CN106571407B - 具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池及工作方法，该微纳米天线太阳能电池包括基底、光电转换层以及N个具有聚拢太阳能特性的微纳米天线装置；微纳米天线装置包括引向器组、微纳米天线以及反射振子；微纳米天线用于吸收太阳光，并在局部空间内形成电磁场；引向器组用于将光线收集聚拢至微纳米天线内；反射振子用于将光线反射回微纳米天线内；光电转换层用于处理微纳米天线馈电。太阳能通过引向器组和反射振子以聚拢至微纳米天线上，形成电磁场；光电转换层将该电磁场能转换为电能。本发明可将微纳米天线覆盖面积之外的太阳能也收集转换成电能，且能吸收太阳能的全部分量实现较高的光电转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及纳米天线领域，具体而言涉及一种具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池及工作方法。
背景技术
纳米光学天线是目前新兴的前沿科技，它是天线的一种，它的基本原理是当光照射在金属等与介质界面时，在可见光波段和远红外波段处金属等材料的介电常数为负数，在电场的作用下金属表面的自由电子振荡，当电子的振荡频率和入射电磁波的频率一致时就会产生共振，在其表面产生表面等离子体激元，这也是传统天线所不具有的特性。它的特点是将电磁能量局域在亚波长的空间内，使纳米结构表面出现巨大增强的局域电磁近场，导致处于近场范围内的荧光材料，量子点和非线性介质对外界电磁场的响应呈现独特的线性和非线性效应。由于纳米天线的反馈间隙很小，静电耦合很强，从而产生电磁场。
微纳米天线可以提高天线面积的利用效率，并在一定的增益作用下可以减小天线口径面积，使得在航天航空领域可采用体积更小、重量更轻的控制天线。为卫星通信、卫星微波探测成像以及微小机器人的研究提供了更有力的技术支持。
目前的微纳米天线太阳能电池的通常做法是，在有韧性的塑料软片上集成大量纳米天线阵列，除了能吸收光源中可见光和紫外光外，还可以吸收红外光的能量或其他光源能量，而不像传统的面板只能吸收白天的可见光，并且晚上时这些面板几乎不起作用。
但是，现有的微纳米天线太阳能电池的表面上，由于有大量的引线，微纳米天线的覆盖面积只有很小的一部分，能被转换成电能的太阳能也只有微纳米天线覆盖的那部分，太阳能利用率仍然不高。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池及工作方法，该太阳能电池可将微纳米天线覆盖面积之外的太阳能也收集转换成电能，且能吸收太阳能的全部分量实现较高的光电转化效率。
本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。
为达成上述目的，本发明提出一种具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池及工作方法。
所述微纳米天线太阳能电池包括基底、光电转换层以及N个具有聚拢太阳能特性的微纳米天线装置；
所述基底用于承载设于其上的光电转换层与微纳米天线装置；
所述微纳米天线装置附着设于光电转换层上，自上而下包括引向器组、第一介质层、微纳米天线、第二介质层以及反射振子，其中：
所述微纳米天线具有天线振子，用于吸收照射在微纳米天线上的太阳光在天线振子延伸方向上的分量，在局部空间内形成电磁场，并将转换生成的电能传递给光电转换层；
所述引向器组设置在微纳米天线上方，用于将照射至太阳能电池表面的光线收集聚拢至微纳米天线内；
所述反射振子设置在微纳米天线下方，其延伸方向与微纳米天线的振子延伸方向相同，用于将照射于其上的光线反射回微纳米天线内；
所述第一介质层设置在引向器组与微纳米天线之间，用于隔离引向器组与微纳米天线；
所述第二介质层设置在反射振子与微纳米天线之间，用于隔离反射振子与微纳米天线；
所述光电转换层附着设于所述基底上，用于处理微纳米天线馈电，具有用于外接的正辅助电极、负辅助电极；
所述N为正整数。
所述第一介质层、第二介质层采用二氧化硅层。
所述反射振子采用金属反射振子或石墨烯反射振子中的任意一种。
所述引向器组由L个引向器互相平行排列构成，每个引向器的延伸方向均与所述天线振子延伸方向一致，相邻引向器之间设有用于隔离的二氧化硅薄膜层；
