WO2012006758A1

WO2012006758A1 - 簇体光伏

Info

Publication number: WO2012006758A1
Application number: PCT/CN2010/001043
Authority: WO
Inventors: 刘文祥
Original assignee: Liu Wenxiang
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2012-01-19

Abstract

提供三种簇体光伏系统，包括：利用光线直接照射簇体光电池，与光伏电路共同构建普通簇体光伏系统；利用折射凸透镜或反射凹面镜等所聚集的光线，将聚集光线照射簇体光电池，与光伏电路共同组成直接簇体光伏系统；利用折射凸透镜或反射凹面镜等所聚集的光线，将聚集光线通过传输光纤曲线传输一定距离后，照射簇体光电池，与光伏电路共同组成传输簇体光伏系统。其中，簇体光电池关键部分是PN结；在厚度约0.3-0.5毫米的P型硅单序体的薄片表面涂抹一层非常薄的反型层，如扩散法形成N型层，即可形成PN结；然后在PN结的两面各加上一个电极，就是一种簇体光电池；它只要经光线照射，就会在两个电极之间产生电压和电流。簇体的发现揭露了介观物质的本质。

Description

簇体光伏技术领域本发明涉及材料技术（Material technology)、光学技术（Light technology)、电学技术（Electro technology)、电子学技术 (Electronics technology)、光纤 (Optical Fiber)技术、光伏技术等。

簇体卿序体和非序体）技术涵盖了物理、化学、生物、能源、材料、微电子、信息等领域；它将广泛应用于电子材料、光学材料、催化材料、磁性材料、生物医学材料、涂料、陶瓷、控制、计算机、网络、机电、航空航天、汽车、测量、医药、轻工、军事、制造、光伏、光电、基因、诊治等各个方面。簇体性质可用来探索和理解物质运动规律等。簇体作为一种物质结构的形态，将对物质的属性或对物质加工处理等各方面发挥重大作用。簇体不仅将应用于无生命领域;也将应用于有生命领域。

簇体光伏将广泛应用于光伏、材料领域等。簇体光伏可以为微波中继站、电视差转站、卫星地面接收站、太阳能水泵、森林防火系统等提供独立电源或中心电站，可以解决农民生活用电和小型工业用电问题；它具有广阔的发展前景。

背景技术光纤 OpticalFiber)是光导纤维的简称。头发丝般粗细的光纤，是用玻璃或透明塑料作为芯线，裹以折射率比芯线折射率小的包层。一束光线进入一根光纤的一端之内时被全反射；光线可传输到光纤另一端。

能够将光能直接转换成电能或电流的光电转换器件，称为光电转换器。由于物体的电子域空穴）吸收大于其原子束缚能的光子能量，被激发成为非平衡载流子并作定向扩散运动而产生的内光电效应，称为光伏效应。光伏效应又可以分为三种：金属一半导体接触， P~N结接触和丹伯效应。利用光伏效应能够使被光线照射的单个光电转换器，产生出具有实用价值的电势差并能够在与光电转换器相连的电路中对负荷（或充电器）作功的系统，称为光伏系统。

在 P型半导体和 N型半导体的紧密接触处，由于扩散必然形成 P结。同时在 P结的 N区侧形成一个正电荷区， P区侧形成一个负电荷区。这个区域称为空间电荷区。其中正负电荷形成电场，称为自建电场 1½。它使得 N区和 P区之间存在电势差。

半导体的导带电子和价带空穴可以参加导电。当有外加电场作用于半导体上时，导带电子和价帯空穴将在电场作用下作定向移动，称为载流子的漂移运动。这种运动产生漂移电流。在热平衡条件下，漂移电流完全被 Ρ结两端的扩散电流所平衡。

光子被半导体表面中原子吸收而产生的空穴一电子对是非平衡载流子。即使在光子小注入时，非平衡载流子空穴浓度 ΔΡ 一定比平衡时的多子浓度 ηο小得多，但又比平衡时的少子浓度 Ρηο大得多。

由于非平衡载流子的浓度不相同，会引起非平衡载流子的扩散。因此非平衡载流子空穴，由表面向内部扩散。同理非平衡载流子电子，由内部向表面扩散。当二极管的 Ν型区受到大于该半导体的禁带宽度的光子能量激发，半导体的原子由于获得光能而释放电子，形成电子-空穴对；就迫使它处于与热平衡相偏离的状态，即非平衡状态；这些大量产生的电子一空穴对中的非平衡载流子空穴（或电子）被称为光生非平衡载流子，简称光生载流子。

当半导体吸收光子 0t强较大）能量时，光生载流子大量出现，就产生抵抗反向的自建电场的作用力，自 Ν型区表面向 Ρ型区扩散，形成有实用价值的反向电流，称为光生电流。光生电流受入射光的强度控制，光强越大，光生电流也越大。光生载流子-空穴在吸收光子能量而浓度大大增加时，在扩散作用下，向着与二极管中 ΡΝ结上的自建电场相反的方向运动，并在该 FN结的两侧形成与自建电场的正负电荷积累相反的电荷积累，产生一个光伏电场。即当二极管的 N区表面受到大量大于该半导体的禁带宽度 ¾的光子照射时，二极管中 N型区的空穴从被光子照射的表面往 P区的方向移动，同时 P型区的电子往 N 区的方向移动，从而在 ^结内部产生从 N型区到 P型区的光生电流；在二极管的 P结上形成光生载流子电势差。它与自建电场方向相反。

物体中原子吸收光子能量而产生非平衡载流子抵抗该物体自建电场力的扩散，由一点 A移动到另一点 B时，这些载流子克服电场力所做的功 Ε_Λ与该载流子电荷量 q的比值 E_a /q ,称为 A、 B两点之间的载流子电势差。这种由于光生载流子扩散而产生的电势差，也称为光生电压；用号 U_¾表示。有实用价值的光生电压，即为光生电动势 1½ 。它除了抵消自建电场的作用以外，还使半导体的空间电荷区中， P型区带正电， N型区带负电。若将其与外电路接通，便有电能输出。

由光生载流子形成的有实用价值的电势差，称为光生电势差 U 。具有光生电势差的物体是光生电源。

单晶硅的原子密度为 5.5X l(f/ crf，晶体结构为金刚石晶格结构，晶格常数 a = 5.43埃，属共价晶体。化合物 GaAs的原子密度为 4. 4 1(/7 (^ ,晶体结构属闪锌矿晶格结构，晶格常数 a = 5.65埃，属共价键结合，但有一定离子键成分。

当且仅当电子（或空穴）被固体或原子束缚并具有一定的束缚能时，电子（或空穴）才能吸收光子能量而产生光电效应。单个太阳能光电池（例如硅太阳能光电池）的电压才 0.5伏左右，必须将它们几十个串、并联，才能作为一个应用单元。单个太阳能光电池由于电压低 <Λ约 0. 5伏），不能直接作为电源使用。它是将几个或几十个单个的太阳能光电池串联组成方阵，才能获得有实用价值的电压和能量。太阳能光电池方阵的串联内电阻损失，比同样功率的单个光电转换器大得多。

整个物体内部超微颗粒做有规律的排列所构成的固体，称为单晶体（single crystal)。物体内超微颗粒做无规则的排列所构成的固体，称为非晶体（non-crystal)。由许多杂乱无章地排列着的小晶体组成的物体，称为多晶体（ polycrystal) 。单晶体有一定的几何形状和固定的熔点，表现出各向异性（anisotropy)。非晶体没有固定几何形状和熔点，表现各向同性 (isotropy)。多晶体和单晶体统称为晶体。

定义：纳米颗粒是指直径在 1-100纳米之间的超细微粉材料。

定义：含有千百万个原子的超微粒子，称为纳米粒子，尺度在 1-100纳米之间。

纳米材料（tianomaterial)定义：在三维空间中至少有一维处于纳米尺度内，或由纳米基本单元构成的材料。

纳米材料既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序的非晶体。它是一种介于固体和分子之间的亚稳中间态物质；是晶体、非晶体之外的 "第三态固体材料"。

凡是出现量子相干现象的体系，统称为介观（mesocopy)体系，它包括团簇、原子、分子、分子团簇等。

发明内容本发明任务是利用光线直接照射簇体光电转换器，与光伏电路共同构建普通簇体光伏系统；利用折射凸透镜或反射凹面镜等所聚集的光线，将聚集光线照射簇体光电转换器，与光伏电路共同组成直接簇体光伏系统；利用折射凸透镜或反射凹面镜等所聚集的光线，将聚集光线通过传输光纤曲线传输一定距离后，照射簇体光电转换器；与光伏电路共同组成传输簇体光伏系统。接体的发现掲露了介观（mesocopy)物质的本 1。设图 4中 N型簇体光伏的 P型区被光线照射，厚度 W « Lp (扩散长度）；光生电动势 U光的单位为伏特，可推导出：

U光 = - (Ι η )Α 1?/ (q ¾ (ΔΡ) , ) (1)

同理，如果簇体光伏的 Ν型区被光线照射，其厚度 W « Ln (扩散长度）；可得

U光 = (I n )A W/ (q Dn (ΔΝ) ,) (2)

上两式中单位：太阳光强度单位 I为 W/πί:光的吸收效率 q是无量纲单位， 1可取 0.4— "0. 6之间；采光面积 Α单位为 m'_; 半导体厚度 W单位为 cm; 电荷单位为 (：，电子电荷 q = - 1. 6X 10 ⁹C;空穴（或电子）扩散系数 (或 Dn )单位为 cnZ/s; 空穴（或电子）浓度 ΔΡ (或 ΔΝ)单位为 /cm³。

(1 )式和（2)式的具体推导过程详见本发明人 2010年 6月的国际专利申请《曲光照明与光伏》。

定义：在物体中的尺寸，纳米尺度是指 0. 1— 100纳米之间的尺寸；小尺度是指微米级（D.卜 100微米）尺寸或者比其所在的物体的尺寸小得多的尺寸范围。大尺度一般是指 100微米以上的尺寸或者与其所在的物体的尺寸基本相同的范围。

