EA036207B1 - Солнечный элемент со спектральным разделением солнечного излучения - Google Patents
Солнечный элемент со спектральным разделением солнечного излучения Download PDFInfo
- Publication number
- EA036207B1 EA036207B1 EA201900388A EA201900388A EA036207B1 EA 036207 B1 EA036207 B1 EA 036207B1 EA 201900388 A EA201900388 A EA 201900388A EA 201900388 A EA201900388 A EA 201900388A EA 036207 B1 EA036207 B1 EA 036207B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- radiation
- rod
- scattering
- solar
- solar cell
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 65
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 31
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 6
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 claims description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 claims 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 16
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229940035637 spectrum-4 Drugs 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000008267 milk Substances 0.000 description 1
- 210000004080 milk Anatomy 0.000 description 1
- 235000013336 milk Nutrition 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
- H01L31/0549—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising spectrum splitting means, e.g. dichroic mirrors
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
- H02S40/20—Optical components
- H02S40/22—Light-reflecting or light-concentrating means
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/52—PV systems with concentrators
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Предложен солнечный элемент со спектральным разделением солнечного излучения; относится к оптике и может быть использовано в солнечных элементах для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию, для разработки малогабаритных солнечных элементов с высокой эффективностью. Солнечный элемент содержит оптический элемент с диаграммой направленности, зависящей от длины волны излучения, причем этот оптический элемент выполнен в виде стержня из слабопоглощающего материала со слабопоглощающими, рассеивающими включениями, по бокам и на заднем торце которого по ходу распространения солнечного излучения расположены фотоэлектрические преобразователи, причем по мере приближения к заднему торцу стержня спектральная область чувствительности фотоэлектрических преобразователей смещается в длинноволновую область. В качестве материала стержня может быть использовано светорассеивающее неорганическое стекло. Достигаемым техническим результатом является упрощение конструкции солнечного элемента.
Description
Изобретение относится к оптике и может быть использовано в солнечных элементах для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию.
Известен солнечный элемент, содержащий два дихроичных фильтра, расположенных под углом и распределяющих солнечное излучение разных спектральных диапазонов на два фотоэлектрических преобразователя, разнесенных в пространстве и имеющих разную спектральную чувствительность (В.Л. Хвостиков, А.С. Власов, С.В. Сорокина и др.//Физика и техника полупроводников. 2001. Т. 45. С. 810815). Недостатками устройства являются сложность конструкции, сложность оптических элементов и большие габариты.
Известен солнечный элемент, содержащий призменную линзу Френеля, на которой происходит спектральное разделение солнечного излучения в пространстве (патент US №6469241). Каждая спектральная составляющая излучения попадает на отдельный фотоэлектрический преобразователь, чувствительный в данной области спектра. Недостатками устройства являются сложность конструкции, сложность оптического элемента и большие габариты.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является солнечный элемент (патент US №2010/0095999), выбранный в качестве прототипа, содержащий оптический элемент в виде фазовой дифракционной решетки, на которой происходит разделение солнечного излучения на спектральные составляющие, формируя диаграмму направленности излучения в зависимости от длины волны. Каждая спектральная составляющая излучения попадает на отдельный фотоэлектрический преобразователь, чувствительный в данной области спектра. Недостатками устройства являются сложность конструкции, связанная с необходимостью точного позиционирования всех элементов и наличия большого числа фотоэлектрических преобразователей, и сложность оптического элемента, требующего точного изготовления.
Изобретение решает задачи упрощения конструкции солнечного элемента.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что предлагаемый солнечный элемент со спектральным разделением солнечного излучения так же, как и известный, содержит оптический элемент с диаграммой направленности, зависящей от длины волны излучения. Но, в отличие от известного решения, оптический элемент представляет собой стержень из слабопоглощающего материала со слабопоглощающими, рассеивающими включениями, по бокам и на заднем торце которого по ходу распространения солнечного излучения расположены фотоэлектрические преобразователи, причем по мере приближения к заднему торцу стержня спектральная область чувствительности фотоэлектрических преобразователей смещается в длинноволновую область.
Достигаемым техническим результатом является упрощение конструкции солнечного элемента.
В качестве материала стержня может быть выбрано светорассеивающее неорганическое стекло.
Сущность заявляемого технического решения, сформулированного в п.2 формулы, заключается в том, что в каждом следующем участке стержня по ходу распространения солнечного излучения сечение рассеяния рассеивающих центров больше, чем в предыдущем участке стержня.
