專利名稱：：用于太陽電池的緊湊型分光元件的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于太陽光譜分光的緊湊型分光元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：太陽能發(fā)電技術(shù)作為一種清潔的、可再生能源利用技術(shù)不斷取得突破。光電轉(zhuǎn)換效率的不斷提高及制造成本的持續(xù)降低使得光伏技術(shù)在空間和地面都得到了廣泛的應(yīng)用。在效率提高方面，由于太陽光譜中的能量分布較寬，任何一種半導(dǎo)體材料都只能吸收其中能量的一部分。低于其帶隙能量的光子將透過電池，被背電極金屬吸收，轉(zhuǎn)化成熱能；而高出其帶隙能量很多的太陽光所產(chǎn)生的載流子則通過熱化將能量傳遞給材料本身的點(diǎn)陣原子，這些能量不能通過光生載流子傳給負(fù)載，變成有效的電能。因此單結(jié)太陽能電池的理論轉(zhuǎn)換效率一般較低。多結(jié)級聯(lián)式太陽電池結(jié)構(gòu)可以有效地實(shí)現(xiàn)對太陽光的全光譜吸收，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。理論上來說，結(jié)數(shù)越多，效率越高。但是在實(shí)踐上，很難找到在帶隙寬度上理想搭配，晶格常數(shù)又非常匹配的兩種材料來實(shí)現(xiàn)單片級聯(lián)電池結(jié)構(gòu)。目前所知的直接生長的四結(jié)級聯(lián)式太陽電池的最高效率僅為35.7%，低于三結(jié)InGaP/(In)GaAs/Ge電池的40.%。這表明要實(shí)現(xiàn)最大限度地與太陽光譜匹配，在此三結(jié)級聯(lián)電池中增加新的材料，雖然帶隙寬度可以理想搭配，但是由于受到不同半導(dǎo)體材料間晶格常數(shù)失配和由失配帶來的應(yīng)力引起的缺陷等問題的限制，生長三結(jié)以上的太陽能電池變得十分困難，同時(shí)材料的生長成品率低、成本昂貴?；谝陨蠁栴}，2007年以美國特拉華大學(xué)為首的研究團(tuán)隊(duì)利用一個(gè)二向色鏡，將太陽光譜分為能量不同的兩部分，分別被不同帶隙能量的太陽電池材料所吸收。這種設(shè)計(jì)有效地降低了材料生長的困難從而獲得了42.8%的電池轉(zhuǎn)換效率。這對未來多結(jié)電池的發(fā)展提供了一種思路，即可以通過二次甚至多次分光來有效地提高全光譜吸收從而獲得更高效率。但多次分光同時(shí)帶來一些問題，即太陽光經(jīng)過分光元件后在前后兩個(gè)界面會(huì)存在界面損失，從而導(dǎo)致太陽電池模塊的輸出效率要遠(yuǎn)小于太陽電池的效率。因此，減少分光元件的光學(xué)損失對分光技術(shù)的使用是十分關(guān)鍵的問題，尤其是對太陽光進(jìn)行兩次以上的分光。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種用于太陽光譜分光的緊湊型分光元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)用于太陽電池的緊湊型分光元件的設(shè)計(jì)方法，特點(diǎn)是制作一光學(xué)玻璃，其折射率為1.5，包括第一界面、第二界面、第三界面，第一界面與第二界面相互平行，第二界面與第三界面的夾角為28度；在第一界面鍍介質(zhì)膜，在第二界面也鍍介質(zhì)膜，其中，第一界面鍍介質(zhì)膜將能量高于2.7eV的太陽光反射被第一電池所吸收，能量低于2.7eV的太陽光透射進(jìn)入光學(xué)玻璃中；第二界面鍍介質(zhì)膜，將能量范圍在1.42.4eV的太陽光反射經(jīng)過第三界面被第二電池吸收，將能量低于1.4eV的太陽光透射被第三電池吸收；從而，不同能量的太陽光被不同帶隙能量的太陽電池所吸收，由各級子電池半導(dǎo)體材料吸收利用與其帶隙寬度最相匹配的太陽光譜，實(shí)現(xiàn)太陽光的全光譜轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步地，上述的用于太陽電池的緊湊型分光元件的設(shè)計(jì)方法，第一電池和第二電池固定在同一散熱片上，經(jīng)第一界面反射的太陽光垂直入射到第一電池，被第一電池垂直吸收；相似地，經(jīng)第二界面反射的太陽光被第二電池垂直吸收；第三電池與第二界面的夾角為45度，使透射的太陽光正入射到第三電池上。更進(jìn)一步地，上述的用于太陽電池的緊湊型分光元件的設(shè)計(jì)方法，所述第一界面介質(zhì)膜材料為TiO2和SiO2。更進(jìn)一步地，上述的用于太陽電池的緊湊型分光元件的設(shè)計(jì)方法，所述第二界面介質(zhì)膜材料為TiO2和SiO2。再進(jìn)一步地，上述的用于太陽電池的緊湊型分光元件的設(shè)計(jì)方法，所述光學(xué)玻璃的厚度在5mm。