專(zhuān)利名稱(chēng)：使用通過(guò)液體的光學(xué)聚集的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器的制作方法
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能系統(tǒng)用于提供電和熱已經(jīng)幾十年了。各種型號(hào)能量產(chǎn)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者們不斷地努力提高輸出功率效率。在太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)變系統(tǒng)中當(dāng)前的一個(gè)問(wèn)題為有效地提取廉價(jià)的電。光電單元的轉(zhuǎn)變效率正比于電池轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿奶?yáng)光的能量。提高效率對(duì)于生產(chǎn)同傳統(tǒng)的例如礦物燃料和核能的能量資源有競(jìng)爭(zhēng)力的太陽(yáng)能電池是至關(guān)重要的。太陽(yáng)能電池的效率已經(jīng)從最早傳統(tǒng)的光電裝置的大約1到2％的效率實(shí)質(zhì)地增加了。當(dāng)前的常規(guī)的光電系統(tǒng)轉(zhuǎn)變光能的7到17％成為電能。
首先需要的為在具有極高效率的太陽(yáng)能電池中的轉(zhuǎn)變能量的系統(tǒng)和方法。同樣需要的為便宜的但在能量產(chǎn)生中獲得高效率水平的太陽(yáng)能電池材料和結(jié)構(gòu)和太陽(yáng)能電池制造過(guò)程。進(jìn)一步需要的為允許收集轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷木奂娜展饽芰恳栽黾虞敵瞿芰慨a(chǎn)量的太陽(yáng)能電池構(gòu)造。

發(fā)明內(nèi)容
由于兩個(gè)獨(dú)立的物理現(xiàn)象因?yàn)楹?jiǎn)單地潤(rùn)濕了太陽(yáng)能電池從而從太陽(yáng)能電池輸出電流增加和通過(guò)在液體中光的折射和內(nèi)部反射光的聚集增強(qiáng)，太陽(yáng)能電池在液體中工作具有增加的工作效率。電介質(zhì)液體被發(fā)現(xiàn)增加n/p結(jié)太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)變效率并且同樣起光聚集媒介的作用。電介質(zhì)液體的特性允許太陽(yáng)能電池面板的具有適當(dāng)形狀的構(gòu)造用以起光學(xué)聚集器的作用。
浸入一個(gè)或多個(gè)結(jié)光電電池的有機(jī)的電介質(zhì)液體增加光電電池的能量轉(zhuǎn)變效率。該有機(jī)的電介質(zhì)液體同樣為十分適合用作光學(xué)聚集器的媒介。該有機(jī)電介質(zhì)液體與結(jié)光電電池結(jié)合作為高效率和低成本的光學(xué)聚集器工作。
依照本發(fā)明的一方面，太陽(yáng)能或光電電池的能量轉(zhuǎn)變效率通過(guò)用電介質(zhì)液體潤(rùn)濕電池的表面增加了。
依照本發(fā)明的另一方面，構(gòu)造成包括光電電池和有機(jī)電介質(zhì)液體的封裝系統(tǒng)的太陽(yáng)能面板增加太陽(yáng)能電池或光電電池的輸出功率。該太陽(yáng)能面板具有適當(dāng)?shù)男螤钣靡酝ㄟ^(guò)有機(jī)電介質(zhì)液體折射光照進(jìn)一步增加輸出功率。例如，面板壁具有適當(dāng)?shù)耐该鞫扔靡云鸸馐占鞯淖饔?。通過(guò)光束收集器收集的光照在有機(jī)電介質(zhì)液體110的邊界折射于是增強(qiáng)光電電池的光電效率。
依照本發(fā)明的另一方面，用有機(jī)電介質(zhì)液體潤(rùn)濕太陽(yáng)能電池結(jié)合成為具有起光束收集器作用的壁的封裝系統(tǒng)的太陽(yáng)能面板的構(gòu)造大大地提高輸出能率并減少每瓦的成本。
依照本發(fā)明的一些實(shí)施例的更多的方面。該太陽(yáng)能面板可以以低高度圓頂?shù)男问交蛘咭跃哂写篌w平的面板座覆蓋圓柱的第一末端和具有罩或蓋子覆蓋圓柱的第二末端的圓柱形式。全部或部分的面板墻和面板蓋子為透明的用以起光收集器的作用。圓柱的水平橫截面可以具有適當(dāng)?shù)娜鐖A、橢圓、卵形、雞蛋形、長(zhǎng)方形、三角形和正方形的形狀。圓柱的水平橫截面可以為對(duì)稱(chēng)的和不對(duì)稱(chēng)的。
任何有機(jī)電介質(zhì)液體，無(wú)論極性還是非極性的，適合在太陽(yáng)能面板中使用。對(duì)于增加效率的極性有機(jī)電介質(zhì)液體因?yàn)橐后w具有相對(duì)較高的折射率所以達(dá)到更高的能量轉(zhuǎn)變效率。對(duì)于太陽(yáng)能系統(tǒng)的該有機(jī)電介質(zhì)液體依照實(shí)際使用的季節(jié)的天氣或氣候可以進(jìn)一步基于各種液體的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)來(lái)選擇。例如，該液體可以基于使用太陽(yáng)能系統(tǒng)的地理區(qū)域的最低和最高溫度值來(lái)選擇。
依照本發(fā)明的另一方面，從都使用p-n結(jié)的太陽(yáng)能電池或光電電池的輸出的功率的增加可以通過(guò)固體電介質(zhì)薄膜的沉積獲得，其的偶極子在太陽(yáng)能電池的表面極化為垂直于太陽(yáng)能電池表面平面的方向。