Достигаемым дополнительным техническим результатом является увеличение эффективности спектрального разделения солнечного излучения за счет оптимизации диаграммы направленности для каждого спектрального интервала.
Сечение рассеяния σ излучения малыми частицами обратно пропорционально четвертой степени длины волны излучения λ: σ~1/λ4 (К. Борен, Д. Хафмен, Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986, 664 с.). Следовательно, при падении широкополосного излучения на толстую прозрачную среду с рассеивающими включениями в первую очередь и наиболее эффективно будет рассеиваться коротковолновое излучение. По мере прохождения излучения через среду произойдет увеличение диаграммы рассеяния излучения среднего спектрального интервала. При дальнейшем прохождении излучения через среду произойдет увеличение диаграммы рассеяния излучения длинноволновой части спектра. В том случае, если солнечное излучение падает на торец стержня из рассеивающего материала, на начальном участке стержня произойдет рассеяние ультрафиолетовой составляющей спектра солнечного излучения. При размещении на боковых поверхностях стержня на этом участке фотоэлектрических преобразователей, имеющих высокую эффективность преобразования в ультрафиолетовом диапазоне, энергия рассеянного ультрафиолетового излучения будет преобразована в электрическую энергию. При дальнейшем распространении солнечного излучения по стержню с рассеивающими включениями возрастает вероятность выхода через боковые поверхности стержня солнечного излучения видимой области спектра. Для преобразования энергии излучения данного спектрального интервала в электрическую энергию на боковые поверхности данного участка стержня размещают фотоэлектрические преобразователи, имеющие высокую эффективность преобразования в видимой области спектра. На следующем участке стержня с рассеивающими включениями возрастает вероятность выхода через боковые поверхности стержня солнечного излучения ближней инфракрасной области спектра. Для преобразования энергии излучения данного спектрального интервала в электрическую энергию на боковые поверхности данного участка стержня размещают фотоэлектрические преобразователи, имеющие высокую эффективность преобразования в ближней инфракрасной области спектра. Часть инфракрасного солнечного излучения, испытавшего незначительное рассеяние, выходит через задний торец стержня. Для преобразования энер- 1 036207 гии излучения данного спектрального интервала в электрическую энергию на задний торец стержня размещают фотоэлектрические преобразователи, имеющие высокую эффективность преобразования в инфракрасной области спектра.
Для увеличения эффективности спектрального разделения солнечного излучения стержень может иметь участки с разным сечением рассеяния, причем по ходу распространения излучения сечение рассеяние увеличивается. При этом согласно выражению σ~1/λ4 (где σ - сечение рассеяния) по мере удаления от входного участка стержня произойдет увеличение диаграммы рассеяния излучения среднего и длинноволнового спектральных интервалов по сравнению со стержнем из материала с постоянным сечением рассеяния.
Достоинством предлагаемого способа является то, что использование в качестве оптического элемента, разделяющего солнечное излучение на спектральные интервалы, стержня со светорассеивающими включениями позволяет упростить конструкцию солнечного элемента.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 показана конструкция солнечного элемента со светорассеивающим стержнем: а) вид сбоку, поперечное сечение; б) вид сверху. 1 - стержень со светорассеивающими включениями, 2 - фотоэлектрический преобразователь со спектральной чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра, 3 фотоэлектрический преобразователь со спектральной чувствительностью в видимой области спектра, 4 фотоэлектрический преобразователь со спектральной чувствительностью в ближней инфракрасной области спектра, 5 - солнечное излучение.
На фиг. 2 показана конструкция солнечного элемента со светорассеивающим стержнем с изменяющимся сечением рассеяния рассеивающих центров по ходу распространения излучения (вид сбоку, поперечное сечение). 1 - стержень со светорассеивающими включениями, 2 -фотоэлектрический преобразователь со спектральной чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра, 3 - фотоэлектрический преобразователь со спектральной чувствительностью в видимой области спектра, 4 - фотоэлектрический преобразователь со спектральной чувствительностью в ближней инфракрасной области спектра, 5 - солнечное излучение.
На фиг. 3 показаны расчетные пространственные распределения интенсивности рассеянного излучения в стержне со светорассеивающими включениями для разных длин волн λ: а) λ=350 нм, б) λ=500 нм, в) λ=1000 нм, г) λ=1500 нм.
