CN1325142A - 增强太阳能电池发电量的方法 - Google Patents

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Abstract

一种增强太阳能电池发电量的方法是于太阳能电池表面上加一层波长转换层,利用波长转换层将太阳光最强光谱之波长400－700nm部分转换成太阳能电池接收光谱感度最佳的接收光波范围(红外光,硅太阳能电池最佳光感度在800－1000nm间),促使太阳光发光源与太阳能电池接收光谱感度得到最佳的匹配,以增强太阳能电池之发电输出功率。

Description

增强太阳能电池发电量的方法
本发明是一种增强电池发电量的方法，特别是指一种增强太阳能电池发电量的方法。
太阳能电池种类有很多有硅、锗、砷化锭等，其中以硅(Si)质太阳能电池为最大宗，也是商品化最多的一种，硅(Si)质太阳能电池(包括单晶硅、多晶硅、非晶硅)它对光的光电效应(感度)因不同光谱而有不同的光电转换效率，以硅材料为主(单晶硅或多晶硅)所构成的太阳能电池其光电转换光谱感度最佳范围为近红外光(800nm-1000nm)如图1B曲线所示，在可见光范围(400nm-700nm)反而比较弱。
太阳光的辐射光谱范围很大，而其最强的光谱是在(380-700nm)间如图1A曲线所示，最强光谱大部份在可见光范围，并非红外光，另家庭照明光源目光灯、U型节能灯光谱也以三波长为主的可见光谱并无红外光谱(除白炽灯泡外)，白炽灯泡因发光效率差现在家庭大都已不采用改用日光灯或U型节能灯。
因此“硅太阳能电池”无论在室外(太阳光)或室内(日光灯)使用，其接受光电转换所对应接收的波长并非很匹配(最佳情况)，相对地降低了太阳能电池的发电量。
今若能将太阳能电池制作设计使它的光感度接收光谱在最佳可见光范围，则其发电量与光电效率均会提高，但硅材料由于本身能隙(1.1)的关系，很难做到光电接收光谱感度峰值在可见光范围，除非改用其它材料，如硒化硅(CdSe)、硫化镉(CdS)但其他材料除考量成本高外，还有污染等问题。
单晶及多晶硅(Si)太阳能电池最佳的光谱感度在近红外光800nm～1000nm间(峰值在900nm)，而太阳光及日光灯最强的光谱在可见光400nm～700nm间，两者并非最佳匹配，若能使太阳能电池与太阳光或室内照明光得到相互匹配则其发电量(即输出功率)将大为提高。若将单晶硅太阳能电池置于“日光灯”下照射则其输出功率只有最大输出功率值的20-30％左右，在白帜灯(波长800nm以上)下则其输出功率达90％因为波长较为匹配，但白帜灯太耗电，现一般家庭已不采用，都改用目光灯或节能灯。
本发明人长期从事“波长转换”研究工作，并成功地开发多项新产品同时也取得国内外多项专利，如白光LED(美国专利5962971)紫外光接收器(台湾专利150652号)，多颜色发光二极管(美国专利5952681)，全彩色有机发光二极管(美国专利6008578)，液晶显示器(申请中)，多层式光碟片(申请中)。
今本人亦利用相同原理“波长转换”技术将其用于太阳能电池中，将大自然太阳光最强波长可见光及室内照明的可见光直接转换成较长波长的红外光(800nm-1000nm)以迫使Si太阳能电池符合太阳光或室内光得到最佳匹配，使得最大发电量的输出功率。另如锗(Ge)太阳能电池最佳光谱感度在1.4-1.7μm问相同的技术也可使Ge太阳能电池在太阳光底下得到最大的输出功率。
过去研究太阳能电池的学者大都全力执著于太阳能电池效率的提高，如何改善太阳能电池元件的基本材料与制程的研究，如近来研究太阳能电池在Si基板加上铟磷化镓(InGaP)/砷化镓(GaAs)积层式太阳能电池具有很高的光电转换效率，却忽视了太阳能电池对光谱感度的最佳化设计，在同样的太阳光底下，有加装波长转换层与没装波长转换层的输出功率两者相差高达30％以上，在此特别声明加上“波长转换层”，太阳能电池的效率并没有提升，而是得到最佳化的光谱匹配，得最大的输出功率即最大的发电量(此部分可引用音响喇叭的阻抗匹配，当内电阻等于外内阻时则输出功率为最大)，在此当光源的发光光谱与太阳能电池的接收光谱相匹配时则其输出功率(发电量)为最大；但现在的太阳能电池与光源光谱并不匹配，有关这方面却很少人知道。现在的太阳能电池只有在表面加上一层抗反射层或滤光层，并非波长转换层(如图2所示)。
“波长转换层”是一种可吸收较短波长并同时放出较长波长的材料俗称“萤光体”，大部份萤光材料是吸收紫外光(如254nm、365nm)并放出可见光(R、G、B)为日光灯、水银灯照明用，也有一些材料可吸收可见光并转换放出红外光的材料如石榴石(YAG:Cr),钙磷氧CaPO3(830nm)。
萤光材料有氧化物、硫化物(ZnS)、有机萤光材料等，用于太阳光直接照射以氧化物萤光体最稳定效果最佳。硫化物及有机萤光材料可用于室内光源照射(电子表，计算机等内含太阳能电池的装置)。
本发明的目的在于提供一种增强太阳能电池发电量的方法，其可大为提高太阳能电池的发电量。
