CN101894875B - 一种高效聚光式太阳能光电转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高效聚光式太阳能光电转换器。该太阳能光电转换器包括：一个由一维菲涅尔透镜或者一到两个匹配的反光住面组成的聚光系统使聚光焦线刚好落在光电池组件表面；经过聚焦的太阳光通过一个经特殊设计的透镜或者光波导组成的分光系统而分裂成太阳光谱；该太阳光谱照射到一种新型的光电池组件表面，该光电池组件是由一组能量带差和几何形状刚好与投射其上的太阳光谱部分相匹配的光敏量子阱组成，这些光敏量子阱的外部量子转化效率可高达90％以上。通过对量子阱串并联实现分支电流的匹配从而实现极高的光电转换率。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用阵列式光敏量子阱将太阳能转化为电能的装置及方法。特别涉及利用聚光和透明光学材料的色散特性将阳光分解为光谱后再转化为电能的方法。
背景技术
根据照射在光伏换能器上太阳光的强度是否大于或小于等于自然日光强度，光伏换能器可以分为聚光型和非聚光型两大类。常见的非聚光型光伏换能器(PV)是由多晶硅太阳能电池板构成。照在多晶硅电池板上的日光强度等于自然日光光强。而聚光型光伏换能器(CPV)则通过光学系统将日光汇聚10至1000倍之后再照射到光电池上。
在聚光式太阳能集热系统中，抛物柱面常常被用作聚光元件以便将置于其焦线上的水管加热实现光热转换。
现有的聚光型光伏换能器多使用两个圆形抛物面反光镜或圆形菲涅尔透镜将太阳光汇聚于光电池表面。光电池多为多PN结层叠式半导体光电池以便得到较高的光电转化率。
目前获得最高光电转换率(41.7％)的多结层叠式光电池是由GaInP(磷化镓铟)、GaAs(砷化镓)以及锗所构成的三结层叠式光电池。其三结的带隙分别为1.8、1.4以及0.7电子伏。有两个因素制约着多结层叠式光电池的转换率的进一步提高：1)各层材料的晶格常数必须足够接近，这就限制了光电池半导体材料的选择范围；2)各层所产生的电流必须相等，从而限定了其带隙的选择及PN结耗尽区的厚度。
聚光式光伏换能器通常需要安装在一维或二维太阳跟踪伺服平台上以保证光伏换能器的正常工作以及高转换效率。
发明内容
本发明在通常的聚光式光伏换能器的基础上引入一个由高色差、低吸波材料制造的光波导或经特殊设计的透镜将太阳光分解为太阳光谱。并使用光敏量子阱阵列取代多结层叠式光电池。
一种高效聚光式太阳能光电转换器，该太阳能光电转换器包括：一个菲涅尔透镜或者一到两个匹配的反光面组成的聚光系统，一个经特殊设计的透镜或者光波导，一个阵列式光电池组件；该菲涅尔透镜或者一到两个匹配的反光面具有一维柱面的光学特征；该反光面镀有合金铝或PTFE材料以提高对太阳光的反光率；该聚光系统将入射的太阳光聚焦于阵列式光电池组件表面；该经特殊设计的透镜或光波导的由高色差低吸波的材料制造；该经特殊设计的透镜或光波导的太阳光入射表面和出射表面系经过减少能量损失的优化设计；光波导的侧面角度保证了对入射太阳光波全反射；光波导的长度或特殊透镜的厚度是在满足太阳光谱充分分离的前提下最短或最薄；该经特殊设计的透镜或光波导将入射的太阳光分裂为太阳光谱并照射在阵列式光电池组件表面；该阵列式光电池组件表面排列有多个具有不同带隙的光敏量子阱，并通过下述参数匹配提高光电转换效率：所述多个光敏量子阱的几何形状与投射其上的太阳光谱束的相匹配；所述多个光敏量子阱的带隙分布与太阳光谱能量分布相匹配；所述多个光敏量子阱之间通过串并联实现分支电流的匹配。
上述高效聚光式太阳能光电转换器，其太阳光在300纳米至1800纳米波长范围内；
将上述高效聚光式太阳能光电转换器，安装于具有一维或二维跟踪太阳能力的平台上；
