CN208127217U - 一种新型光伏组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型光伏组件，包括开设于顶层用于均匀聚光的折面形抛物柱聚光器，背反射层开设在电池组件的底部，由于组件内部的砷化镓矩形光栅层和矩形光栅吸收层的作用，太阳光在组件内部可以发生多次反射和衍射，增加了光在吸收层的作用时间和距离，增强了吸收层对光的吸收率。

Description

一种新型光伏组件

技术领域

本实用新型属于新能源技术领域，具体涉及一种新型光伏组件。

背景技术

太阳能作为一种重要的清洁可再生能源，它的开发和应用大大节省了化石能源，解决了传统能源带来的污染和危害。传统太阳能电池板当太阳光照射在其上时，光线分散，不够集中，使焦斑能量在接收器表面分布不均匀，从而使其对太阳能的利用效率低下。制约太阳能电池发展的最大因素是太阳能电池的光电转换率，目前太阳能电池光电转换率不高的主要原因是光子流失，而造成光子流失的主要原因一是太阳能电池吸收层的材料对光的吸收率较小，二是吸收层本身的结构不利于太阳能电池的光电转换。普通薄膜太阳能电池转换效率低下的主要原因是其对长波长光的吸收能力比较小，长波长的光被充分吸收需要传输的距离远大于薄膜太阳能电池的厚度。当前太阳能电池的转换效率普遍较低，而且转换效率的理论值都是在理想状况下得到的，而太阳能电池在光电转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比理论极限效率更低。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种新型光伏组件，以提高太阳能电池的光电转换率。

为达到上述目的，本实用新型所述一种新型光伏组件包括自下至上依次设置的背反射层、光栅吸收层、光栅层、ITO层、金属网和折面形抛物柱聚光器，背反射层和光栅吸收层处侧面齐平，光栅层和光栅吸收层的填充因子不同，光栅层和光栅吸收层的周期相同。

进一步的，背反射层包括沿水平方向间隔设置二氧化硅层，相邻的二氧化硅层之间填充有硅层。

进一步的，背反射层上方覆盖有一层透明玻璃。

进一步的，折面形抛物柱聚光器厚度为0.2mm～0.55mm，且入射光线与折面形抛物柱聚光器顶面法线的夹角等于出射光线与折面形抛物柱聚光器底面法线的夹角。

进一步的，光栅层和光栅吸收层的周期均为400nm。

进一步的，光栅层和光栅吸收层均为矩形，光栅层叠合在光栅吸收层的中心线上。

进一步的，光栅层层的填充因子f1为0.1，光栅吸收层的填充因子f2为0.45。

进一步的，光栅层包括若干沿水平方向设置的光栅，相邻的光栅之间间距为220nm～222nm。

进一步的，光栅层相邻的光栅之间间距为221nm。

进一步的，光栅层和光栅吸收层的光栅刻槽深度相等，均为320nm。

与现有技术相比，本实用新型在顶层设置了均匀聚光的折面形抛物柱聚光器，提高了对光能的利用效率；内部设置了双层矩形及双填充因子光栅结构，由于光栅层和光栅吸收层的作用，太阳光在组件内部的上下层光栅间可以发生多次反射和衍射，增加了光在吸收层的作用时间和距离，增强了吸收层对光的吸收率。

进一步的，还包括设置在光栅吸收层正下方的背反射层，背反射层包括沿水平方向间隔设置二氧化硅层，相邻的二氧化硅层之间填充有硅层，可对光子进行充分反射，大幅提高了吸收层对光的吸收率。

进一步的，背反射层上方覆盖有一层透明玻璃，透明玻璃层会将光线反射入光栅层和光栅吸收层进行再次吸收，而透射出玻璃层的光线会由二氧化硅层和硅层进行吸收，提高光伏组件的光能利用效率。

进一步的，折面形抛物柱聚光器厚度为0.2mm～0.55mm，且入射光线与折面形抛物柱聚光器顶面法线的夹角等于出射光线与折面形抛物柱聚光器底面法线的夹角，使透过聚光镜的光通量损失最小。

进一步的，光栅层和光栅吸收层的周期均为400nm，将双层光栅结构设置为此周期可以使得光子在光栅区域与吸收材料进行有效的接触作用，使光子能充分被吸收，进而转化为电子。

进一步的，光栅层和光栅吸收层均为矩形，光栅层叠合在光栅吸收层的中心线上，矩形光栅便于制作，二是矩形光栅便于上下两层进行稳定的叠合，而且将光栅结构设置成矩形更能对光能进行充分吸收。

进一步的，矩形光栅层中含有金纳米颗粒或银纳米颗粒，金纳米颗粒或银纳米颗粒可以使介质的接触面产生表面等离子体效应。通过金属表面等离子体共振效应对入射光进行捕获，使得金属纳米颗粒的局域场增强，使光聚集，激发半导体介质中产生电子-空穴对，从而提高太阳能电池中的半导体材料对入射光的吸收作用。

