TWI385810B - 太陽能電池模組 - Google Patents

Description

太陽能電池模組

本發明是有關於一種太陽能電池模組，且特別是有關於一種聚分光型的太陽能電池模組。

太陽能是一種永不耗盡且無污染的能源，在解決目前石化能源所面臨的污染與短缺的問題時，一直是最受矚目的焦點。其中，又以太陽能電池(solar cell)可直接將太陽能轉換為電能，而成為目前相當重要的研究課題。

聚分光型太陽能電池模組為一種具有高光電轉換效率的太陽能電池模組。一般來說，聚分光型太陽能電池模組包括聚光元件、分光元件以及多個具有不同能隙之太陽能電池。聚光元件將太陽光分成具有不同波段的光，而太陽能電池分別接收與其能隙相對應的波段的光，以分別將光能轉換為電能。如此一來，可以最佳化各個太陽能電池的光電轉換效率，使得聚分光型太陽能電池模組的整體光電轉換效率佳。

舉例來說，在專利WO06119305中，提出一種聚分光型太陽能電池模組，其包括三個分別具有高、中、低能隙的太陽能電池。其中，具有高能隙的太陽能電池的能隙為2.1~2.44eV、1.8~1.95eV以及1.4~1.55eV，具有中能隙的太陽能電池的能隙約為1.12eV，具有低能隙的太陽能電池的能隙為0.9~0.95eV、0.7eV或0.5eV。太陽能電池依照其能隙而吸收具有相對應波長的光，以將光能轉換為電能。

然而，上述的聚分光型太陽能電池模組具有光電轉換效率難以提升、成本較高以及體積較大的問題。如此一來，聚分光型太陽能電池模組僅適用於諸如太陽能發電廠等大型發電裝置，而無法廣泛地應用於諸如社區式電源或家庭式電源等分散式電源，使得聚分光型太陽能電池模組的使用性大幅下降。

本發明提供一種太陽能電池模組，其具有較高的光電轉換效率與較低的成本。

本發明提出一種太陽能電池模組，其包括聚光元件、第一太陽能電池、第二太陽能電池、第三太陽能電池以及分光元件。聚光元件用以收集具有一波段的太陽光。第一太陽能電池具有高於1.9eV的能隙。第二太陽能電池具有約0.7eV、約1.4eV以及約1.8eV的能隙。第三太陽能電池具有約1.2eV的能隙。分光元件用以將具有所述波段的太陽光分離出具有第一次波段的光、具有第二次波段的光以及具有第三次波段的光，其中第一太陽能電池接收具有第一次波段的光、第二太陽能電池接收具有第二次波段的光以及第三太陽能電池接收具有第三次波段的光。

本發明提出另一種太陽能電池模組，其包括聚光元件、分光元件、第一太陽能電池、第二太陽能電池以及第三太陽能電池。聚光元件用以收集具有一波段的太陽光。分光元件用以將具有所述波段的太陽光分離出具有第一次波段的光、具有第二次波段的光以及具有第三次波段的光，其中第一次波段介於約300nm至約517nm之間、第二次波段介於約517nm至約867nm之間以及介於約1305nm至1771nm之間以及第三次波段介於約867nm至約1305nm之間。第一太陽能電池用以接收具有第一波段的光，第二太陽能電池用以接收具有第二波段的光，第三太陽能電池用以接收具有第三波段的光。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依照本發明之一實施例的一種太陽能電池模組的示意圖。

請參照圖1，太陽能電池模組10包括聚光元件100、分光元件110、第一太陽能電池120、第二太陽能電池130以及第三太陽能電池140。在本實施例中，太陽能電池模組10更包括準直元件150，其配置於聚光元件100與分光元件110之間。

在本實施例中，聚光元件100與分光元件110例如是組成高聚光太陽電池(High concentrating photovoltaic,HCPV)光學系統。聚光元件100用以收集具有一波段的太陽光S，其中聚光元件100的倍率範圍一般介於200倍至2000倍之間，聚光元件100例如是圖2A至圖2C所繪示的反射式分束聚光系統100a、收斂穿透式分束聚光系統100b、平行穿透式分束聚光系統100c或其他合適的聚光系統。特別注意的是，圖2A與圖2B中僅繪示出聚光元件(反射式分束聚光系統100a、收斂穿透式分束聚光系統100b)與分光元件110的相關位置，圖2C中僅繪示出則繪示出聚光元件(平行穿透式分束聚光系統100c)、準直元件150以及分光元件110的相關位置，而省略其他構件的繪示。

分光元件110包括第一分光單元110a與第二分光單元110b，其中第一分光單元110a例如是配置在聚光元件100與第二分光單元110b之間。第一分光單元110a與第二分光單元110b可以是分光鏡或稜鏡。詳言之，第一分光單元110a將太陽光S分離出具有第一次波段的光S1與具有第一次波段以外的光Sa。，第二分光單元110b將具有第一次波段以外的光Sa分離出具有第二次波段的光S2與具有第三次波段的光S3。第一次波段介於約300nm至約517nm之間，第二次波段介於約517nm至約867nm之間以及第三次波段介於約1305nm至1771nm之間。特別一提的是，在本實施例中，聚光元件100與分光元件110的組合穿透率例如是達到90%以上。