一种阵列式量子阱光电池组件，该阵列式光电池组件表面排列有多个具有不同带隙的光敏量子阱，并通过下述参数匹配提高光电转换效率：所述多个光敏量子阱的几何形状与投射其上的太阳光谱束的相匹配；所述多个光敏量子阱的带隙分布与太阳光谱能量分布相匹配；所述多个光敏量子阱之间通过串并联实现分支电流的匹配。
一种接收利用太阳能的方法，通过一个一维菲涅尔透镜或者一到两个匹配的反光柱面组成的聚光系统接收太阳光并汇聚到光电池组件表面；其间经过一个经特殊设计的透镜或光波导，其厚度或长度在满足太阳光谱充分分离的前提下最薄或最短，利用色散物理现象将汇聚的太阳光分裂为太阳光谱后照射在光电池组件表面；该光电池组件表面排列有多个具有不同带隙的光敏量子阱，并通过下述参数匹配提高光电转换效率：所述多个光敏量子阱的几何形状与投射其上的太阳光谱束相的匹配；所述多个光敏量子阱的带隙分布与太阳光谱能量分布相匹配；所述多个光敏量子阱之间通过串并联实现分支电流的匹配。
附图说明
图1：本专利提出的一种高效聚光式太阳能光电转换器的一种实现方案的结构原理图。
图2：本专利提出的一种高效聚光式太阳能光电转换器的另一种实现方案的结构原理图。
图3：图2方案中一种光波导的放大图。
图4：本专利提出的一种阵列式光电池组件的结构图。
具体实施方式
本专利可以以离散的光学和光电转换元件实现，也可以以某种透明光学材料将光学系统和光电转换器集成起来实现。本专利的各种实现方案统称为技术方按。例如，本专利中使用的太阳能电池，在某个时间分段内还可以间作太阳跟踪器的光电传感器。由此派生出来的技术方案，只要其光电转化方式与本专利相符，应看作本专利的一种技术实现。
以下将提供本专利的详细说明以及相关原理图。
在太阳能发电领域中一个广泛的共识是，工业级别的发电设备应当以聚光型的光伏系统为基础。这是因为，与非聚光型光伏装置相比，聚光型光伏装置使用更少的昂贵光电转换材料以及更高的光电转换效率，从而使光伏设备和营运成本下降同时使制造的工艺过程本身更加清洁、绿色。
在太阳能发电领域中的另一个共识是，提高光电池效率的关键在于使光电池材料的带隙与太阳光谱相匹配。因此，目前所采用的技术是将具有不同带隙的多个3到5族元素组成的光电PN结层叠在一起。带隙最大的PN结在光电池受光表面，带隙最小的PN结则在最底(内)层。不同带隙的PN结将太阳光中不同能量的光子转变为相应的电能。目前，最高效的层叠式光电池有三层，光电池总转换率为41.7％。其每层的外部量子转换效率可高达90％以上。
然而，将不同带隙的多个光电PN结层叠在一起所形成的光电池受到两个设计约束：1)各层材料的晶格常数必须足够接近(目前最好的层叠式太阳能电池的晶格常数的匹配达到0.01％)，这就大大限制了光电池所能使用材料的选择范围；2)各层所产生的电流必须相等，这就限制了光电池各层带隙及耗尽区厚度的选择。这些约束阻碍了为进一步提高转换效率所做的优化努力：
如果我们不是把光电PN结层叠起来而是将它们并列在光电池表面，使它们的几何尺寸以及带隙与被分裂的太阳光谱相匹配，那么这样设计的太阳能光电池其效率岂不更高？本专利正是为实现这个简单而出色的想法提出的。它将有助于实现更加高效的太阳能电池以及更加经济的太阳能电站。
有多种技术方案可以实现本专利。但这些方案都包括三个共同组成部分：一个太阳光聚光器、一个太阳光谱分裂器以及一个由不同带隙的光电池组成的线性表面阵列所构成的光电池组件。
本发明的聚光系统可以由一个一维菲涅尔透镜或者一到两个匹配的柱面反光镜组成。聚光系统的焦线刚好落在光电池组件表面。聚光比率越高，太阳能发电系统所使用的光电敏感材料就越少；但要求太阳跟踪控制系统的精度越高。聚光系统的一维柱面结构可使光电池组件的多个量子阱具有一维阵列的简单结构，便于制造和多电池的系统集成。尽管聚光系统是一维的，但建议使用二维太阳跟踪系统系统，以保证光电转换的高效率。通过将一部分聚光器水平排列而另一部分聚光器垂直排列可以使光电池复用做太阳跟踪器的方向或角度传感器，从而进一步降低整个系统的成本。图1和图2给出了本专利的两种实现方案。两种方案都使用反射式聚光系统2，但却使用不同的光谱分裂器3和5。由二维太阳跟踪器保证平行太阳光束1垂直射入聚光器2。聚光器2的两个反光柱面镀有合金铝或者PTFE材料以提高其对300纳米到1800纳米光波的反射率。聚光镜2连同光谱分裂器3或5构成的组合光学系统的焦线刚好落在光电池组件4的表面。