与物体中超微颗粒的体积相等的圆球直径，称为该颗粒等同直径。同一种物质或超微颗粒组成的物体具有相同的等同直径。定义：具有特定化学性质的或者在化学变化中不可再分的最小物质结构颗粒，称为物质最小的物理化学颗粒，简称物粒。物粒一般通过化学键起相互作用而结合在一起。物粒是多种多样的：原子金属）、离子（¾盆类）、分子水）等。定义:两个或两个以上的物粒通过它们相互作用力能够凝聚在一起的其等同直径基本在纳米尺度内的物质超微颗粒或颗粒团簇，称为物体纳米尺度颗粒，简称纳粒。此处的超微颗粒是指具有一定功能的分子团；颗粒团簇一般是指以化学键以外的分子间的相互作用力而连接的具有特定功能的多个物粒所组成的聚集体或组装体。即纳粒是由多个分子、离子或原子等组成的聚集体咖陶瓷、有机分子、橡胶等）或组装体。组装体如脱氧核糖核酸 Φ Α)、分子团、原子的激发态、过渡态、吸附态等。

定义：在物体中物粒的重心或物粒的物理拓扑结构的等同点，称为物粒的结点，简称为物点。

定义：在物体中纳粒的重心或纳粒的物理拓扑结构的等同点，称为纳粒的结点，简称为纳点。

定义：物点或者纳点在空间按照一定的规律有规则地周期性地重复排列所形成的三维空间阵列，称为空间点阵。

定义：物粒和纳粒，统称为构粒。物粒的物点和纳粒的纳点，统称为空间点阵的构粒结点，简称构点。

一个直径 3纳米的纳粒包约 900个氢原子（即氢物粒）。纳粒也可以含有几万个原子（或物粒）。

物粒的定义，与现有的纳米颗粒的概念是不同的。纳粒的定义，也与现有的纳米粒子的概念是不同的。

定义：将空间点阵中的构点用直线段连接所形成的有规则地周期性重复排列的各种平面，称为纳面。

定义：两个纳面之间的夹角，称为纳面角。

定义：两个纳面相交的直线，称为纳棱。

定义：在某些物质中通过构点可以作许多平行于纳棱的线段族，称为钠线。

定义：某些物体中由相邻纳面组成的具有周期性排列的确定的立体网格，称为序格。序格实质是该物体中的小空间点阵。定义：结构相同的物体中任意一个构粒的最近邻、等距离的构—粒数目，称为构粒配位数。它小于或等于 12, 物体结构的有序性表现 3个方面：物体的拓扑结构中各个序格相对应的钠线和纳面角相同；构粒的配位数相同；每个构粒排列的几何位置（指它们之间的间距、方位角等）是有序的。

定义：物体或纳粒中的相邻两个物粒的物点之间的距离，或者相邻两个纳粒界面之间的相邻两个物粒的物点之间的距离，都称为该两个物粒之间的本体距离，简称物粒本体距离。它是某种物质的物粒所占有空间的直径；表示其占有的空间范围。

定义：没有任何一维大尺度线条上所有物粒本体距离都在纳米尺度内的物体，称为矿体。该线条可以为直线段或曲线段。定义：至少有一维大尺度线条上所有的物粒本体距离都在纳米尺度内的物体，称为簇体。该线条可以为直线段或曲线段。簇体与矿体只是它们空间点阵结构中的物粒排列之间的缺陷数量和分布的不同；簇体不是固体之外的 <第三态固体材料"。定义：至少有一维线条上所有的物粒本体距离都在纳米尺度内的物体颗粒，称为簇粒。该线条可以为直线段或曲线段。定义：当且仅当三维线性无关的小尺度空间或物体颗粒上所有的物粒本体距离都在纳米尺度内的小物体，称为簇点。簇点由物粒（包括离子、原子等）或者纳粒（包括原子团簇、超分子等）组成。无数个簇点的集合物，称为簇体粉。它是零维簇体。

定义:当且仅当一维大尺度线条上的所有的物粒本体距离都在纳米尺度内的物体，称为簇线。该大尺度线条可以为直线段，或者曲线段。同一个棒状物体中的许多条方向基本相同的簇线的集合体，称为簇体丝。它是一维簇体。

定义：当且仅当二维线性无关的大尺度面上的所有的物粒本体距离都在纳米尺度内的物体，称为簇面。该大尺度面可以是平面段；也可以是曲面段。同一个薄膜物体中的许多个方向基本相同的簇面的集合体，称为簇体膜。它是二维簇体。

定义：当且仅当三维线性无关的大尺度空间上所有的物粒本体距离都在纳米尺度内的物体，称为簇体块。它是三维簇体。 "簇体是至少有一维大尺度线条上所有的物粒本体距离都在纳米尺度内的物体"，与米材料是至少有一维处于纳米尺度内，或由纳米单元构成的材料"所反映的物体概念不同。簇体与纳米材料的定义是分别表达不同的物质结构和性质的。

簇体的特点是无论物点是有序或无序的排列， "至少有一维大尺度线条上所有的物粒本体距离都是属于纳米尺度内的"。簇体与纳米材料所定义的微颗粒本身的微小尺寸"也具有本质的 E别。纳米材料的定义与 f体"的定义并无本质不同。

簇体中构粒的组成和物粒本体距离的大小，是簇体具有特殊功能的重要因素。簇体通常是人造材料；矿体大部分是天然物。固体可分为矿体和簇体两个大类。矿体可分为晶体和非晶体两个大类。簇体可以分为序体和非序体两大类。

某些物体的空间点阵结构，可由构点沿 3个线性无关的钠线方向，各按一定的距离周期性地平移而构成。每一次平移的距离，称为该方向上的钠线周期。不同方向上的钠线周期一般是不相同的。某些物体的三维序格都能以某个适当的平行六面体作为基本单元，沿空间的线性无关的 3个方向作周期性的堆砌而获得。这种周期性重复的基本单元，称为纳元。

纳元选取是任意的；有实际意义选法有两种。一种是其中能够具有最小周期性重复的纳元，称为原胞。即它包含的构粒 (包括原子、离子、分子）是最少的。原胞中只包含一种原子（或离子）的序格，称为简式序格；包含一种以上原子（或离子）的序格，称为复式序格。另一种是能够最大限度反映物体结构特征的最小独立纳元，称为纳胞（Nano cell)。它各个边的长度称为序格常数；三个边长及其夹角，统称为纳胞参数。纳胞是从序格中选取的一个能够完全反映序格特征的最小几何单元。

* J . 庠讼县 *幼重菅排 illffi形的长有序的簇体，称为单纯长程有序簇体，简称单序体。定义：序格是由纳胞周期性重复排列所形成的短程有序的簇粒或小簇体，称为短程有序的簇粒，简称序粒。

定义：由许多无规则地杂乱排列的序粒组成的簇体，称为多序粒的簇体，简称多序体。单序体和多序体，统称序体。定义：由许多无规则地杂乱排列的簇粒组成的无序的簇体，称为非序的簇体，简称非序体。

一种物质是序体或非序体，并不是绝对的。许多非序体在一定压力等条件下可以转化为序体。反之亦然。例如，将物质的熔液冷却得足够快和冷却到足够低的温度时，几乎所有的序体都能够转化为非序体。

序体结构是长程（或短程）有序的，具有平移对称性；非序体结构是平移对称性破缺，失去有序结构。这是它们区别。序体内部的构粒排列是长程或短程有序的;在其外形上表现出一定的规则性。序体中的纳胞外表为一些规则的平面所包围; 它们就是序体的纳面。由于生成条件的不同，同一种的序体，其纳面的规则不一定是相同的。纳面的大小和形状是受序体生成时外界条件的影响而形成的，不是序体特征因素。序体受内部品质或结构决定而不受外界条件影响的因素是纳面角。每一种序体，都有一套区别于其他序体的特征性纳面角。这是一个普遍的规律。

纳面角守恒定律：属于同一品种的序体，其中相对应的纳面角是相等的。

定义：序体的纳胞中包含的构粒所占体积与纳胞体积之比，称为序体致密度。它小于或等于 0. 74。

定义：内部结构完全规则有序的序体，称为完整序体（或理想序体）。

序体实际上存在或多或少的不规则性，形成了长程有序中的极少量的无序成分。序体内部的微量构粒偏离规则排列的不完整性区域，称为序体缺陷。缺陷在序体中非常少，最多占 1/1000。采用一些特殊方法可制造出几乎不含缺陷的完整序体。

序粒间界面，称为序面。按照几何特征，序体的缺陷可以分为 "点"缺陷、 '钱"缺陷和 '面"缺陷。它对序体的性能影响很大。外来惨进的杂质就是一种缺陷；硅单序体被控制性掺入适当的微量硼元素，就成为优异的空穴（P型）半导体。

"点"缺陷：缺陷在三个线性无关方向上的尺寸都是小尺度；如空位、间隙或置换原子（或分子）。

"线"缺陷：缺陷在两个线性无关方向上的尺寸都是小尺度，还有一个线性无关方向的尺寸相对很大；如位错。

"面"缺陷：缺陷在一个方向的尺寸是小尺度，另外两个线性无关方向的尺寸相对很大；如序面、亚序面。

单晶体与单序体的区别是：单晶体结构中存在小尺度的各种裂隙或缺陷，并且这些裂隙或缺陷使得单晶体中不存在它具有的任何大尺度线条上所有的物粒本体距离都小于 100纳米。

多晶体与多序体的区别是：多晶体结构中存在小尺度的各种裂隙或缺陷，并且这些裂隙或缺陷使得多晶体中不存在它具有的任何大尺度线条上所有的物粒本体距离都小于 100纳米。

非晶体与非序体的区别是：非晶体结构中存在小尺度的各种裂隙或缺陷，并且这些裂隙或缺陷使得非晶体中不存在它具有的任何大尺度线条上所有的物粒本体距离都小于 100纳米。

定义：研究和阐述簇体（即序体和非序体）原理、性质、客观规律及其组成系统的理论和技术的科学，称为簇体学。定义：将簇体学的原理、性质和规律应用于各行各业的技术，称为簇体技术。

簇体中至少有一维大尺度线条上的所有的物粒本体距离，与电子的德布罗意（de Broglie)波长相当或更小。由于物点之间这种周期性的边界条件，必然导致它的物理、化学等性能发生根本性变化：表现出独特的光、电、磁和其他的各种特性。续体（即序体和非序体）具有量子波动效应；矿体（即晶体和非晶体）没有量子波动效应；这是它们之间的本质区别。不同类型簇体的物粒本体距离是不同的;导致其性能不相同。同一种簇体呈现某些不同的特异性能所需要的物粒本体距离也不同。

