專利名稱：增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種增強(qiáng)電池發(fā)電量的方法，特別是指一種增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法。
太陽(yáng)能電池種類有很多有硅、鍺、砷化錠等，其中以硅(Si)質(zhì)太陽(yáng)能電池為最大宗，也是商品化最多的一種，硅(Si)質(zhì)太陽(yáng)能電池(包括單晶硅、多晶硅、非晶硅)它對(duì)光的光電效應(yīng)(感度)因不同光譜而有不同的光電轉(zhuǎn)換效率，以硅材料為主(單晶硅或多晶硅)所構(gòu)成的太陽(yáng)能電池其光電轉(zhuǎn)換光譜感度最佳范圍為近紅外光(800nm-1000nm)如

圖1B曲線所示，在可見光范圍(400nm-700nm)反而比較弱。
太陽(yáng)光的輻射光譜范圍很大，而其最強(qiáng)的光譜是在(380-700nm)間如圖1A曲線所示，最強(qiáng)光譜大部份在可見光范圍，并非紅外光，另家庭照明光源目光燈、U型節(jié)能燈光譜也以三波長(zhǎng)為主的可見光譜并無(wú)紅外光譜(除白熾燈泡外)，白熾燈泡因發(fā)光效率差現(xiàn)在家庭大都已不采用改用日光燈或U型節(jié)能燈。
因此“硅太陽(yáng)能電池”無(wú)論在室外(太陽(yáng)光)或室內(nèi)(日光燈)使用，其接受光電轉(zhuǎn)換所對(duì)應(yīng)接收的波長(zhǎng)并非很匹配(最佳情況)，相對(duì)地降低了太陽(yáng)能電池的發(fā)電量。
今若能將太陽(yáng)能電池制作設(shè)計(jì)使它的光感度接收光譜在最佳可見光范圍，則其發(fā)電量與光電效率均會(huì)提高，但硅材料由于本身能隙(1.1)的關(guān)系，很難做到光電接收光譜感度峰值在可見光范圍，除非改用其它材料，如硒化硅(CdSe)、硫化鎘(CdS)但其他材料除考量成本高外，還有污染等問題。
單晶及多晶硅(Si)太陽(yáng)能電池最佳的光譜感度在近紅外光800nm～1000nm間(峰值在900nm)，而太陽(yáng)光及日光燈最強(qiáng)的光譜在可見光400nm～700nm間，兩者并非最佳匹配，若能使太陽(yáng)能電池與太陽(yáng)光或室內(nèi)照明光得到相互匹配則其發(fā)電量(即輸出功率)將大為提高。若將單晶硅太陽(yáng)能電池置于“日光燈”下照射則其輸出功率只有最大輸出功率值的20-30％左右，在白幟燈(波長(zhǎng)800nm以上)下則其輸出功率達(dá)90％因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)較為匹配，但白幟燈太耗電，現(xiàn)一般家庭已不采用，都改用目光燈或節(jié)能燈。
本發(fā)明人長(zhǎng)期從事“波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換”研究工作，并成功地開發(fā)多項(xiàng)新產(chǎn)品同時(shí)也取得國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)專利，如白光LED(美國(guó)專利5962971)紫外光接收器(臺(tái)灣專利150652號(hào))，多顏色發(fā)光二極管(美國(guó)專利5952681)，全彩色有機(jī)發(fā)光二極管(美國(guó)專利6008578)，液晶顯示器(申請(qǐng)中)，多層式光碟片(申請(qǐng)中)。
今本人亦利用相同原理“波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換”技術(shù)將其用于太陽(yáng)能電池中，將大自然太陽(yáng)光最強(qiáng)波長(zhǎng)可見光及室內(nèi)照明的可見光直接轉(zhuǎn)換成較長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外光(800nm-1000nm)以迫使Si太陽(yáng)能電池符合太陽(yáng)光或室內(nèi)光得到最佳匹配，使得最大發(fā)電量的輸出功率。另如鍺(Ge)太陽(yáng)能電池最佳光譜感度在1.4-1.7μm問相同的技術(shù)也可使Ge太陽(yáng)能電池在太陽(yáng)光底下得到最大的輸出功率。
過去研究太陽(yáng)能電池的學(xué)者大都全力執(zhí)著于太陽(yáng)能電池效率的提高，如何改善太陽(yáng)能電池元件的基本材料與制程的研究，如近來(lái)研究太陽(yáng)能電池在Si基板加上銦磷化鎵(InGaP)/砷化鎵(GaAs)積層式太陽(yáng)能電池具有很高的光電轉(zhuǎn)換效率，卻忽視了太陽(yáng)能電池對(duì)光譜感度的最佳化設(shè)計(jì)，在同樣的太陽(yáng)光底下，有加裝波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層與沒裝波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的輸出功率兩者相差高達(dá)30％以上，在此特別聲明加上“波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層”，太陽(yáng)能電池的效率并沒有提升，而是得到最佳化的光譜匹配，得最大的輸出功率即最大的發(fā)電量(此部分可引用音響喇叭的阻抗匹配，當(dāng)內(nèi)電阻等于外內(nèi)阻時(shí)則輸出功率為最大)，在此當(dāng)光源的發(fā)光光譜與太陽(yáng)能電池的接收光譜相匹配時(shí)則其輸出功率(發(fā)電量)為最大；但現(xiàn)在的太陽(yáng)能電池與光源光譜并不匹配，有關(guān)這方面卻很少人知道?，F(xiàn)在的太陽(yáng)能電池只有在表面加上一層抗反射層或?yàn)V光層，并非波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層(如圖2所示)。