在所附權(quán)利要求書(shū)中明確地闡明所描述的相信為獨(dú)創(chuàng)的實(shí)施例的特征。但是，涉及結(jié)構(gòu)和工作方法的本發(fā)明的實(shí)施例通過(guò)參考以下描述和所附附圖可以最好地理解。
圖1為顯示具有提高能量轉(zhuǎn)變效率結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能面板的例子的示意方塊圖；圖2為說(shuō)明適合在太陽(yáng)能面板中使用的光電電池的例子的示意實(shí)物電路圖；圖3為顯示兩個(gè)不同商業(yè)硅(Si)太陽(yáng)能電池在多云或下雨條件下的自然照明下工作的電流-電壓(I-V)特性的兩個(gè)光電響應(yīng)曲線的圖；圖4為說(shuō)明包括商業(yè)硅(Si)太陽(yáng)能電池在大氣質(zhì)量值(air mass)AM1.5干凈天空的自然太陽(yáng)輻射的自然照明下工作的電流-電壓(I-V)特性的光電響應(yīng)曲線的圖；圖5為顯示商業(yè)硅(Si)太陽(yáng)能電池浸入有機(jī)電介質(zhì)液體不同深度下的電流-電壓(I-V)特性的光電響應(yīng)曲線圖；圖6為描述輸出功率與光線在太陽(yáng)能電池上的入射角度關(guān)系的圖；圖7為說(shuō)明浸在有機(jī)電介質(zhì)液體中的太陽(yáng)能電池接收的最大輸出功率比率作為入射光角度的函數(shù)的圖；圖8a和8b描述依照本發(fā)明的用以測(cè)試太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)；圖9幫助解釋本發(fā)明工作的一個(gè)理論；以及圖10A和10B分別說(shuō)明包括固定臺(tái)的太陽(yáng)能電池面板封裝系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施的例側(cè)視和俯視圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，示意方塊圖描述具有適當(dāng)?shù)奶岣吣芰哭D(zhuǎn)變效率的結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能面板100的例子。該太陽(yáng)能面板100包括形成太陽(yáng)能面板100的較低表面的壁的面板支座或座102和在太陽(yáng)能面板100的所有側(cè)面的面板壁104。該太陽(yáng)能面板可以具有任意形狀。在一套非常適當(dāng)?shù)睦又校撎?yáng)能面板100具有面板座102覆蓋圓柱的一端并且面板蓋112覆蓋圓柱的第二端的低高度圓柱結(jié)構(gòu)的形式。面板壁104的全部或部分和面板蓋112是透明的進(jìn)一步起光收集器的作用。圓柱的水平橫截面可以具有任意適當(dāng)?shù)男螤?，例如圓、橢圓、卵形、雞蛋形、長(zhǎng)方形、三角形和正方形。圓柱的水平橫截面可以為對(duì)稱(chēng)的和不對(duì)稱(chēng)的。通常具有簡(jiǎn)單的形狀的太陽(yáng)能面板100一般為最劃算的。
面板壁104從兩方面提高太陽(yáng)能面板100輸出功率效率。第一，非常明顯地，該面板壁104保持有機(jī)電介質(zhì)液體110在面板座102中并且該液體增加光電電池106的能量轉(zhuǎn)變效率。第二，面板壁104可以為透明的用以起光收集器的作用，其可以給予太陽(yáng)能電池的輸出功率的附加的大的增長(zhǎng)。面板壁104可以幾何上構(gòu)造成如同包括折射液體的、形成放大液體的輸出功率增強(qiáng)效果的光學(xué)系統(tǒng)的透鏡一樣工作。在一個(gè)例子中，該面板壁104可以具有用以在光電電池106上聚焦太陽(yáng)光的彎曲透鏡的形式。
在一個(gè)例子中，太陽(yáng)能面板100具有長(zhǎng)方形形狀并且相應(yīng)具有四個(gè)面板壁104。許多其他例子可以具有不同的包括不同數(shù)量的直邊、曲線形式或邊和曲線的組合的幾何形式。該面板壁104和面板座102液體封裝連接相交從而太陽(yáng)能面板100基本上無(wú)泄漏的保持著液體。
該太陽(yáng)能面板100構(gòu)造成封裝系統(tǒng)或者容器，其包括光電電池106和具有適當(dāng)表面形狀的用以通過(guò)有機(jī)電介質(zhì)液體110折射光照的有機(jī)電介質(zhì)液體110，進(jìn)一步增加輸出功率。面板壁104具有適當(dāng)?shù)耐该鞫扔靡匀缤馐占饕粯庸ぷ?。通過(guò)光束收集器收集的光照在有機(jī)電介質(zhì)液體110的邊界折射于是增強(qiáng)光電電池106的光電效率。
一個(gè)或多個(gè)結(jié)光電電池106設(shè)置在面板座102內(nèi)以該種方式從而用有機(jī)電介質(zhì)液體110將太陽(yáng)能電池106的前后表面都潤(rùn)濕。太陽(yáng)能面板100典型地具有許多光電電池106。電源線108與光電電池106相連用以連接外部負(fù)載(未示出)。該光電電池106可以在面板座中排列成任意合適的結(jié)構(gòu)，可以與任意面板壁104分開(kāi)或相連。
在一些實(shí)施例中，該封裝系統(tǒng)具有支座或面板座102和蓋子或面板蓋112區(qū)域，其大體上比被一個(gè)或多個(gè)光電電池106覆蓋的總的表面面積大從而更多通過(guò)面板壁的光照被收集并轉(zhuǎn)變?yōu)殡姟?br> 在一個(gè)例子中光電電池106可以為硅結(jié)太陽(yáng)能電池?？梢允褂闷渌?lèi)型的例如鎵鋁電池或類(lèi)似電池的光電電池106。
該面板座102包括部分或全部浸沒(méi)一個(gè)或多個(gè)光電電池106的有機(jī)電介質(zhì)液體110。該有機(jī)電介質(zhì)液體110增加結(jié)光電電池106的效率。該有機(jī)電介質(zhì)液體110同樣具有非常適合用作光學(xué)收集器的媒介的特征。該有機(jī)電介質(zhì)液體110結(jié)合結(jié)光電電池106作為高效率和低成本光電發(fā)電機(jī)工作。