簇体至少有一维大尺度线条上的相邻构点间距都足够小，呈量子化效应，故其宏观的电荷数和能量是量子化的。

矿体没有一维大尺度线条上的相邻构点间距处处足够小，没有量子化效应，其宏观的电荷数和能量是连续的。

簇体不是物质简单的缺陷数量和分布的量变，而是物质的特征发生了质变。簇体呈现出许多奇异的物理和化学特性。这些特性来源于四大效应：量子尺寸效应 ^antum dimension effect)、表面效应（surface effect)、小尺寸效应（small dimension effect)和隧道效应 (tunneling effect) .簇体很多奇特性质是这几种效应共同联合作用的结果。簇体的结构产生四大效应，具有矿体（即晶体和非晶体）所不具有的物理、化学、生物性能，并表现出独特的光、电、磁、力学性能和化学特性。

在生物领域中信鸽、海洋洄游鱼类的磁性粒子和贝壳等；海洋中存在的大量胶体粒子，也都是簇体，但种类很少。

根据序体中构粒之间作用力性质的不同，可以将序体分为离子序体、原子（或共价键）序体、分子序体和金属序体。定义:序格的结点上交替排列着正负离子，离子之间以离子键结合而构成的序体，称为离子序体。

定义：序格的结点上排列着原子，原子间以共价键结合而构成的序体，称为原子（或共价键）序体。

定义：序格的结点排列共价分子（或单原子） .其间靠范德瓦而斯力（可含氢键）结合而构成的序体，称为分子序体。定义：序格的结点上排列着金属原子或正离子，其间以共有电子的金属键结合而构成的序体，称为金属序体。

根据化学组成和原子间结合力，簇体可分为金属簇体、无机非金属簇体、有机高分子簇体和复合簇体。

簇体以两种不同方式固化：序态和无序态；其区别：序态的构粒排列是长程或短程有序，无序态的构粒排列是无序的。当物粒本体距离与受缚电子的德布罗意波长相当或更小时，该波的边界条件被改变，必然导致光电转换性能发生变化。因此簇体的光电转换性能具有高强度、高韧性、高比热容、高电导率、高扩散率和对电磁波强吸收性等。

定义：利用簇体制成的具有将光能转化为电能的光电转换器，称为簇体光电转换器，简称簇体光电池。

定义：具有将不同方向的平行日光聚集于焦平面的折射凸透镜或者反射凹面镜组成的系统，称为光聚集器。

定义：光聚集器所聚焦的日光，称为聚光。它是一种大功率和高效率的光束。

定义：通过光纤（包括实心光纤和空心光纤等）能够进行弯曲传输的全反射的光束（包括聚光），称为曲光。

曲光具有能量损耗低、可绕性好、保密性好等特征：它为低成本处理和低损耗传输日光，提供很好技术支撑。

定义：由两种或两种以上的固相复合而成的并至少有一种固相是非序体、多序体、单序体或者兼而有之的簇体，称为复合簇体。其中各种固相可以是无机物、有机物或者二者兼有。复合簇体中，连续相的物质称为基体；分散相的物质称为增强材料。

当增强材料为簇体，基体为矿体时，称为矿基复合簇体。当增强材料为矿体或簇体，基体为簇体时，称为簇基复合簇体。定义：由能够将光能转换成电能的簇体光电池、蓄电池和 /或负荷（可以含有防反充二极管、调节控制器、电容器、开关等）组成的电路，称为光伏电路（@10、图 11、图 12)。光源与含有簇体光电池的光伏电路共同构成的系统，称为簇体光伏。定义：电阻率介于导体和绝缘体之间并且随着温度的升高而增大的簇体，称为半导体（ semiconductor)簇体，或称为半导簇体。它的种类很多，从单质簇体到复合簇体，从无机物簇体到有机物簇体，从非序体到序体等。

半导簇体至少有一维大尺度的相邻构粒间距足够小，呈量子效应，宏观的电荷数和能量是量子化的。

半导体晶体中相邻颗粒之间的距离不是处处足够小，没有量子效应，宏观的电荷数和能量是连续的。

定义：由具有半导体功能的序体元件组成的器件，称为序体管，如半导体序体二极管和序体三极管等。

定义：由具有一种以上功能特性的单个分子（或原子）产生的半导体序体器件，称为分子（或原子）半导体器件。例如，单个分子的量子点或量子导线、单个分子作为中心岛的单电子器件、单个分子的二极管和三极管等。它也可以包含具有某些特定功能的多个分子的半导体器件。例如半导体簇点器件。

序体二极管作为光伏系统的光电转换器、电致发光或光致发光系统的发光器件等，具有极优良的性能。

1、簇体光电池通过光伏电路，能将日光转换成有实用价值的电能。其可储存在蓄电池中，或者作用于电路的负荷上。簇体光电池的核心部分就是半导簇体。而半导簇体的关键部分就是 PN结。在厚度约 0. 3— 0. 5毫米的 P型（¾N型）硅单序体的薄片表面涂抹一层非常薄的反型层，例如扩散法形成 N型层域 P型层），即可形成 PN结。然后在 PN结的两面各加上一个电极，就是一种簇体光电池。它只要经光线照射，就会在两个电极之间产生电压和电流。

簇体光电池只有通过光伏电路中的电力负荷或者蓄电池。，才能将日光转换成有实用价值的电能。

现有的太阳能光电池是在 N型硅单晶的小片上，用扩散法掺进一层硼，以得到 P结，然后再加上电极，制成了太阳能光电池。它光电转换效率大约 18%，大批量生产时，其效率只有 12%。它的效率很低，成本很高。

1. 1簇体光电池按照结构可以分为同质结簇体光电池、异质结簇体光电池和肖特基簇体光电池。

同质结簇体光电池是由同一种半导簇体构成一个或多个 FN结的簇体光电池。

异质结簇体光电池是用两种不同禁带宽度的半导簇体在相接的界面上构成一个异质 PN结的簇体光电池。

肖特基簇体光电池是用金属和半导簇体接触组成一个 "肖特基势垒"的簇体光电池。

各种类型的簇体光电池的技术特征如下：

1. 1. 1硅单序体或其他半导簇体中，掺入硼簇体、镓簇体或铝簇体等杂质，它变成 P型半导簇体；掺入磷簇体、砷簇体或锑簇体等杂质，它变为 N型半导簇体。硅单序体或其他簇体掺入有用的杂质，就形成具有半导体功能的簇体光电池。

硅单序体薄膜具有与硅单晶体不同的崭新性质。硅单序体薄膜中的硅原子的物粒本体距离小于 3.5纳米，具有热稳定性好、光吸收能力强、掺杂效应高等优点。硅单序体薄膜的光吸收系数比单晶硅和多晶硅都要高。

化学气相沉积的生长，如等离子体化学气相沉积（PECVD)和低压化学气相沉积（LPCVD)等成膜技术，都可用于硅单序体薄膜的制备。但它们均应具备两个基本前提条件：

一个是应满足序体形成的生长机制；第二是应满足序体形成的工艺参数。

在硅单序体薄膜中掺入能俘获电子的硼、镓、铝等杂质，它变成 P型半导簇体。在硅单序体薄膜中掺入能施放电子的磷、砷、锑等杂质，它变成 N型半导簇体。

1.1.2在金刚石序体中，掺入硼簇体、镓簇体或铝簇体等杂质，它变成 P型半导簇体；掺入磷簇体、砷簇体或锑簇体等杂质，它变为 N型半导簇体。金刚石序体可制成耐高温的半导体。

1. 1.3 多孔大比表面积的半导簇体所制成的簇体光电池，具有优异的光电转换特性。其中二氧化钛（Ti¾)簇体的光电转换效率高（达 12%以上）。它能利用日光中的一切光能，成本低、改性途径多，性能高。

1. 1. 簇体光电池具有优异的光吸附功能。这种光透性可以通过控制半导簇体的物粒本体距离和气孔率来实现。簇体光电池表面可制成具有良好的吸波性能的涂层，对光波兼具吸收和透过功能。半导簇体的吸波性和透波性取决于其物粒本体距离; ¾离为 10— 30纳米的铬簇体，吸收太阳能效果很好。金属簇体对可见光到红外光的整个范围的吸收率都很高。

投射到簇体光电池表面的日光，有一部分被反射而没有进入簇体光电池。为了减少反射损失，在簇体光电池的吸收光线的表面上涂上一层非常薄的吸收率高的选择性涂料，或形成一层反射率低的其他村料的薄膜（¾氧化钛、二氧化铈和三氧化二钽等）。这些薄膜在簇体光电池工作光谱范围内是透明的，并具有牢固的机械性能，以及不受温度变化和化学作用的影响。

簇体光电池的光线吸收层上的涂料是各种选择性涂料。采用簇体技术和方法可以制作选择性涂层。

现有太阳能光电池没有选择性吸收面，它利用太阳能的效果较差。

1. 1.5半导复合簇体是指无机填充物杂质分散在有机聚合物基体中形成的有机 /无机半导体的簇体。该复合簇体中，增强材料的物点与相邻基体的物点的距离至少在一维方向都小于 100纳米。其两相不是简单的混合；而是相邻物点的本体距离至少在一维方向都在纳米尺度范围内。由于增强材料或者基体的小尺寸效应、大比表面积和强界面的结合，使半导复合簇体具有一般半导体所不具备的优异性能。

半导复合蔟体是一种重要的簇体光电池所用的材料，如硫化镉（CdS)、硫化锌（ZnS)、硫化铅（PbS)等。它们具有量子限域效应。量子限域半导复合簇体的生产是在胶体溶液中进行的。它常用少量的聚合物稳定胶体溶液。这些聚合物稳定剂是极好的基体材料；用它可以生产出具有半导体的光电转换特性的可处理聚合物的复合簇体薄膜。

不同性能的半导体聚合物-无机复合簇体，例如硫化镉（CdS)和碲化镉等，掺入施主杂质和受主杂质所制成的 P结二极管，比单晶二极管的光电转换效率高得多。簇体光电池通过选择不同半导体聚合物-无机复合簇体来制造。

