纳米粒子被用来增强光伏(PV)单元的光采集和转换能力。纳米粒子可以并入衬底之内并且被布置为与PV单元相距期望距离以创建等离子体激元。纳米粒子可以产生波长漂移(例如，“红移”)以使可获得的光的波长与PV单元的灵敏度更好地对准。纳米粒子还可以被用来俘获PV单元上方的光以产生更好的光吸收效果。纳米粒子可以包括具有例如金属芯以及在芯周围的基本上透明的外壳或涂层的复合纳米粒子。纳米粒子可以被构造用于在载体介质内提供均匀的分布。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】 相关申请的交叉引用 本申请要求在2012年12月21日提交的、题目为APPLICATIONOF NANOPARTICLES(NPs)TOENHANCETHEABILITYOFPHOTOVOLTAIC(PV)CELLSTOEXTRACT MOREENERGYFROMTHESUNWHENGENERATINGELECTRICALPOWER的美国临时专利申请 No. 61/745, 465的优先权，该申请的公开内容全文并入本文，以作参考。
本专利技术一般地涉及太阳能采集，并且更特别地涉及在各种装置、系统和方法中使 用纳米粒子来采集和转换太阳能。
技术介绍
市场上可购得的光伏（PV)单元（cell)当前被认为在最佳条件下太阳光子能量转 换成电能的效率约为5%-20%。PV单元的电能的最佳输出取决于各种因素。例如，太阳光 在射到PV单元上的入射角（AOI)对电力输出有影响。在PV单元上的电力负荷对PV单元 的效率同样有影响。因太阳能模块的防护玻璃表面的表面反射所致的光子能量损失对所产 生的电力输出有影响。当然，存在于输入PV的光子内的能量的水平是重要的，这是PV单元 将各种光波长的太阳能光谱的能量转换成电能的能力。与PV单元衬底的物理学相关的许 多因素对系统的效率同样具有影响，包括掺杂工艺以及形成PV单元的固态二极管的构造。有关PV单元的效率的一个特定问题包括对PV单元所使用的给定材料（例如，多 晶硅）对于太阳的输出能量的灵敏度或响应进行匹配。例如，参照图1所示的曲线，第一曲 线10示出了由各种波长的太阳光产生的功率。由太阳光产生的峰值功率或者峰值光子输 出近似出现于425nm的波长至525nm的波长之前。应当注意，太阳光的峰值功率输出被示 为纵轴上的" 1"，表示100%的太阳光的正常峰值功率输出。第二曲线20示出了PV太阳能单元的峰值灵敏度出现于大约850nm处的常规的多 晶硅PV太阳能单元在各种波长下的灵敏度。PV单元的灵敏度的最高水平被示为纵轴上的 "1"。第三曲线30被叠加于前两个曲线10和20之上以与常规的PV单元的灵敏度相比示 出太阳光子输出的"相容性"或重叠。因为硅太阳能单元的峰值灵敏度与太阳光的峰值输 出是不协调的（峰值间隔数百纳米）。由于在太阳光的峰值输出与PV单元的灵敏度之间 的失配，PV单元仅能够利用在太阳光正照射到PV单元上时的太阳光可利用能量的一部分。 太阳能的理论峰值使用曲线（即，曲线30)通过将PV单元的灵敏度的百分比乘以由给定波 长的太阳光产生的功率而得到。在这种情况下，第三曲线30约在675nm处一一在太阳光输 出的峰值与PV单元的峰值灵敏度之间的某个地方出现峰值。在当前安装基于PV的太阳能系统的投资回收期为20年或更长的情况下，这样的 技术的采用在最好的情况下也一直很慢。州政府和联邦政府，以及公共事业公司，已经提供 财政奖励来鼓励采用这样的系统，但是采用仍然相对较慢。提高太阳能系统的效率将会缩 短投资回收期并有助于让太阳能更能为消费者所接受。 正因如此，太阳能产业一直希望提高太阳能系统的性能。提供高效的、相对较廉 价的且容易适应包括居民用户在内的太阳能市场的太阳能采集装置、系统和方法将是有利 的。
技术实现思路