“波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層”是一種可吸收較短波長(zhǎng)并同時(shí)放出較長(zhǎng)波長(zhǎng)的材料俗稱“螢光體”，大部份螢光材料是吸收紫外光(如254nm、365nm)并放出可見光(R、G、B)為日光燈、水銀燈照明用，也有一些材料可吸收可見光并轉(zhuǎn)換放出紅外光的材料如石榴石(YAG:Cr),鈣磷氧CaPO3(830nm)。
螢光材料有氧化物、硫化物(ZnS)、有機(jī)螢光材料等，用于太陽(yáng)光直接照射以氧化物螢光體最穩(wěn)定效果最佳。硫化物及有機(jī)螢光材料可用于室內(nèi)光源照射(電子表，計(jì)算機(jī)等內(nèi)含太陽(yáng)能電池的裝置)。
本發(fā)明的目的在于提供一種增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法，其可大為提高太陽(yáng)能電池的發(fā)電量。
本發(fā)明的技術(shù)方案為，一種增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法，其特征在于，其是于太陽(yáng)能電池表面上加一層波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層，利用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層將太陽(yáng)光最強(qiáng)光譜的波長(zhǎng)400-700nm部分轉(zhuǎn)換成太陽(yáng)能電池接收光譜感度最佳的接收光波范圍(紅外光)，促使太陽(yáng)光發(fā)光源與太陽(yáng)能電池接收光譜感度得到最佳的匹配，以增強(qiáng)太陽(yáng)能電池的發(fā)電輸出功率。
其中太陽(yáng)能電池是指其接收光譜感度最強(qiáng)范圍在紅外光(700nm以上)，如單晶硅(Si)、鍺(Ge)系等太陽(yáng)能電池。
其中波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層，可直接涂布于太陽(yáng)能電池表面上。
其中波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層可與透明膠質(zhì)混合形成薄片狀再安置于太陽(yáng)能電池表面上。
其中波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層可涂布于透明片狀材質(zhì)上，再安置于太陽(yáng)能電池表面上。
其中波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層裝設(shè)于上、下菱鏡片中間，再安置于太陽(yáng)能電池上面，利用菱鏡的作用以增強(qiáng)太陽(yáng)能電池的發(fā)電量。
茲配合圖示說明，就本發(fā)明“增強(qiáng)大陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法”，實(shí)拖例的構(gòu)造功能及其特征詳述如后，敬請(qǐng)參閱；圖1為太陽(yáng)光光譜圖(A)與硅太陽(yáng)能電池光譜感度圖(B)；圖2為傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的基本構(gòu)造剖面圖；圖3是本發(fā)明增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法的實(shí)例剖面圖(一)；圖4是本發(fā)明增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法的實(shí)例剖面圖(二)；
圖5是本發(fā)明增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法的實(shí)例剖面圖(三)；圖6是本發(fā)明增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法的結(jié)構(gòu)圖(四)。
圖1A曲線為太陽(yáng)光的光譜圖，圖1B曲線單晶硅太陽(yáng)池光譜感應(yīng)圖。由圖1A曲線可看出太陽(yáng)光的強(qiáng)光譜是在400-700nm間，最強(qiáng)的峰值在500nm左右，而在800nm-1000nm波長(zhǎng)間，太陽(yáng)光的能量約為500nm峰值的40％左右，另由圖1B曲線可看出單晶硅太陽(yáng)能電池的光譜感度在800-1000nm間為最高，因此硅太陽(yáng)能電池?zé)o論其效率如何，在太陽(yáng)光下至多只有40％的功率輸出(指在800nm-1000nm的光譜范圍)。因?yàn)閮烧吖庾V并不相對(duì)應(yīng)(匹配)。