硫化镉簇体的纳粒和碲化镉簇体（CdTe)的纳粒，尺寸比较小，厚度也较薄，物粒本体距离均匀；表现出量子尺寸效应。在光线激发下硫化镉簇体和碲化镉簇体能够引起光电效应。硫化镉复合簇体膜和碲化镉复合簇体膜具有更广泛的光谱响应范围。由于物质微粒中表面原子（或分子）所占比重较大，表面能量迅速增大，导致了化学活性的特殊性。

制取硫化镉簇体和碲化镉簇体有气相法和液相法等。气相法主要有低压气体冷凝法、活性氢融金属反应法、流动液面真空蒸镀法、通电加热蒸发法、混合等离子法和蒸发冷凝法等。液相法有沉淀法、喷雾水解法、高温水解法和胶体化学法等。

高质量的硅簇基复合簇体对于实现高效率和高稳定度的光电转换是非常重要的。

菅^箧 ίίήί制的半异鏟体。銪体光伏采用带有载流子输运层的多层结构。硅簇基复合簇体采用浸渍法、化学气相沉积法、反相胶束法与微乳液法、模板合成法和复合法等制成。

簇体光电池还可以由多层半导簇体制成；其一般制成 5— 10层的厚度 20~30微米的簇体光电转换器。

现有的半导体光电转换材料都采用小分子物质作为输运层。由于小分子物质容易重结晶或与非平衡载流子形成电荷转移络合物和激发态聚集导致性能下降，而簇体光电池则能克服这些缺点。

1. 2 定义：由日光直接照射簇体光电池而产生电流的光伏电路系统，称为普通簇体光伏系统。

定义：将在大气、液体中的聚光，直接照射簇体光电池，进行光电转换的装置，称为直接簇体光伏系统。

定义：将借助光纤传输的聚光照射簇体光电池，进行光电转换的装置，称为传输簇体光伏系统。

输出直流电的簇体光伏系统（图 10)由簇体光电池、蓄电池、直流电负荷、防反充二极管、测量仪器和控制器等组成。输出交流电的簇体光伏系统（图 11)由簇体光电池、蓄电池、交流电负荷、逆变器、防反充二极管、测量仪器等组成。输出交直流电的簇体光伏系统（图 12)由簇体光电池、蓄电池、负荷、逆变器、防反充二极管、测量仪器等组成。

1. 3 蓄电池组或用电负荷电路，是簇体光伏系统的储能装置或供电装置。在夜间或光照不足以及负荷消耗超出簇体光电池发出的电量时，蓄电池组可以向负荷供电。用电负荷是将电能转换为各种能量的设备。

1. 调节控制器主要有以下几个作用- 1. 4. 1按用户要求给出稳定的电压或电流。

1. 4. 2蓄电池过分充电或放电时，可以报警或者自动切断线路。

1.4. 3蓄电池组出现故障时，可以自动接通备用的蓄电池组。

1.4.4电路负荷发生短路时，蓄电池组可以自动断开并报警。

1. 5 防反充二极管作用是避免由于簇体光电池不发电时，或者出现短路故障时，蓄电池组通过簇体光电池进行放电。 - 1. 6 逆变器的作用就是将簇体光电池和蓄电池提供的低压直流电逆变成 220V的交流电。

1. 7 测量仪器：对于小型簇体光伏系统，只要求进行简单的测量，测量所用的伏特表和电流表一般就安装在调节控制器上。对于大型簇体光伏系统，就要求配备独立的数据采集系统和微机监控系统。

2、传输光纤是簇体光伏系统中光线传输的介质。光纤是由高折射率的光纤芯和低折射率的包层以及护套构成。按制造光纤材料的不同，光纤可分为石英光纤、多组分玻璃光纤、全塑料光纤和掺杂光纤等。

光线从光纤的芯线射向包层时，能发生全反射，经反复的全反射可以将光线从一端传输到另一端。光纤柔软，弯曲了也能传输光线。在传输光纤中，有时还需要应用一些光无源器件，如光纤耦合器、光开关、光纤连接器等。

不同类型的光纤，传输特性和能量损耗也不同。光缆的结构形式也多种多样。为了适应各种簇体光伏的需要，还可以使用导光束。它是将多根光纤按一定的结构排列组成的光缆。

各种类型的传输光纤的技术特征-

2. 1实心光纤一般采用石英光纤：它不仅具有低损耗，还有好的弯曲特性、耐热性、化学稳定 tt等特点；可以用来传输可见光、红外线与紫外线。传输可见光的实心光纤的直径不能太细，因此一般采用多模光纤。

2.2 空心光纤是以细管状空气（或气体）为纤芯，采用折射率小于 1的材料（包括金属、聚合物、玻璃、序体等）为外部管壁。其传光原理与阶梯折射率型的实心光纤相同，光线在管壁上全反射。光线在这个细管内壁上边反射边传播。

空心光纤的空心内径可以在 1毫米以上；并在端部没有反射损失。空心光纤的内部管壁，可以涂覆非常薄的吸收率非常低的材料；则曲光的传输几乎没有吸收损失。理论上气体纤芯可传输任何波长的光线。

光是一种电磁波。它的电场和磁场随时间不断地变化，总是相互正交传输。当电场 E施加到介质材料时，会引起其原子和分子的极化。在强电场作用下，极化 P和 E的关系是非线性的。当光强达到 lOOOkW/c m "时，这种非线性必须考虑。

小能量光线的传输可以使用普通的石英玻璃光纤，也称为实心光纤。高能量光线的传输就要使用空心光纤。

现有的传输光纤绝大部分应用于信息传输；它传输电磁波的波长是 850纳米短波长的波段，以及 1310纳米、 1550纳米长波长的波段。这些波段不属于可见光范畴。现有的电信光纤是实心光纤，传输的能量并不大。

3、由聚光与光伏电路组成的聚光簇体光伏系统；按照聚光传输方式，可分为直接簇体光伏系统和传输簇体光伏系统。光接收器由能够改变低角度的太阳高度角（早晨或傍晚时）的棱镜和光聚集器等组成。光聚集器将其采光面称为采光面积）上的日光，在其主光轴的焦点上形成焦斑（又称为焦面面积）。它能将大采光面上的日光，聚集于非常小的焦斑上。光聚集器的聚焦比汉称为聚光比）是采光面积与焦面面积之比。它表示光聚集器将采光面上的日光，经过聚焦作用，在主光轴的焦面上形成的焦斑能量密度可能达到的密度有多大；反映聚光程度。这个倍数对于光聚集器来说，要求尽可能地大。

现有的太阳能光电池是按照需要，将许多个太阳能光电池通过串联的方法而组合成为太阳能光电池组。由于各个单体太阳能光电池太阳能光电池的电压和电流难以完全一致。这就不能达到各个单体太阳能光电池串联的最佳工作状态；造成效率低。

各种类型的光接收器的技术特征如下-

3. 1 光接收器采用聚集光线的凸透镜时，该凸透镜位于东、西棱镜之间的中央的下方（图 1)。这个水平设置的凸透镜. 焦点位于凸透镜的下方；传输光纤的始端安装在该凸透镜焦点上，并使该聚光能够进入光纤内全反射。该焦点也可以直接位于簇体光电池上，或者光隔离器上併使该聚光能够通过光隔离器后照射簇体光电池）。由聚光能够耦合进入传输光纤进行全反射的最大入射角和传输光纤的数值孔径 ΝΑ,对凸透镜确定最小的太阳高度角 H_a。

同样聚光能够通过光隔离器，直接照射簇体光电池；这也可以对凸透镜确定最小的太阳高度角 H_a。

太阳与地面上某地的相对位置，跟太阳高度角 H和方位角 Z有关。其数值可以由（3)和（4)公式计算。

sinH =sin 5 sin Φ + cos δ cos Φ cos ω t (3)

sinZ = - sin ω t cos 5 / cos H (4)

式中 Φ --… -某地的地理缔度；

ω…- 地球绕轴旋转的角速度，近似为常数 15° /小时；

t 平均太阳时，中午以前为负；中午以后为正， t =t_SI - (L^ J/15 -12；其中 t_sl为时区标准时间， L_st为标准时根据的经度； L_los为某地的经度。 δ……太阳赤纬角，可用近似公式

上式中 No 一年中的第几天。方位角 Z:正南方向为 0; 东南方为负，西南方为正。

最简单的折射棱镜 6)，棱镜的角是 45。一 90° -45°。光线正入射到棱镜的一个较短的面，以 45°的入射角投射到斜面上。这个角大于玻璃一-空气的临界角 42°，光线作全反射，在偏转 90°后，光线从第二个较短的面射出。

光接收器中棱镜的两个折射面的夹角为 8 (棱镜角），出射光与入射光的偏转角为从折射率 n^i的空气介质，直线射入折射率为！！棱的棱镜。由折射定律，可得

Γ1棱 / Πο - Sin[(B + _£) / 2 ]/ Sin (9/2)

Π梭 Sin[(8 + e) / 2 ]/ Sin (θ/ 2 )

可以选择棱镜角 8 ,使早晨与傍晚的太阳高度角在某个数值时（一般可选择 20° --30° )，经棱镜折射后的太阳光，再经过凸透镜折射之后，能聚集于位于其焦点的传输光纤的始端内，并且满足入射光线在传输光纤的总接收角范围内。

设光接收器中棱镜的两个折射面的夹角为 β，出射光与入射光的偏转角为 ε。光线从折射率 ri^i的空气介质，直线射入折射率为 n棱的棱镜。由（6)和（7)公式，可以选择 Θ,使太阳高度角较小（早晨或傍晚）时，经棱镜折射后的等同的太阳高度角 H_s不小于凸透镜的最小太阳高度角 H_a；则太阳光在白天的大部分时间段（除了太阳刚升起或快降落的一段时间之外）内，可聚集于传输光纤的最大可接收角 a _Ba，范围内。

光接收器设计时所需要的最小太阳高度角可以根据当地辐射统计资料来确定。一般可在 20°至 30°之间选取。

光接收器的棱镜和透镜的采光面积 A可以根据使用的需要，按照簇体光伏系统的额定功率为 P,用（B)式确定。其中太阳光髓 MO.3-0.5 k 1/m¹,光的吸收效率 η聰 0.4—0.6之间。则采光面积 Α为：

