JP2015530746A - Photovoltaic system including optical module with light capture filter - Google Patents
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Abstract
第1の面および第2の面を有する光無作為化誘電体スラブを含む光捕捉光学モジュールと、該誘電体スラブの吸収開始のエネルギーより低いエネルギーのバンドギャップを有するこのスラブの第1の面に隣接する第1の電池と、誘電体スラブの第2の面に光学的に当接する少なくとも1つのフィルタ素子と、複数の光起電力副電池を含む副電池配列とを含み、その副電池のうちの少なくとも1つが少なくとも1つのフィルタ素子と光学的に当接する第1の面を有する、入射光を電気エネルギーに変換する光起電力システム。【選択図】 図2A light capture optical module comprising an optical randomized dielectric slab having a first surface and a second surface; and a first surface of the slab having a lower energy bandgap than the energy of onset of absorption of the dielectric slab A first battery adjacent to the second surface of the dielectric slab, at least one filter element in optical contact with the second surface of the dielectric slab, and a sub battery array including a plurality of photovoltaic sub batteries. A photovoltaic system for converting incident light into electrical energy, wherein at least one of them has a first surface in optical contact with at least one filter element. [Selection] Figure 2
Description
優先権
本特許出願は、2012年8月30日付け出願の、OPTICS FOR FULL SPECTRUM、ULTRAHIGH EFFICIENCY SOLAR ENERGY CONVERSIONの題名の米国仮特許出願第61/695,216号、および2013年1月25日付け出願の、PHOTOVOLTAIC SYSTEM INCLUDING LIGHT TRAPPING FILTERED OPTICAL MODULEの題名の米国仮特許出願第61/756,804号からの優先権を主張するものであり、これらの仮特許出願の全てが本特許出願において参照により援用される。
PRIORITY This patent application is filed on August 30, 2012, and is dated January 25, 2013, US Provisional Patent Application No. 61 / 695,216, entitled OPTICS FOR FULL SPECTRUM, ULTRAHIGH EFFICENCY SOLAR ENERGY CONVERSION. The application claims priority from US provisional patent application 61 / 756,804 entitled PHOTOVOLTAIC SYSTEM INCLUDING LIGHT TRAPPING FILTERED OPTICAL MODULE, all of which are hereby incorporated by reference in this patent application. Incorporated.
本発明は、入射光を電気エネルギーに変換する光起電力装置に関する。特に、本発明は、副電池配列に接続された誘電体スラブからなる光捕捉光学モジュールを含む光起電力装置に関するものである。 The present invention relates to a photovoltaic device that converts incident light into electrical energy. In particular, the present invention relates to a photovoltaic device including a light capturing optical module comprising a dielectric slab connected to a sub-cell array.
太陽電池またはPV電池とも呼ばれる光起電力電池は、太陽光のような入射光を電気エネルギーに変換するのに有用である。これらの電池は、例えば、通常本質的に低変換効率をもたらす特別に定められたバンドギャップを有する単接合型電池として用いることができる。これは、電池の単一バンドギャップを超えるエネルギーを有する光子だけが有効な作用をもたらすように用いることができるためであり、なおかつ電池のバンドギャップより大きなバンドギャップの光子のエネルギーの全てが本質的に熱化されるためである。これにより、単接合型は、光起電力的にスペクトルの一部にだけ反応し、反応する波長のほとんどにとってそれほど効率的ではない。そのため、これまで太陽電池の効率を向上するために多くの方法が用いられ提案されている。 Photovoltaic cells, also called solar cells or PV cells, are useful for converting incident light, such as sunlight, into electrical energy. These batteries can be used, for example, as single-junction batteries having a specially defined band gap, which usually results in essentially low conversion efficiency. This is because only photons with energies that exceed the single band gap of the battery can be used to provide an effective effect, and all of the energy of the photons with a band gap larger than the band gap of the battery is essential. This is because it is heated. Thus, the single-junction type reacts only to a portion of the spectrum in a photovoltaic manner and is not very efficient for most of the wavelengths that are reacted. For this reason, many methods have been used and proposed to improve the efficiency of solar cells.
より高い光起電力効率を達成するためによく用いられる方法は、太陽光を単接合型太陽電池に代わって多接合型太陽電池に供給する方法である。多接合型電池により、高バンドギャップを有する電池を用いて一番高いエネルギー光子を変換することが可能となり、これによって熱化が最小化され、一方中間波長は、中間バンドギャップを有する電池に供給されることになる。多接合型電池は、最適な単接合型電池がもたらすエネルギーより少ないエネルギーの基部接合を用いることによって全体のスペクトル応答を引き延ばす。このような多接合型太陽電池は特定の半導体材料からなり、その選択されたバンドギャップエネルギーは太陽スペクトルに及ぶ。最高のバンドギャップよりも大きなエネルギーを有する光子は、最高のエネルギーギャップ副電池によって最初に収集される。低エネルギーを有する光子は、最高エネルギーバンドギャップ副電池を通して次の最高エネルギーバンドギャップを有する副電池に伝送される。この繰り返しは、最低エネルギーバンドギャップを有する副電池に到達するまで繰り返される。このようにして、熱化され熱として消失する吸収電池のバンドギャップより大きな吸収された光子のエネルギーは、最少化される。加えて、より多くのバンドギャップは、最適化されたケースでは、単接合型電池と比べて総太陽スペクトルのより大きな部分が多接合型電池によって吸収可能であるということを通常意味する。 A method often used to achieve higher photovoltaic efficiency is to supply sunlight to a multi-junction solar cell instead of a single junction solar cell. Multi-junction batteries allow the highest energy photons to be converted using batteries with a high band gap, which minimizes thermalization, while intermediate wavelengths are supplied to batteries with an intermediate band gap Will be. Multi-junction cells extend the overall spectral response by using a base junction with less energy than that provided by an optimal single-junction cell. Such multi-junction solar cells are made of a specific semiconductor material, and the selected band gap energy extends to the solar spectrum. Photons with energies greater than the highest band gap are first collected by the highest energy gap subcell. Photons having low energy are transmitted through the highest energy bandgap subcell to the next subcell having the highest energy bandgap. This repetition is repeated until a sub-cell having the lowest energy band gap is reached. In this way, the energy of absorbed photons that is larger than the band gap of the absorbing cell that is heated and disappears as heat is minimized. In addition, more bandgap usually means that in an optimized case, a larger portion of the total solar spectrum can be absorbed by the multijunction cell as compared to a single junction cell.