L≤4，L为正整数。
所述引向器采用金属引向器或石墨烯引向器中的任意一种。
所述天线振子包括偶极子天线。
所述偶极子天线的振子形状包括矩形、梯形、台阶状或三角形中的任意一种。
所述N个微纳米天线装置被分为两部分，其中一部分包括M个微纳米天线装置，该M个微纳米天线装置的天线振子延伸方向相同，构成第一微纳米天线组，该M个微纳米天线装置的天线振子延伸方向被设为第一方向；
其余微纳米天线装置的天线振子延伸方向相同，构成另一部分，被设置为第二微纳米天线组，第二微纳米天线组的天线振子延伸方向被设为第二方向；
所述第一方向与第二方向互相垂直；
所述第一微纳米天线组用于收集太阳能在第一方向上的分量并将之转换成电能；
所述第二微纳米天线组用于收集太阳能在第二方向上的分量并将之转换成电能；
所述M为正整数，且M<N。
所述光电转换层包括电池单元阵列、正主电极、负主电极、正辅助电极、负辅助电极以及填充在其间用于隔离和钝化的第二介质层；
所述电池单元阵列具有多个串联电池阵列，每个串联电池阵列由多个电池单元并联构成；
所述电池单元包括天线振子馈电电极、与天线振子相邻的次级电极以及将次级电极与天线振子馈电电极相连的整流电路；
所述串联电池阵列最外侧的两个次级电极分别构成该串联电池阵列的正电极与负电极，该串联电池阵列的正电极被设置为与正主电极连接，该串联电池阵列的负电极被设置为与负主电极连接；
所述正主电极被设为与正辅助电极连接，所述负主电极被设为与负辅助电极连接。
所述天线振子馈电电极振子延伸在微纳米天线装置两侧，其延伸方向与天线振子的延伸方向一致。
所述天线振子的馈电方式包括天线振子水平馈电、透过引向器层垂直馈电中的任意一种。
一种微纳米天线太阳能电池收集聚拢太阳能并转换成电能的方法，包括：
照射至太阳能电池面板上的太阳能通过引向器组和反射振子以聚拢至微纳米天线上，在微纳米天线内形成电磁场；
光电转换层将该电磁场能转换为电能，并提供给外接回路。
由以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：
1、照射至引线部分的太阳能也被聚拢至微纳米天线上，提高了对太阳能的收集能力。
2、设置振子延伸方向互相垂直的两种微纳米天线，吸收更多的太阳光，进一步提高对太阳能的收集能力。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池的结构示意图。
图2是本发明的微纳米天线装置的结构示意图。
图3是本发明的微纳米天线为一阶偶极子天线的结构示意图。
图4是本发明的微纳米天线为三阶偶极子天线的结构示意图。
图5是本发明的微纳米天线为领结偶极子天线的结构示意图。
图6是本发明的具有两种互相垂直的振子延伸方向的微纳米天线装置结构示意图。
图7是本发明的电池单元阵列的结构示意图。
图8是本发明的电池单元的结构示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
本发明提供一种具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池及工作方法。
结合图1，该微纳米天线太阳能电池包括基底1、光电转换层2以及N个具有聚拢太阳能特性的微纳米天线装置。N为正整数。
基底1用于承载设于其上的其他结构层。基底1通常采用能够在其表面生长二氧化硅薄膜的非导电性材料，其表面与二氧化硅薄膜的附着可达到1*106N/cm2以上。优选的，基底1采用单面抛光的硅片，二氧化硅薄膜生长在硅片的抛光面上。基底的厚度和纯度没有特殊限制，只要适合在其表面生长二氧化硅薄膜既可。
结合图2，微纳米天线装置3附着设于光电转换层2上，自上而下包括引向器组302、第一介质层304、微纳米天线301、第二介质层305以及反射振子303，其中：
微纳米天线301具有天线振子，用于吸收照射在微纳米天线301上的太阳光在天线振子延伸方向上的分量，在局部空间内形成电磁场，并将转换生成的电能传递给光电转换层2。
引向器组302设置在微纳米天线301上方，用于将照射至太阳能电池表面的光线收集聚拢至微纳米天线301内。
反射振子303设置在微纳米天线301下方，其延伸方向与微纳米天线301的振子延伸方向相同，用于将照射于其上的光线反射回微纳米天线内。
