换材料加工多个阵列透光孔或加工多个阵列透光格栅，使光子容易的从高带隙光电转换材料进入到低带隙光电转换材料进行光电转换。

保护膜设在光电转换材料与气体相邻侧，保护膜材料包括：聚对苯二甲酸乙二脂(PET)、乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯缩丁醛(PVB)、聚萘二甲酸乙二脂(PEN)、聚碳酸脂(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)，保护膜防止气体和水分子与光电转换材料接触，降低光电转换材料的使用寿命。

导电材料包括：金、银、铜、铝、PbO₂、CdO、Ti₂O₃、Ti₂O₃、ZnPb₂O₅、CdIn₂O₄、MgIn₂O₄、ZnCaO₄、AgSbO₃、CuAlO₂、CuCaO₂、AZO(ZnO:Al)、GZO(ZnO:Ga)、ATO(SnO₂:Sb)、FTO(SnO ₂:F)、ITO(In₂O₃:Sn)及其与有机材料组合。

光电转换材料由多层半导体材料组成，如：P型半导体与N型半导体组合、P型半导体与I型半导体与N型半导体组合组合。

在激光照射或聚光照射多带隙中空光电转换电池板中，为解决多带隙中空光电转换电池板散热问题，空气层内气体通过框架空心管和连接管与泵和冷凝器和储藏罐和膨胀器组成冷却循环系统，空气层内气体吸收光子热量，通过冷却循环系统将热量排出。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1是具有本发明特征双带隙中空光电转换电池板结构简图。

图2是具有本发明特征带有冷却循环系统双带隙中空光电转换电池板结构简图。

图3是具有本发明特征双带隙中空光电转换电池板冷却循环系统组装示意图。

具体实施方式：

实施例1：

双带隙中空光电转换电池板结构简图如图1所示，其中：1是外框架，2是上层电池板镶嵌槽，3是下层电池板镶嵌槽，4是高带隙光电转换材料防护膜，5是高带隙下透光导电层，6是多晶硅半导体P层，7是多晶硅半导体N层，8是高带隙上透光导电层，9是玻璃面板，10是上密封胶，11是低带隙光电转换材料防护膜，12是低带隙上透光导电层，13是非晶硅半导体P层，14是非晶硅半导体I层，15是非晶硅半导体N层，16是低带隙下透光导电层，17是底板，18是底板密封胶，19是气腔，20是惰性气体，其中：3-9组合成高带隙电池板，11-17组合成低带隙电池板。

组装时，玻璃面板9上镀高带隙上透光导电层8和多晶硅半导体N层7和多晶硅半导体P层6和高带隙下透光导电层5，高带隙下透光导电层5涂高带隙光电转换材料防护膜4，涂镀好高带隙电池板插进外框架1上层电池板镶嵌槽2 内，用上密封胶10将外框架1和玻璃面板9间隙密封。底板17上镀低带隙下透光导电层16和非晶硅半导体N层15和非晶硅半导体I层14和非晶硅半导体P层13和低带隙上透光导电层12，低带隙上透光导电层12上涂低带隙光电转换材料防护膜11，涂镀好低带隙电池板插进外框架1下层电池板镶嵌槽3内，用底板密封胶18将外框架1和底板17间隙密封。由高带隙电池板和外框架1和低带隙电池板组成的气腔19内充惰性气体20。

使用时，阳光或激光透过玻璃面板9和高带隙上透光导电层8照射在多晶硅半导体N层7和多晶硅半导体P层6上，多晶硅半导体N层7和多晶硅半导体P层6吸收高带隙光子形成电场和电流，通过高带隙下透光导电层5和高带隙下透光导电层8输出。低带隙光子穿过高带隙电池板和惰性气体20通过低带隙光电转换材料防护膜11和低带隙上透光导电层12照射在非晶硅半导体P层13和非晶硅半导体I层14和非晶硅半导体N层15上，非晶硅半导体P层13和非晶硅半导体I层14和非晶硅半导体N层15吸收低带隙光子形成电场和电流，通过低带隙上透光导电层12和低带隙下透光导电层16输出。惰性气体20吸收光子和半导体电池产生的热量，防止高带隙电池板和低带隙电池板因接触而造成的烧毁，高带隙电池板和低带隙电池板组合提高电池板的光电转换效能。

