CN110071191B - 一种二维异质结光伏电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二维异质结光伏电池，属于光伏电池领域，包括固定层、二维材料异质结和光学微腔，所述二维材料异质结设置在所述光学微腔内，所述光学微腔的两端固定连接在固定层上。本发明的有益效果是通过将太阳光照射到光学微腔中，光学微腔对内部的太阳光折射使得二维材料异质结对光线吸收增强，同时降低光伏电池自发辐射的立体角，使得光伏电池的自发辐射损耗减小，光伏电池的效率增加。
Description
技术领域
本发明属于光伏电池领域，具体涉及一种二维异质结光伏电池。
背景技术
为了减小温室气体排放，光伏发电得到了快速发展，光伏发电已成为人类新能源发展的主要选择之一，光伏电池的效率不断提高。然而，光伏电池的效率由于物理机制存在理论极限，即使光伏电池的光吸收率和量子效率为1，其最大输出功率仅为
其中q是电子电量，是开路电压，T是光伏电池的温度，是太阳表面温度，k是玻尔兹曼常数，是自发辐射总立体角，球形或可近似为球形传统光伏电池，是太阳光的立体角，未聚焦太阳光的立体角。这样传统光伏电池中由于光子吸收和自发再辐射的比率将使得开路电压降低300毫伏以上，从而极大的降低了光伏电池的效率。特别是在多结电池或肩并肩光伏电池中，自发辐射导致的损耗占主导地位。
通过菲涅尔透镜等聚焦手段将太阳光聚焦可以增大太阳光的立体角从而减小自发辐射所导致的损耗。当聚光比达到45670时可以消除半平面光伏电池自发辐射所导致的损耗，然而由于透镜制作、像差、以及成本的考虑，目前高聚光比系统也仅为1000左右。
二维材料异质结光伏电池是一种新的光伏电池，由两种不同的二维材料如单层石墨、单层过渡金属硫化物等贴合由范德华力作用构成的异质结结构。这种电池的单位质量转换效率可以比传统光伏电池高3个量级。然而，这种光伏电池的光吸收较弱，需要利用光学结构来增强其对太阳光的吸收。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种二维异质结光伏电池，本光伏电池具有极低的自发辐射损耗，从而可以提高光伏电池的效率。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种二维异质结光伏电池，包括固定层、二维材料异质结和光学微腔，所述二维材料异质结设置在所述光学微腔内，所述光学微腔的两端固定连接在固定层上。
本发明的有益效果是：通过将太阳光照射到光学微腔中，光学微腔对内部的太阳光折射使得二维材料异质结对光线吸收增强，同时降低光伏电池自发辐射的立体角，使得光伏电池的自发辐射损耗减小，光伏电池的效率增加。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述光学微腔为含缺陷层光子晶体，所述二维材料异质结位于所述含缺陷层光子晶体的缺陷层内。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过含缺陷层光子晶体内部的不同折射率，使得光线被多次折射，使得二维材料异质结多次吸收光线，使得吸收效果增强。
进一步，所述缺陷层为空气层，包括15-30层交替设置高折射率层和低折射率层，所述二维材料异质结位于第5层和第6层之间。
采用上述进一步方案的有益效果是：利于光线进入到含缺陷层光子晶体内，同时缺陷层为空气层时，折射效果更好，光线损耗小，利于二维材料异质结的吸收。
进一步，所述含缺陷层光子晶体为锲形不对称光子晶体。
采用上述进一步方案的有益效果是：光线的折射效果更好。
进一步，还包括分光聚焦系统，所述分光聚焦系统位于所述光学微腔的上方，所述分光聚焦系统固定连接在所述固定层的顶端。
采用上述进一步方案的有益效果是：利于光线的聚焦增强，利于二维异质结材料对光线增强。
进一步，所述分光聚焦系统包括三棱镜和菲涅尔凸透镜，所述三棱镜位于所述菲涅尔凸透镜的竖直上方，所述菲涅尔凸透镜位于所述光学微腔的竖直上方，所述三棱镜的两端固定连接在所述固定层上，所述菲涅尔凸透镜的两端固定连接在所述固定层上。
采用上述进一步方案的有益效果是：对光线聚焦效果更好。
进一步，所述二维材料异质结为石墨烯和二硫化钼异质结。
采用上述进一步方案的有益效果是：对光线吸收效果更好。