第一介质层304设置在引向器组302与微纳米天线301之间，用于隔离引向器组302与微纳米天线301。
第二介质层305设置在反射振子303与微纳米天线301之间，用于隔离反射振子303与微纳米天线301。
第一介质层304、第二介质层305的薄膜光谱透明范围为λ0，λ0被设定为400～2300nm，第一介质层304、第二介质层305的厚度在20nm～400nm(0.1λ0～0.5λ0)之间。优选的使用二氧化硅薄膜，也可以使用其他有机或无机透光性好的薄膜材料。
光电转换层2附着设于基底1上，用于处理微纳米天线馈电，具有用于外接的正辅助电极204、负辅助电极205。
引向器组302由L个引向器302a互相平行排列构成，每个引向器302a的延伸方向均与天线振子延伸方向一致，相邻引向器之间设有一层用于隔离的二氧化硅薄膜层302b。
理论上L可以采用任意正整数，采用的引向器越多，光线越集中，制作成本也越高，考虑到实际应用，通常L≤4，即只采用1～4层引向器。
引向器302a通常采用金属引向器或石墨烯引向器中的任意一种。
引向器组302所包括的引向器的长度由上至下依次增大，且每个引向器的长度均小于天线振子，通常在0.3λ0～0.45λ0之间。引向器形状通常采用长条矩形或者倒角矩形。
反射振子303通常采用金属反射振子或石墨烯反射振子中的任意一种，长度大于0.5λ0，形状通常选择长条矩形或者倒角长条矩形。
微纳米天线包括偶极子天线，其中，偶极子天线的振子形状包括矩形、梯形、台阶状、三角形。天线振子的长度决定被吸收太阳能的频段，天线振子的宽度决定被吸收太阳能的带宽。因此可以根据实际需要设计不同形状的天线振子。
通常微纳米天线采用对称高阶偶极子天线或者领结偶极子天线，考虑到成本，高阶偶极子天线不超过六阶，优选为三阶偶极子天线。
对称高阶偶极子天线的天线振子长度通常为0.45λ0～0.55λ0，优选为0.5λ0，最大宽度可以选择与长度相当，优选采用20～200nm。
图3是一阶偶极子天线，振子形状为矩形。
图4是三阶偶极子天线。实际应用中，高阶偶极子天线可以选择在一阶偶极子天线的基础上，给单极子分为相等的两份，靠近间隙处的天线半径变为原来的一半。如图5的三阶偶极子天线是将图4的一阶偶极子天线等分成三份，从间隙处开始，半径依次设置为上一级的一半。
图5是领结偶极子天线，领结偶极子天线的张角通常选用60°～120°，优选的设为80°～90°。单个领结片的长度为0.45λ0～0.55λ0，优选的设为150～500nm，更优选的设置为200～300nm。两个领结片尖端之间的相对距离通常采用10～30nm，优选的设置为10～20nm。领结偶极子天线的厚度通常采用50～150nm，优选的设置为80～100nm。
该尺寸的微纳米天线可以在其表面产生表面等离子体激元，将电磁能量局限在亚波长的天线空间内，使天线结构表面出现巨大增强的局域电磁近场。
引向器组302的长度略小于微纳米天线301，对感应的电磁波呈“容性”，电流超前电压90°；引向器组302感应的电磁波会向微纳米天线301辐射，辐射波经过四分之一波长的路程使其滞后90°恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是电磁波迭加，得到加强。反射振子303略长于二分之一波长，呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到微纳米天线301的过程中又滞后90°，两者加起来刚好差180°，起到了抵消作用。一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。
引向器组302与反射振子303的设置，将照射至微纳米天线装置3周边引线上的太阳能也收集聚拢到微纳米天线301内，并且具有强方向性，提高了太阳能的转换率。
结合图6，N个微纳米天线装置3的天线振子排布方向是任意的，为了更高效的利用太阳能，其中的M个微纳米天线装置3的天线振子被设置为延伸方向相同，构成第一微纳米天线组3a，该M个微纳米天线装置3的天线振子延伸方向被设为第一方向；其余微纳米天线装置3构成第二微纳米天线组3b，其天线振子延伸方向被设为第二方向。
第一方向与第二方向互相垂直。
第一微纳米天线组3a用于收集太阳能在第一方向上的分量并将之转换成电能。