多接合型太陽電池は、単接合型太陽電池を超える効果をもたらすが、入射太陽放射線を分割して異なる太陽電池にその光を向けるための光分割光学素子を用いると、さらなる効率の向上を達成できる。光のより狭いバンドは、異なるバンドギャップを有する副電池に向けられ、および/または、異なるセットのバンドギャップを有する多接合型電池に向けられる。標的となるそれぞれの副電池は、エネルギー変換を最適化するため、その副電池に向けられるスペクトルバンドに合うように調整されたバンドギャップを有するように設計されている。すなわち、分割光学素子は、入射光をセグメントまたはスライスに分割し、そのスライスを適切なバンドギャップを有する光起電力副電池に個別に向ける。 Multi-junction solar cells provide an advantage over single-junction solar cells, but using light splitting optics to split incident solar radiation and direct the light to different solar cells achieves further efficiency gains it can. The narrower band of light is directed to subcells having different band gaps and / or to multi-junction cells having different sets of band gaps. Each targeted subcell is designed to have a band gap that is tuned to fit the spectral band directed to that subcell in order to optimize energy conversion. That is, the split optical element splits the incident light into segments or slices and directs the slices individually to the photovoltaic sub-cells with the appropriate band gap.
太陽光変換効率を向上させるためにスペクトル分割光学素子を利用した光起電力システムが特許および技術文献でこれまで公開されている。例としては、米国特許公開第2011/028054号(Wanlass)、Gu et al.,Renewable Energy and the Environment Technical Digest,“Common−Plane Spectrum−Splitting Concentrating Photovoltaic Module Design and Development,”pp.1−3(2011)、Imenes et al.,Solar Energy Materials and Solar Cells,“Spectral Beam Splitting Technology for Increased Conversion Efficiency in Solar Concentrating Systems,A Review,”84:19−69(2004)、Kim et al.,Optics Express“Organic Photovoltaic Cell in Lateral−Tandem Configuration Employing Continuously−Tuned Microcavity Sub−Cells,”16(24)19987−19994(2008)、Goetzberger et al.,Solar Energy Materials and Solar Cells,“Light Trapping,a New Approach to Spectrum Splitting,”92(12)1570−1578(2008)、およびPeters,Ian Marius,“Photonic Concepts for Solar Cells”(2009),Dissertation,Fraunhofer Institute for Solar Energy Systemsが挙げられる。 Photovoltaic systems that use spectrum splitting optical elements to improve solar conversion efficiency have been published in the patent and technical literature. Examples include US 2011/028054 (Wanlass), Gu et al. , Renewable Energy and the Environment Technical Digest, “Common-Plane Spectrum-Splitting Concentrating Modulation Design and Development.” 1-3 (2011), Imenes et al. , Solar Energy Materials and Solar Cells, “Specular Beam Splitting Technology for Increased Convergence Efficiency in Solar Concentration, 4”. , Optics Express “Organic Photovoltaic Cell in Lateral-Tandem Configuration Employing Continuously-Tuned Microcavity Sub-Cells,” 16 (24) 19987 1994 et al. , Solar Energy Materials and Solar Cells, “Light Trapping, a New Approach to Spectrum Splitting,” 92 (12) 1570-1578 (2008), and Peters, Ian Marip, 200 Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems.
太陽電池を有するスペクトル分割技術を用いた光起電力システムでは、入射光を電気エネルギーに変換するための効率を向上させているが、さらに高い変換効率を可能とするシステムの需要は依然続いている。 Photovoltaic systems using spectrum splitting technology with solar cells have improved the efficiency for converting incident light into electrical energy, but the demand for systems that enable higher conversion efficiencies continues. .
本発明の目的は、光捕捉フィルタ付き集光器とも呼ばれる、入射光を電気エネルギーに変換する光起電力システムを提供することにある。このようなシステムは、太陽電池の性能を向上させるために用いることができ、これにより、できるだけ高い変換効率を達成できる。本発明の一実施形態は、通常配列状に配置された複数の光起電力副電池を有する光捕捉光学モジュールと、入射光を捉え、その捉えた光を光起電力副電池に転送する誘電体スラブを備える。誘電体スラブは、例えば、550nmの波長において2.0より大きい、比較的高い屈折率を有する材料からなる。更に加えて、フィルタ素子または配列が含まれ、これらは、誘電体スラブの基部にパターン形成あるいは被着でき、これによって、副電池が本フィルタ素子または配列に取り付け可能となる。言い換えれば、スラブ基部は、フィルタとして機能するように特別な方法で構成することが可能である。あるいはまた、フィルタ素子または配列は、副電池上に形成したり増やしたりすることも可能である。どちらの場合でも、フィルタ素子は複数の副電池と誘電体スラブ間に配置して、光がその副電池に届く前に所望する光のフィルタリングを行うことができる。フィルタ素子としては、例えば、少なくとも一次元でスラブの基部表面にパターン化することが可能なフォトニック結晶を用いてもよい。ある例では、フォトニック結晶が全方向に影響を及ぼすように三次元でパターン化している。光捕捉光学モジュールは、誘電体スラブの上面、および/または誘電体スラブ上の電池位置に反射防止コーティングを施すことも可能である。 It is an object of the present invention to provide a photovoltaic system that converts incident light into electrical energy, also called a collector with a light capture filter. Such a system can be used to improve the performance of the solar cell, thereby achieving as high a conversion efficiency as possible. One embodiment of the present invention includes a light capturing optical module having a plurality of photovoltaic sub-cells arranged in a normal array, and a dielectric that captures incident light and transfers the captured light to the photovoltaic sub-cells Provide a slab. The dielectric slab is made of a material having a relatively high refractive index, for example, greater than 2.0 at a wavelength of 550 nm. In addition, filter elements or arrays are included, which can be patterned or deposited on the base of the dielectric slab so that the subcell can be attached to the filter elements or array. In other words, the slab base can be configured in a special way to function as a filter. Alternatively, the filter elements or arrays can be formed or increased on the secondary battery. In either case, the filter element can be placed between the plurality of sub-cells and the dielectric slab to perform the desired light filtering before the light reaches the sub-cells. As the filter element, for example, a photonic crystal that can be patterned at least in one dimension on the base surface of the slab may be used. In one example, the photonic crystal is patterned in three dimensions to affect all directions. The light capture optics module can also have an anti-reflective coating on the top surface of the dielectric slab and / or the cell location on the dielectric slab.
