一种应用在高效太阳电池中的新型聚光分光集成系统技术方案

一种应用在高效太阳电池中的新型聚光分光集成系统，该新型聚光分光集成系统包括聚光系统、分光系统、光伏电池；所述聚光系统包括低倍广角聚光元件；分光系统包括光谱分解元件a、光谱分解元件b；光伏电池包括子电池a、子电池b、子电池c；所述分光系统的光谱分解元件a、光谱分解元件b为二色镜；本聚光分光集成系统将各元器件封装在一个封闭空间内，子电池分别固定在底面或侧壁上，二色镜悬空固定于光路上，低倍广角聚光元件固定在封闭空间的顶部。本发明专利技术扩展了高效光伏电池材料、器件结构和制作工艺的选择空间，还可以在优化单位面积输出功率的同时有效降低聚光倍数，不需要常规聚光光伏系统中的散热装置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种应用在高效太阳电池中的新型聚光分光集成系统，属半导体

技术介绍
随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，太阳能作为理想的可再生能源受到了越来越多国家的重视，开展太阳能电池研究、发展光伏发电产业对国家能源的可持续发展具有非常重要的意义。目前，太阳能电池的面临的主要问题为光电转换效率较低，性价比不高，不能满足大规模民用的需求。商用太阳能电池中，单晶硅和多晶硅电池约占90％的市场份额。商用单晶硅电池的转化效率约为16％-20％，多晶硅电池约为14％-16％。其光电转换效率均有待提高。目前，研究人员主要采用聚光技术和多结叠层电池技术来提高太阳电池的光电转换效率。其中，聚光系统中必需的散热设备和对日跟踪设备加大了光伏系统的制作难度，同时增加了系统集成的成本；多结叠层电池系统中各电池单元之间的电流匹配、晶格匹配、隧道结、串联电阻等问题也在很大程度上限制了光伏材料的选择范围，使得光伏系统的转换效率难以得到进一步的提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种新型聚光分光集成系统由低倍广角聚光元件和光谱分解元件构成采用全息技术收集天空中大多数漫散射光线；采用光谱分解技术将太阳光谱中不同波长的光引导到对应响应波长的太阳电池单元上。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为一种应用在高效太阳电池中的新型聚光分光集成系统，该新型聚光分光集成系统包括聚光系统、分光系统、光伏电池；所述聚光系统包括低倍广角聚光元件6；分光系统包括光谱分解元件a4、光谱分解元件b5；光伏电池包括子电池a1、子电池b2、子电池c3；所述分光系统的光谱分解元件a4、光谱分解元件b5为二色镜。本聚光分光集成系统将各元器件封装在一个封闭空间内，子电池分别固定在底面或侧壁上，二色镜悬空固定于光路上，低倍广角聚光元件6固定在封闭空间的顶部。所述光伏电池的子电池a1、子电池b2、子电池c3为基于不同半导体材料设计制作的响应波段不同的多结太阳电池，如Si、Ge、GaAs、GaInP、GaInN材料、以及薄膜电池；其响应波段需要和低倍广角聚光元件6、光谱分解元件a4、光谱分解元件b5的输出光谱特性相匹配。聚光系统为选用重铬酸盐或溴化银等适宜的全息感光材料，通过先进的镀膜设备制备低倍广角静态聚光元件。通过聚光系统可以收集空中大多数漫散射光线，不需要复杂的跟踪装置；平铺的光伏模块可以降低电池基体的工作温度。分光系统为选择合适的镜片材料和镀膜材料制备二色镜。采用二色镜来分光，二色镜能将一定波段的光线完全反射，而将其余波段的光线透射过去。选取适宜的镜片材料和镀膜材料，通过对相应波长透射比的有效控制，获得满足要求的分光二色镜。可以有效避免层叠多结电池中各电池串联带来的一系列问题，如结与结之间的电流匹配、晶格失配、隧道结、缓冲层设计，以及由此造成的电池制作工艺的复杂化和成品率的下降等，此外还可以减小层叠多结电池中光自上而下传输过程中所产生的能量损失。新型聚光分光集成系统的最大优势是每个子电池都是互相独立的，所以本系统可以采用任意形式的太阳电池，如：第一代太阳电池：晶体硅电池；第二代太阳电池：各种薄膜电池。包括非晶硅薄膜电池(a-Si)、碲化镉太阳电池(CdTe)、铜铟镓硒太阳电池(CIGS)、砷化镓太阳电池、纳米二氧化钛染料敏化太阳电池等；第三代太阳电池：各种超叠层太阳电池、热光伏电池(TPV)、量子阱及量子点超晶格太阳电池、中间带太阳电池、上转换太阳电池、下转换太阳电池、热载流子太阳电池、碰撞离化太阳电池等新概念太阳电池。当光线照射到低倍广角聚光元件6上时，空中大多数漫散射光线将被收集起来并聚集。聚集后的光线入射到光谱分解元件a4上，根据光谱分解元件a4的特性，一部分光线透过光谱分解元件a4射入子电池a1，另一部分光线经过光谱分解元件反射入光谱分解元件b5。根据光谱分解元件b5的特性，一部分光线透过光谱分解元件b5射入子电池c3，另一部分光线经过光谱分解元件反射入子电池b2。通过光谱分解元件a4和光谱分解元件b5，不同波长(能量)的光线被分开，分别被对应的禁带宽度的子电池吸收。通过金属线将子电池中的电流导出。所述聚光系统为平铺式的静态聚光系统，低倍广角聚光元件6采用重铬酸盐或溴化银全息感光材料。技术问题是通过以下解决方案实现的：如图1所示是静态聚光的复合全息原理示意图。1、新型低倍广角聚光系统的设计设计平铺式的静态聚光系统，包含一个静止的宽接收角光学系统，以提高太阳电池表面的光功率密度。可选取重铬酸盐或溴化银等全息感光材料，通过光栅设计、消象差设计提高元件的衍射效率，并利用高精度真空镀膜设备、双面精度抛光机制备出低倍广角聚光元件。静态聚光系统可以收集天空中大多数漫散射光线，不需要复杂的跟踪装置；平铺的光伏模块可以降低电池基体的工作温度。2、新型分光系统的设计采用二色镜来分光，二色镜能将一定波段的光线完全反射，而将其余波段的光线透射过去。选取适宜的镜片材料和镀膜材料，通过对相应波长透射比的有效控制，获得满足要求的分光二色镜。可以有效避免层叠多结电池中各电池串联带来的一系列问题，如结与结之间的电流匹配、晶格失配、隧道结、缓冲层设计等，以及由此造成的电池制作工艺的复杂化和成品率的下降等，此外还可以减小层叠多结电池中光自上而下传输过程中所产生的能量损失。3、聚光分光系统和光伏电池的集成设计基于不同半导体材料设计制作的响应波段不同的多结太阳电池，如Si、Ge、GaAs、GaInP、GaInN等材料。其响应波段需要和静态广角聚光系统、二色镜的输出光谱特性相匹配，这是提高电池转换效率的关键。本专利技术提出的新型聚光分光集成系统由低倍广角聚光元件和光谱分解元件构成采用全息技术收集天空中大多数漫散射光线，不需要复杂的跟踪装置；采用光谱分解技术将太阳光谱中不同波长的光引导到对应响应波长的太阳电池单元上，在减小光谱区的不匹配造成的损失、提高光伏系统转换效率的同时，扩展了高效光伏电池材料、器件结构和制作工艺的选择空间，还可以在优化单位面积输出功率的同时有效降低聚光倍数，不需要常规聚光光伏系统中的散热装置。可以获得高光电转换效率、高可靠性、低成本的太阳电池集成系统，这对于加快我国在高效太阳电池方面的新技术开发和产业化步伐，提升我国在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用在高效太阳电池中的新型聚光分光集成系统，其特征在于：该聚光分光集成系统包括聚光系统、分光系统、光伏电池；所述聚光系统包括低倍广角聚光元件(6)；分光系统包括光谱分解元件a(4)、光谱分解元件b(5)；光伏电池包括子电池a(1)、子电池b(2)、子电池c(3)；所述分光系统的光谱分解元件a(4)、光谱分解元件b(5)为二色镜；本聚光分光集成系统将各元器件封装在一个封闭空间内，子电池分别固定在底面或侧壁上，二色镜悬空固定于光路上，低倍广角聚光元件(6)固定在封闭空间的顶部；所述光伏电池的子电池a(1)、子电池b(2)、子电池c(3)为基于不同半导体材料设计制作的响应波段不同的多结太阳电池，如Si、Ge、GaAs、GaInP、GaInN材料、以及薄膜电池；其响应波段需要和低倍广角聚光元件(6)、光谱分解元件a(4)、光谱分解元件b(5)的输出光谱特性相匹配；聚光系统为选用重铬酸盐或溴化银等适宜的全息感光材料，通过先进的镀膜设备制备低倍广角静态聚光元件。