На фиг. 4 показаны фотографии рассеянного излучения, прошедшего через слой светорассеивающего оптического стекла МС13 толщиной 8 мм. Длина волны излучения: а) 405 нм, б) 532 нм, в) 650 нм. Диаметр входного луча 1.5 мм, мощность излучения 5 мВт. Масштаб 1 см.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Пример.
На фиг. 1а показано поперечное сечение солнечного элемента с светорассеивающим стержнем (вид сбоку). Вид сверху показан на фиг. 1б. Солнечный элемент содержит светорассеивающий стержень 1 из светорассеивающего оптического молочного стекла МС13, имеющего форму параллелепипеда. В верхней части стержня, у его боковых поверхностей, расположены четыре фотоэлектрических преобразователя со спектральной чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра 2. Ниже, по ходу распространения солнечного излучения, расположены четыре фотоэлектрических преобразователя со спектральной чувствительностью в видимой области спектра 3. Далее по ходу распространения солнечного излучения расположены четыре фотоэлектрических преобразователя со спектральной чувствительностью в инфракрасной области спектра 4. На заднем торце стержня расположен фотоэлектрический преобразователь со спектральной чувствительностью в инфракрасной области спектра 4. На фиг. 2 показано поперечное сечение солнечного элемента с светорассеивающим стержнем, содержащим участки с разным сечением рассеяния (вид сбоку). Первый участок стержня по ходу распространения солнечного излучения содержит светорассеивающие включения, обеспечивающие эффективное рассеивание ультрафиолетового излучения солнца. Второй участок стержня содержит светорассеивающие включения, обеспечивающие эффективное рассеивание видимого излучения солнца. Третий участок стержня содержит светорассеивающие включения, обеспечивающие эффективное рассеивание инфракрасного излучения солнца.
Устройство работает следующим образом. Ультрафиолетовое излучение солнца рассеивается в верхней части солнечного элемента и преобразуется в электрическую энергию фотоэлектрическими преобразователями 2. Видимое излучение солнца рассеивается в средней части солнечного элемента и преобразуется в электрическую энергию фотоэлектрическими преобразователями 3. Инфракрасное излучение солнца рассеивается в нижней части солнечного элемента и преобразуется в электрическую энергию фотоэлектрическими преобразователями 4.
На фиг. 3 показаны расчетные диаграммы рассеяния излучения с разными длинами волн в среде со светорассеивающими включениями диаметром 30 нм и объемной концентрацией 40%. Расчет проводился путем решения уравнения непрерывности в приближении многократного рассеяния (А.П. Иванов, Оптика рассеивающих сред. Минск: Наука и техника, 1969, 592 с). Входной пучок с плоским волновым
- 2 036207 фронтом имел размеры 1x1 мм2. Из фиг. 3 видно, что по мере увеличения длины волны область максимального светорассеяния смещается по ходу распространения излучения. На фиг. 4 показаны фотографии рассеянного излучения, прошедшего через слой светорассеивающего оптического стекла МС13 толщиной 8 мм для трех длин волн. Диаметр входного пучка с плоским волновым фронтом равен 1.5 мм. Из фиг. 4 видно, что по мере увеличения длины волны диаграмма направленности рассеянного излучения для фиксированной толщины светорассеивающего слоя сужается.
Таким образом, благодаря зависимости сечения рассеяния излучения от длины волны в солнечном элементе обеспечивается спектральное разделение солнечного излучения. Это дает возможность упростить конструкцию солнечного элемента. Изобретение может быть использовано для разработки малогабаритных солнечных элементов с высокой эффективностью преобразования.
Claims (2)
- ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ1. Солнечный элемент со спектральным разделением солнечного излучения, содержащий оптический элемент с диаграммой направленности, зависящей от длины волны излучения, отличающийся тем, что оптический элемент выполнен в виде стержня из слабопоглощающего материала со слабопоглощающими, рассеивающими включениями, по бокам и на заднем торце которого по ходу распространения солнечного излучения расположены фотоэлектрические преобразователи, причем по мере приближения к заднему торцу стержня спектральная область чувствительности фотоэлектрических преобразователей смещается в длинноволновую область, а в качестве материала стержня выбрано светорассеивающее неорганическое стекло.