光は、全方向に分散されるように誘電体スラブ内で無作為化することも可能である。無作為化は、スラブの上面および/またはスラブ材料自体の中で行うことが可能である。本システムの副電池は、単接合型電池または3接合型電池のような、多接合型電池で構成してもよい。本発明の一実施形態では、システム用の複数の副電池は、第1のバンドギャップセットを有する副電池の第1のグループと、第2のバンドギャップセットを有する副電池の第2のグループとを含むことも可能であり、その場合は、フィルタ配列は副電池の第1および第2のグループにそれぞれ対応する第1および第2のフィルタ領域で構成される。一実施形態では、その第1および第2のフィルタ領域は、第1の副電池セットが第1のフィルタセットと並び、第2の副電池セットが第2のフィルタセットと並ぶように格子状に配置される。 Light can also be randomized within the dielectric slab so that it is dispersed in all directions. Randomization can be performed on the top surface of the slab and / or in the slab material itself. The secondary battery of this system may be composed of a multi-junction battery such as a single-junction battery or a three-junction battery. In one embodiment of the invention, the plurality of sub-cells for the system includes a first group of sub-cells having a first band gap set, and a second group of sub-cells having a second band gap set. In this case, the filter array is composed of first and second filter regions corresponding respectively to the first and second groups of subcells. In one embodiment, the first and second filter regions are arranged in a grid so that the first sub-cell set is aligned with the first filter set and the second sub-cell set is aligned with the second filter set. Be placed.
本光起電力システムは、単一光学集光素子または複数の光学集光素子を含む光学集光モジュールを状況に応じて備えることも可能であり、これによって複数の素子を備えたシステムは、比較的大きな集光レベルを有する比較的コンパクトな光学集光モジュールを提供するために、直列に配置することも可能となる。ある例では、光学集光モジュールは、フレズネルレンズからなる第1の光学素子と、複合放物面集光器からなる第2の光学素子を組み合わせて含むことも可能である。光学集光モジュールの出力は、比較的小口径でもよく、例えば、本出力を受信する光捕捉光学モジュールの領域に揃えることも可能である。 The photovoltaic system can be equipped with an optical condensing module including a single optical condensing element or a plurality of optical condensing elements depending on the situation. It can also be arranged in series to provide a relatively compact optical condensing module with a large concentrating level. In one example, the optical condensing module may include a combination of a first optical element composed of a Fresnel lens and a second optical element composed of a compound parabolic concentrator. The output of the optical condensing module may be a relatively small aperture, and for example, it can be aligned with the region of the light capturing optical module that receives this output.
ある特別な実施形態では、光起電力システムは、入射光を電気エネルギーに変換する目的で提供される。本システムは、第1の面と第2の面と、誘電体スラブの第1の面に隣接する第1の電池とを有する光無作為化誘電体スラブからなる光捕捉光学モジュールを備える。これにより、第1の電池は、誘電体スラブにおいて生じる吸収開始エネルギーよりも小さなエネルギーのバンドギャップを有することになる。本システムは、誘電体スラブの第2の面に光学的に当接された少なくとも1つのフィルタ素子と、複数の光起電力副電池からなる副電池配列とをさらに備え、これによって副電池のうちの少なくとも1つが、少なくとも1つのフィルタ素子に光学的に当接された第1の面を有することになる。 In one particular embodiment, a photovoltaic system is provided for the purpose of converting incident light into electrical energy. The system includes a light capture optics module comprising a light randomized dielectric slab having a first surface, a second surface, and a first battery adjacent to the first surface of the dielectric slab. As a result, the first battery has a band gap of energy smaller than the absorption start energy generated in the dielectric slab. The system further comprises at least one filter element in optical contact with the second surface of the dielectric slab, and a sub-cell arrangement comprising a plurality of photovoltaic sub-cells, whereby the sub-cells At least one has a first surface in optical contact with the at least one filter element.
本発明では、添付された図面を参照してさらに説明を続ける。各図を通して、同様な構造には、同様な参照番号が付与されており、以下に各図を簡単に説明する。 The present invention will be further described with reference to the accompanying drawings. Throughout the drawings, like structures are given like reference numerals and are briefly described below.
以下に説明する本発明の実施形態は、以下の詳細説明で開示される厳密な形態に本発明を包括したり限定したりするためのものではない。むしろ、それぞれの実施形態は、当業者であれば、本発明の原理と実践を正しく評価して理解できるように、選択され説明されるものである。本明細書を通して参照される全ての特許、係争中の特許出願、公開された特許出願、および技術文献は、あらゆる目的にかなうよう、その全体が参照により援用されている。 The embodiments of the present invention described below are not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise forms disclosed in the following detailed description. Rather, each embodiment is chosen and described so that others skilled in the art can appreciate and understand the principles and practices of the present invention. All patents, pending patent applications, published patent applications, and technical literature referenced throughout this specification are incorporated by reference in their entirety for all purposes.