第一太陽能電池120、第二太陽能電池130以及第三太陽能電池140配置成分別接收具有第一次波段的光S1、具有第二次波段的光S2以及具有第三次波段的光S3，以將所接收光能轉變為電能。詳言之，第一太陽能電池120包括N型半導體122a與P型半導體122b，其具有高於1.9eV的能隙。在一實施例中，第一太陽能電池120的能隙例如是低於3.6eV。第二太陽能電池130包括N型半導體132a、134a、136a與P型半導體132b、134b、136b，其具有約0.7eV、約1.4eV以及約1.8eV的能隙。第三太陽能電池140包括N型半導體140a與P型半導體140b，其具有約1.2eV的能隙。其中，第一太陽能電池120的N型半導體122a與P型半導體122b的材料例如是InGaN、CuInGaSe、CdS、ZnTe或其他合適的半導體材料。在第二太陽能電池130中，N型半導體132a與P型半導體132b的材料例如是GaInP，N型半導體134a與P型半導體134b例如是GaAs，N型半導體136a與P型半導體136b的材料例如是Ge。換言之，第二太陽能電池130的材料包括由GaInP\GaAs\Ge構成的太陽能電池。第三太陽能電池140的N型半導體140a與P型半導體140b的材料例如是矽或其他合適的半導體材料。

在本實施例中，太陽能電池模組10還可設置散熱元件160，其例如是分別與第一太陽能電池120、第二太陽能電池130以及第三太陽能電池140連接。散熱元件160可以是被動式多通道震盪式散熱管或其他散熱元件，其材料可以是金屬或陶瓷材料。

在本實施例中，是以第一分光單元110a將太陽光S分離成具有第一次波段的光S1與具有第一次波段以外的光Sa為例，但本發明不限於此。在一實施例中，如圖3所示，在太陽能電池模組10a中，分光元件110’的第一分光單元110a’將太陽光S分離成具有第三次波段的光S3與具有第三次波段以外的光Sb。第二分光單元110b’將具有第三次波段以外的光Sb分離成具有第一次波段的光S1與具有第二次波段的光S2。且將第一太陽能電池120、第二太陽能電池130以及第三太陽能電池140配置成分別接收具有第一次波段的光S1、具有第二次波段的光S2以及具有第三次波段的光S3，以將所接收光能轉變為電能。太陽能電池模組10a的其他構件皆與圖1所繪示的太陽能電池模組10的構件以及材質相似，於此不贅述。

其中，太陽能電池模組10的光電轉換效率會隨著聚光元件100的種類不同而改變，舉例來說，當聚光元件100為反射式分束聚光系統100a時，太陽能電池模組10的光電轉換效率約為55%；當聚光元件100為收斂穿透式分束聚光系統100b時，太陽能電池模組10的光電轉換效率約為55%；當聚光元件100為平行穿透式分束聚光系統100c時，太陽能電池模組10的光電轉換效率約為54%。換言之，太陽能電池模組10的光電轉換效率均可達到50%以上。

在本實施例中，第二太陽能電池130包括三組N型半導體132a、134a、136a與P型半導體132b、134b、136b，故第二太陽能電池130具有三種能隙。且，此三種能隙的組合使得第二太陽能電池130具有較佳的光電轉換效率，以使太陽能電池模組10能達到較佳的光電轉換效率。換言之，相較於習知僅根據能隙高低來區分太陽能電池的聚分光型太陽能電池模組，本實施例之太陽能電池模組具有較佳的成本效益。再者，在本實施例中，太陽能電池120、130、140為橫向排列，能避免不同單晶材料磊晶堆疊成長之晶格常數不匹配的問題以及避免堆疊式太陽能電池之最小電流限制對光電轉換效率的影響。此外，太陽能電池120、130、140可以分別製作而後進行組裝，故能大幅降低製作太陽能電池模組10的難度以及生產成本。

綜上所述，本發明之太陽能電池模組具有較高的光電轉換效率、較低的生產成本以及優化的體積設計，使其能廣泛地應用於大型發電裝置以及分散式電源。而且，太陽能電池的結構與配置方式使得太陽能電池模組能有效率地吸收太陽光大部分的光頻譜能量，而大幅降低太陽能電池模組的發電成本。如此一來，能大幅提升太陽能電池模組的使用性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10、10a．．．太陽能電池模組

