光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及光伏‑热电耦合系统中的全光谱光子管理系统，属于半导体器件能源管理领域。该管理系统沿光的调控路径依次包括全光谱减反子系统、光伏电池、低能光子透射子系统或吸收子系统、以及热电器件；上述全光谱减反子系统由若干周期空心纳米柱（2）和分布于周期空心纳米柱（2）周边的无规则纳米孔（3）组成；上述光伏电池为单晶硅电池；上述低能光子透射子系统由TiO2增透膜（4）和SiO2增透膜（5）组成。本发明专利技术改善光伏电池只能利用部分入射光子能量和内部热化损失无法被利用的缺陷，实现了光伏‑热电耦合系统对太阳能全光谱的高效利用。

All optical coupling system of photovoltaic thermoelectric spectrum management method and system of photon

The present invention relates to optical coupling system of photovoltaic power spectrum and photon system management method, semiconductor device belongs to the field of energy management. The invention comprises the following steps: Step 1, light through the whole antireflective sub system to reduce the total reflection band, the photon energy into full spectrum solar cells, photonic band gap values are higher than the energy absorbed by the solar cell; step 2, lower than the low photonic band gap value by low energy photon transmission subsystem or low-energy photon absorption the subsystem, and then converted into heat by using thermoelectric devices. The invention improves the defects of photovoltaic cells can only use part of the incident photon energy and internal thermalisation losses can not be used, to achieve the efficient use of solar photovoltaic thermoelectric coupling system of full spectrum.

【技术实现步骤摘要】
光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理方法及系统
本专利技术属于半导体器件能源管理领域，具体涉及光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理方法及系统。
技术介绍
随着人类对化石能源的大量开采和消耗，能源危机逐渐成为国际社会关注的焦点。作为具有巨大储量的可再生清洁能源，太阳能无疑是最有利用前景的能源之一。现如今，光伏电池已经成为利用太阳能的主要方法之一，但是由于半导体材料的禁带宽度限制，传统的半导体电池只能利用能量高于禁带宽度部分的光能，大大限制了太阳能利用效率的提升。近年来，光伏-热电(PV-TE)耦合系统的提出突破了传统光伏电池的限制，使得宽光谱太阳能高效利用成为了可能，通过将热电器件放置在光伏电池的底部，将光伏电池作为热电材料的热端使用，充分利用低于禁带值的太阳光子能量以及光伏电池本身的废热，因此，如何实现该系统内部全光谱光子能量的合理梯级分配，使不同波段的光子能量被不同器件充分利用，是通过该系统实现全光谱太阳能利用的一个关键问题。
技术实现思路
为了改善光伏电池只能利用部分入射光子能量和内部热化损失无法被利用的缺陷，实现光伏-热电耦合系统对太阳能全光谱的高效利用，本专利技术提供一种光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理方法及系统。光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理方法，其特征在于过程：步骤1、光通过全光谱减反子系统减少全波段反射，使全光谱的光子能量进入光伏电池，高于禁带值的高能光子被光伏电池吸收利用；步骤2、低于禁带值的低能光子通过低能光子透射子系统或低能光子吸收子系统，进而转换为热量被热电器件利用。实现权利要求1所述光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理方法的管理系统，其特征在于：该管理系统沿光的调控路径依次包括用于减少全光谱反射的全光谱减反子系统、光伏电池、低能光子透射子系统或吸收子系统、以及热电器件。所述的光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理系统，其特征在于：上述低能光子透射子系统或吸收子系统，以及全光谱减反子系统均具有广角性与偏振不敏感特性，即入射角为0°-50°范围内和不同偏振状态下均能保持上述管理系统的调控功能。所述的光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理系统，其特征在于：上述全光谱减反子系统由以下一种结构组成或几种结构组合组成：蛾眼结构、纳米锥结构、纳米金字塔结构、纳米柱结构、纳米孔结构、等离激元结构。所述的光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理系统，其特征在于：上述低能光子透射子系统由以下一种结构组成或几种结构组合组成：蛾眼结构、纳米锥结构、纳米金字塔结构、纳米柱结构、纳米孔结构、等离激元结构。所述的光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理系统，其特征在于：上述低能光子吸收子系统由红外高温吸收材料形成的结构组成。上述的各种结构形成的全光谱光子管理系统、以及系统所具有的广角性与偏振不敏感特性，均通过光与物质相互作用的原理，利用微结构与光子之间的不同效应，如梯度折射率、散射、微腔效应、等离激元等，实现对全光谱特性（吸收和透射）的调控。针对高能和低能光子的不同调控需求，通过调控结构的尺寸、排列方式、组合方式等，实现所需的光子管理效果。所述的光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理系统，其特征在于：上述光伏电池包括单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、砷化镓电池、钙钛矿电池、铜铟镓硒电池、染料敏化电池、有机电池、HIT电池。不同种类的电池具有不同的禁带宽度，对应的高能光子和低能光子所处的波段也不同，因此同样需要设计结构的尺寸、排列方式、组合方式等来应对不同种类电池的全光谱光子管理需求。所述的光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理系统，其特征在于具体结构如下：上述全光谱减反子系统由若干周期空心纳米柱和分布于周期空心纳米柱周边的无规则纳米孔组成；上述光伏电池为单晶硅电池；上述低能光子透射子系统由TiO2增透膜和SiO2增透膜组成。所述的光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理系统，其特征在于具体结构如下：上述周期空心纳米柱的周期为600nm，外径在380nm，内径为50-250nm之间，高度为2000nm。周期空心纳米柱与随机纳米孔的组合增强了光子在结构内的散射，实现全波段（300-2500nm）减反，底部TiO2和SiO2透射膜层形成的梯度折射率实现低能光子的透射，使得单晶硅高于其禁带值（300-1100nm）的高能光子的吸收可达约97%，约55%低能光子能够透射到热电器件，且兼具广角性和偏振不敏感特性。附图说明图1本专利技术结构示意图；图中标号名称：1、半导体基底，2、周期空心纳米柱，3、周边无规则纳米孔，4、TiO2增透膜，5、SiO2增透膜，P为周期空心纳米柱的周期，D1为周期空心纳米柱的外径，D2为周期空心纳米柱的内径，H为周期空心纳米柱的高度。具体实施方式上述光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理方法为：高于光伏电池禁带值的高能光子被光伏电池吸收利用，低于光伏电池禁带值的低能光子能量能够到达热电器件的热端，使其与电池本身的热化损失能量一起被底部的热电器件利用，实现对全光谱光子能量的梯级调控与利用。该方法以硅电池上设计的结构为例说明，硅电池为目前商业应用最广的电池，并且采用了结构用于提高高于禁带值的高能光子的吸收。以单晶电池为基础，在硅片的表面设计多种形式、尺寸和排列组合形式的结构，可以获得能够应用于光伏-热电耦合系统的全光谱光子管理效果。在此基础上，这种光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理方法和结构还可以适用于其他类型的光伏电池，这种具体包括：具体实例1：光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理方法和结构，具体实施方式为：选用单晶硅为光伏电池材料，其全光谱管理方法为：使得高于单晶硅禁带值（300-1100nm）的高能光子被单晶硅材料吸收，低于单晶硅禁带值（1100-2500nm）透过单晶硅到达热电器件热端。实施方案中的结构为：硅基底上，空心纳米柱为六方周期排列，每个空心纳米柱的中心线之间距离为600nm，空心纳米柱外径为380nm，内径为250nm，高度为2000nm。底面透射膜层，第一层膜层的材料为二氧化钛，厚度为50nm。地面透射膜层，第二层膜层的材料为二氧化硅，厚度为50nm。此实例实施获得的光伏-热电耦合系统中上表面复合结构与下表面膜层结构复合的全光谱光子管理结构，在高于单晶硅禁带值（300-1100nm）的波段内，单晶硅平均吸收率为97%，在低于单晶硅禁带值（1100-2500nm）的波段内，单晶硅平均透射为55%，并在入射角（0-50°）和不同偏振情况（TE波和TM波）下的全光谱光子管理效果变化很小。具体实例2：光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理方法和结构，具体实施方式为：选用单晶硅为光伏电池材料，其全光谱管理方法为：使得高于单晶硅禁带值（300-1100nm）的高能光子被单晶硅吸收，低于单晶硅禁带值（1100-2500nm）透过单晶硅到达热电器件热端。实施方案中的结构为：硅基底上，空心纳米柱为六方周期排列，每个空心纳米柱的中心线之间距离为600nm，空心纳米柱外径为380nm，内径为150nm，高度为2000nm。底面透射膜层，第一层膜层的材料为二氧化钛，厚度为50nm。地面透射膜层，第二层膜层的材料为二氧化硅，厚度为50nm。此实例实施获得的光伏-热电耦合系统中上表面复合结构与下表面膜层结构复合的全本文档来自技高网...