本发明的技术方案为，一种增强太阳能电池发电量的方法，其特征在于，其是于太阳能电池表面上加一层波长转换层，利用波长转换层将太阳光最强光谱的波长400-700nm部分转换成太阳能电池接收光谱感度最佳的接收光波范围(红外光)，促使太阳光发光源与太阳能电池接收光谱感度得到最佳的匹配，以增强太阳能电池的发电输出功率。
其中太阳能电池是指其接收光谱感度最强范围在红外光(700nm以上)，如单晶硅(Si)、锗(Ge)系等太阳能电池。
其中波长转换层，可直接涂布于太阳能电池表面上。
其中波长转换层可与透明胶质混合形成薄片状再安置于太阳能电池表面上。
其中波长转换层可涂布于透明片状材质上，再安置于太阳能电池表面上。
其中波长转换层装设于上、下菱镜片中间，再安置于太阳能电池上面，利用菱镜的作用以增强太阳能电池的发电量。
兹配合图示说明，就本发明“增强大阳能电池发电量的方法”，实拖例的构造功能及其特征详述如后，敬请参阅；
图1为太阳光光谱图(A)与硅太阳能电池光谱感度图(B)；
图2为传统太阳能电池的基本构造剖面图；
图3是本发明增强太阳能电池发电量的方法的实例剖面图(一)；
图4是本发明增强太阳能电池发电量的方法的实例剖面图(二)；
图5是本发明增强太阳能电池发电量的方法的实例剖面图(三)；
图6是本发明增强太阳能电池发电量的方法的结构图(四)。
图1A曲线为太阳光的光谱图，图1B曲线单晶硅太阳池光谱感应图。由图1A曲线可看出太阳光的强光谱是在400-700nm间，最强的峰值在500nm左右，而在800nm-1000nm波长间，太阳光的能量约为500nm峰值的40％左右，另由图1B曲线可看出单晶硅太阳能电池的光谱感度在800-1000nm间为最高，因此硅太阳能电池无论其效率如何，在太阳光下至多只有40％的功率输出(指在800nm-1000nm的光谱范围)。因为两者光谱并不相对应(匹配)。
本发明“增强太阳能电池发电量的方法”如图3所示，是于硅太阳能电池1面上加上一层“波长转换层2”，将太阳光最强的光谱(约500nm)左右直接转换成800-1000nm波长为太阳能电池最佳的接收光谱，只要“波长转换材料”的转换效率在80％以上则太阳能电池的发电量(输出功率)至少可提高50％-100％间，即由原来的最多只有40％功率输出增加到60-80％的功率输出，这就是“波长匹配”的惊人功能所在。审查委员不用怀疑，因为波长转换材料其转换效率在80％以上者可多得很，并不难找。
本发明增强太阳能电池发电量的方法是于太阳能电池1上加上一层波长转换层2，该波长转换层2可以涂布方式直接涂在太阳能电池1的上面(如图3所示)，另如图4所示该波长转换材料2可先涂布或混合在一种透明胶片3上后再贴合或放置在太阳能电池1表面上这样可容易抽换(如用一段时间被污染或长霉菌等)。
还有一种方法如图5所示先将波长转换层2涂于具有下菱镜片4上并利用菱镜功能将经波长转换的光调整方向使光直下达太阳能电池1面上以使得更佳的发电效果。
图6是本发明增强太阳能电池发电量的方法第四结构图，采上、下双菱镜片的设计，将波长转换层2夹在上菱镜片5与下菱镜片4中间，其中上萎镜片5设计主要针对太阳光在不同角度射入时可得到较高入射光，下菱镜片4主要是将经波长转换的光因其发光角度大于160 °，利用下菱镜4的聚光作用调整光的方向使光直下达太阳能电池。
本发明例举实施例是以单晶硅太阳能电池为例，同理本发明的方法亦可应用于其他太阳能电池材料如Ge系太阳能电池其最高接收光谱感度在(1.6μm)属红外光、在1.6μm波长的太阳光大约只有其峰值(500nm)的20％左右，当然其发电量再高也只有太阳光强度20％，如果加上波长转换层，设波长转换效率为0.8，若光波从500nm峰值转换到1600nm时，则Ge太阳能电池发电量至少可提高到60％，相当于没有加装波长转换层时发电量(光谱感度)的3倍(指在相同的太阳光底下)
运用波长转换技术于太阳能电池上只能将短波变长波，无法将长波变短波，理由是长波变矩波其效率太差只有2％左右，但短波变长短其效率可达90％以上。
硅太阳能电池无论单晶、多晶、非晶硅其材质均偏向黑色，黑色较易吸收远红外线光谱(3μm-10μm)并产生温升现象，温升会造成太阳能电池的效率下降，若电池表面为白色则比较不会吸热可降低太阳能电池受光照射产生的温升现象，采用“波长转换层”技术，由于该材料主要吸收近紫外光或可见光，转换成近红外光(1000nm以下不生热)且较少吸收远红外线光，故比较不会产生温升现象。
本发明“增强太阳能电池发电量的方法”将波长转换层直接涂布于太阳能电池表面，或涂布于保护玻璃层之内面即可，当然膜层的厚度有一定的范围不能太厚(否则反效果反而阻光)最佳化1-3粉层厚，(视萤光粉体粉径而定)。
萤光层也可直接涂布于菱镜片(Prian)的平面上，利用菱镜的聚焦效果可调整入射光直射至太阳能电池面上以增强发电量。
综上所述本发明“增强太阳能电池发电量的方法”确实具有实用性与创造性，虽然只加上一层波长转换层来提高太阳能电池的发电量构造简单，也确实达到了增强太阳能电池发电量的一大创举。