本發(fā)明技術(shù)方案突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步主要體現(xiàn)在①本發(fā)明通過一塊光學(xué)玻璃的不同表面的鍍膜工藝實(shí)現(xiàn)太陽光譜的分光，采用一塊玻璃實(shí)現(xiàn)對太陽光譜的二次分光，相比于以前所采用的傳統(tǒng)分光方式，減少了一個(gè)界面，減少了光的損失，從而可以有效地提高系統(tǒng)效率；②減少了光學(xué)對準(zhǔn)過程，節(jié)省了空間；③只采用一塊光學(xué)玻璃，有利于分光元件和電池的系統(tǒng)集成，易于大規(guī)模生產(chǎn)，堪稱是一項(xiàng)具有新穎性、創(chuàng)造性、實(shí)用性的好技術(shù)。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明圖1本發(fā)明緊湊型光學(xué)分光元件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中各附圖標(biāo)記的含義見下表<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>具體實(shí)施例方式本發(fā)明用于太陽光譜分光的緊湊型分光元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，將寬的太陽光譜分為幾個(gè)不同能量段，分別被不同帶隙能量的太陽電池所吸收，從而實(shí)現(xiàn)較高的太陽電池轉(zhuǎn)換效率。如圖1所示的緊湊型光學(xué)分光元件結(jié)構(gòu)，一光學(xué)玻璃，其厚度在5mm，折射率為1.5，包括第一界面1、第二界面2、第三界面3，第一界面1與第二界面2相互平行，第二界面2與第三界面3的夾角為28度，在第一界面1鍍介質(zhì)膜，介質(zhì)膜材料為TiO2和SiO2,在第二界面2也鍍介質(zhì)膜，介質(zhì)膜材料為TiO2和Si02。其中，第一界面鍍介質(zhì)膜將能量高于2.7eV的太陽光反射被第一電池4所吸收，能量低于2.7eV的太陽光透射進(jìn)入光學(xué)玻璃中；第二界面鍍介質(zhì)膜，將能量范圍在1.42.4eV的太陽光反射經(jīng)過第三界面被第二電池5所吸收，將能量低于1.4eV的太陽光透射被第三電池6吸收；從而，不同能量的太陽光被不同帶隙能量的太陽電池所吸收，由各級子電池半導(dǎo)體材料吸收利用與其帶隙寬度最相匹配的太陽光譜，實(shí)現(xiàn)太陽光的全光譜轉(zhuǎn)換。其中，經(jīng)第一界面1反射的太陽光能夠垂直入射到第一電池4表面，相似地，經(jīng)第二界面2反射的太陽光譜能夠被第二電池5垂直吸收，第一電池4和第二電池5固定在同一散熱片上，第三電池6與第二界面2的夾角為45度，使得透射的太陽光正入射到第三電池6上。緊湊型分光裝置的多結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制作過程，包括如下步驟步驟1)選擇一塊光學(xué)玻璃，加工光學(xué)玻璃，第二界面2與第三界面3的夾角為28度；步驟2)在第一界面1鍍介質(zhì)膜，實(shí)現(xiàn)光譜能量在2.7eV處的分光，介質(zhì)膜材料為TiO2和SiO2；步驟3)在第二界面2鍍介質(zhì)膜，實(shí)現(xiàn)光譜能量在1.4eV處分光，介質(zhì)膜材料為TiO2和SiO2；步驟4)將太陽能電池和分光后相應(yīng)的光束對準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)太陽電池和分光元件的集成，完成電池系統(tǒng)單元的制作。設(shè)計(jì)第三界面3和第二界面2之間的夾角θ為28度，使得從第二界面2反射的太陽光從第三界面3垂直出射并被第二電池5所吸收。其次，在第一界面1，從太陽電池設(shè)計(jì)需要出發(fā)，選用合適的介質(zhì)膜系材料(如Ti02*Si02)，通過膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作，將能量高于El的太陽光反射被第一電池4所吸收，能量低于El的光透射進(jìn)入光學(xué)玻璃中，達(dá)到二色分光的目的。此外，利用同樣的方法，在第二界面2設(shè)計(jì)膜系，使得能量范圍在Ε2到El(El>Ε2)之間的太陽光反射經(jīng)過第三界面3被第二電池5吸收，能量低于Ε2的太陽光透射被第三電池6所吸收。最后，實(shí)現(xiàn)分光元件和太陽電池的有效集成。根據(jù)該設(shè)計(jì)，不同能量的太陽光能夠被不同帶隙能量的太陽電池所吸收，用各級子電池半導(dǎo)體材料去吸收利用與其帶隙寬度最相匹配的那部分太陽光譜，從而減小單結(jié)電池在光電轉(zhuǎn)換過程中的電流損失和電壓損失，實(shí)現(xiàn)太陽光的全光譜高效轉(zhuǎn)換，提高光電轉(zhuǎn)換效率。