【技术特征摘要】
1.一种应用在高效太阳电池中的新型聚光分光集成系统，其特
征在于：该聚光分光集成系统包括聚光系统、分光系统、光伏电池；
所述聚光系统包括低倍广角聚光元件(6)；分光系统包括光谱分解
元件a(4)、光谱分解元件b(5)；光伏电池包括子电池a(1)、子
电池b(2)、子电池c(3)；所述分光系统的光谱分解元件a(4)、
光谱分解元件b(5)为二色镜；
本聚光分光集成系统将各元器件封装在一个封闭空间内，子电池
分别固定在底面或侧壁上，二色镜悬空固定于光路上，低倍广角聚
光元件(6)固定在封闭空间的顶部；
所述光伏电池的子电池a(1)、子电池b(2)、子电池c(3)为
基于不同半导体材料设计制作的响应波段不同的多结太阳电池，如
Si、Ge、GaAs、GaInP、GaInN材料、以及薄膜电池；其响应波段需
要和低倍广角聚光元件(6)、光谱分解元件a(4)、光谱分解元件b
(5)的输出光谱特性相匹配；
聚光系统为选用重铬酸盐或溴化银等适宜的全息感光材料，通过
先进的镀...

【专利技术属性】
技术研发人员：王智勇，杨光辉，张杨，刘友强，陈丙振，代明崇，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11