本發(fā)明“增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法”如圖3所示，是于硅太陽(yáng)能電池1面上加上一層“波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層2”，將太陽(yáng)光最強(qiáng)的光譜(約500nm)左右直接轉(zhuǎn)換成800-1000nm波長(zhǎng)為太陽(yáng)能電池最佳的接收光譜，只要“波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料”的轉(zhuǎn)換效率在80％以上則太陽(yáng)能電池的發(fā)電量(輸出功率)至少可提高50％-100％間，即由原來(lái)的最多只有40％功率輸出增加到60-80％的功率輸出，這就是“波長(zhǎng)匹配”的驚人功能所在。審查委員不用懷疑，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料其轉(zhuǎn)換效率在80％以上者可多得很，并不難找。
本發(fā)明增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法是于太陽(yáng)能電池1上加上一層波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層2，該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層2可以涂布方式直接涂在太陽(yáng)能電池1的上面(如圖3所示)，另如圖4所示該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料2可先涂布或混合在一種透明膠片3上后再貼合或放置在太陽(yáng)能電池1表面上這樣可容易抽換(如用一段時(shí)間被污染或長(zhǎng)霉菌等)。
還有一種方法如圖5所示先將波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層2涂于具有下菱鏡片4上并利用菱鏡功能將經(jīng)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的光調(diào)整方向使光直下達(dá)太陽(yáng)能電池1面上以使得更佳的發(fā)電效果。
圖6是本發(fā)明增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法第四結(jié)構(gòu)圖，采上、下雙菱鏡片的設(shè)計(jì)，將波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層2夾在上菱鏡片5與下菱鏡片4中間，其中上萎鏡片5設(shè)計(jì)主要針對(duì)太陽(yáng)光在不同角度射入時(shí)可得到較高入射光，下菱鏡片4主要是將經(jīng)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的光因其發(fā)光角度大于160 °，利用下菱鏡4的聚光作用調(diào)整光的方向使光直下達(dá)太陽(yáng)能電池。
本發(fā)明例舉實(shí)施例是以單晶硅太陽(yáng)能電池為例，同理本發(fā)明的方法亦可應(yīng)用于其他太陽(yáng)能電池材料如Ge系太陽(yáng)能電池其最高接收光譜感度在(1.6μm)屬紅外光、在1.6μm波長(zhǎng)的太陽(yáng)光大約只有其峰值(500nm)的20％左右，當(dāng)然其發(fā)電量再高也只有太陽(yáng)光強(qiáng)度20％，如果加上波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層，設(shè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率為0.8，若光波從500nm峰值轉(zhuǎn)換到1600nm時(shí)，則Ge太陽(yáng)能電池發(fā)電量至少可提高到60％，相當(dāng)于沒有加裝波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層時(shí)發(fā)電量(光譜感度)的3倍(指在相同的太陽(yáng)光底下)運(yùn)用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)于太陽(yáng)能電池上只能將短波變長(zhǎng)波，無(wú)法將長(zhǎng)波變短波，理由是長(zhǎng)波變矩波其效率太差只有2％左右，但短波變長(zhǎng)短其效率可達(dá)90％以上。
硅太陽(yáng)能電池?zé)o論單晶、多晶、非晶硅其材質(zhì)均偏向黑色，黑色較易吸收遠(yuǎn)紅外線光譜(3μm-10μm)并產(chǎn)生溫升現(xiàn)象，溫升會(huì)造成太陽(yáng)能電池的效率下降，若電池表面為白色則比較不會(huì)吸熱可降低太陽(yáng)能電池受光照射產(chǎn)生的溫升現(xiàn)象，采用“波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層”技術(shù)，由于該材料主要吸收近紫外光或可見光，轉(zhuǎn)換成近紅外光(1000nm以下不生熱)且較少吸收遠(yuǎn)紅外線光，故比較不會(huì)產(chǎn)生溫升現(xiàn)象。