进一步，所述二维材料异质结的厚度为1-5nm。
采用上述进一步方案的有益效果是：能够降低光伏电池自发辐射的立体角，自发辐射损耗小。
进一步，所述二维材料异质结的厚度为1nm。
采用上述进一步方案的有益效果是：光伏电池自发辐射的立体角最小，自发辐射损耗更低。
进一步，所述二维材料异质结和所述光学微腔设有多个，并列肩并肩分布固定连接在所述固定层上。
采用上述进一步方案的有益效果是：光伏电池的极限效率更高。
附图说明
图1为本发明光伏电池实施例1的结构示意图；
图2为本发明光伏电池实施例2的结构示意图；
图3为本发明自发辐射角分布示意图；
图4为本发明光伏电池的效率极限结果图；
图5为本发明光伏电池厚度与理论效率折线图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、固定层，2、二维材料异质结，3、高折射率层，4、低折射率层，5、菲涅尔凸透镜，6、三棱镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种二维异质结光伏电池，包括固定层1、二维材料异质结2和光学微腔，二维材料异质结2设置在光学微腔内，光学微腔的两端固定连接在固定层1上，光学微腔用于多次反射太阳光，使得二维材料异质结2多次吸收太阳光，二维材料异质结2吸收太阳光中的光子并转换为电能输出；
具体的，光学微腔为含缺陷层光子晶体，二维材料异质结2位于含缺陷层光子晶体的缺陷层内，由于含缺陷层光子晶体的内部具有不同折射率，太阳光中不同波长的光线在含缺陷层光子晶体的形成不同角度的折射，使得二维材料异质结2能够更好的吸收太阳光，进行电子的转移，完成电能的转换，具体的，含缺陷层光子晶体为锲形不对称光子晶体；含缺陷层光子晶体是一种光学微结构，其结构通常可以表示为(AB)M1C(BA)M2,其中A、B分别表示两种不同介质层材料，为折射层，，交替构成周期性结构，每层的光程约为四分之一中心波长，M1和M2是周期数，C层是缺陷层，其材料可以与A层介质相同也可以是其他材料。这种结构可以有效的增强缺陷层内介质层的光吸收。
具体地，本实施例中缺陷层为空气层，包括15-30层交替设置高折射率层3和低折射率层4，二维材料异质结2位于第5层和第6层之间；具体的，共为26层交替设置高折射率层3和低折射率层4，其中二维材料异质结2的上方为5层交替设置的高折射率层3和低折射率层4，二维材料异质结2的下方为21层交替设置的高折射率层3和低折射率层4；具体地，低折射率层4为低折射率的氟化镁和高折射率层3为高折射率的二氧化铪薄膜。
进一步的，本实施例还包括分光聚焦系统，分光聚焦系统位于含缺陷层光子晶体的上方，分光聚焦系统固定连接在固定层1的顶端，通过分光聚焦系统将照射的太阳光聚焦到含缺陷层光子晶体的不同位置，使得太阳光进入到含缺陷层光子晶体内；具体地，分光聚焦系统包括三棱镜6和菲涅尔凸透镜5，三棱镜6位于菲涅尔凸透镜5的竖直上方，菲涅尔凸透镜5位于含缺陷层光子晶体的竖直上方，三棱镜6的两端固定连接在固定层1上，菲涅尔凸透镜5的两端固定连接在固定层1上，三棱镜6将倾斜照射过来的光线折射成正对菲涅尔凸透镜5，通过菲涅尔凸透镜5将光线聚集，使得光线更集中，光照强度更高，通过菲涅尔凸透镜5聚集后的光线进入到含缺陷层光子晶体中；具体的，菲涅尔凸透镜5又名螺纹透镜，多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的，能够保持各个位置聚集的光强度相同。
具体地，本实施例中的二维材料异质结2为石墨烯和二硫化钼异质结，而石墨烯和二硫化钼单层异质结能够更好的将光线吸收转换为电能；二维材料异质结2的厚度为1-5nm；具体的，二维材料异质结2的厚度为1nm，如图5所示，光伏电池的理论效率极限随电池厚度变化情况，厚度为1纳米时Ωemit/Ωsun≈8800，而厚度增加到2纳米和4纳米时，Ωemit/Ωsun分别约为18500和35000。可见由当厚度为1纳米时二维材料构成的异质结具有最低的Ωemit/Ωsun和损耗，相应的有着更高的最大转换效率；
在本实施例中，通过三棱镜6和菲涅尔凸透镜5将不同波长的太阳光线聚焦到含缺陷层光子晶体的不同位置，使得太阳光线进入到含缺陷层光子晶体内，并且太阳光线在高折射层和低折射层之间进行反复折射，使得石墨烯和二硫化钼异质结在光子晶体内部获得多次太阳光线的吸收，共振增强。