それでは、図を参照して、最初に図1〜図3では、光起電力システム10の模範的実施形態が示されており、本システムは、通常オプションの光学集光器または光学集光モジュール12と、光捕捉光学モジュール14とを備える。システム10は、以下で詳細を説明するように、入射光の電気エネルギーへの光起電力変換に用いることができる。集光器が用いられる場合には、システム10は光捕捉フィルタ付き集光器と呼ばれることもある。
Referring now to the figures, and initially with reference to FIGS. 1-3, an exemplary embodiment of a
光学モジュール14は、通常供給された光(例えば、光学集光モジュールまたは直接太陽から供給された光)を捉えて複数の光起電力電池または副電池22,22’に転送することができる誘電体スラブまたは誘電体層24を含む。ここで用いられる副電池は、その構造は変わってもかまわないが、通常光学スペクトル分割またはフィルタリング素子からの特定範囲の波長を受信し、それ自体に影響を及ぼす波長の範囲に合致するバンドギャップまたは一連のバンドギャップを有する単接合型または多接合型太陽電池を含む。例としては、赤波長は、赤光のために最適化されたバンドギャップを有する副電池に供給され、一方、緑波長は、緑光のために最適化されたバンドギャップを有する副電池に供給される等である。フィルタは、バンドギャップ電池用に状況に応じて用いることができ、これによって同電池の寄生吸収に基づき、変換効率を向上できる。
The
本発明の実施形態では、誘電体スラブ24の一面に当接する最上電池26が備えられ、一方副電池は誘電体スラブ24の他の面に光学的に当接する。通常、モジュール14の素子が互いに光学的に当接しているとき、それらは、密接な物理的当接状態にあり、さらに好ましくは、どのギャップも光の波長よりかなり小さいことであり、これはここでは「動作可能当接」とも呼ぶ。どんな場合でも、様々な面のギャップまたは屈折率の差を最小化し、および/または反射光を減少させるために多層コーティングを用いることが望ましい。
In an embodiment of the present invention, an uppermost battery 26 that contacts one surface of the
誘電体スラブ24の一実施形態は、非導電性で高い屈折率(例えば、550nmにおいて2.0より大きいか、好ましくは、550nmにおいて3.0より大きい)を有する、例えば、GaPやチタニアからなる固形物であるが、もちろん他の材料の使用も考えられる。通常、誘電体スラブ24用の材料は、ほとんどの太陽スペクトルを超える注目の波長(すなわち、最上電池により吸収されて電気エネルギーに変換されるものより低いエネルギーの波長)を通す比較的高い屈折率を有するものであればどんな材料であってもよい。この高い屈折率によって、副電池の1つによって吸収されるまでスラブ24に入る光の捕捉を維持できる。誘電体スラブ24は、テクスチャリング加工をその上面のいずれかに施し、および/または入射光を無作為化してスラブ内で光を全方向に分散させる。このようなテクスチャリング加工は、スラブの一面に物理的テクスチャとして用いることができ、これによってテクスチャ自体は、微細表面(例えば、エッチング加工された微細表面)によって達成されるような、不揃いまたはもっと揃ったものにすることができる。具体的にここで述べられるものに加え、光の無作為化を実現するために、多くの構造および構成の型式を用いることが可能である。
One embodiment of the
誘電体スラブの厚さは、所定の性能特徴を達成できるようにする特性をもつように選択することが可能である。例えば、少なくとも副電池の幅と同じ厚さを有するスラブを用いることが望ましい。ある例では、システムは、各辺が約1mmの副電池と、約1mm厚の誘電体スラブを備える。比較的薄いスラブに関しては、同じ電池タイプに入射する光線の割合は、1列あたり2回であり、これは厚みのあるスラブに比べて比較的高い。 The thickness of the dielectric slab can be selected to have characteristics that allow it to achieve predetermined performance characteristics. For example, it is desirable to use a slab having at least the same thickness as the width of the sub battery. In one example, the system includes a sub-cell that is approximately 1 mm on each side and a dielectric slab that is approximately 1 mm thick. For relatively thin slabs, the rate of light incident on the same battery type is twice per row, which is relatively high compared to thick slabs.
ここで説明したように、光学効率は、通常、スペクトル分割素子を通過して所定の副電池に堆積する光子の数を光捕捉光学モジュールの最上層上に影響を及ぼす太陽光子の総数で除算した結果を参考にする。システム効率は、装置によって生成された電気エネルギーの量を装置に入ってくる太陽エネルギーの総量で除算した結果によって特徴付けることが可能である。例えば、1000W/m2の太陽照明下で、500Wの電気エネルギーを生成する装置は50%の全体的効率を有する。 As explained here, the optical efficiency is usually divided by the total number of photons that pass through the spectral divider and deposit on a given subcell by the total number of photons that affect the top layer of the light capture optics module. Refer to the results. System efficiency can be characterized by the amount of electrical energy produced by the device divided by the total amount of solar energy entering the device. For example, a device that produces 500 W of electrical energy under 1000 W / m 2 of solar illumination has an overall efficiency of 50%.