基于各種使用條件可以選擇特定的有機(jī)電介質(zhì)液體110。光電電池106的輸出功率簡(jiǎn)單地因?yàn)橛秒姎饨^緣的液體例如甚至水潤(rùn)濕光電電池106的表面增加。因?yàn)闈?rùn)濕的光電電池106的輸出功率增加的數(shù)量依賴(lài)于特定的如極性或非極性特性、反射率及其他特性的液體的性質(zhì)。甚至當(dāng)光電電池106的一個(gè)表面變濕時(shí)輸出功率的增加都會(huì)發(fā)生。
參考圖2，示意性直觀圖說(shuō)明了適合在太陽(yáng)能面板100中使用的n/p結(jié)光電電池106的例子。該光電電池106包括多個(gè)包括n型半導(dǎo)體210和p型半導(dǎo)體212的半導(dǎo)體層。包括n/p結(jié)的該半導(dǎo)體層產(chǎn)生與照射在光電電池106上的太陽(yáng)光的應(yīng)用響應(yīng)的電流。在該半導(dǎo)體層中適合使用各種材料包括單晶硅、多晶硅、非晶硅、多晶硅薄膜、單晶硅薄膜、III-V化合物包括砷化鎵(GaAs)、鎵銦磷(GaInP)、鎵銦砷(GaInAs)以及其他。除半導(dǎo)體n/p層之外，光電電池106包括頂端金屬格(metallic grid)214或者其他用以從電池收集電流并傳送電流到外部負(fù)載的電接觸。置入后接觸層216用以完整電回路。在完整電池的頂部表面，從例如玻璃或塑料的材料構(gòu)造的透明封裝218封裝電池。在光電電池106的頂部表面置入抗反射涂層220用以防止光222從光電電池106反射走。透明的粘結(jié)層224粘結(jié)透明封裝218到光電電池106上。
參考圖3，顯示兩個(gè)不同商業(yè)硅(Si)太陽(yáng)能電池在多云或下雨條件自然照明下工作的照明密度為4400Lx的電流-電壓(I-V)特性的兩個(gè)光電響應(yīng)曲線。I-V響應(yīng)曲線312和I-V響應(yīng)曲線322分別說(shuō)明設(shè)置在淺的、寬的面板座102中的太陽(yáng)能電池A310和太陽(yáng)能電池B320的傳統(tǒng)工作的光電響應(yīng)。在該例子中，太陽(yáng)能電池A310具有有效前面積為5×5mm2的正方形形狀。太陽(yáng)能電池B320具有有效前面積大約為10×20mm2的長(zhǎng)方形形狀。
在傳統(tǒng)工作中，液體沒(méi)有加入座中。I-V響應(yīng)曲線314和I-V響應(yīng)曲線324分別說(shuō)明太陽(yáng)能電池A310和太陽(yáng)能電池B320光電電池106浸入有機(jī)電介質(zhì)液體110下工作的光電響應(yīng)。在說(shuō)明性的例子中，太陽(yáng)能電池A310和太陽(yáng)能電池B320浸入填充面板座102到些微地超出各自太陽(yáng)能電池的頂部表面的甘油中。通過(guò)短路電流ISC的增加說(shuō)明太陽(yáng)能電池106的輸出功率的提高。太陽(yáng)能電池A310的該短路電流ISC增加316大約為40％而太陽(yáng)能電池B320該短路電流ISC增加326大約為36％。太陽(yáng)能電池的輸出功率依賴(lài)于施加到電池上的負(fù)載。例如，當(dāng)太陽(yáng)能電池浸入甘油液體時(shí)200Ω負(fù)載下太陽(yáng)能電池B320增加的輸出功率大約為47％。
在同樣的照明條件下，通過(guò)使用部分或全部浸入有機(jī)電介質(zhì)液體110中的光電電池106，太陽(yáng)能電池的性能顯著提高。太陽(yáng)能輸出功率性能的提高隨許多的包括液體的成分和涉及太陽(yáng)能電池尺寸的液體的深度的因素變化。
參考圖4，光電響應(yīng)曲線顯示商業(yè)硅(Si)太陽(yáng)能電池A310在大氣質(zhì)量值(air mass)AM1.5干凈天空的自然太陽(yáng)輻射的自然照明下工作的電流-電壓(I-V)特性。曲線401顯示太陽(yáng)能電池在空氣中工作的電流-電壓(I-V)特性。曲線402顯示太陽(yáng)能電池浸入乙醇中工作的電流-電壓(I-V)特性。太陽(yáng)能電池短路電流ISC和開(kāi)路電壓VOC在液體中的提高分別大約為38％和10％。當(dāng)該太陽(yáng)能電池連接250Ω的負(fù)載時(shí)輸出功率的提高大約為64％，而當(dāng)該太陽(yáng)能電池連接1000Ω的負(fù)載時(shí)大約為64％。
參考圖5，光電響應(yīng)曲線圖顯示在500W/5500°K色溫反射燈的1000Lx照明下商業(yè)硅(Si)太陽(yáng)能電池浸入有機(jī)電介質(zhì)液體110不同深度下的電流-電壓(I-V)特性的。在一個(gè)例子中，光電電池106為太陽(yáng)能電池B320并且有機(jī)電介質(zhì)液體110為三氯乙烯。曲線500顯示沒(méi)有液體的傳統(tǒng)條件下的I-V特性。三氯乙烯液體具有淺的深度用于產(chǎn)生液體僅僅覆蓋在最靠近面板座102的太陽(yáng)能電池B320的表面的曲線501。僅僅通過(guò)潤(rùn)濕光電電池106的后表面輸出功率效率增加。曲線502為當(dāng)液體深度覆蓋光電電池106使得液體水平面高出光電電池106頂部表面1mm時(shí)的結(jié)果。在說(shuō)明性例子中，太陽(yáng)能電池B320的三氯乙烯的最優(yōu)液體深度為覆蓋該電池的頂部表面之上7mm，如曲線503所示。額外的液體減小太陽(yáng)能電池B320的效率，如曲線504和505所示。曲線504為當(dāng)覆蓋光電電池B320高出該電池頂部表面10mm時(shí)的結(jié)果。曲線505為當(dāng)覆蓋光電電池B320高出該電池頂部表面15mm時(shí)的結(jié)果。