进一步的，光栅层相邻的光栅之间间距为221nm，此时吸收率最佳。

进一步的，光栅层和光栅吸收层的光栅刻槽深度相等，均为320nm，光栅结构对光能的吸收率达到峰值，可以实现对光能的最大化利用。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

附图中：1、折面形抛物柱聚光器；2、金属网；3、ITO层；4、光栅层；5、光栅吸收层；6、背反射层，7、透明玻璃。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

参照图1，一种新型光伏组件包括自下至上依次设置的背反射层6、光栅吸收层5、砷化镓矩形光栅层4、ITO层3、金属网2和折面形抛物柱聚光器1，背反射层6和光栅吸收层5处侧面齐平。

新型太阳能电池光伏单元组件长、宽，整体高度都为2000nm～2020nm，使用时需要多单元组件组合使用。单元组件内部的光栅层4和光栅吸收层5均采用砷化镓半导体材料，且光栅层4和光栅吸收层5均为矩形，由于光栅4和光栅吸收层5的作用，太阳光在光栅层4和光栅吸收层5可以发生多次反射和衍射，增加了光在吸收层的作用时间和距离，增强了吸收层对光的吸收率。光栅层4的周期T设置为400nm，和光栅吸收层5的周期相同。这是通过不断模拟和优化得出最优结构参数，将双层光栅结构设置为此周期可以使得光子在光栅区域与吸收材料进行有效的接触作用，使光子能充分被吸收，进而转化为电子。光栅层4的填充因子(填充因子为光栅结构具有最大输出功率时的电流和电压的乘积与短路电流和开路电压乘积的比值)f1为0.15，厚度为f1*T＝60nm，光栅吸收层5的填充因子f2为0.45，长度为f2*T＝180nm，光栅的厚度和长度都是根据实验数据拟合出的经验公式算出的。光栅层4需要叠合在5的中心线上，所以光栅吸收层5需要和光栅层4具有相同的周期，才便于相互叠合，并用导电金属夹套进行固定。导电金属夹套是一层很薄的金属膜，由于导电金属夹套包覆在整个单元组件的最外层，所以在图1中没有体现。光栅层4和光栅吸收层5的高度即光栅刻槽深度h1，h2相等，均为320nm。当刻槽深度在180nm～320nm时，随着刻槽的不断加深，光栅结构对长波长光线的吸收范围不断扩宽，整体的吸收率逐步增大。而当刻槽深度在320nm～460nm时，随着刻槽深度的再次加大，光栅结构对长波长的吸收又开始减弱，所以当刻槽深度为320nm时,光栅结构对光能的吸收率有一个峰值，达到了90％左右，将光栅刻槽深度h1，h2都设置为320nm,可以实现对光能的最大化利用。光栅层4包括若干沿水平方向设置的光栅，相邻的光栅之间间距为220nm～222nm。光栅间距过大或过小都不利于光线在光栅结构内部的反射，导致吸收率不升反降，实验表明将光栅间隔范围界定在220nm～222nm最为合适，取居中值221nm最佳，有利于光子在光栅结构中传输和吸收。光栅层4使介质的接触面产生表面等离子体效应，增强太阳能电池对可见光波段的平均吸收效率，光栅吸收层5专门针对于波长较长的红外光波段进行充分吸收，光栅层4和光栅吸收层5分别反复吸收光能后将产生的光生载流子传输至ITO层3进行收集，最终产生的电流通过组件两侧连接包覆光栅层4和光栅吸收层5的金属夹套左右两侧的两个银电极和ITO层上层的金属网2导出。金属夹套是用金属薄膜卷制成封闭的恰好能够将单元组件套入并紧紧固定的一个结构，两个电极分别焊接在夹套的两个相对面上。由于太阳能电池组件长时间工作会发热从而导致发电效率有所降低，所以有必要在多组件组装后采用风冷或水冷的方式进行整体冷却。每个单元组件可用金属电极相互串联或并联后整体使用。

折面形抛物柱聚光器1是一种用“多折面”代替“曲面”，用“镀银双层玻璃”代替“镀银玻璃”的新型抛物柱折面形镀银玻璃太阳能聚光器，其厚度为0.2到0.55mm。多折面夹角的设置要保证入射光线与折面形抛物柱聚光器顶面法线的夹角等于出射光线与折面形抛物柱聚光器底面法线的夹角。此时透过折面形抛物柱聚光器的光通量损失最小。