A=P/ ( I ) (8)

凸透镜两个表面的曲率半径分别为 R ₁和1? ₂，表面到其曲率中心的方向与折射光方向相同时为正，凸透镜制造者方程：

1 / f == (n - 1) (1 / R _t - 1 / R₂) , 其中 f为焦距; n为凸透镜的折射率。

根据经验，透镜的焦距 f一般情况下- 当 A=l.5 m'时，选 f == 0.6~ 0.65m；

当 A=2.0m'时，选 f == 0.7— 0.75m；

当 A=2.5m'时，选 f 0.8ra;

太阳光从折射率近似为 1的空气中，射到折射率为 n的光纤，如果入射角 8大于临界角 Φο时，就会发生全反射。临界角 <D₀ = _arcsin (l/n) (9)

枏抿阜孱^侘晚的凸诱镜或者凹诱锫的边缘的太阳光线射入传输光纤的入射角大于临界角 Φο ,可以确定太阳的高度角 Η 的范围。从太阳高度角 H的范围，可以确定棱镜的两个折射面的夹角 β 。

棱镜表面还可以涂上一层反射"薄膜，以减少光反射损失。将折射率小于棱镜材料玻璃）的物质淀积在棱镜表面上，形成硬而透明的薄层或薄膜。釆用折射率 1.38的氟化镁（MgF₂)涂膜，制成的 "无反射"薄膜的厚度应为 lo 。

3. 2 光接收器也可以采用聚集光线的反射凹面镜（图 7)，该凹面镜安置在东、西棱镜之间的中央的下方（图 2)。这个水平设置的凹面镜，焦点在凹面镜的上方；传输光纤的始端安装在该凹面镜焦点上，并使该聚光能够进入光纤内全反射。由聚光能够耦合进入传输光纤进行全反射的最大入射角和传输光纤的数值孔径 NA，对凹面镜确定最小太阳高度角 ¾。凹面镜的焦点也可以位于簇体光电池上。由聚光能够照射簇体光电池，对凹面镜确定最小的太阳高度角 H, 。

由 6)公式和（7)公式，可以选择棱镜的两个折射面的夹角 0，使太阳高度角较小彈晨或傍晚）时，经棱镜折射后的太阳高度角 H不小于凹面镜的最小太阳高度角 H, ；则太阳光在白天的大部分时间段内條了太阳刚升起或快降落的一段时间之外），可聚集于传输光纤的最大可接收角 a max范围内。

光接收器设计时所需要的最小太阳高度角 H,可以根据当地辐射统计资料来确定。一般可以在 20°至 30°之间选取。采光面积 A可以根据使用的需要，按照簇体光伏系统的额定功率为 P，用 6)式确定。其中太阳光强度 I可取 0.3— 0.5k W/tf，光的吸收效率 η可取 0.4— 0.6之间。

这种光接收器中除了反射凹面镜之外的其他部分，与折射凸透镜作为聚集器的光接收器相应的部分基本相同。

因为光接收器在入射日光所通过的区域内设置簇体光电池，挡掉了一部分入射日光；所以可以利用反射镜把聚光反射到旁边的簇体光电池（图 8)；或者反射后穿过凹面镜上的孔洞出射到该凹面镜的背光面（图 9)处的簇体光电池。

3. 3 光接收器还可以采用东棱镜与西棱镜以及一个直径一般为 0.4米以上的凸透镜（或者涂有银或铝的反射凹面镜）。平行日光折射（或者反射）后，聚焦到一个经过精密加工的透明锥体中，该锥体里含有对光线起折射（或者反射）作用的油。油是一种使光线高度聚集的物质。这个锥体把日光聚集起来后，可使焦点的直径从 1厘米縮小到 1毫米。这种光接收器中除了透明锥体之外的其他部分，与折射凸透镜作为聚集器的光接收器相应的部分基本相同。

3.4 光接收器可以釆用日光跟踪器使折射凸透镜或者反射凹面镜对准太阳。曰光跟踪器上的每面凸透镜或者凹面镜，可以用一台电脑控制两台马达与太阳同步转动，当太阳被云彩遮住时，日光跟踪器就靠一个钟表装置来带动。因此只要太阳一露出云彩，凸透镜或者凹面镜立即能对着太阳。这样每面凸透镜或者凹面镜在白天随着日光跟踪器都可以对准太阳。日落之后，电脑又将跟踪器转向东方。这种光接收器除了日光跟踪器之外的其他部分，与折射凸透镜包括棱镜）的光接收器基本相同。

3.5 光接收器中的光隔离器和光纤耦合器等的技术特征如下：

折射凸透镜或者反射凹面镜的焦点上还可以设置光隔离器（图 13)。通过光隔离器，防止聚光反射。

光纤耦合器是将光信号进行分路、合路、插入、分配的光学器件，按器件结构可分为四种：微光元件型、光纤成形型、光纤对接耦合型以及平面波导型。微光元件型耦合器大多利用自聚焦透镜，将聚光变成平行光线的特性而实现两束光线的耦合。光纤成形耦佥器最翁 ¾的形式是星型耦合器（®15) :它可以是由两根以上（1多可以到 100多根）的光纤局部加热熔合而成. 这种光纤耦合器在制作上比较容易，价格比较便宜，光纤和元件为整体，可以耐受机械振动和温度变化。

在光隔离器内壁上也可以涂一层荧光材料或磷光剂。当荧光材料受到日光中含有的红外线照射时，会发出可见光。采用不同性质的荧光材料，可制成能发出任何所需可见光的光源。这种可见光可以补充原来可见光的强度。

传输簇体光伏系统中，光纤親合器将光线耦合到簇体光电池或者传输光纤的始端，进行光线的分离或合并；将一个或多个输入光波分配给多个或一个线路输出；由耦合器将日光递送到簇体光电池或者传输光纤的始端。光纤耦合器形式主要有 τ型耦合器（®14)、星型耦合器 dl5)和方向耦合器。方向耩合器的作用是将光功率根据具体要求，发送到某一方向的光纤中; 它可分为耦合波导型、电光效应型、磁光效应型和声光效应型等。

光开关的功能是转换光路，实现光波的交换。

现有的太阳能光电池的吸光面上，能够将照射其上的光线反射掉相当大的一部分。这种反射损失是一种很大的光能损失。例如纯净的硅表面的发射率在 0.4-1微米波长范围内大约为 30%;其他材料也相当高。

4、利用光接收器聚集光线的功能，和 /或利用传输光纤何以含有光隔离器、光纤耦合器）的传输聚光的功能，可以组建各种各样引用太阳光进行工厂化光伏运行的聚光簇体光伏系统。日光还可以直接照射簇体光电池，产生电能。

太阳光和光伏电路，可以组成各种簇体光伏系统。其技术特征是：

4.1 日光经过光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面镜 (早晨或傍晚的日光还事先经过折射棱镜)后，送到光纤内进行传输; 传输一定距离后，到达传输光纤的终端，最后将聚光照射簇体光电池（图 2)，其与光伏电路相连；是传输簇体光伏系统。

4.2 日光经过光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面镜（早晨或傍晚的日光还事先经过折射棱镜）后，再将聚光直接照射到簇体光电池（图 5)上，其与光伏电路相连。这是直接簇体光伏系统。

4.3 日光经过折射凸透镜或者反射凹面镜 #晨或傍晚的日光还事先经过折射棱镜）后，到达光隔离器，再由光纤耦合器将聚光送到传输光纤内进行传输；传输一定距离后，从传输光纤的终端照射到簇体光电池（图 3)上，其与光伏电路相连。

4. 日光经过光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面镜（早晨或傍晚的日光还事先经过折射棱镜）后，将聚光送到光纤内进行传输后照射到簇体光电池上（图 4) ,其与光伏电路相连。这是传输簇体光伏系统。

4.5 日光直接照射簇体光电池（图 16)上，其与光伏电路相连，是普通簇体光伏系统。

现有的太阳能光电池吸收光能的效率较低。同时当半导体不断吸收太阳辐射，自身温度逐渐升高，成为热辐射源，热辐射能量也逐渐增大，最后达到热平衡，半导体温度不再升高。因此吸收能量的多少是由吸收率 ofn自身发射率 ε Τ决定的。

附图说明

图 1 一种光接收器的结构示意图。它的折射凸透镜位于东、西棱镜之间的中央的下方。该水平设置的凸透镜，应满足在适当的太阳高度角范围内，太阳光聚集于该透镜下面的传输光纤的始端之内或者簇体光电转换器上。

图 2—种光接收器的结构示意图。它的反射凹面镜位于东、西棱镜之间的中央的下方。该水平设置的凹面镜，应满足在适当的太阳高度角范围内，太阳光聚集千该凹面镜上面的传光纤的始端之内或者簇体光电转换器上, 图 3 —种传输簇体光伏系统的结构示意图。它由能将光线聚焦的光聚集器、防止光线反射回来的光隔离器和将光线送入光纤的耦合传输装置、能将光线从光纤的终端耦合进入的光纤耦合器和光发散器等装置组成。

图 4 一种传输簇体光伏系统的结构示意图。它由能将光线聚焦的光聚集器、防止光线反射回来的光隔离器和将光线送入光纤的耦合传输装置、、能将光线从光纤的终端耦合进入的光纤耦合器和簇体光电池等组成。

图 5 直接簇体光电池结构示意图。它不需要任何外加电源，只要有日光照射到簇体光电池，即可产生电势差。

图 6光线在棱镜中传输示意图。该玻璃棱镜的角是 45°— 90°— 45° 。光线正入射到棱镜的一个较短的面上，以 45°的入射角投射到斜面上。这个角大于玻璃一空气的临界角 42°；光线作全反射，从第二个较短的面射出。

图 7 凹面镜反射光线示意图。与光轴平行的光线或其他平行光束经镜面反射后，会聚于焦平面上一点而产生一个亮点。图 8 凹面镜反射光线到其旁边的示意图。它可以利用反射镜把聚光反射到旁边。