當(dāng)光電電池106浸入各種例如甲苯、異丙醇和甘油的有機(jī)電介質(zhì)液體110時(shí)有相似的測(cè)量結(jié)果。對(duì)于上述列舉的有機(jī)電介質(zhì)液體110從太陽(yáng)能電池的最大輸出功率發(fā)生在高出電池頂部表面7±1mm的深度。在其他例子中，最優(yōu)液體深度可以依照特定的所選的有機(jī)電介質(zhì)液體110以及例如座半徑的座的結(jié)構(gòu)而變化。
有機(jī)電介質(zhì)液體110的最合適深度顯示與在面板座102中的光電電池106位置的光聚焦相關(guān)。
最大輸出功率測(cè)量在500W/5500°K色溫反射燈的照明下使用表I所示的甘油、異丙醇、甲苯以及三氯乙烯的有機(jī)電介質(zhì)液體情況下獲得。表I說(shuō)明在液體深度D下在太陽(yáng)能電池B320中的短路電流ISC的最大增加。給出有機(jī)電介質(zhì)液體的比重ρ和反射率N。在該些有機(jī)電介質(zhì)液體中，甘油為非極性電介質(zhì)。異丙醇、甲苯以及三氯乙烯為極性電介質(zhì)。
表I

如表I所示，由于潤(rùn)濕效應(yīng)任何具有高折射率N的極性電介質(zhì)液體適合增加更多的結(jié)太陽(yáng)能電池的輸出功率。
使用電介質(zhì)的功率增量的增加與介電常數(shù)相關(guān)。兩種材料已經(jīng)發(fā)現(xiàn)特別適合用作覆蓋在太陽(yáng)能電池上的電介質(zhì)。這些材料具有大于1.43的反射率，凝結(jié)點(diǎn)低于-40°攝氏度并且沸點(diǎn)高于200°攝氏度。因此具有這些特點(diǎn)的電介質(zhì)材料可以在地球上的大部分地點(diǎn)使用，包括北極和熱帶。該電介質(zhì)材料應(yīng)該避免氯、碘或溴因?yàn)槿绻疬@樣的材料是不合適的。一種滿意的當(dāng)在太陽(yáng)能電池的頂部使用時(shí)導(dǎo)致42％的功率增長(zhǎng)的材料為丙二醇(N＝1.433)。丙二醇在汽車(chē)中用于防凍并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)用作覆蓋太陽(yáng)能電池用以增加功率輸出的電介質(zhì)液體是安全的。如果著火，丙二醇的燃燒副產(chǎn)品為二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO)。
另一種導(dǎo)致功率輸出63％的增加的材料來(lái)自Cargille并且為用于光學(xué)的電介質(zhì)液體。特別地，該Cargille材料在Cargille的文獻(xiàn)中描述為用于激光的浸入材料。反射率為1.535，該材料在-45°攝氏度凝固并且在超過(guò)370°攝氏度沸騰。由于該材料如果燃燒將產(chǎn)生CO2所以為安全的并且適合在太陽(yáng)光中超過(guò)10年。測(cè)試該材料來(lái)確定太陽(yáng)能電池輸出的增加。運(yùn)行測(cè)試的結(jié)構(gòu)如圖8A和8B所示。圖8A顯示陶瓷碗81，其壁被白的3M Scotch膠帶85覆蓋。圖8A顯示膠帶的橫截面85a和85b而在圖8B圖8A的結(jié)構(gòu)的俯視圖顯示在頂部邊緣下環(huán)繞碗內(nèi)部設(shè)置的3M Scotch膠帶。太陽(yáng)能電池82設(shè)置在離粘在陶瓷碗底部的環(huán)氧支座84距離“d”(1mm)的位置。太陽(yáng)能電池82具有兩個(gè)引線82a和82b，其以懸臂方式支撐著太陽(yáng)能電池在環(huán)氧支座84上1mm的距離。引線82a和82b通過(guò)膠86a和86b固定在環(huán)氧支座84上。測(cè)試顯示ΔISC/ISC，其為短路電流的增長(zhǎng)相對(duì)于普通短路電流的比率，其為這樣以至最大功率在使用折射率為1.535的編號(hào)1160的Cargille浸入液體時(shí)的增加為62.6％。該液體由R.P.Carille實(shí)驗(yàn)室公司制造，該公司的地址為商業(yè)街55號(hào)，Cedar Grove，新澤西州，07009。該材料的特性在材料的由Cargille提供的與該材料相關(guān)的安全數(shù)據(jù)頁(yè)(safety data sheet)中給出。
當(dāng)太陽(yáng)能電池在高電氣絕緣和光學(xué)透明的液體工作時(shí)輸出功率增加。通常，任何電氣絕緣和在從3000到20000的波段區(qū)域光學(xué)透明的液體為適合的。任何有機(jī)電介質(zhì)液體，無(wú)論極性或非極性，適合用在太陽(yáng)能面板中。由于例如甲苯或三氯乙烯的液體具有相對(duì)較高折射率對(duì)于增加效率的極性有機(jī)電介質(zhì)液體獲得更高的能量轉(zhuǎn)換效率。在特別的應(yīng)用中，有機(jī)電介質(zhì)液體可以基于各種液體的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)依照氣候和太陽(yáng)能能量面板安裝的可能的季節(jié)天氣條件來(lái)選擇。通常具有較低凝固溫度和較高沸騰溫度的有機(jī)電介質(zhì)液體110為有利于防止在冷的條件下凝固的破壞并有利于在熱的條件下更有效率地利用太陽(yáng)能能量。
在一些實(shí)施例中，液體不必須為有機(jī)電介質(zhì)液體110還可以為例如純水的電氣絕緣和光學(xué)透明的電介質(zhì)用以觀察結(jié)太陽(yáng)能電池的輸出功率的增加。