如图1和图2所示，光谱分裂器是由一种高色差、低吸波材料制造的光波导5或经特殊设计的透镜3。一般说来，从300纳米到1800纳米透明介质材料的色差越大、透镜3越厚或波导5越长，分光效果就越好，而介质对光波的吸收所导致的能量损失也就越大。出于与选择一维聚光器的同样理由，光谱分裂器同样具有一维的柱面结构。图3给出了光波导5的结构放大图。汇聚后的光线8进入波导或特殊透镜，其入射面及出射面6以及波导的侧面7均经过优化设计使太阳光的能量损失为最小，同时又保证光谱焦面是一个柱面。
如图4所示的新型光电池组件包括一个量子阱的线性阵列9。它们是由元素周期表中3到5族的元素构成、具有不同带隙并被某种绝缘材料10，例如，二氧化硅或二氧化锗，隔开。整个阵列制作在衬底11，例如，硅或锗，上。使用更多的带隙在0.69电子伏至4.01电子伏之间的量子阱阵列制造光电池，便能使之更好地与太阳光谱相匹配从而获得更高的转换效率。此外，还可以通过对量子阱，包括不同光电池组件之间的量子阱，的串并联实现光电池组分支电流的最佳匹配，这同样能够提高整个太阳能系统的发电效率。
Claims (5)
1.一种高效聚光式太阳能光电转换器，该太阳能光电转换器包括：一个菲涅尔透镜或者一到两个匹配的反光面组成的聚光系统，一个经特殊设计的透镜或者光波导，一个阵列式光电池组件；
该菲涅尔透镜或者一到两个匹配的反光面具有一维柱面的光学特征；
该反光面镀有合金铝或PTFE材料以提高对太阳光的反射率；
该聚光系统将入射的太阳光聚焦于阵列式光电池组件表面；
该经特殊设计的透镜或光波导由高色差低吸波的材料制造；
该经特殊设计的透镜或光波导的太阳光入射表面和出射表面系经过减少能量损失的优化设计；光波导的侧面角度保证了对入射太阳光波全反射；光波导的长度或特殊透镜的厚度是在满足太阳光谱充分分离的前提下最短或最薄；
该经特殊设计的透镜或光波导将入射的太阳光分裂为太阳光谱，该太阳光谱照射在阵列式光电池组件表面；
该阵列式光电池组件表面排列有多个具有不同带隙的光敏量子阱，并通过下述参数匹配提高光电转换效率：所述多个光敏量子阱的几何形状与投射其上的太阳光谱束的相匹配；所述多个光敏量子阱的带隙分布与太阳光谱能量分布相匹配；所述多个光敏量子阱之间通过串并联实现分支电流的匹配。
2.如权利要求1中所述高效聚光式太阳能光电转换器，其太阳光在300纳米至1800纳米波长范围内。
3.如权利要求1中所述高效聚光式太阳能光电转换器，安装于具有一维或二维跟踪太阳能力的平台上。
4.一种阵列式量子阱光电池组件，该阵列式光电池组件表面排列有多个具有不同带隙的光敏量子阱，并通过下述参数匹配提高光电转换效率：所述多个光敏量子阱的几何形状与投射其上的太阳光谱束的相匹配；所述多个光敏量子阱的带隙分布与太阳光谱能量分布相匹配；所述多个光敏量子阱之间通过串并联实现分支电流的匹配。
5.一种接收利用太阳能的方法：通过一个一维菲涅尔透镜或者一到两个匹配的反光柱面组成的聚光系统接收太阳光并汇聚到光电池组件表面；其间经过一个特殊设计的透镜或光波导，其厚度或长度在满足太阳光谱充分分离的前提下最薄或最短，利用色散物理现象将汇聚的太阳光分裂为太阳光谱然后照射到光电池组件表面；该光电池组件表面排列有多个具有不同带隙的光敏量子阱，并通过下述参数匹配提高光电转换效率：所述多个光敏量子阱的几何形状与投射其上的太阳光谱束的相匹配；所述多个光敏量子阱的带隙分布与太阳光谱能量分布相匹配；所述多个光敏量子阱之间通过串并联实现分支电流的匹配。
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