图 9 凹面镜反射光线穿过孔洞到背面的示意图。它可以利用反射镜把聚光反射后穿过凹面镜上的孔洞到背面。

图 10 簇体光伏输出直流电示意图。它由簇体光电池、蓄电池、直流电负荷、防反充二极管、测量仪器和控制器等组成。图 11簇体光伏输出交流电示意图。它由簇体光电池、蓄电池、交流电负荷、逆变器、防反充二极管、测量仪器等组成。图 12 簇体光伏输出交流电直流电示意图。它由簇体光电池、蓄电池、负荷、逆变器、防反充二极管、测量仪器等组成。图 13光隔离器结构示意图。将法拉第旋转器旋转，使起偏器和检偏器互成 45°，就可切断反射光，实现光隔离。图 14 T型耦合器示意图。将光线耦合到传输光纤的始端，或者照射到簇体光电池；即进行光线的分离或合并。

图 15星型耦合器示意图。它可以是由两根以上（最多可以到 100多根）的传输光纤局部加热熔合而成。

图 16普通簇体光电池结构示意图。它不需要任何外加电源，只要有日光照射到簇体光电池，即可产生电势差。

具体实施方式将日光照射于簇体光电池上（图 16) ,利用光伏电路可以储存或产生电能（图 10、图 11和图 12) 。光聚集器将聚光直接照射于簇体光电池上（图 5) ,利用光伏电路可以储存或产生电能（图 10、图 11和图 12) 。

光聚集器将聚光直接照射于光纤的输入端口或者光隔离器上（图 3)；利用光纤将聚光传输到簇体光电池上转化为电能。 1、将太阳光直接照射在光伏电路的簇体光电池上，就构成普通簇体光伏系统。簇体光电池一般由半导簇体制成。

光聚集器将聚光直接照射于光伏电路的簇体光电池上，就构成直接簇体光伏系统。

光聚集器将聚光照射于光纤的输入端口，利用光纤将聚光传输到光伏电路的簇体光电池上，构成传输簇体光伏系统。 1. 1 簇体光电池的核心，是在簇体中注入杂质形成 P结。在厚度约 0. 1— 0.6¾t的 P型（或 N型）半导簇体的薄片表面上分别涂抹一层非常薄的簇体反型层，可应用扩散法掺入磷簇体或锑簇体而形成 N型半导簇体；应用扩散法掺入镓簇体或铟簇体而形成 P型半导簇体。即用扩散法可形成簇体聚合物的 PN结。然后在 PN结的两面各加上一个电极，就是一种簇体光电池. 它只要经太阳光照，就会在两个电极之间产生比一般的半导体单晶二极管强大得多的电压和电流

在 N型硅簇基复合簇体的薄膜上用扩散法等方法掺入一层硼或硼簇体，可获得 PN结，再加上电极便成为簇体光电池。在 P 型硅簇基复合簇体的薄膜上用扩散法等方法掺入一层磷或磯簇体，也可获得 PN结，再加上电极便也成为簇体光电池。磷化铟（InP)和砷化镓（GaAs)簇体光电池的效率都超过 20%。磷化铟簇体光电池在接受与硅簇体光电池同样的粒子辐射后,不仅性能下降幅度小，而且在常温下性能可恢复。磷化铟簇体光电池可用常规的扩散工艺，也可采用化学气相沉积工艺。

杂质掺入法是将可控制数量的施主杂质和受主杂质掺入半导体内，形成 P结、自建电场、接触电阻等各种结构，达到改变半导体的电学特性之目的。它的两种主要方式是扩散和离子注入。

杂质掺入法的扩散注入是在高温、高浓度梯度情况下，由杂质原子在序格中的运动来完成的。这种方式中杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散或淀积到硅序片的表面，然后从表面到体内单调下降，其杂质分布主要是由温度和扩散时间来确定。

热扩散的恒定源扩散和限定源扩散分别由余误差函数与高斯函数来描述。扩散工艺的结果可以用 P结深、薄层电阻和杂质浓度分布的测量来评估。

杂质掺入法的离子注入是掺杂离子以离子束的形式注入半导簇体内，杂质浓度在半导簇体内有一个峰值分布；杂质分布主要由离子质量和注入能量决定。

离子注入分布可以由高斯分布来近似。相对于热扩散，离子注入工艺的优点是掺杂量可以精确控制，重复性好且处于较低的工艺温度。离子注入对半导体器件性能具有决定作用。它包含：多次注入以形成特殊分布：选择适当掩蔽材料与厚度，以阻挡一定比例的入射离子进入衬底；倾斜角度注入，以形成超浅结；高能注入以形成埋层等。

簇体光电池可以是带有载流子输运层的多层结构。由于采用簇体纳粒作为注入杂质。这些簇体级的纳粒不容易重结合，也不会与非平衡载流子形成电荷转移络合物和激发态聚集而导致性能的下降。因此簇体聚合物能克服现有单晶硅半导体所产生的这些缺点。具有高质量的硅簇基复合簇体对于实现高效率和高稳定度的光电转换是非常重要的。

半导簇体的合成方法有气相法和液相法等。液相法所用的液体溶剂是以水为分散介质，也可以使用醇、醚等溶剂。

M复合簇体是一种性能优良的半导蔟体，特别是经过掺入施主和受主杂质之后，就能制成簇体光电池。

电子束蒸发法制膜是在高真空下用电子束轰击 ZnS靶材，使 M在高温高能下沉积在钽片上，经含氟聚合物交叉沉积，最后形成多层 ZnS薄膜涂层。这种硫化锌薄膜均匀性良好、透光率高并且能耗低。它形成的 M虽然纳粒较粗，但可以满足簇体光电池的实际使用要求。 ZnS簇体是簇体光电池的一种优秀村料。

簇体模板是作为合成簇体新材料的中间载体或最终载体。在模板合成法中，用离子交换法将 Cd离子交换到分子筛上，然后将分子筛干燥、活化。交换 CdS的分子筛在一个严密的装置中通入硫化氢气体，即可得到 CdS簇体的纳粒。它可以大大提高 CdS簇体的纳粒稳定性，并使簇体的纳粒呈现良好的分布状态。

复合簇体是一种物粒本体距离在 1一 100纳米的光电转换材料。它包括硅单序体。这类结构包含 3个基本的层次，即表面，界面与硅序粒。在模板合成法中珪物粒本体距离的大小主要取决于膜层中硅原子的百分比含量和退火温度，即硅物粒本体距离和数量将随着退火温度的升高和硅原子浓度的增加而变大和增多。这两个条件的存在都有利于硅原子从膜层中析出而结合成簇体，或由较小的硅纳粒发生聚合而形成簇体。

硅簇基复合簇体制备可采用等离子体化学气相沉积 (PECVD)和低压化学气相沉积 (LPCVD)等。如等离子体化学气相沉积（PECVD)是在高真空条件下，利用射频辉光放电作用所产生的等离子体，使参与反应的气体分子发生气相分解和表面反应，在衬底表面上形成簇体薄膜的方法。

采用高氢气 ¾稀释的 Si ,利用膜层沉积过程中 H等离子体对价键网络的不断蚀刻作用，在等离子体化学气相沉积系统中直接生成高质量硅单序体的薄膜。

当采用等离子体化学气相沉积所形成的膜层为非序态（SP非序体）结构时，一般还要通过高温退火后处理工艺，能实现膜层由非序态向簇态相的转变。采用 SiH「 N₂0作为反应气体，在 100— 200'C较低的衬底温度下，由等离子体化学气相沉积生成了硅氧化物材料，然后由氩气保护在 200~1000'C的退火温度下形成富硅的氧化物膜层。利用 SiH ₄ -N₂0混合气体的射频辉光放电分解，在 300'C的较高衬底温度下，沉积了 Si¾薄膜，接着于 750~1100'C的温度下，由纯度为 99.95%的 N₂气保护，进行热退火处理，获得 Si 的单序体。

高剂量硅离子注入是一种采用桂衬底表面的热生成 Si¾层和石英序片作为靶材料，利用高剂量和高能量的硅离子注入，然后由高温退火处理形成硅单序体的方法。它的主要工艺特点是-只要精密控制硅离子的注入剂量、注入能量与退火温度，便分别可以控制膜层中的 Si原子含量、注入深度和物粒本体距离等。在室温条件下，将相应能量的 Si离子注入到富 Si的 510₂层中，并经 1100'C的高温退火处理，制备 Si序体，再经过 1000'C的高温退火可以得到一定削面深度的硅单序体薄膜层。

激光烧蚀沉积技术采用具有一定波长功率的脉冲聚焦聚光束，辐射处于真空系统或具有一定斥力环境气氛中的硅序体平棒 (或含有其他原子的硅复合簇体靶），使载能聚光束与物体的靶表面产生相互作用而形成的构粒喷射到衬底面，也可形成具有 —定大小的物粒本体距离和一定密度分布的 Si序体。以惰性气体 He作为环境气氛，利用脉冲激光，辐射纯度为 99.9999%的多序体 Si棒，沉积生成了精细 Si序体。利用 1W激光在真空系统中烧蚀含有 Er原子的 Si: Er复合靶材料，先在或石英表面上沉积非序态 Si: Er膜层，然后通过快速红外加热退火形成序体的方法，可以制备具有趋于均匀尺寸的 Si复合簇体薄膜。

为了充分吸收紫外光辐射的能量，在制备硅簇基复合簇体时，可以添加有机染料来增加其光谱带宽带。特别是用于制造簇体光电池时，能将红外光域可见光）转化为可见光域紫外光），对于提高簇体光电池的电能转化效率有重大的效益。硅簇基复合簇体的生长方法可分为如下两类：利用物理气相蒸发的生长，如激光烧蚀沉积和射频磁控溅射等。

簇体光电池也可釆用硫化镉簇体或碲化镉簇体等。它们通常是制成薄膜型的；制造工艺与序体薄膜的工艺也差不多。制造硫化镉簇体或碲化镉簇体的方法：胶体化学法、微乳液法、模板合成法、超临界流体法、电化学法和聚合物模板组装法等。硫化镉簇体或者碲化镉簇体可以是序体或非序体。

釆用聚合物模板组装法制造硫化镉簇体的方法：可以把镉分散在聚合物中，或直接用含有双键的有机镉盐进行聚合，在上述含镉聚合物中引入硫离子，从而形成硫化镉簇体纳粒；与其他制备方法相比，聚合物的保护和限制作用可明显提高簇体中纳粒的稳定性。聚合物可分为两类；一类只作为打散剂，不含有效的官能团，在合成过程中不与簇体纳粒相互作用，例如磺化聚苯乙烯（BBS)；另一类含有有效的官能团（如琉基），一般是将合成后的簇体纳粒分散在这类聚合物中，利用纳粒表面与聚