第二微纳米天线组3b用于收集太阳能在第二方向上的分量并将之转换成电能。
所述M为正整数，且M<N。
由于太阳光是各向极化的，若是所有的微纳米天线装置都是同样的振子延伸方向，天线层最多只能吸收一半的入射波能量，本发明设置了两种振子延伸方向互相垂直的微纳米天线装置，忽略损耗，理论上可以吸收全部的入射波能量，提高太阳能电池的转换效率，并且，这两种不同的微纳米天线装置交错间隔排布效果最佳。
应当理解，每个微纳米天线装置的引向器组和反射振子的延伸方向均与其包含的微纳米天线的振子延伸方向相同，因此两种振子延伸方向互相垂直的微纳米天线装置，引向器组和反射振子的延伸方向也互相垂直。
结合图7、图8，光电转换层2包括电池单元阵列、正主电极202、负主电极203、正辅助电极204、负辅助电极305以及填充在其间用于隔离和钝化的第二介质层。
电池单元阵列具有多个串联电池阵列201，每个串联电池阵列201由多个电池单元211并联构成。
电池单元211包括天线振子馈电电极211a、与天线振子相邻的次级电极211c以及将次级电极211c与天线振子馈电电极211a相连的整流电路211b。
天线振子馈电电极211a振子延伸在微纳米天线3a两侧，其延伸方向与偶极子天线两个振子的连线方向一致。
天线振子302的馈电方式包括天线振子水平馈电、透过引向器层垂直馈电。
实际应用中，若干个电池单元211按照天线振子馈电电极211a延伸方向振子延伸，相邻电池单元的同侧天线振子馈电电极211a相连，实现多个电池单元211的并联结构。
再将以上多个构成并联结构的电池单元通过相邻并联结构共享一条天线振子馈电电极211a的方式按照垂直与天线振子馈电电极211a延伸方向振子延伸来构成一个串联电池阵列201。
串联电池阵列201最外侧的两个次级电极211c分别构成串联电池阵列201的正电极与负电极，串联电池阵列201的正电极被设置为与正主电极202连接，串联电池阵列201的负电极被设置为与负主电极203连接。
正主电极202被设为与正辅助电极204连接，负主电极203被设为与负辅助电极205连接。
以下通过两组实施例和两组对比例来进一步说明本发明对太阳能电池光电转换率的实际提升效果：
实施例1
一种微纳米天线太阳能电池，设置有本发明所提及的引向器组和反射振子。
实施例2
一种微纳米天线太阳能电池，设置有本发明所提及的引向器组和反射振子，且其中一半微纳米天线的振子延伸方向与另一半微纳米天线的振子延伸方向垂直。
对比例1
一种微纳米天线太阳能电池，光电转换层附着在基底上，光电转换层上方只设置有一层微纳米天线。
对比例2
单晶硅太阳能电池。
附表：
根据上表可知，具有微纳米天线的太阳能电池在天线表面形成强电磁场，比之通常单晶硅太阳能电池具有更高的光电转换率，但由于微纳米天线只覆盖太阳能电池表面的其中一部分，照射至引线上的太阳能不能得到利用。
在此基础上，本发明设置了引向器组和反射振子来收集照射在微纳米天线周边引线上的太阳能，进一步提高光电转换率。
由于微纳米天线只能吸收转换天线振子延伸方向上的太阳能分量，本发明设置了两种排布方向不同的微纳米天线振子，交错间隔排列，使得该太阳能电池能够同时吸取照射至微纳米天线上的太阳能全部的分量。
从而，本发明可将微纳米天线覆盖面积之外的太阳能也收集转换成电能，且能吸收太阳能全部的分量实现较高的光电转化效率。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (12)
1.一种具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池，其特征在于，所述微纳米天线太阳能电池包括基底、光电转换层以及N个具有聚拢太阳能特性的微纳米天线装置；
所述基底用于承载设于其上的光电转换层与微纳米天线装置；
所述微纳米天线装置附着设于光电转换层上，自上而下包括引向器组、第一介质层、微纳米天线、第二介质层以及反射振子，其中：
所述微纳米天线具有天线振子，用于吸收照射在微纳米天线上的太阳光在天线振子延伸方向上的分量，在局部空间内形成电磁场，并将转换生成的电能传递给光电转换层；
所述引向器组设置在微纳米天线上方，用于将照射至太阳能电池表面的光线收集聚拢至微纳米天线内；