誘電体スラブ24の最上面20は、層25に隣接していてもよく、この層25は、スラブに到達した入射光がスラブ24から反射されないように用いられる接着層および/または反射防止膜または層であってもよい。スラブ24は、最上面20上にさらに最上または第1の電池26を含むが、これは、例えば、光吸収2.2eV GaP電池でもよく、また「あらかじめ青い」吸収体とも呼ばれるものである。本発明の一実施形態では、スラブ24および第1の電池26の屈折率は、スラブ24および第1の電池26において入射光を捕捉するための、総内部反射用に用いることもでき、これによって入射光は、副電池に入るまでにフィルタ付き副電池上に二度以上影響を及ぼすことになる。「第1」と「最上」の用語は電池26に対して用いられているが、1つ以上の追加層を本電池の最上またはその外に配置できるということが分かるため、これらの用語は限定する意味で用いられていないということに注意を払うべきである。電池26を誘電体スラブと組み合わせて使用することによって、スラブ24の屈折率を高くできるが、これは、入射光の一部(例えば、少なくとも青光と紫外線の一部)が吸収されるためである。すなわち、さもなければスラブによって吸収される少なくとも高エネルギー光の一部が、スラブ内で消失しないように、代わりに第1または最上電池26によって吸収される。これにより、本発明の一実施形態では、第1または最上電池26が、誘電体スラブの第1の面に隣接し、これにより第1または最上電池26が誘電体スラブにおいて生じる吸収開始エネルギーよりも低いバンドギャップを有し、これによって吸収開始エネルギーが、材料内の吸収が顕著な最少エネルギー(すなわち、最長波長)において発生する。通常、材料内の光の吸収長が、スラブの厚さの10倍未満の場合に、吸収が顕著になると考えられる。第1または最上電池26は、さらに反射防止膜を含むことが可能である。
The
本発明の特別な実施形態では、第1または最上電池26は、スペクトルの青部分に一致するように最適化されるが、これは、誘電体スラブ内の光の捕捉効率は、屈折率の上昇と共に上昇し、高屈折率を有する材料は、通常、紫外線や青光のような、より高いエネルギー波長の領域を透過する代わりに吸収する傾向があるためである。これにより、もしも青/紫外線光が第1の電池によって吸収されない場合には、スラブによって寄生的に吸収されて消失する。誘電体スラブの上部にある高エネルギー光吸収電池を用いることによって、残りの光が誘電体スラブに入る前に、青光を状況に応じて電気に変換することができるようになる。このようにして、より高い全体的効率は、高屈折率のスラブ内の青/紫外線光の寄生吸収を避けることによって達成可能となる。 In a special embodiment of the present invention, the first or top cell 26 is optimized to match the blue portion of the spectrum, which increases the efficiency of capturing light in the dielectric slab, increasing the refractive index. This is because materials that rise with and have a high refractive index typically tend to absorb instead of transmitting higher energy wavelength regions, such as ultraviolet and blue light. Thus, if the blue / ultraviolet light is not absorbed by the first battery, it is parasitically absorbed by the slab and disappears. By using a high energy light absorbing cell on top of the dielectric slab, the blue light can be converted into electricity depending on the situation before the remaining light enters the dielectric slab. In this way, higher overall efficiency can be achieved by avoiding parasitic absorption of blue / ultraviolet light in the high index slab.
第1または最上電池26は、単接合型電池または多接合型電池のいずれでもよい。本電池26および副電池22、22’は、電池とスラブ間の界面の数を最小化するために、ラミネート加工を施したり、誘電体スラブ24に付着させたりすることが可能である。例えば、スラブ24と副電池および/または光吸収電池間に空気界面を持つことによって、望ましくない反射を光損失に導くことが可能である。これらの素子をお互いに接合するために用いることができる模範的な接着剤はTiO2ゾルゲルであり、これは界面における望ましくない反射を避けるために比較的高い屈折率を提供する。
The first or top battery 26 may be either a single junction battery or a multi-junction battery. The present battery 26 and
本発明の光学モジュールの構造では、第1または最上電池26を省略することも可能な場合があるが、それは、スラブ24の屈折率は、スラブ24内での高いエネルギー波長を最小化するか、その寄生吸収を避けるために、少なくとも少しだけ低い方が好ましいという場合である。本システムでは、通常、第1または最上電池26を含む構造に比べて、太陽エネルギー変換における効率が少し低下する。このような一実施形態が、図4に示されているが、これは、図3と同様な構造を有しても、光の一部がスラブ24に到達する前に吸収されないということから、スラブ24の屈折率は限定される、または低下する可能性もある。
In the structure of the optical module of the present invention, it may be possible to omit the first or top battery 26, because the refractive index of the
再び図3を参照すると、光学モジュール14に最上電池26が設けられるとき、本電池はスラブ24に装着されるが、様々な方法が可能であり、例えば、接着層25(例えば、チタニアゾルゲル接着剤)を用いたり、あるいはまたモノリシック構造体としてスラブ24の上部に直接装着したりできる。このような接着層25が用いられるとき、光が接着層25を通じてスラブ24に比較的簡単に到達するように、高い屈折率を有することが望ましい。ある実施形態では、第1または最上電池26は、単接合型太陽電池や光起電力電池であっても、多接合型電池であってもよいとしている。
Referring to FIG. 3 again, when the
スラブ内の光の捕捉を最大化するため、その両側面のうちの1つ以上に追加のリフレクタを設けることが可能である。あるいはまた、本スラブの1つ以上の側面に電池または電池積層体を設けることも可能である。ただし、このような構造用のフィルタを両側面に設けることが望ましく、このようなフィルタは副電池および/またはスラブ24の両側面にパターン化された面として設けることが可能である。
Additional reflectors can be provided on one or more of the sides to maximize light capture in the slab. Alternatively, a battery or battery stack can be provided on one or more sides of the slab. However, it is desirable to provide such a structural filter on both side surfaces, and such a filter can be provided as a patterned surface on both side surfaces of the sub-cell and / or