參考圖6，圖描述輸出功率與光在光電電池106上的入射角度的關(guān)系。在說(shuō)明性的例子中，測(cè)量作為其在陽(yáng)光照射在太陽(yáng)能電池106的前面表面和/或太陽(yáng)能面板系統(tǒng)104的側(cè)壁的入射角度的函數(shù)的、從太陽(yáng)能電池的最大輸出功率。進(jìn)行了光電電池106在空氣中或在有機(jī)電介質(zhì)液體110中測(cè)量。在干凈天空的自然光條件下收集數(shù)據(jù)。在太陽(yáng)的多個(gè)角度，在控制(control)曲線601上的點(diǎn)在空氣中獲得。對(duì)于多個(gè)角度，乙醛注入10cm直徑固定在光電電池106上的陪替氏培養(yǎng)皿中到深度高于光電電池106的頂部表面7mm的水平，于是獲得在照明測(cè)量曲線602上的點(diǎn)。同樣對(duì)于每個(gè)角度，插入的擋板114阻礙太陽(yáng)光到通過(guò)其側(cè)壁反射到光電電池106的陪替氏培養(yǎng)皿的側(cè)壁，于是獲得在阻礙照明測(cè)試曲線603上的點(diǎn)。在所有入射光的角度，阻礙照明測(cè)試曲線603與控制曲線601之間的區(qū)別由于用有機(jī)電介質(zhì)液體110潤(rùn)濕光電電池而導(dǎo)致。對(duì)于所有入射光的角度，照明測(cè)量曲線602與阻礙照明測(cè)試曲線603之間的不同由太陽(yáng)光通過(guò)陪替氏培養(yǎng)皿側(cè)壁的照明的不同導(dǎo)致。
在說(shuō)明性測(cè)試中，在光電電池106周?chē)囊胰┑拇嬖趯?dǎo)致在日光下輸出功率大約33％的增加，如阻礙照明測(cè)試曲線603所示。輸出功率增加的更多的35％的部分由太陽(yáng)光通過(guò)培養(yǎng)皿的側(cè)壁折射到光電電池106上導(dǎo)致?？傆?jì)，在晴天獲得輸出功率大約68％的增加。
參考圖7，圖701說(shuō)明浸入乙醛110中的光電電池106最大輸出功率曲線602與圖6中的在空氣中的控制曲線601的比率。相似實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)702顯示對(duì)于苯液體浸泡比較在液體中的電池效率與在空氣中的效率得到了相同的功率比率。包括透明面板蓋112的形狀的太陽(yáng)能電池面板100的幾何形狀、透明面板壁104、用于在有機(jī)電介質(zhì)液體110中聚焦太陽(yáng)能能量面板壁104的幾何形狀，起增加太陽(yáng)能電池效率的作用。
利用暴露(disclosed)的幾何形狀和有機(jī)電介質(zhì)液體的太陽(yáng)能面板100在從10°到75°的入射照明角度從太陽(yáng)能電池中獲取增加的輸出功率，其角度范圍為無(wú)須跟蹤太陽(yáng)位置的有效太陽(yáng)光角度的整個(gè)范圍。該說(shuō)明性例子701顯示了使用浸入在乙醛中的太陽(yáng)能電池一天在輸出功率上大約70％的增加。例子702顯示了使用浸入在苯中的太陽(yáng)能電池一天在輸出功率上大約120％的增加。
在一年中，因?yàn)榧竟?jié)變化，在地球上緯度的地點(diǎn)太陽(yáng)在中午的仰角在+23.5°到-23.5°的范圍內(nèi)變化。源自圖6和7的結(jié)果建議太陽(yáng)能面板的方向應(yīng)該依照在地球上的位置的緯度來(lái)選擇用以有效地利用照射到系統(tǒng)側(cè)壁的光。
在低的入射角度下的增加的效率源自通過(guò)面板側(cè)壁的入射光的收集。不僅在明亮的晴天而且在有霧的或多云的條件下得到大的效率增加。例如，在大約4800Lx照度的多云天在浸入乙醛的太陽(yáng)能電池的工作中觀察到輸出功率接近50％的增加。
說(shuō)明性的太陽(yáng)能面板的結(jié)構(gòu)，包括浸入液體中的太陽(yáng)能電池和封裝在面板中，因?yàn)轭~外功率的獲取可以有其他的好處。例如，太陽(yáng)能面板可以包括泵或其他裝置用以循環(huán)液體，所以太陽(yáng)能電池可以冷卻從而抑制由于液體溫度升高導(dǎo)致的輸出功率的減少。循環(huán)液體還可以相似地收集從液體的太陽(yáng)能熱能。
在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，固體的電介質(zhì)薄膜沉積在p-n結(jié)電池的表面。固體電介質(zhì)薄膜的偶極沿著穿過(guò)p-n結(jié)的自電場(chǎng)極化。
在太陽(yáng)能電池中的低的能量轉(zhuǎn)變效率主要由于光激發(fā)電子和空穴在傳播穿過(guò)p-n結(jié)時(shí)通過(guò)復(fù)合過(guò)程丟失。在照明下從太陽(yáng)能電池到負(fù)載的總電流被適當(dāng)?shù)孛枋鰹镮＝Isc-Io[exp(-βV)-1] (1)其中β＝e/kT，e為電子電量，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為在太陽(yáng)能電池中的絕對(duì)溫度。公式(1)的第一項(xiàng)，為短路電流并且為由于從p區(qū)域到n區(qū)域的光激發(fā)電子流和從n區(qū)域到p區(qū)域的光激發(fā)空穴流動(dòng)。電子和空穴的這些流動(dòng)導(dǎo)致前偏壓，V，穿過(guò)結(jié)本身，其在公式(1)的第二項(xiàng)顯示。但是，不是所有的光激發(fā)電子和空穴可以對(duì)ISC有貢獻(xiàn)。初始光激發(fā)電子Npho和空穴Ppho的一些通過(guò)復(fù)合過(guò)程復(fù)合，于是只有存活地電子，Nsur和空穴Psur，可以完成它們的到太陽(yáng)能電池終端的傳播。與在導(dǎo)體材料中的電流概念相似，ISC可以被描述為ISC=NsureVel*+PsureVhol*]]>=Npho(1-gel)eVel*+Ppho(1-ghol)eVhol*]]>(gel和ghol＜1)(2)其中g(shù)el和ghol分別為電子和空穴的復(fù)合率或幾率。公式(1)的第二項(xiàng)為作為ISC的結(jié)果產(chǎn)生的p-n結(jié)二極管電流。