根据本专利技术、本专利技术的各种实施例，本专利技术提供了用于采集并转换太阳能的装置、 系统和方法。在一种实施例中提供了太阳能装置。该装置包含光伏（PV)单元以及与PV单 元关联的材料层。材料层具有各自与相邻的NP按照为平均NP直径的大约10%~150%的 间距间隔开的多个纳米粒子（NP)。材料层相对于PV单元来定位，以在NP与PV单元之间提 供光学透明的材料间隙。 根据一种实施例，NP包含银、金和铜中的至少一种。在一种实施例中，NP包含金 属芯和基本上透明的外壳。例如，外壳可以包含二氧化娃（silica)。在一种特定的实施例 中，外壳可以展示出大约10~20纳米的厚度。 在一种实施例中，NP展示出大约30mV或更大的绝对zeta电荷（zetacharge)。 NP另外还可以展示出大约2纳米至大约10纳米的平均直径。 在另一种实施例中，NP基本上是球形的，并展示出了大约10至大约250纳米的平 均直径。 在另一种实施例中，NP包含展示出大约150nm的从底部到顶点的高度以及大约10 至大约40nm的厚度的三角形小板（platelet)。 在一种实施例中，NP展示出为NP的直径的大约50%至大约300%的球体间距。 根据另一种实施例，本专利技术提供一种制造太阳能装置的方法。该方法包括：提供光 伏（PV)单元并且将多个纳米粒子（NP)布置为与PV单元相邻，以创建等离子体激元，其中 在等离子体激元与PV单元之间存在光学透明的材料间隙。 在一种实施例中将多个NP布置为与PV单元相邻包括布置多个复合NP。例如，NP 可以设置有金属芯和光学透明的外壳。 根据另一种实施例，本专利技术提供了一种改造具有PV单元的太阳能器件的方法。该 方法包括将多个NP布置为与PV单元相邻以创建在等离子体激元与PV单元之间具有光学 透明的材料间隙的等离子体激元。 该方法还可以包括将该多个NP布置于位于PV单元上方的太阳能器件的现有衬底 上。 在一种实施例中，该方法可以包括将含有多个NP的膜安置于衬底上。在另一种实 施例中，该方法可以包括以包含多个NP的新衬底来替换太阳能单元的现有衬底。 在一种实施例中，该方法包括将NP悬浮于溶液中，NP展示出了基本上均匀的间 距，其中该基本上均匀的间距至少部分地受NP外壳的厚度来控制。 根据本专利技术的又一种实施例，本专利技术提供了一种用于制造衬底的方法。该方 法包括提供含有高zeta电荷、基本上球形的纳米粒子（NP)的水溶液，形成溶液的凝胶 (gelatin)，以凝胶涂覆透明的聚合物网状衬底（websubstrate)并且从所涂覆的聚合物网 (polymerweb)中去除水分。在一种实施例中，该方法可以包括提供为银NP的NP。 在某些实施例中，该方法包括提供可展示出大约30mV或更大的绝对zeta电荷的 NP0 在一种实施例中，NP可以展示出大约2纳米至大约10纳米的平均直径。 在一种实施例中，NP可以按照基本上均匀的分布悬浮于溶液内，展示出大约1纳 米至大约5纳米的纳米粒子间距。 在一种实施例中，形成凝胶可以包括形成包含聚氨酯的凝胶。 -种实施例的特征和元件可以与其他实施例的特征和元件结合，没有限制。【附图说明】 通过阅读下面的详细描述以及参照附图将更好理解本专利技术的前述及其他优点，在 附图中： 图1是示出与常规的PV太阳能单元的灵敏度相比的太阳光的峰值功率或光子输 出的曲线； 图2 _ 8是根据本专利技术的实施例的各种纳米粒子和复合纳米粒子的截面图； 图9和10是根据本专利技术的实施例的各种纳米粒子和复合纳米粒子的透视图； 图11是太阳光的功率或光子输出与根据本专利技术的一种实施例的PV单元比较的曲 线； 图12示出了一层随机分布的纳米粒子层以及光与该层的相互作用； 图13A和13B各自示出了与根据本专利技术的不同实施例的PV单元关联的一层均匀 分布的纳米粒子； 图14是太阳能模块的局部截面图； 图15是根据本专利技术的一种实施例的太阳能模块的局部截面图； 图16是根据本专利技术的另一本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种太阳能装置，包括：光伏(PV)单元；与所述PV单元关联的材料层，具有多个纳米粒子(NP)，每个纳米粒子按照为平均NP直径的大约10％～150％的间距与相邻的NP间隔开，其中所述材料层相对于所述PV单元而定位以在所述NP与所述PV单元之间提供光学透明的材料间隙。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：W·D·比克莫雷，
申请(专利权)人：倍能源有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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