100．．．聚光元件

100a．．．反射式分束聚光系統

100b．．．收斂穿透式分束聚光系統

100c．．．平行穿透式分束聚光系統

110、110’．．．分光元件

110a、110a’．．．第一分光單元

110b、110b’．．．第二分光單元

120．．．第一太陽能電池

122a、132a、134a、136a、142a．．．N型半導體

122b、132b、134b、136b、142b．．．P型半導體

130．．．第二太陽能電池

140．．．第三太陽能電池

150．．．準直元件

160．．．散熱元件

S．．．太陽光

Sa．．．具有第一次波段以外的光

Sb．．．具有第三次波段以外的光

S1．．．具有第一次波段的光

S2．．．具有第二次波段的光

S3．．．具有第三次波段的光

圖1是依照本發明之一實施例的一種太陽能電池模組的示意圖。

圖2A至圖2C分別是依照本發明之一實施例的一種聚光元件的示意圖。

圖3是依照本發明之另一實施例的一種太陽能電池模組的示意圖。

10．．．太陽能電池模組

100．．．聚光元件

110．．．分光元件

110a．．．第一分光單元

110b．．．第二分光單元

120．．．第一太陽能電池

122a、132a、134a、136a、142a．．．N型半導體

122b、132b、134b、136b、142b．．．P型半導體

130．．．第二太陽能電池

140．．．第三太陽能電池

150．．．準直元件

160．．．散熱元件

S．．．太陽光

Sa．．．具有第一次波段以外的光

S1．．．具有第一次波段的光

S2．．．具有第二次波段的光

S3．．．具有第三次波段的光

Claims (27)

1. 一種太陽能電池模組，包括：一聚光元件，用以收集具有一波段的太陽光；一第一太陽能電池，其具有高於1.9 eV的能隙；一第二太陽能電池，其具有0.7 eV、1.4 eV以及1.8 eV的能隙；一第三太陽能電池，其具有1.2 eV的能隙；以及一分光元件，用以將具有該波段的該太陽光分離出一具有第一次波段的光、一具有第二次波段的光以及一具有第三次波段的光，其中該第一太陽能電池接收該具有第一次波段的光、該第二太陽能電池接收該具有第二次波段的光以及該第三太陽能電池接收該具有第三次波段的光。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該第一太陽能電池的材料包括InGaN、CuInGaSe、ZnTe或CdS。
3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該第二太陽能電池包括由GaInP\GaAs\Ge構成的太陽能電池。
4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該第三太陽能電池的材料包括矽。
5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該第一太陽能電池的能隙低於3.6 eV。
6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該聚光元件的倍率範圍介於200倍至2000倍之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，更 包括一準直元件，其配置於該聚光元件與該分光元件之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該分光元件包括：一第一分光單元，將具有該波段的該太陽光分離成該具有第一次波段的光與一具有該第一次波段以外的光；以及一第二分光單元，將具有該第一次波段以外的光分離成該具有第二次波段的光與該具有第三次波段的光。
9. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該分光元件包括：一第一分光單元，將具有該波段的該太陽光分離成該具有第三次波段的光與一具有該第三次波段以外的光；以及一第二分光單元，將具有該第三次波段以外的光分離成該具有第一次波段的光與該具有第二次波段的光。
10. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該分光元件為分光鏡或稜鏡。
11. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，更包括一散熱元件。
12. 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池模組，其中該散熱元件的材料包括金屬或陶瓷材料。
13. 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池模組，其中該散熱元件為一散熱管。
14. 如申請專利範圍第13項所述之太陽能電池模組，其中該散熱元件為一被動式多通道震盪式散熱管。
15. 一種太陽能電池模組，包括：一聚光元件，用以收集具有一波段的太陽光；一分光元件，用以將具有該波段的該太陽光分離出一具有第一次波段的光、一具有第二次波段的光以及一具有第三次波段的光，其中該第一次波段介於300 nm至517 nm之間、該第二次波段介於517 nm至867 nm之間以及介於1305 nm至1771 nm之間以及該第三次波段介於867 nm至1305 nm之間；一第一太陽能電池，用以接收該具有第一次波段的光；一第二太陽能電池，用以接收該具有第二次波段的光；以及一第三太陽能電池，用以接收該具有第三次波段的光。
16. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池模組，其中該第一太陽能電池的材料包括InGaN、CuInGaSe、ZnTe或CdS。
17. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池模組，其中該第二太陽能電池的材料包括GaInP\GaAs\Ge。
18. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池模組，其中該第三太陽能電池的材料包括矽。
19. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池模組，其中該聚光元件的倍率範圍介於200倍至2000倍之間。
20. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池模組，更包括一準直元件，其配置於該聚光元件與該分光元件之間。
21. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池模 組，其中該分光元件包括：一第一分光單元，將具有該波段的該太陽光分離成該具有第一次波段的光與一具有該第一次波段以外的光；以及一第二分光單元，將具有該第一次波段以外的光分離成該具有第二次波段的光與該具有第三次波段的光。
22. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池模組，其中該分光元件包括：一第一分光單元，將具有該波段的該太陽光分離成該具有第三次波段的光與一具有該第三次波段以外的光；以及一第二分光單元，將具有該第三次波段以外的光分離成該具有第一次波段的光與該具有第二次波段的光。
23. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池模組，其中該分光元件為分光鏡或稜鏡。
24. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池模組，更包括一散熱元件。
25. 如申請專利範圍第24項所述之太陽能電池模組，其中該散熱元件的材料包括金屬或陶瓷材料。
26. 如申請專利範圍第24項所述之太陽能電池模組，其中該散熱元件為一散熱管。
27. 如申請專利範圍第26項所述之太陽能電池模組，其中該散熱元件為被動式多通道震盪式散熱管。