綜上所述，本發(fā)明設(shè)計(jì)獨(dú)特、結(jié)構(gòu)新穎，通過一塊光學(xué)玻璃的不同表面的鍍膜工藝實(shí)現(xiàn)太陽光譜的分光。采用一塊玻璃實(shí)現(xiàn)對太陽光譜的二次分光，相比于以前所采用的傳統(tǒng)分光方式，減少了一個(gè)界面，減少了光的損失，從而可以有效地提高系統(tǒng)效率；減少了光學(xué)對準(zhǔn)過程，節(jié)省了空間；只采用一塊光學(xué)玻璃，有利于分光元件和電池的系統(tǒng)集成，非常有利于大規(guī)模生產(chǎn)；具有廣闊的應(yīng)用前景。需要理解到的是上述說明并非是對本發(fā)明的限制，在本發(fā)明構(gòu)思范圍內(nèi)，所進(jìn)行的添加、變換、替換等，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。權(quán)利要求用于太陽電池的緊湊型分光元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于制作一光學(xué)玻璃，包括第一界面、第二界面、第三界面，第一界面與第二界面相互平行，第二界面與第三界面的夾角為28度，在第一界面鍍介質(zhì)膜，在第二界面也鍍介質(zhì)膜，其中，第一界面鍍介質(zhì)膜將能量高于2.7eV的太陽光反射被第一電池所吸收，能量低于2.7eV的太陽光透射進(jìn)入光學(xué)玻璃中；第二界面鍍介質(zhì)膜，將能量范圍在1.4～2.4eV的太陽光反射經(jīng)過第三界面被第二電池吸收，將能量低于1.4eV的太陽光透射被第三電池吸收；從而，不同能量的太陽光被不同帶隙能量的太陽電池所吸收，由各級子電池半導(dǎo)體材料吸收利用與其帶隙寬度最相匹配的太陽光譜，實(shí)現(xiàn)太陽光的全光譜轉(zhuǎn)換。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太陽電池的緊湊型分光元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于第一電池和第二電池固定在同一散熱片上，經(jīng)第一界面反射的太陽光垂直入射到第一電池，被第一電池垂直吸收；相似地，經(jīng)第二界面反射的太陽光被第二電池垂直吸收；第三電池與第二界面的夾角為45度，使透射的太陽光正入射到第三電池上。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太陽電池的緊湊型分光元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于光學(xué)玻璃的折射率為1.5。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太陽電池的緊湊型分光元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述光學(xué)玻璃的厚度約為5mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太陽電池的緊湊型分光元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述第一界面介質(zhì)膜材料為TiO2和Si02。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太陽電池的緊湊型分光元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述第二界面介質(zhì)膜材料為TiO2和Si02。全文摘要本發(fā)明提供一種用于太陽電池的緊湊型分光元件的設(shè)計(jì)方法，制作一光學(xué)玻璃，包括第一界面、第二界面、第三界面，第二界面與第三界面的夾角為28度，在第一界面鍍介質(zhì)膜，在第二界面也鍍介質(zhì)膜，其中，第一界面鍍介質(zhì)膜將能量高于2.7eV的太陽光反射被第一電池所吸收，能量低于2.7eV的太陽光透射進(jìn)入光學(xué)玻璃中；第二界面鍍介質(zhì)膜，將能量范圍在1.4～2.4eV的太陽光反射經(jīng)過第三界面被第二電池吸收，將能量低于1.4eV的太陽光透射被第三電池吸收；從而，不同能量的太陽光被不同帶隙能量的太陽電池所吸收，由各級子電池半導(dǎo)體材料吸收利用與其帶隙寬度最相匹配的太陽光譜，實(shí)現(xiàn)太陽光的全光譜轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換效率較高，非常易于大規(guī)模生產(chǎn)。文檔編號H01L31/052GK101814536SQ20091002523公開日2010年8月25日申請日期2009年2月25日優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日發(fā)明者任雪勇,張瑞英,楊輝,董建榮,邢政,陸書龍申請人:蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所