光捕捉光学モジュール14は、さらに複数の光起電力副電池22,22’を含む。各副電池は光スペクトルの所定のサブセットを光起電力的に吸収するように調整される。このように、副電池22,22’のそれぞれは、多接合型太陽電池、より具体的には、3接合型太陽電池であってもよい。図3に最適に示されるように、第1の電池積層体22は、第2の電池積層体22’に隣接して配置され、各電池積層体は単一の電池構造内に3つの接合を有する3つの積層体型電池を備えるが、これによってシステム全体として六種類の異なるように調整された光起電力電池を設けることができる(ただし、最上電池が用いられるときには、本システムの第7番目の光起電力電池用に用いられる。この場合も、他の6つの電池のどれもが異なるように調整される)。電気的に絶縁するために、各電池22および隣接する電池22’の間にスペースが設けられるが、例えば、電池を離間配置で保持する絶縁材(例えば、UV硬化誘電ポリマーまたは機能的等価物)を設けることができる。一実施形態では、電池はそれぞれ、実際に電気的に当接することなくお互いに密接して配置される点において、お互いに隣接すると考えられる。すなわち、電池はそれぞれお互いに1ミクロンから1ミリの距離で離間されるか、例えば1〜100ミクロンの範囲でお互いにもっと近づけて配置される。通常、各電池積層体は、自積層体に向けられる入射光の所定の光波長に最も効率的に応答するように設計される。
The light capturing
図示した模範的な実施形態では、第2の電池積層体22’は多くの層を備え、前側当接グリッド50、第1の電池52、第2の電池56、および第3の電池60、第1の電池52と第2の電池56間には第1のトンネル接合54、第2の電池56と第3の電池60の間に第2のトンネル接合58、および裏側当接部62が含まれる。隣接する第1の電池積層体22も多くの層を備え、前側当接グリッド70、第1の電池72、第2の電池76、および第3の電池80、第1の電池72と第2の電池76間には第1のトンネル接合74、第2の電池76と第3の電池80の間に第2のトンネル接合78、および裏側当接部82が含まれる。
In the illustrated exemplary embodiment, the
図3の電池積層体の模範的な実施形態をさらに参照し続けると、第2の電池積層体22’の最上位の電池である第1の電池52は、670nmから564nmまでの範囲の波長を有する入射光のスペクトルバンド幅部分を吸収するように調整されて(例えば、バンドギャップ特性を有するように)、1.85eVバンドギャップを得ることができる。本波長範囲から外れた入射光のスペクトルバンド幅部分は、隣接する電池56に到達する。第2の電池積層体22’の中間の電池である第2の電池56は、785nmから670nmまでの範囲の波長を有する入射光のスペクトルバンド幅部分を吸収するように調整されて(例えば、バンドギャップ特性を有するように)、1.58eVバンドギャップを得ることができる。本波長範囲から外れた入射光のスペクトルバンド幅部分は、隣接する電池60に到達する。第2の電池積層体22’の最下位の電池である第3の電池60は、898nmから785nmまでの範囲の波長を有する入射光のスペクトルバンド幅部分を吸収するように調整されて(例えば、バンドギャップ特性を有するように)、1.38eVバンドギャップを得ることができる。
With continued reference to the exemplary embodiment of the battery stack of FIG. 3, the
上述したように、第1の電池積層体22は第2の電池積層体22’と隣接し、第1の電池積層体22の最上位の電池である第1の電池72は、1088nmから898nmまでの範囲の波長を有する入射光のスペクトルバンド幅部分を吸収するように調整されて(例えば、バンドギャップ特性を有するように)、1.14eVバンドギャップを得ることができる。本波長範囲から外れた入射光のスペクトルバンド幅部分は、隣接する電池76に到達する。第1の電池積層体22の中間の電池である第2の電池76は、1333nmから1088nmまでの範囲の波長を有する入射光のスペクトルバンド幅部分を吸収するように調整されて(例えば、バンドギャップ特性を有するように)、0.93eVバンドギャップを得ることができる。本波長範囲から外れた入射光のスペクトルバンド幅部分は、隣接する電池80に到達する。第1の電池積層体22の最下位の電池である第3の電池80は、1771nmから1333nmまでの範囲の波長を有する入射光のスペクトルバンド幅部分を吸収するように調整されて(例えば、バンドギャップ特性を有するように)、0.70eVバンドギャップを得ることができる。上記した波長範囲とその関連するバンドギャップは、模範的な装置構造を提供するためにだけ用いられており、本発明の実施形態は、少なくとも本実施形態とは少し異なる特性を有する電池や電池積層体を用いることも可能であることが分かる。
As described above, the
第1の電池または電池積層体22は、さらに比較的低いバンドギャップを有する電池のために用いられるバスバー40を備えることができ、第2の電池または電池積層体22’は、さらに比較的高いバンドギャップを有する電池のために用いられるバスバー42を備えることができる。孤立交差点44は、バスバー40,42が交差する箇所に配置される。あるいはまた、背面伝導路への非交差孤立当接など、他の当接方法と構造も用いることが可能である。
The first battery or
このように、副電池22,22’は、光学モジュール14の長さと幅で求まる全域に交互のまたは「格子」状のパターンで配置される。図2にも示すように、光学モジュール14は、誘電体スラブ24と副電池22,22’の間に通常配置される1つ以上のフィルタ30を備えることができる。このようなフィルタ30は、適切な副電池に入射しない光は反射されるべきであるため、入射光が適切な副電池に入射したことを確かめるために用いられる。所望するフィルタリングを提供するために、織り目加工されたスラブが、対応するフィルタの格子パターンを有して提供され、副電池の第1のセットがフィルタの第1のセットと揃い、副電池の第2のセットがフィルタの第2のセットと揃うような電池配置に準じて配置することも可能である。代替え構造としては、本格子パターンは比較的低いバンドギャップを有する電池や電池積層体(例えば、電池または電池積層体22)上のフィルタから構成することも可能である。これにより、低エネルギーを有するいくつかの光子が、比較的高いバンドギャップを有する電池または電池積層体(例えば、電池積層体22’)によって寄生的に吸収される。本光起電力システムの実施形態においては、格子パターンで隣接する電池は、スペクトルスプリッタからの異なる波長を受け入れることができる。これにより、所望の波長を有する光子が、誘電体スラブ24内の最少の数の内部反射を有する特定の副電池に到達する可能性が向上する。ここで用いられるフィルタは、多層誘電積層体、フォトニック結晶など、完全に周期的であろうとなかろうと、多くの異なった実施形態を有することができる。
In this manner, the sub-cells 22 and 22 ′ are arranged in an alternating or “lattice” pattern throughout the entire area determined by the length and width of the
モジュール14に用いられるフィルタは、例えば、単層フィルタと比べて良好な無指向性を達成するために選択可能な、2次元または3次元のフォトニック結晶型フィルタであってもよく、あるいは1次元のフォトニック結晶型フィルタであってもよい。1次元フォトニック結晶型フィルタは無指向性性能を達成可能であるが、このようなフィルタは、ここで説明する高屈折率スラブのような、高屈折率材料から光が入射するとき、効率が低下する可能性がある。このため、本発明で使用するかどうかについては熟考を要する。フォトニック結晶は、様々な異なる構造と特性を有することができるが、ここで述べたように、通常周期的誘電ナノ構造から構成される。本周期的誘電ナノ構造は、許可および禁止する電気エネルギーバンドを規定して、電磁波の伝搬に影響を及ぼすものである。本質的に、フォトニック結晶は、定期的に反復する高および低誘電率を有する内部領域を含む。(波動として振る舞う)光子は、その波長に応じて、本構造を通して伝搬する。伝搬を許される光の波長は、モードとして知られ、許可されたモードのグループがバンドを形成できる。波長の禁じられたバンドは、フォトニックバンドギャップと呼ばれ、これによって例えば、自発光禁止、高反射無指向性ミラー、および低損失動波の光学現象を区別できるようになる。基本的な物理現象は回析に基づくため、フォトニック結晶構造の周期性、および誘電特徴は、フォトニック結晶材料内の電磁波とほぼ同一の長さスケール(すなわち、1次元フォトニック結晶ミラー用の材料における波長の1/4)に設定可能である。
The filter used in
モジュール14の誘電電池のそれぞれは、多くの特徴を有し、例えば、中央電池活性領域、裏面当接およびリフレクタ、1つ以上の当接グリッド領域、反射防止膜/フィルタ、および/または接着剤を含むことが可能な層等がある。光起電力電池のそれぞれは、通常調整されて、その電池がさらされる入射光の所定のスペクトルバンド幅部分をその電池が吸収することを可能にするバンドギャップ特性を有し、吸収されない部分を反映することを可能にするその電池の上部または基部のいずれかにリフレクタを備えることができる。動作中は、光起電力電池のそれぞれは、入射および反射光が最高エネルギーから最低エネルギーまで電池積層体の各々において吸収され反射されるように(例えば、緑の前に青が吸収され、赤の前にオレンジが吸収される等)構成される。