從公式(1)和(2)，通過(guò)將在公式(2)中的gel和ghol減到最小獲得在公式(1)中的左項(xiàng)的較大的電流I。在描述的實(shí)施例中，在太陽(yáng)能電池周?chē)碾娊橘|(zhì)液體的存在導(dǎo)致短路電流或太陽(yáng)能電池的輸出功率的顯著的增加。該事實(shí)為強(qiáng)大的證據(jù)證明在太陽(yáng)能電池和電介質(zhì)液體之間存在相互作用。在照明下，如前文所描述的，在通過(guò)結(jié)的前偏置方向?qū)е伦云秒妷翰⑶覍?dǎo)致從p區(qū)域到n區(qū)域垂直于太陽(yáng)能電池的表面方向的電場(chǎng)通量。另一方面，電介質(zhì)液體由分子組成，其為可移動(dòng)的電偶極子。這些偶極子容易沿著電場(chǎng)方向排列，以該方式，如圖9所示，偶極子的負(fù)極附著在n型一側(cè)的表面上并且偶極子的正極附著在太陽(yáng)能電池的p型一側(cè)的表面上。
在n型區(qū)域的復(fù)合中心具有正電荷并且在p型區(qū)域的復(fù)合中心具有負(fù)電荷。在這樣的環(huán)境中，在偶極子負(fù)(正)極與在太陽(yáng)能電池的n(P)型區(qū)域中的和在太陽(yáng)能電池中的淬滅(或凍結(jié))復(fù)合中心的正的(負(fù)的)電荷復(fù)合中心之間發(fā)生庫(kù)侖相互作用。該模型很好地解釋在以上原理上描述的、導(dǎo)致在給定的光強(qiáng)度輸入下太陽(yáng)能電池產(chǎn)出的輸出功率增加的潤(rùn)濕效應(yīng)。
再參考圖5，曲線501說(shuō)明用電介質(zhì)液體1016潤(rùn)濕太陽(yáng)能電池1010的后表面1014的結(jié)果。在該實(shí)施例中，曲線501的ISC和曲線500的ISC的比率顯示通過(guò)用例如三氯乙烯潤(rùn)濕太陽(yáng)能電池的后表面可以得到短路環(huán)路電流的大約11％的增加。雖然，圖10A和10B提供了對(duì)于固定臺(tái)1002的設(shè)計(jì)的一個(gè)可效仿的實(shí)施例，但是太陽(yáng)能電池的固定臺(tái)的設(shè)計(jì)可以以任意的確保后太陽(yáng)能表面可以被潤(rùn)濕的方式設(shè)計(jì)。
圖10A和10B分別為包括太陽(yáng)能電池固定臺(tái)1002的太陽(yáng)能面板封裝系統(tǒng)1000的側(cè)視和俯視圖。在該實(shí)施例中，封裝系統(tǒng)1000包括透明的蓋子1004，座1006，以及透明的側(cè)壁1008。封裝系統(tǒng)1000包含固定或放置在定義了一組孔1012的固定臺(tái)1002上的一串太陽(yáng)能電池1010?？?012位于固定臺(tái)1002上用以提供貼近太陽(yáng)能電池1010的后表面1014的空隙1018。空隙1018允許電介質(zhì)液體1016水區(qū)(pool)貼近后表面1014使得整個(gè)后表面可以被潤(rùn)濕。在一個(gè)例子中，空隙1018設(shè)置成不少于1mm的縫隙。
雖然本發(fā)明參考各個(gè)實(shí)施例已經(jīng)被描述，應(yīng)該了解該些實(shí)施例為說(shuō)明性的并且本發(fā)明的范圍不只限于此。所描述的實(shí)施例的許多變化、修改、增加和改進(jìn)是可能的。例如，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易實(shí)現(xiàn)提供在此披露的結(jié)構(gòu)和方法所必須的步驟，并將了解工藝參數(shù)、材料和尺寸僅作為例子給出并且可以變化用以達(dá)到想得到的結(jié)構(gòu)也可以在本發(fā)明范圍內(nèi)的修改。在此披露的實(shí)施例的變化和修改可以基于在此闡明的描述進(jìn)行，而不背離如以下權(quán)利要求書(shū)所闡明的本發(fā)明的范圍和精神。
在該權(quán)利要求書(shū)中除非另外指出冠詞“a”指“一個(gè)或多個(gè)”。
權(quán)利要求
1.太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，包括電介質(zhì)液體；一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池，與所述電介質(zhì)液體接觸；以及面板容器，包括所述電介質(zhì)液體以及一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池，所述面板容器為大體平坦的，在其上基于其所述太陽(yáng)能電池被支撐以至允許每個(gè)太陽(yáng)能電池的前面和后面表面接觸所述的電介質(zhì)液體，所述容器具有透明的蓋子和透明的側(cè)壁結(jié)合所述支座用以允許轉(zhuǎn)換為電能的太陽(yáng)光進(jìn)入所述面板容器。
2.依照權(quán)利要求1的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，還包括一個(gè)或多個(gè)n/p結(jié)太陽(yáng)能電池；以及電介質(zhì)液體，其通過(guò)潤(rùn)濕所述太陽(yáng)能電池增加從所述n/p結(jié)太陽(yáng)能電池的輸出電流并且通過(guò)在電介質(zhì)液體中的光的折射和內(nèi)部反射增強(qiáng)光的收集。
3.依照權(quán)利要求1的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，還包括面板容器，具有支座，其在所述太陽(yáng)能電池下面具有間隔和保留地支撐所述一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池用以允許所述電介質(zhì)液體潤(rùn)濕每個(gè)所述的太陽(yáng)能電池的背面表面。