实施例12：

带有冷却循环系统双带隙中空光电转换电池板结构简图如图2所示，其中：21是进气框架，22是进气框架上层电池板镶嵌槽，23是进气框架下层电池板镶嵌槽，24是进气框架空心腔，25是进气框架进气孔，26是出气框架，27是出气框架上层电池板镶嵌槽，28是出气框架下层电池板镶嵌槽，29是出气框架框架空心腔，30是出气框架进气孔，31是高带隙光电转换材料防护膜，32是高带隙下透光导电层，33是多晶硅半导体P层，34是多晶硅半导体N层，35是高带隙上透光导电层，36是玻璃面板，37是上密封胶，38是低带隙光电转换材料防护膜，39是低带隙上透光导电层，40是非晶硅半导体P层，41是非晶硅半导体I层，42是非晶硅半导体N层，43是低带隙下透光导电层，44是底板，45是底板密封胶，46是气腔，47是惰性气体，48是中空腔侧框架，49是动力风主管道，50是动力风连接管，51是动力风端封堵，52是排风主管道，53是排风连接管，54是排风端封堵，55是压缩机，56是输送连接管，57是冷凝器，58是储存罐，59是膨胀阀，60是膨胀器，其中：31-36组合成高带隙电池板，38-44组合成低带隙电池板。

组装时，玻璃面板36上镀高带隙上透光导电层35和多晶硅半导体N层34和多晶硅半导体P层33和高带隙下透光导电层32，高带隙下透光导电层32涂高带隙光电转换材料防护膜31，涂镀好高带隙电池板插入进气框架21上层电池板镶嵌槽22内和出气框架26上层电池板镶嵌槽27内和中空腔侧框架48镶嵌槽内，用上密封胶37将框架和玻璃面板36间隙密封。底板44上镀低带隙下透光导电层43和非晶硅半导体N层42和非晶硅半导体I层41和非晶硅半导体P层40和低带隙上透光导电层39，低带隙上透光导电层39上涂低带隙光电转换材料防护膜38，低带隙电池板插入出气框架26下层电池板镶嵌槽28内和中空腔侧框架48镶嵌槽内，用下密封胶45将框架和底板44间隙密封。由高带隙电池板和进气框架21和出气框架26和中空腔侧框架48和低带隙电池板组成的气腔46内充惰性气体47，进气连接管50一端连接在进气管49上，另一端连接在进气框架空心腔24上，进气框架进气孔25与气腔46连通，气腔46另一端与出气框架进气孔30和出气框架空心腔29连通，排风连接管53一端连接在出气框架空心腔29上，另一端连接在出气管52上，出气管52连接到压缩机55上，压缩机55输出端通过输送连接管56连接到冷凝器57上，冷凝器57将惰性气体47降温，冷凝后的惰性气体47送入储存罐58，储存罐58通过输送连接管56与膨胀阀59相连，膨胀阀59通过输送连接管56与膨胀器60相连。

使用时，阳光或激光透过玻璃面板36和高带隙上透光导电层35照射在多晶硅半导体N层34和多晶硅半导体P层 33上，多晶硅半导体N层34和多晶硅半导体P层33吸收高带隙光子形成电场和电流，通过高带隙上透光导电层35和高带隙下透光导电层32输出。低带隙光子穿过高带隙电池板和惰性气体47通过低带隙光电转换材料防护膜38和低带隙上透光导电层39照射在非晶硅半导体P层40和非晶硅半导体I层41和非晶硅半导体N层42上，非晶硅半导体P层40和非晶硅半导体I层41和非晶硅半导体N层42吸收低带隙光子形成电场和电流，通过低带隙上透光导电层39和低带隙下透光导电层43输出。惰性气体47吸收阳光或激光光子和半导体电池产生的热量，通过出气框架进气孔30进入出气框架空心腔29内，通过出气连接管53进入出气管52和进入压缩机55压缩增压，增压后的惰性气体47通过输送连接管56进入冷凝管57冷凝和释放热量，冷却后的惰性气体47在压力持续作用下进入储存罐58，储存罐58内的惰性气体47经膨胀阀59后进入膨胀器60，由于惰性气体47在膨胀器60内压力骤然降低，惰性气体47在此温度迅速降低进入进气管49，由进气管49一侧通过进气连接管50进入到进气框架空心腔24内，通过进气框架进气孔25进入到气腔46内，气腔46内惰性气体47再次吸收吸收阳光或激光光子和半导体电池产生的热量，进入下一个循环。