- 2. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что в каждом следующем участке стержня по ходу распространения солнечного излучения сечение рассеяния рассеивающих центров больше, чем в предыдущем участке стержня.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA201900388A EA036207B1 (ru) | 2019-08-07 | 2019-08-07 | Солнечный элемент со спектральным разделением солнечного излучения |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA201900388A EA036207B1 (ru) | 2019-08-07 | 2019-08-07 | Солнечный элемент со спектральным разделением солнечного излучения |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201900388A1 EA201900388A1 (ru) | 2020-10-12 |
| EA036207B1 true EA036207B1 (ru) | 2020-10-14 |
Family
ID=73129248
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201900388A EA036207B1 (ru) | 2019-08-07 | 2019-08-07 | Солнечный элемент со спектральным разделением солнечного излучения |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA036207B1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012142570A (ja) * | 2010-12-17 | 2012-07-26 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 光電変換装置 |
| US20150228813A1 (en) * | 2012-09-16 | 2015-08-13 | Solarsort Technologies, Inc. | Continuous resonant trap refractors, lateral waveguides and devices using same |
| EA025686B1 (ru) * | 2011-07-01 | 2017-01-30 | Тропиглас Текнолоджис Лтд | Спектрально-селективная панель |
| US20170338364A1 (en) * | 2016-05-17 | 2017-11-23 | International Business Machines Corporation | Mechanically stacked, lateral multi-junction photovoltaic cells |
| RU2689144C2 (ru) * | 2014-05-22 | 2019-05-24 | Солар Кьюбд Девелопмент, Ллс | Полноспектральное устройство для захвата электромагнитной энергии |
-
2019
- 2019-08-07 EA EA201900388A patent/EA036207B1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012142570A (ja) * | 2010-12-17 | 2012-07-26 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 光電変換装置 |
| EA025686B1 (ru) * | 2011-07-01 | 2017-01-30 | Тропиглас Текнолоджис Лтд | Спектрально-селективная панель |
| US20150228813A1 (en) * | 2012-09-16 | 2015-08-13 | Solarsort Technologies, Inc. | Continuous resonant trap refractors, lateral waveguides and devices using same |
| RU2689144C2 (ru) * | 2014-05-22 | 2019-05-24 | Солар Кьюбд Девелопмент, Ллс | Полноспектральное устройство для захвата электромагнитной энергии |
| US20170338364A1 (en) * | 2016-05-17 | 2017-11-23 | International Business Machines Corporation | Mechanically stacked, lateral multi-junction photovoltaic cells |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA201900388A1 (ru) | 2020-10-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU722844B2 (en) | Device for concentrating optical radiation | |
| US4536608A (en) | Solar cell with two-dimensional hexagonal reflecting diffraction grating | |
| AU2006227140B2 (en) | Multi-junction solar cells with an aplanatic imaging system | |
| US20070246040A1 (en) | Wide angle solar concentrator | |
| US20110297229A1 (en) | Integrated concentrating photovoltaics | |
| US20090110356A1 (en) | Methods and apparatuses for waveguiding luminescence generated in a scattering medium | |
| US20060191566A1 (en) | Solar concentrator system using photonic engineered materials | |
| US20060174867A1 (en) | Nonimaging solar collector/concentrator | |
| US20110203663A1 (en) | Photonic crystal enhanced light trapping solar cell | |
| KR20110093836A (ko) | 박막 반도체 광발전 디바이스 | |
| AU5295000A (en) | Device for concentrating optical radiation | |
| US20130068300A1 (en) | Luminescent solar concentrator system | |
| US20110083739A1 (en) | Energy collection systems and methods | |
| US20060233492A1 (en) | Optical beam combiner/concentrator | |
| US8415554B2 (en) | Metamaterial integrated solar concentrator | |
| KR101901905B1 (ko) | 격자 결합기 어레이를 이용한 분광기 및 분광 방법 | |
| EA036207B1 (ru) | Солнечный элемент со спектральным разделением солнечного излучения | |
| US7206142B1 (en) | Refractive spectrum splitting concentrator system | |
| US10768363B1 (en) | Plasmonic infrared optical antenna | |
| RU2645800C1 (ru) | Солнечный модуль с концентратором | |
| CN103698899B (zh) | 一种低损耗极紫外光传输系统 | |
| WO2017146557A1 (ru) | Солнечная фотоэлектрическая батарея (варианты) | |
| Chu et al. | Planar lightguide solar concentrator | |
| RU208574U1 (ru) | Устройство для фильтрации спектров оптических сигналов | |
| US20150287842A1 (en) | Photovoltaic system including light trapping filtered optical module |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AZ KG TJ TM |