4.依照權(quán)利要求1的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，還包括面板容器，具有透明的蓋子用以引導(dǎo)太陽(yáng)光進(jìn)入所述容器的內(nèi)部空間并且具有形成通過(guò)所述電介質(zhì)液體聚焦太陽(yáng)光到所述一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池的透鏡的透明的側(cè)壁。
5.依照權(quán)利要求1的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，其中所述容器具有支座和覆蓋區(qū)域，其大體上比所述一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池覆蓋的總表面積大用以增大所述側(cè)壁的面積。
6.依照權(quán)利要求1的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，還包括容器，具有低高度圓柱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，所述圓柱具有大體平的覆蓋所述圓柱的第一末端的面板座以及覆蓋所述圓柱的第二末端的面板蓋或蓋子，圓柱具有選自圓、橢圓、卵形、雞蛋形、長(zhǎng)方形、三角形和正方形的橫截面幾何形狀，以及選自對(duì)稱(chēng)形成和不對(duì)稱(chēng)形狀。
7.依照權(quán)利要求1的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，還包括電介質(zhì)液體其選自具有相對(duì)較高的折射率的有機(jī)電介質(zhì)液體。
8.依照權(quán)利要求1的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，還包括有機(jī)電介質(zhì)液體，其選自安全的或較少危險(xiǎn)的例如丙二醇以及編號(hào)1160的Cargille浸入液體的液體。
9.依照權(quán)利要求1的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，還包括電介質(zhì)液體，其依照使用的季節(jié)天氣和氣候基于用于各種太陽(yáng)能能量系統(tǒng)的液體的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)選擇。
10.太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，包括液體；一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池，其分布為與所述液體接觸；太陽(yáng)能電池固定臺(tái)，在太陽(yáng)能電池下面提供空隙其中所述液體可以集中接觸一個(gè)或多個(gè)所述太陽(yáng)能電池的背面表面；以及封裝系統(tǒng)，包含所述液體以及固定在所述太陽(yáng)能電池固定臺(tái)上的所述一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池，所述封裝系統(tǒng)具有大體平坦的支座，所述封裝系統(tǒng)具有透明側(cè)壁結(jié)合所述平坦的支座用以形成通過(guò)所述液體聚焦太陽(yáng)光到所述一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池上的透鏡，所述壁通過(guò)所述壁以及通過(guò)所述液體增加光的收集并且光學(xué)地聚集太陽(yáng)光到所述一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池。
11.依照權(quán)利要求10的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，還包括封裝系統(tǒng)，具有透明的蓋子其通過(guò)所述液體收集太陽(yáng)能照明。
12.依照權(quán)利要求10的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，還包括封裝系統(tǒng)其具有透明的形成透鏡的側(cè)壁用以廣泛地收集太陽(yáng)光束通過(guò)所述的液體到所述一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池并被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br> 13.依照權(quán)利要求10的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，還包括封裝系統(tǒng)，包括至少部分地由透明的玻璃或塑料構(gòu)成的壁和蓋子。
14.依照權(quán)利要求10的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，其中所述封裝系統(tǒng)具有大體上比所述一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池覆蓋的總表面區(qū)域大的支座和蓋子區(qū)域。
15.依照權(quán)利要求10的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，還包括封裝系統(tǒng)具有低高度圓柱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，所述圓柱具有大體平的覆蓋所述圓柱的第一末端的面板座以及覆蓋所述圓柱的第二末端的面板蓋或蓋子，圓柱具有選自圓、橢圓、卵形、雞蛋形、長(zhǎng)方形、三角形和正方形的橫截面幾何形狀，并且選自對(duì)稱(chēng)形成和不對(duì)稱(chēng)形狀。