本發(fā)明“增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法”將波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層直接涂布于太陽(yáng)能電池表面，或涂布于保護(hù)玻璃層之內(nèi)面即可，當(dāng)然膜層的厚度有一定的范圍不能太厚(否則反效果反而阻光)最佳化1-3粉層厚，(視螢光粉體粉徑而定)。
螢光層也可直接涂布于菱鏡片(Prian)的平面上，利用菱鏡的聚焦效果可調(diào)整入射光直射至太陽(yáng)能電池面上以增強(qiáng)發(fā)電量。
綜上所述本發(fā)明“增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法”確實(shí)具有實(shí)用性與創(chuàng)造性，雖然只加上一層波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層來(lái)提高太陽(yáng)能電池的發(fā)電量構(gòu)造簡(jiǎn)單，也確實(shí)達(dá)到了增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的一大創(chuàng)舉。
權(quán)利要求
1．一種增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法，其特征在于，其是于太陽(yáng)能電池表面上加一層波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層，利用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層將太陽(yáng)光最強(qiáng)光譜的波長(zhǎng)400-700nm部分轉(zhuǎn)換成太陽(yáng)能電池接收光譜感度最佳的接收光波范圍(紅外光)，促使太陽(yáng)光發(fā)光源與太陽(yáng)能電池接收光譜感度得到最佳的匹配，以增強(qiáng)太陽(yáng)能電池的發(fā)電輸出功率。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法，其特征在于，其中太陽(yáng)能電池是指其接收光譜感度最強(qiáng)范圍在紅外光(700nm以上)，如單晶硅(Si)、鍺(Ge)系等太陽(yáng)能電池。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法，其特征在于，其中波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層，可直接涂布于太陽(yáng)能電池表面上。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法，其特征在于，其中波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層可與透明膠質(zhì)混合形成薄片狀再安置于太陽(yáng)能電池表面上。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法，其特征在于，其中波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層可涂布于透明片狀材質(zhì)上，再安置于太陽(yáng)能電池表面上。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法，其特征在于，其中波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層裝設(shè)于上、下菱鏡片中間，再安置于太陽(yáng)能電池上面，利用菱鏡的作用以增強(qiáng)太陽(yáng)能電池的發(fā)電量。
全文摘要
一種增強(qiáng)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的方法是于太陽(yáng)能電池表面上加一層波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層,利用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層將太陽(yáng)光最強(qiáng)光譜之波長(zhǎng)400－700nm部分轉(zhuǎn)換成太陽(yáng)能電池接收光譜感度最佳的接收光波范圍(紅外光,硅太陽(yáng)能電池最佳光感度在800－1000nm間),促使太陽(yáng)光發(fā)光源與太陽(yáng)能電池接收光譜感度得到最佳的匹配,以增強(qiáng)太陽(yáng)能電池之發(fā)電輸出功率。
文檔編號(hào)H01L31/0236GK1325142SQ0010759
公開日2001年12月5日 申請(qǐng)日期2000年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月18日
發(fā)明者陳興 申請(qǐng)人:陳興