优选的，光栅层4和光栅吸收层5均为矩形，一是因为矩形光栅便于制作，二是矩形光栅便于上下两层进行稳定的叠合，而且将光栅结构设置成矩形更能对光能进行充分吸收。

优选的，背反射层6采用光子晶体材料。它包括沿水平方向间隔设置的二氧化硅层，相邻的二氧化硅层之间填充有硅层。其中，硅层由硅制成，二氧化硅层由二氧化硅制成。硅层宽度为64.7nm，二氧化硅层的宽度为153nm，这两个值都是根据硅和二氧化硅的折射率和特定的光波长值计算出的定值。由于到达背反射层6的大部分为波长相对较长的红外光线，这样的宽度设置大大提高了背反射层对红外光线的吸收率。背反射层6层数设为5层，总厚度为1088.5nm。背反射层6上覆盖有一层透明玻璃7，透明玻璃7会将光线反射入光栅层4和光栅吸收层5进行再次吸收，而透射出透明玻璃7的光线会由背反射层6的二氧化硅层和硅层进行吸收。

优选的，上层的砷化镓矩形光栅层4中加入了金属纳米颗粒，其中较为理想的是加入金纳米或银纳米颗粒。

优选的，下层矩形光栅吸收层5是对传统的半导体硅材料采取了等离基元热电子注入的方法进行了处理。

本实用新型的工作过程如下：

当入射光通过折面形抛物柱聚光器1后，实现了均匀聚光，从而大大提高了太阳能的辐射功率密度和光能利用效率。组件内部设计了上下双层矩形光栅结构，且光栅层4和光栅吸收层5的填充因子不同，使上下层光栅分别对短波长光和长波长光有针对性的进行吸收。将光栅吸收层5刻蚀成光栅结构之后，会聚光穿过金属网2和ITO层3在光栅吸收层内的随机多次反射使其传播时间增长、传播距离变大，增加了吸收层光栅区域的整体光场强度，使更多的光子能够有机会与吸收层的材料作用，最终提高了吸收层的光吸收效率。同时在电池组件底部设置了由光子晶体材料制成的背反射层6，使得太阳光在组件内部可以发生多次反射和衍射，增加了光在吸收层的作用时间和距离，增强了吸收层对光的吸收率，只要将光子禁带的波长范围控制在太阳光谱波长范围之内，底部反射层即可对光子进行近乎百分之百的反射。

上层的光栅层4中加入了金属纳米颗粒，使介质的接触面产生表面等离子体效应，用于增强太阳能电池对可见光波段的平均吸收效率，同时上层光栅层较小的填充因子有利于未被吸收的光波透过，由光栅吸收层5进行再次吸收。下层的矩形光栅吸收层5是对传统的半导体硅材料采取等离基元热电子注入的方法进行了处理，它是利用纳米贵金属等离激元产生热电子注入机制在光作用下持续注入到硅基光伏器件的传输主体中，使得硅基光伏器件的电流密度增大、吸光范围增大，明显提高近红外区域的光电转换效率，从而实现太阳光谱的宽光谱响应，光栅吸收层5专门针对于上层没有充分吸收的光波和波长较长的红外光波段进行再次吸收，最终提高可见光波段的整体吸收率。当入射光经汇聚，进入光栅吸收层被半导体材料反复吸收后，产生的光生载流子被ITO层3收集后通过金属夹套的电极和ITO层上层的金属网2最终作为电流导出。

Claims (10)

1.一种新型光伏组件，其特征在于，包括自下至上依次设置的背反射层(6)、光栅吸收层(5)、光栅层(4)、ITO层(3)、金属网(2)和折面形抛物柱聚光器(1)，背反射层(6)和光栅吸收层(5)处侧面齐平，光栅层(4)和光栅吸收层(5)的填充因子不同。

2.根据权利要求1所述的一种新型光伏组件，其特征在于，背反射层(6)包括沿水平方向间隔设置二氧化硅层，相邻的二氧化硅层之间填充有硅层。

3.根据权利要求1所述的一种新型光伏组件，其特征在于，背反射层(6)上方覆盖有一层透明玻璃(7)。

4.根据权利要求1所述的一种新型光伏组件，其特征在于，折面形抛物柱聚光器(1)厚度为0.2mm～0.55mm，且入射光线与折面形抛物柱聚光器(1)顶面法线的夹角等于出射光线与折面形抛物柱聚光器(1)底面法线的夹角。

5.根据权利要求1所述的一种新型光伏组件，其特征在于，光栅层(4)和光栅吸收层(5)的周期均为400nm。

6.根据权利要求1所述的一种新型光伏组件，其特征在于，光栅层(4)和光栅吸收层(5)均为矩形，光栅层(4)叠合在光栅吸收层(5)的中心线上。

7.根据权利要求1所述的一种新型光伏组件，其特征在于，光栅层(4)层的填充因子f1为0.1，光栅吸收层(5)的填充因子f2为0.45。

8.根据权利要求1所述的一种新型光伏组件，其特征在于，光栅层(4)包括若干沿水平方向设置的光栅，相邻的光栅之间间距为220nm～222nm。

9.根据权利要求8所述的一种新型光伏组件，其特征在于，光栅层(4)相邻的光栅之间间距为221nm。

10.根据权利要求1所述的一种新型光伏组件，其特征在于，光栅层(4)和光栅吸收层(5)的光栅刻槽深度相等，均为320nm。