所述反射振子设置在微纳米天线下方，其延伸方向与微纳米天线的振子延伸方向相同，用于将照射于其上的光线反射回微纳米天线内；
所述第一介质层设置在引向器组与微纳米天线之间，用于隔离引向器组与微纳米天线；
所述第二介质层设置在反射振子与微纳米天线之间，用于隔离反射振子与微纳米天线；
所述光电转换层附着设于所述基底上，用于处理微纳米天线馈电，具有用于外接的正辅助电极、负辅助电极；
所述N为正整数。
2.根据权利要求1所述的具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池，其特征在于，所述第一介质层、第二介质层采用二氧化硅层。
3.根据权利要求1所述的具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池，其特征在于，所述反射振子采用金属反射振子或石墨烯反射振子中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池，其特征在于，所述引向器组由L个引向器互相平行排列构成，每个引向器的延伸方向均与所述天线振子延伸方向一致，相邻引向器之间设有用于隔离的二氧化硅薄膜层；
L≤4，L为正整数。
5.根据权利要求4所述的具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池，其特征在于，所述引向器采用金属引向器或石墨烯引向器中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池，其特征在于，所述天线振子包括偶极子天线。
7.根据权利要求6所述的具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池，其特征在于，所述偶极子天线的振子形状包括矩形、梯形、台阶状或三角形中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池，其特征在于，所述N个微纳米天线装置被分为两部分，其中一部分包括M个微纳米天线装置，该M个微纳米天线装置的天线振子延伸方向相同，构成第一微纳米天线组，该M个微纳米天线装置的天线振子延伸方向被设为第一方向；
其余微纳米天线装置的天线振子延伸方向相同，构成另一部分，被设置为第二微纳米天线组，第二微纳米天线组的天线振子延伸方向被设为第二方向；
所述第一方向与第二方向互相垂直；
所述第一微纳米天线组用于收集太阳能在第一方向上的分量并将之转换成电能；
所述第二微纳米天线组用于收集太阳能在第二方向上的分量并将之转换成电能；
所述M为正整数，且M<N。
9.根据权利要求1所述的具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池，其特征在于，所述光电转换层包括电池单元阵列、正主电极、负主电极、正辅助电极、负辅助电极以及填充在其间用于隔离和钝化的第二介质层；
所述电池单元阵列具有多个串联电池阵列，每个串联电池阵列由多个电池单元并联构成；
所述电池单元包括天线振子馈电电极、与天线振子相邻的次级电极以及将次级电极与天线振子馈电电极相连的整流电路；
所述串联电池阵列最外侧的两个次级电极分别构成该串联电池阵列的正电极与负电极，该串联电池阵列的正电极被设置为与正主电极连接，该串联电池阵列的负电极被设置为与负主电极连接；
所述正主电极被设为与正辅助电极连接，所述负主电极被设为与负辅助电极连接。
10.根据权利要求9所述的具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池，其特征在于，所述天线振子馈电电极振子延伸在微纳米天线装置两侧，其延伸方向与天线振子的延伸方向一致。
11.根据权利要求9所述的具有聚拢太阳能特性的微纳米天线太阳能电池，其特征在于，所述天线振子的馈电方式包括天线振子水平馈电、透过引向器层垂直馈电中的任意一种。
12.一种采用权利要求1所述的微纳米天线太阳能电池收集聚拢太阳能并转换成电能的方法，其特征在于，包括：
照射至太阳能电池面板上的太阳能通过引向器组和反射振子以聚拢至微纳米天线上，在微纳米天线内形成电磁场；
光电转换层将该电磁场能转换为电能，并提供给外接回路。
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