Claims

1.多带隙中空光电转换电池板，包括：透光面板，电池板，电池芯片或薄膜，透明导电材料，保护膜，外框架，密封材料，胶，其特征是：外框架上部设上层电池板镶嵌槽，外框架下部设下层电池板镶嵌槽，上层电池板插进外框架上层电池板镶嵌槽内，上层电池板上设带隙较高的光电转换材料，吸收激光或太阳光照射较高能量的光子，下层电池板插进外框架下层电池板镶嵌槽内，下层电池板上设带隙较低的光电转换材料，吸收激光或太阳光穿过高带隙光电转换材料和透明导电材料照射较低能量的光子，上层高带隙电池与下层低带隙电池间是空气层，空气层内的气体吸收激光或太阳光照射产生的热量。

2.如权力要求1所述的多带隙中空光电转换电池板，其特征是：高带隙光电转换材料上加工多个阵列透光孔或加工多个阵列透光格栅。

3.如权力要求1所述的多带隙中空光电转换电池板，其特征是：电极材料上加工多个阵列透光孔或加工多个阵列透光格栅。

4.如权力要求1所述的多带隙中空光电转换电池板，其特征是：空气层内惰性气体包括：氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe))、氮气(N2)、二氧化碳(CO2)。

5.如权力要求1所述的多带隙中空光电转换电池板，其特征是：光电转换材料包括：单晶硅制造的光电转换材料或多晶硅制造的光电转换材料或非晶硅制造的光电转换材料或多元化合物制造的光电转换材料或多层半导体膜组合制造的光电转换材料或砷化镓光电转换材料或硒化铟铜光电转换材料或碲化镉光电转换材料及其组合。

6.如权力要求1所述的多带隙中空光电转换电池板，其特征是：多带隙中空光电转换电池板由多层组成，上层电池板设带隙较高的光电转换材料插进外框架上层电池板镶嵌槽内，中层电池板设带隙居中的光电转换材料插进外框架中间层电池板镶嵌槽内，下层电池板设带隙较低的光电转换材料插进外框架下层电池板镶嵌槽内。

7.如权力要求1所述的多带隙中空光电转换电池板，其特征是：保护膜设在光电转换材料与气体相邻侧，保护膜材料包括：聚对苯二甲酸乙二脂(PET)、乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯缩丁醛(PVB)、聚萘二甲酸乙二脂(PEN)、聚碳酸脂(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)。

8.如权力要求1所述的多带隙中空光电转换电池板，其特征是：导电材料包括：金、银、铜、铝、PbO₂、CdO、Ti₂O₃、Ti₂O₃、ZnPb₂O₅、CdIn₂O₄、MgIn₂O₄、ZnCaO₄、AgSbO₃、CuAlO₂、CuCaO₂、AZO(ZnO:Al)、GZO(ZnO:Ga)、ATO(SnO₂:Sb)、FTO(SnO₂:F)、ITO(In₂O₃:Sn)及其与有机材料组合。

9.如权力要求1所述的多带隙中空光电转换电池板，其特征是：光电转换材料由多层半导体材料组成。

10.如权力要求1所述的多带隙中空光电转换电池板，其特征是：空气层内气体通过框架空心腔和连接管与泵和冷凝器和储藏罐和膨胀器组成冷却循环系统。