【技术保护点】
光伏‑热电耦合系统中的全光谱光子管理方法，其特征在于过程：步骤1、光通过全光谱减反子系统减少全波段反射，使全光谱的光子能量进入光伏电池，高于禁带值的高能光子被光伏电池吸收利用；步骤2、低于禁带值的低能光子通过低能光子透射子系统或低能光子吸收子系统，进而转换为热量被热电器件利用。

【技术特征摘要】
1.光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理方法，其特征在于过程：步骤1、光通过全光谱减反子系统减少全波段反射，使全光谱的光子能量进入光伏电池，高于禁带值的高能光子被光伏电池吸收利用；步骤2、低于禁带值的低能光子通过低能光子透射子系统或低能光子吸收子系统，进而转换为热量被热电器件利用。2.实现权利要求1所述光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理方法的管理系统，其特征在于：该管理系统沿光的调控路径依次包括用于减少全光谱反射的全光谱减反子系统、光伏电池、低能光子透射子系统或吸收子系统、以及热电器件。3.根据权利要求2所述的光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理系统，其特征在于：上述低能光子透射子系统或吸收子系统，以及全光谱减反子系统均具有广角性与偏振不敏感特性。4.根据权利要求2所述的光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理系统，其特征在于：上述全光谱减反子系统由以下一种结构组成或几种结构组合组成：蛾眼结构、纳米锥结构、纳米金字塔结构、纳米柱结构、纳米孔结构、等离激元结构。5.根据权利要求2所述的光伏-热电耦合系统中的全光谱光子管理系统，其特征在于：上述低能...

【专利技术属性】
技术研发人员：宣益民，徐元培，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32