16.依照權(quán)利要求10的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，其中所述液體包括高折射的可以在從在地球上的最低到最高溫度的氣候下的范圍內(nèi)保持液態(tài)電介質(zhì)液體。
17.依照權(quán)利要求10的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，其中所述電介質(zhì)液體選自安全的或不危險(xiǎn)的包括丙二醇以及編號(hào)1160的Cargille浸入液體的材料。
18.太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，包括；液體；一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池，分布為與所述液體接觸；太陽(yáng)能電池固定臺(tái)，在太陽(yáng)能電池下面提供空隙，其中所述液體的儲(chǔ)存可以保持接觸每個(gè)所述的一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池的背面表面；以及封裝系統(tǒng)，包含所述液體、所述固定臺(tái)以及所述一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池，所述封裝系統(tǒng)具有大體平坦的支座，并具有透明的蓋或蓋子其直接地傳遞和散射太陽(yáng)光射線進(jìn)入封裝系統(tǒng)的內(nèi)部空間，所述封裝系統(tǒng)具有透明的壁結(jié)合所述的支座用以形成直接引入和折射太陽(yáng)光射線到系統(tǒng)的窗口。
19.依照權(quán)利要求18的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，其中；所述封裝系統(tǒng)，具有支座和蓋子區(qū)域，其為剛好足夠大用以覆蓋被由一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池組成的太陽(yáng)能電池組占據(jù)的總區(qū)域。
20.依照權(quán)利要求18的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，還包括；所述封裝系統(tǒng)具有低高度圓頂或圓柱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，其具有大體平的緊緊地覆蓋所述圓柱的第一末端的座以及緊緊地覆蓋所述圓柱的第二末端的面板蓋或蓋子，所述圓柱具有選自圓、橢圓、卵形、雞蛋形、長(zhǎng)方形、三角形和正方形的橫截面幾何形狀，并且選自對(duì)稱(chēng)形成和反對(duì)稱(chēng)形狀。
21.依照權(quán)利要求18的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，還包括液體，為高折射率的、具有足夠低的熔點(diǎn)和足夠高的沸點(diǎn)的從而所述液體對(duì)于使用的季節(jié)天氣和氣候的變化可以保持穩(wěn)定的液態(tài)的電介質(zhì)液體。
22.依照權(quán)利要求18的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，其中液體選自較少危險(xiǎn)的或安全的例如丙二醇以及編號(hào)1160的Cargille浸入液體的有機(jī)電介質(zhì)液體。
23.太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，包括電介質(zhì)液體；一組太陽(yáng)能電池，分布為與所述液體接觸；以及太陽(yáng)能電池固定臺(tái)，其支撐所述一組太陽(yáng)能電池用以允許所述太陽(yáng)能電池的前面和背面表面與所述電介質(zhì)液體接觸；封裝系統(tǒng)，其包含所述液體以及固定在所述固定臺(tái)上的所述一組太陽(yáng)能電池，所述封裝系統(tǒng)具有大體平坦的支撐所述固定臺(tái)的支座并具有透明的結(jié)合所述電介質(zhì)液體形成透鏡的并且從所述的光到所述的太陽(yáng)能電池組的所有角度和方向收集光的圓頂蓋子。
24.依照權(quán)利要求23的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，其中所述電介質(zhì)液體包括高折射率液體并且選自安全的或不危險(xiǎn)的包括丙二醇以及編號(hào)1160的Cargille浸入液體的有機(jī)電介質(zhì)材料。
全文摘要
在液體(1016)中工作的太陽(yáng)能電池(1010)由于兩個(gè)獨(dú)立的物理現(xiàn)象具有增加的工作效率，僅僅通過(guò)潤(rùn)濕使用固定臺(tái)(1002)的太陽(yáng)能電池(1010)的前面和后面從太陽(yáng)能電池(1010)的輸出電流增加，以及通過(guò)在該液體(1016)中的光的折射和內(nèi)部反射增強(qiáng)的光的收集。電介質(zhì)液體(1016)被發(fā)現(xiàn)增加n/p結(jié)太陽(yáng)能電池(1010)的輸出功率效率并且還起光學(xué)聚焦媒介的功能。電介質(zhì)液體(1016)的特性允許具有適當(dāng)幾何形狀的太陽(yáng)能電池面板(1000)的結(jié)構(gòu)起光學(xué)聚集器的作用。
文檔編號(hào)H01L31/042GK1541418SQ02815667
公開(kāi)日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2002年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月22日
發(fā)明者田中邦秀 申請(qǐng)人:田中邦秀