Each of the
上述したように、光学モジュール14は図示され、2つの異なる電池積層体を含むように記述されている。それぞれの電池積層体は、第1の電池が対象外のときに、本モジュール内の6つの異なる太陽電池を利用する3つのバンドギャップを有する。しかしながら、ほぼ2つのこのような電池積層体が、代わりに特定の光学モジュール用として備えられ、これにより、それぞれの電池が吸収および反射する光スペクトルの特定のサブセットは、上記の6接合構造用のものとは異なるものである。その上、上記したそれぞれの太陽電池に関連づけられた波長範囲は、使用する特定材料、本システムの調整、および本システムの配置に応じて狭かったり広かったりする。
As described above, the
本発明の1つ以上の光起電力システムは、複数の系統を含むモジュールに組み込むことが可能である。本システム自体および/または本システムを含むモジュールを順に共通の枠組みに実装することができ、これにより、枠組み全体および/または個々のモジュールは、システムおよび所望するその性能に応じて状況に応じて追跡または非追跡機能を備えることができる。 One or more photovoltaic systems of the present invention can be incorporated into a module that includes multiple systems. The system itself and / or modules containing the system can be implemented in a common framework in turn, so that the entire framework and / or individual modules are tracked according to the situation depending on the system and its desired performance Or a non-tracking function can be provided.
本発明の光起電力システムに達成可能な比較的に高い変換効率は、様々な理由で実現されえる。その理由の1つとしては、誘電体スラブの固形物が変換効率を向上させることであり、これにより、入射光と太陽電池を光学的に当接し、その光を無作為化することにより、最上電池(例えば、青電池)により可能となる高屈折率によって、その光がスラブ内に捕捉されるためである。別の理由としては、光スペクトルの効率的分割が行われることであり、これは、各太陽電池が最も効率よく吸収する光スペクトルの特有のサブセットを受信するように行われる。使用されるフィルタは、広範囲の角度にわたって比較的効率的に光の適切な波長を遮断できるような、無指向性フィルタであってもよい。このような無指向性フィルタを用いると、角度平均反射および伝搬が該当するバンドにおいて比較的高くなる。 The relatively high conversion efficiency achievable for the photovoltaic system of the present invention can be achieved for a variety of reasons. One of the reasons is that the solids of the dielectric slab improve the conversion efficiency, so that the incident light and the solar cell are brought into optical contact and the light is randomized to This is because the light is trapped in the slab due to the high refractive index made possible by the battery (for example, a blue battery). Another reason is that an efficient split of the light spectrum is performed, which is done to receive a unique subset of the light spectrum that each solar cell absorbs most efficiently. The filter used may be an omni-directional filter that can block the appropriate wavelength of light relatively efficiently over a wide range of angles. When such an omnidirectional filter is used, angle average reflection and propagation are relatively high in the corresponding band.
上記の光学モジュール14は、少なくとも1つの集光器を含むことができる光学集光モジュール12を状況に応じて備えることが可能である。2つの集光器を用いる模範的なシステムでは、第1の光学素子または集光器16と、第2の光学素子または集光器18が備えられる。図示した第1の集光器16はフレズネルレンズであり、一方第2の集光器18は複合型放物集光器である。第1の集光器16に関しては、フレズネルレンズの代わりにどのような種類のレンズや集光器を用いることも可能であり、フレズネルレンズの利点は、比較的大きな表面領域レンズ(例えば、30cm幅×30cm長)から典型的レンズよりもかなり薄いレンズを用いたかなり小さな領域にわたって、入射光を効率よく集光することができる点である。これにより、標準レンズとフレズネルレンズのいずれもが、大きな領域から小さな領域まで効率的に集光して所望する集光レベルを得ることができるが、一方、軽量のフレズネルレンズは、さらに構造的な利点をもたらし得る。第2の集光器または光学素子は、もし望むならば、第1の集光器から出力される集光された光を用いてさらに集光することも可能である。本模範的実施形態では、第2の集光器16は、その上面がフレズネルレンズの底面から約30cmの距離だけ離間されるが、この距離は、第1の集光器12の特性と、本システムの所望する変換効率に応じて大幅に変わる可能性がある。フレズネルレンズのような集光器を用いると、レンズの大きな表面領域が入射光にさらされ、第2の集光器18の入力領域に対応する領域に集光される。
The
本実施形態では、複合型放物集光器として第2の集光器18が図示されているが、別のまたは追加の第2/第3の集光器を代わりにまたは追加的に用いることも可能である。一例として、第2の集光器は、平坦面光じょうごとして特徴づけられる放物集光器であってもよく、これは、複合型放物集光器に比べて通常は光学効率が低くなるが、それでもなお、その変換効率は受け入れ可能なものである。図示された第2の集光器18の相対形状と寸法は、本集光器がその集光器領域に関して図示された形状以外にも様々な異なる曲線形状をとりえるという点で模範的なものとして用いられている。第2の集光器18の特徴的な形状と寸法は、本システムに入射する光の集光力を最適化するために設計および選択されて光学モジュール14に装備された。本発明の代替え形態では、システム10は直列に動作する複数の光学集光器を備えていないが、その代り、例えば、複合型放物集光器だけを用いた集光力を備えたシステムのように、単一または第1の光学集光器だけを備える。追加の集光器(例えば、第3の集光器)は、本模範的な実施形態と関連して図示して説明した第1および第2の集光器を直列につなげて用いることも可能であることも分かる。
In this embodiment, the
特別な光学集光モジュール12用に用いられる集光器の量と種類は、所定の範囲にわたって所定の所望する集光力を得るために選択される。例えば、集光器12の集光力は、100倍と1000倍の間の集光力を含む。しかしながら、100倍を下回るまたは1000倍を超える集光力レベルは、本発明の範囲内にあると考えられる。選択された集光力レベルは、構成部品の熱負荷とコストを最小化しながらも比較的にコンパクトな集光モジュール12を提供する。図示した集光モジュールは、模範的な集光装置またはシステムの1つにすぎない。すなわち、多くの種類の集光システムが代替え的にまたは図示して説明した集光器に加えて用いることが可能である。光捕捉光学モジュール14は、集光モジュール12の出力端の下部に配置され、モジュール12の出力端が光捕捉光学モジュール14と光学的に連通するように配置されるが、この例は、図2の拡大図において最もよく図示されている。
The amount and type of concentrator used for a special