Claims (6)

1．一种增强太阳能电池发电量的方法，其特征在于，其是于太阳能电池表面上加一层波长转换层，利用波长转换层将太阳光最强光谱的波长400-700nm部分转换成太阳能电池接收光谱感度最佳的接收光波范围(红外光)，促使太阳光发光源与太阳能电池接收光谱感度得到最佳的匹配，以增强太阳能电池的发电输出功率。
2．根据权利要求1所述的增强太阳能电池发电量的方法，其特征在于，其中太阳能电池是指其接收光谱感度最强范围在红外光(700nm以上)，如单晶硅(Si)、锗(Ge)系等太阳能电池。
3．根据权利要求1所述的增强太阳能电池发电量的方法，其特征在于，其中波长转换层，可直接涂布于太阳能电池表面上。
4．根据权利要求1所述的增强太阳能电池发电量的方法，其特征在于，其中波长转换层可与透明胶质混合形成薄片状再安置于太阳能电池表面上。
5．根据权利要求1所述的增强太阳能电池发电量的方法，其特征在于，其中波长转换层可涂布于透明片状材质上，再安置于太阳能电池表面上。
6．根据权利要求1所述的增强太阳能电池发电量的方法，其特征在于，其中波长转换层装设于上、下菱镜片中间，再安置于太阳能电池上面，利用菱镜的作用以增强太阳能电池的发电量。
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