^物 S某的键联作用，使簇体纳粒受到保护，利用聚苯乙烯-顺丁烯二酸酐 (PSM)于水溶液中可水解成二醛，从而具有络合能力的特性，使之作为硫化镉纳粒的制备模板。与 BBS相比， P31含有相邻的羧基 (-CO0H)，它除了具有弱酸型离子交换作用之外，还具有多羧基螯合及大分子螯合作用，可采用离子键和配位键将金属固定在其中。通过引入硫，可在原位形成嵌在聚合构造的硫化镉纳粒，而后聚合物包覆在纳粒的表面形成保护层。

采用聚合物模板组装法制造碲化镉簇体的方法与上述制造硫化镉簇体的方法基本相同。

硅簇体光电池是利用在反应室内的硅烷气体中进行静光放电而形成非序体的硅薄膜，并在放电过程中，混入磷垸或硼垸等气体，以形成 N层和 P层。整个簇体光电池是由大面积薄膜构成的。它的制造工艺不同于单序体光电池，主要是成膜、制 PN 结、做接触等；由于简化成这几道工序，制造成本大大低于单晶硅二极管的成本。它不仅能造出大面积的簇体光电池，还能做成集成型的簇体光电池。

光谱选择性吸收膜工艺技术：化学转换、电镀、喷涂热分解、氧化着色、真空蒸发和磁控溅射等。

簇体光电池要求在太阳光谱中能吸收最大的能量，在红外光谱中热损最小卿热发射率小），因此采用磁控溅射镀膜方法. "溅射 "就是用荷能粒子轰击物体，从而引起物体表面原子从母体中逸出的现象。一般溅射装置形成薄膜是利用真空辉光放电, 加速正离子使其轰击靶材表面而出现磁控濺射现象，使靶材表面放出粒子、原子、离子等沉积到基体表面上，以形成薄膜。

在太阳光谱选择性吸收膜中，基体应选用电阻率小的材料，通常选择铜和铝等材料。

选择性吸收膜的制造工艺种类很多，一般为铝-氮 /铝选择性吸收膜或不锈钢-碳 /铜选择性吸收膜等。

将太阳光聚焦后或直接照射在半导簇体制成的簇体光电池上，可以得到有实用价值的电能。

簇体光电池要求在太阳光谱中能吸收最大的能量，在红外光谱中热损最小卿热发射率小），因此采用磁控溅射镀膜方法. "溅射 "就是用荷能粒子轰击物体，从而引起物体表面原子从母体中逸出的现象。一般溅射装置形成薄膜是利用真空辉光放电，加速正离子使其轰击靶材表面而出现磁控溅射现象，使靶材表面放出的粒子、原子、离子等沉积到基体表面上，以形成薄膜。

1.2光接收器、传输光纤、簇体光电池、蓄电池、电力负荷等可以组成各种各样的簇体光伏系统。

1.3 蓄电池是将簇体光电池发出的直流电储存供负荷使用。蓄电池可以是铅酸蓄电池、硅胶蓄电池和镍镉蓄电池。

1.4调节控制器由电子元器件、仪表、继电器和开关等组成。它保护蓄电池避免过充电和过放电现象的发生。

1.5 防反充二极管的作用是避免由于簇体光电池不发电时，蓄电池通过簇体光电池进行放电。它一般选择整流二极管。

1. 6 逆变器通过全桥电路，采用处理器控制调制、滤波、升压等，获得与照明负荷相匹配的正弦交流电供用户使用。

1.7 测量仪器对于大型簇体光伏系统，就要求配备独立的数据采集系统和微机监控系统。

2、传输光纤与信息系统使用的光纤基本相同。在簇体光伏系统中，主要是使用空心光纤。

最大接收角的两倍 2d _maX,称为入射光线的总接收角。光纤的接收角为：

α =-2 a max

2. 1普通的石英玻璃实心光纤，可分为单模光纤和多模光纤。后者按折射率的分布又分为阶梯折射率（St印 Index , SI) 型光纤与渐变折射率（Graded Index， GI)型光纤。太阳光的聚光束直径通常是数百微米以上，因此一般采用石英多模光纤。 2. 2空心光纤使用对传输波长的折射率小于 1的材料做的空心管。其传输光线原理与阶梯折射率型的实心光纤相同，光线在内管壁上全反射。金属空心管的内壁上涂覆透明电介质制成的空心光纤，具有较高的反射率。其支撑管可采用金属或玻璃。

3、光接收器能将光线聚集于光纤始端接口，也可以由光聚集器、光隔离器和光纤耦合器等组成（图 1、图 2) 。

3. 1光接收器（图 1)由棱镜和凸透镜或者凹面镜等组成。其中东、西棱镜分别位于凸透镜上部的东面和西面，是相互对称的。在太阳高度角较小时，棱镜改变太阳光的方向；使太阳光经过棱镜之后，能够通过凸透镜进入传输光纤内。

簇体光电池的 N型区或 P型区的长度 a可以用焦距 f (m)和最小太阳高度角 H _ei„ (度)代入（10)公式求出。

a =f tg(90° - H J (单位： m) (10)

其中最小太阳高度角 Η 可根据当地太阳辐射统计资料来确定，一般在 20°—30°之间选择。

簇体光电池的 Ν型区或 Ρ型区的宽度 b可用焦距 f (m)和当地地理纬度 Φ (度)代入（10)或（11)公式求出。

b =f tg(0. 8 Φ - 11° ) (单位： m ) ( Φ ^ 23. 5° ) ( 11)

b =f tg( 8° ) (单位： m) ( Φ<23. 5° ) ( 12)

3. 2 光接收器可以采用棱镜和凹面镜（图 1) ,利用（10) 、（11)、（12)式可确定簇体光电池的有效长度和宽度。 3. 3 将光纤的始端利用透明材料密封后，直接安装在聚光凸透镜映射在存储有油的透明锥体中的焦点上。

3.4 图 1中也可以不使用棱镜，而将凸透镜或凹面镜直接安装在光线跟踪器上。这样可以使它们一直对准太阳光。光线跟踪器采用东西水平和上下垂直方向、双轴自动跟踪设备，以带动光聚集器和位于凸透镜或凹面镜的焦点上的传输光纤的始端，共同跟踪太阳移动，使凸透镜或凹面镜保持与光线垂直，最大限度地接受光线辐射的光能，提高簇体光伏系统的效率。光线跟踪器的动力由聚光光伏存储在蓄电池中的电能提供。它可以实现高精度、高可靠性、制造成本低的三维空间非线性运动。它为大规模、高效率利用太阳能，奠定了可以提供选择的设备基础。

光线跟踪器的机械传动部分由东西水平方位和垂直方向仰角驱动电机及低齿轮间隙、高强度、高精度、高减速比的减速器组成，保证了整机的精度。由于减速器的减速比很高，因此大大减少电机的驱动力和功率；方位和仰角驱动电机的功耗小于 i w. 由于光线跟踪器每天从东到西跟踪太阳只转动 180°，夜间从西向再返回到东向，一天只转动一圈，机械磨损极小，寿命很长。

3. 5光隔离器是一种只允许单方向传输的光学器件。对光隔离器要求是隔离度大、插入损耗小和价格便宜。

光隔离器可用法拉第磁光效应原理制成，如图 13所示。它含有永久磁铁和 45°法拉第旋转器，将法拉第旋转器旋转，使起偏器和检偏器互成 45°，就可切断反射光，防止光线反射回来，实现光隔离。

光纤耦合器连接到光纤的始端或终端，进行光线的分离或合并。光束从光纤始端进入，传输到另一端（终端）出去。光纤耦合器将一个或多个输入光波分配给多个或一个线路输出。耦合器形式有 Τ型耦合器 14)、星型耦合器 015)。光开关实现光波的交换。对光开关的要求是损耗小、重复性好、开关速度快、消光比大、寿命长、结构小型化和操作方便。光开关可分为两大类：一类是利用电磁铁或步进电机驱动光纤或透镜来实现光路转换的机械式光开关；其中微机械光开关, 采用机械光开关的原理，但又能像波导开关那样，集成在单片硅衬底上。另一类是利用物体物理效应，如电光、磁光、热光和声光效应等的物体光开关。

4、由日光直接照射的簇体光电池组成的光伏电路，就是普通簇体光伏系统。

直接簇体光伏系统主要由光接收器和簇体光电池二个部分组成。光接收器将太阳光直接聚焦于簇体光电池上（图 5) 。传输簇体光伏系统主要由光接收器、传输光纤和簇体光电池三个部分组成。即将日光通过凸透镜或凹面镜，聚焦于光纤的输入端口端）的光隔离器上（S3) ;或者直接聚焦于光纤的输入端口 1、图 2) ;利用光纤将聚光传输到簇体光电池。

将光接收器、簇体光电池及其电路、传输光纤进行不同的组合，可以形成各种各样的普通簇体光伏系统、直接簇体光伏系统和传输簇体光伏系统。

Claims

权利要求书

1、蔟体光电池通过光伏电路，能将 H光转换成有实用价值的电能：其可储存在蓄电池中，或者作用于电路的负荷上；簇体光电池关键部分就是 PN结;在厚度约 0.3~0.5毫米的 P型 (¾N型)珪单序体的薄片表面涂抹一层非常薄的反型层, 如扩散法形成 N型层域 P型层），即可形成 PN结；然后在 PN结的两面各加上一个电极，就是一种簇体光电池；它只要经光线照射，就会在两个电极之间产生电压和电流；

硅单序体或其他半导簇体中，掺入硼簇体、镓簇体或铝簇体等杂质，它变成 P型半导簇体；掺入磷簇体、砷簇体或锑簇体等杂质，它变为 N型半导簇体；硅单序体或其他簇体掺入有用的杂质，就形成具有半导体功能的簇体光电池。

2、权利要 ^1中的簇体，可以采用化学气相沉积的生长技术，如等离子体化学气相沉积 (PECVD^J低压化学气相沉积 CPCVD) 等成膜技术，用于硅单序体薄膜的制备；