図5は、多層印刷基板90に組み込み可能な本発明の光捕捉フィルタ付き集光器の斜視図である。特に、光捕捉光学モジュール14は、最上電池バスバーへの配線92、最上電池後部当接への配線93、および背面または後部当接への配線94を用いて図示されている。後部実装ヒートシンク96は、またモジュール14の電池積層体22,22’に関連した模範的関係において図示される。
FIG. 5 is a perspective view of a collector with a light capturing filter of the present invention that can be incorporated into the multilayer printed board 90. In particular, the light capture
図6は、電池の数と、誘導性光捕捉スラブの屈折率に関して、光学効率を最大化するための設計スペースを表した三次元グラフである。特に、本グラフは、比較的高い光学効率を達成するために、スラブ用の高屈折率材料の必要性と、比較的数の少ない副電池とを示している。一例として、1.5の屈折率を有するスラブ(例えば、ガラス(SiO2))の下部に2つの副電池を備えるシステムでは、約69%の光学効率を有することが計算で求められ、1.5の屈折率を有するスラブの下部に5つの副電池を備えるシステムでは、約36%の光学効率を有することが計算で求められた。さらに別の例では、3.5の屈折率を有するスラブ(例えば、GaP)の下部に2つの副電池を備えるシステムでは、約92%の光学効率を有することが計算で求められた。 FIG. 6 is a three-dimensional graph representing the design space for maximizing optical efficiency with respect to the number of cells and the refractive index of the inductive light trapping slab. In particular, the graph shows the need for a high refractive index material for slabs and a relatively small number of subcells to achieve a relatively high optical efficiency. As an example, a system with two subcells under a slab (eg, glass (SiO 2 )) having a refractive index of 1.5 is calculated to have an optical efficiency of about 69%. In a system with five subcells under the slab having a refractive index of 5, it was calculated to have an optical efficiency of about 36%. In yet another example, a system with two subcells under a slab (eg, GaP) having a refractive index of 3.5 was calculated to have an optical efficiency of about 92%.
図7は、本発明の装置および考え方を用いた集光機能としての模範的装置効率を表したグラフである。 FIG. 7 is a graph showing exemplary device efficiency as a light collection function using the device and concept of the present invention.
本発明は、そのいくつかの実施形態を参照してこれまで説明してきた。本明細書で認識されたあらゆる特許または特許出願の全ての開示が、参照により援用される。上記の詳細説明および例は、理解を明快にするためにだけ示されたものである。不必要な限定が、そこから理解されるべきではない。本発明の範囲から逸脱することなく、これまで説明してきた実施形態に対して多くの変更を行うことが可能なことは、当業者であれば明らかであろう。これにより、本発明の範囲は、ここで説明した構成に限定されるべきでなく、請求項によって記述された構造およびその構造の等価物によってのみ限定され得る。 The present invention has been described above with reference to several embodiments thereof. The entire disclosure of any patent or patent application recognized herein is incorporated by reference. The foregoing detailed description and examples have been given for clarity of understanding only. Unnecessary limitations should not be understood therefrom. It will be apparent to those skilled in the art that many changes can be made to the embodiments described above without departing from the scope of the invention. Thus, the scope of the present invention should not be limited to the configurations described herein, but only by the structures described by the claims and the equivalents of those structures.
Claims (15)
光捕捉光学モジュールを備え、前記光捕捉光学モジュールは、
第1の面および第2の面を有する光無作為化誘電体スラブと、
前記誘電体スラブの前記第1の面に隣接する第1の電池であって、前記誘電体スラブの吸収開始のエネルギーよりも低いエネルギーのバンドギャップを含む、第1の電池と、
前記誘電体スラブの前記第2の面と光学的に当接している少なくとも1つのフィルタ素子と、
複数の光起電力副電池を備える副電池配列であって、前記副電池のうちの少なくとも1つは、前記少なくとも1つのフィルタ素子と光学的に当接する第1の面を備える、副電池配列と、を備える、光起電力システム。 A photovoltaic system that converts incident light into electrical energy,
A light capturing optical module, the light capturing optical module comprising:
An optical randomized dielectric slab having a first surface and a second surface;
A first battery adjacent to the first surface of the dielectric slab, the first battery including a band gap of energy lower than the energy of the dielectric slab to start absorption;
At least one filter element in optical contact with the second surface of the dielectric slab;
A sub-cell arrangement comprising a plurality of photovoltaic sub-cells, wherein at least one of said sub-cells comprises a first surface in optical contact with said at least one filter element; A photovoltaic system comprising:
The photovoltaic system of claim 1, wherein each of the subcells of the subcell array is spaced from each adjacent subcell and is electrically insulated by an insulating material.
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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