实施例2
如图2所示，本实施例还提供一种二维异质结光伏电池，本实施例2与实施例1相比区别在于，二维材料异质结2和含缺陷层的光子晶体设有3个，并列肩并肩分布固定连接在固定层1上，成并排阵列分布，3个肩并肩成并排分布设置的含缺陷层的光子晶体和二维材料异质结2均设在菲涅尔凸透镜5的竖直下方，菲涅尔凸透镜5聚集的太阳光线进入到3个含缺陷层的光子晶体中，通过3个肩并肩分布设置的含缺陷层的光子晶体和二维材料异质结2可以减小热损耗，提高电池的转换效率，因为3个肩并肩分布设置的含缺陷层的光子晶体和二维材料异质结2的光伏电池的自发辐射立体角极小，辐射系数与立体角的关系如图3所示，因此当立体角极小时，辐射系数小，使得热损耗降低，电池的效率提高，具体的数据为，当分光聚焦系统聚焦率极小而忽略时，相应的光子吸收和自发辐射再辐射的比率Ωemit/Ωsun≈8800，比传统光伏电池小20倍。而中等聚焦，聚焦比为775时，相应的光子吸收和自发辐射再辐射的比率Ωemit/Ωsun＝11.35，同样比传统光伏电池小。
另外本申请还提供对实施例1的带有聚光系统的二维异质结光伏电池、实施例2的多节带有聚光系统的二维异质结光伏电池、无聚光系统的二维异质结光伏电池以及传统光伏电池的效率极限的数据柱状图，如图4所示，其中单节的传统光伏电池的效率极限为33％，而单节的无聚光系统的二维异质结光伏电池的效率极限为36％，而带有聚光系统的二维异质结光伏电池的效率极限为44％，而多节带有聚光系统的二维异质结光伏电池的效率极限为60％-70％。从数据可以得出本二维异质结光伏电池具有自发辐射损坏低，电池效率高的效果。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种二维异质结光伏电池，其特征在于，包括固定层(1)、二维材料异质结(2)和光学微腔，所述二维材料异质结(2)设置在所述光学微腔内，所述光学微腔的两端固定连接在固定层(1)上，所述二维材料异质结(2)的厚度为1-4nm。
2.根据权利要求1所述的一种二维异质结光伏电池，其特征在于，所述光学微腔为含缺陷层光子晶体，所述二维材料异质结(2)位于所述含缺陷层光子晶体的缺陷层内。
3.根据权利要求2所述的一种二维异质结光伏电池，其特征在于，所述缺陷层为空气层，包括15-30层交替设置高折射率层(3)和低折射率层(4)，所述二维材料异质结(2)位于第5层和第6层之间。
4.根据权利要求3所述的一种二维异质结光伏电池，其特征在于，所述含缺陷层光子晶体为锲形不对称光子晶体。
5.根据权利要求1所述的一种二维异质结光伏电池，其特征在于，还包括分光聚焦系统，所述分光聚焦系统位于所述光学微腔的上方，所述分光聚焦系统固定连接在所述固定层(1)的顶端。
6.根据权利要求5所述的一种二维异质结光伏电池，其特征在于，所述分光聚焦系统包括三棱镜(6)和菲涅尔凸透镜(5)，所述三棱镜(6)位于所述菲涅尔凸透镜(5)的竖直上方，所述菲涅尔凸透镜(5)位于所述光学微腔的竖直上方，所述三棱镜(6)的两端固定连接在所述固定层(1)上，所述菲涅尔凸透镜(5)的两端固定连接在所述固定层(1)上。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种二维异质结光伏电池，其特征在于，所述二维材料异质结(2)为石墨烯和二硫化钼异质结。
8.根据权利要求1所述的一种二维异质结光伏电池，其特征在于，所述二维材料异质结(2)的厚度为1nm。
9.根据权利要求1-6任一项所述的一种二维异质结光伏电池，其特征在于，所述二维材料异质结(2)和所述光学微腔设有多个，并列肩并肩分布固定连接在所述固定层(1)上。
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- 2019-04-18 CN CN201910312554.8A patent/CN110071191B/zh active Active
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| CN110071191A (zh) | 2019-07-30 |
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