2.1在金刚石序体中，掺入硼簇体、镓簇体或铝簇体等杂质，它变成 P型半导蔟体；掺入磷簇体、砷簇体或锑簇体等杂质, 它变为 N型半导簇体：金刚石序体可制成耐高温的半导体；

2.2多孔大比表面积的半导簇体所制成的簇体光电池，具有优异的光电转换特性；其中二氧化钛 CTi0₂)簇体的光电转换效率高（达 12%以上）；它能利用日光中的大部分光能，成本低、改性途径多，性能高；

2.3簇体光电池具有优异的光吸附功能；这种光透性可以通过控制半导簇体的物粒本体距离和气孔率来实现;簇体光电池表面可制成具有良好的吸波性能的涂层，对光波兼具吸收和透过功能；半导簇体的吸波性和透波性取决于其物粒本体距离；该距离为 10— 30纳米的铬簇体，吸收太阳能效果很好；金属簇体对可见光到红外光的整个范围的吸收率都很高；

投射到簇体光电池表面的日光，有一部分被反射而没有进入簇体光电池；为了减少反射损失，在簇体光电池的吸收光线的表面上涂上一层非常薄的吸收率高的选择性涂料，或形成一层反射率低的其他材料的薄膜氧化钛、二氧化铈和三氧化二钜等）；这些薄膜在簇体光电池工作光谱范围内是透明的，并具有牢固的机械性能，以及不受温度变化和化学作用的影响。

3、权利要求 1中的簇体，可以将无机填充物杂质分散在有机聚合物基体中形成的有机 /无机半导体的簇体，称为半导复合簇体；该复合簇体中，增强材料的物点与相邻基体的物点的距离至少在一维方向都小于 100纳米；其两相不是简单的混合；而是相邻物点的本体距离至少在一维方向都在纳米尺度范围内；由于增强材料或者基体的小尺寸效应、大比表面积和强界面的结合，使半导复合簇体具有一般半导体所不具备的优异性能；

半导复合簇体是一种重要的簇体光电池所用的材料，如硫化镉（CdS)、硫化锌 (ZnS)、硫化铅（PbS)等：它们具有量子限域效应；量子限域半导复合簇体的生产是在胶体溶液中进行的；它常用少量的聚合物稳定胶体溶液；这些聚合物稳定剂是极好的基体材料；用它可以生产出具有半导体的光电转换特性的可处理聚合物的复合簇体薄膜；

不同性能的半导体聚合物-无机复合簇体，例如硫化镉（CdS)和碲化镉等，掺入施主杂质和受主杂质所制成的 PN结二极管，比单晶硅二极管的光电转换效率高得多；簇体光电池通过选择不同半导体聚合物-无机复合簇体来制造，使之性能优异；制取硫化镉簇体和碲化镉簇体有气相法和液相法等；气相法主要有低压气体冷凝法、活性氢融金属反应法、流动液面真空蒸镀法、通电加热蒸发法、混合等离子法和蒸发冷凝法等；液相法有沉淀法、喷雾水解法、高温水解法和胶体化学法等。权利要求书

4、权利要求 1中的簇体，与蓄电池和用电负荷等组成簇体光伏电路；按照聚光传输方式，可分为直接簇体光伏系统和传. 输簇体光伏系统。

5、权利要求 4中的簇体光伏电路；聚光由光接收器从日光获得；光接收器由能够改变低角度的太阳高度角（早晨或傍晚时）的棱镜和光聚集器等组成；光聚集器将大采光面上的曰光，聚集于非常小的焦斑上。

6、权利要求 5中的光接收器的技术特征如下：

6. 1 光接收器采用聚集光线的凸透镜时，该凸透镜位于东、西棱镜之间的中央的下方；这个水平设置的凸透镜，焦点位于凸透镜的下方；传输光纤的始端安装在该凸透镜焦点上，并使该聚光能够进入光纤内全反射；该焦点也可以直接位于簇体光电池上，或者光隔离器上併使该聚光能够通过光隔离器后照射簇体光电池）；由聚光能够耦合进入传输光纤进行全反射的最大入射角和传输光纤的数值孔径 NA,对凸透镜确定最小的太阳高度角 H_t；

同样聚光能够通过光隔离器，直接照射簇体光电池；这也可以对凸透镜确定最小的太阳高度角 H_a；

可以选择棱镜角 β，使早晨与傍晚的太阳高度角在某个数值时（一般可选择 20° --30° )，经棱镜折射后的太阳光，再经过凸透镜折射之后，能聚集于位于其焦点的传输光纤的始端内，并且满足入射光线在传输光纤的总接收角范围内；

6.2 光接收器也可以采用聚集光线的反射凹面镜，该凹面镜安置在东、西棱镜之间的中央的下方；这个水平设置的凹面镜，焦点在凹面镜的上方；传输光纤的始端安装在该凹面镜焦点上，并使该聚光能够进入光纤内全反射：由聚光能够耦合进入传输光纤进行全反射的最大入射角和传输光纤的数值孔径 ΝΑ,对凹面镜确定最小太阳高度角 H_f ；凹面镜的焦点也可以位于簇体光电池上；由聚光能够照射簇体光电池，对凹面镜确定最小的太阳高度角 H,；

可以选择棱镜的两个折射面的夹角 β，使太阳高度角较小（早晨或傍晚）时，经棱镜折射后的太阳高度角 Η不小于凹面镜的最小太阳高度角；则太阳光在白天的大部分时间段内餘了太阳刚升起或快降落的一段时间之外），可聚集于传输光纤的最大可接收角 a max范围内；

光接收器设计时所需要的最小太阳高度角 H,可以根据当地辐射统计资料来确定；一般可以在 20°至 30°之间选取；采光面积 A可以根据使用的需要，按照簇体光伏系统的额定功率为 P确定；

这种光接收器中除了反射凹面镜之外的其他部分，与折射凸透镜作为聚集器的光接收器相应的部分基本相同；因为光接收器在入射日光所通过的区域内设置簇体光电池，挡掉了一部分入射日光；所以可以利用反射镜把聚光反射到旁边的簇体光电池；或者反射后穿过凹面镜上的孔洞出射到该凹面镜的背光面处的簇体光电池；

6. 3 光接收器还可以采用东棱镜与西棱镜以及一个直径一般为 0.4米以上的凸透镜（或者涂有银或铝的反射凹面镜）；平行日光折射（或者反射）后，聚焦到一个经过精密加工的透明锥体中，该锥体里含有对光线起折射（或者反射）作用的油；油是一种使光线高度聚集的物质；这个锥体把日光聚集起来后，可使焦点的直径从 1厘米縮小到 1毫米；这种光接收器中除了透明锥体之外的其他部分，与折射凸透镜作为聚集器的光接收器相应的部分基本相同；

6. 4 光接收器可以采用日光跟踪器使折射凸透镜或者反射凹面镜对准太阳；曰光跟踪器上的每面凸透镜或者凹面镜，可以用一台电脑控制两台马达与太阳同步转动，当太阳被云彩遮住时，日光跟踪器就靠一个钟表装置来带动；因此只要太阳一露出云彩，凸透镜或者凹面镜立即能对着太阳；这样每面凸透镜或者凹面镜在白天随着日光跟踪器都可以对准太阳；日落之后，电脑又将跟踪器转向东方；这种光接收器除了日光跟踪器之外的其他部分，与折射凸透镜 ^包括棱镜）的光接收器基本相同;

6. 5 光接收器中的光隔离器和光纤耦合器等的技术特征如下：

折射凸透镜或者反射凹面镜的焦点上还可以设置光隔离器：通过光隔离器，防止聚光反射；

在光隔离器内壁上也可以涂一层荧光材料或磷光剂；当荧光材料受到日光中含有的红外线照射时，会发出可见光：采用不同性质的荧光材料，可制成能发出任何听需可见光的光源；这种可见光可以补充原来可见光的强度；

传输簇体光伏系统中，光纤耦合器将光线耦合到簇体光电池或者传输光纤的始端，进行光线的分离或合并：将一个或多个输入光波分配给多个或一个线路输出；由耦合器将日光递送到簇体光电池或者传输光纤的始端；光纤耦合器形式主要有 T型耦合器、星型親合器和方向親合器：方向耦合器的作用是将光功率根据具体要求，发送到某一方向的光纤中；它可分为耦合波导型、电光效应型、磁光效应型和声光效应型等；

光开关的功能是转换光路，实现光波的交换。

7、权利要求 1中的簇体，可组成簇体光伏电路；日光还可以直接照射簇体光电池，通过簇体光伏电路产生电能。

8、权利 7中的簇体光伏电路，利用光接收器聚集光线的功能，可以组建各种引用太阳光进行工厂化的聚光簇体光伏系统；太阳光和簇体光伏电路，可以组成各种簇体光伏系统；其技术特征是：

8. 1 日光经过光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面镜（早晨或傍晚的日光还事先经过折射棱镜）后，再将聚光直接照射到簇体光电池上，其与光伏电路相连；这是直接簇体光伏系统；

8.2日光直接照射簇体光电池上，其与蔟体光伏电路相连，是普通簇体光伏系统。

9、权利 8中的簇体光伏电路，利用传输光纤（可以含有光隔离器、光纤合器）的传输聚光的功能，可以组建各种引用太阳光进行工厂化的聚光簇体光伏系统；

9. 1 日光经过光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面镜 (早晨或傍晚的日光还事先经过折射棱镜)后，送到光纤内进行传输；传输一定距离后，到达传输光纤的终端，最后将聚光照射簇体光电池，其与光伏电路相连；是传输簇体光伏系统；

9.2日光经过折射凸透镜或者反射凹面镜晨或傍晚的日光还事先经过折射棱镜）后，到达光隔离器，再由光纤耦合器将聚光送到传输光纤内进行传输；传输一定距离后，从传输光纤的终端照射到簇体光电池（图 3)上，其与光伏电路相连。

10、权利 9中的簇传输簇体光伏系统，可以采用空心光纤：空心光纤是以细管状空气域气体）为纤芯，采用折射率小于 1的材料（包括金属、聚合物、玻璃、序体等）为外部管壁；其传光原理与阶梯折射率型的实心光纤相同，光线在管壁上全反射；光线在这个细管内壁上边反射边传输。