一种多光谱区集成的太阳能光电转换方法与器件技术

本发明专利技术属于光学电子器件技术领域，具体为一种多光谱区集成的太阳能光电转换方法与器件。利用高效率的光栅、棱镜或薄膜滤光片等器件，将太阳光的３００－１０００ｎｍ主光谱区分成多个子光谱区，采用与子光谱区相对应的高效率（≥６０％）光电转换器件，分别将各子光谱区的太阳能转换成电能，实现在全太阳光谱区所组合集成的光电转换效率≥６０％，具有较优的按单位面积和单位成本计算的优值因子。这是一种新型太阳能光电转换器件，具有无环境污染、工艺成熟、低成本、长寿命等优点，可获得实际应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学电子器件
，具体涉及一种太阳能光电转换方法与器件。技术背景全球不可再生的矿物能源消耗和短缺将制约经济的发展，在寻求绿色新能源的努力中， 太阳能器件的研制和应用将是最重要的新能源战略发展方向。经过半个多世纪的研究和发展，因受到材料特性、工艺、成本和使用寿命等多种因素 制约，目前在太阳能光电转换方面应用最广泛的依然是硅基器件。在实验室环境下，单晶 硅、多晶硅和非晶硅电池分别可达到约为24%、 18%和12%的最高效率。商用器件的实 际光电转换效率低于实验室水平。这主要是这类半导体材料间接带隙的能带特征限制了光 电转换效率的提高，在短期内不可能通过低成本的人工方法来改变材料的天然属性。某些有机光电器件尽管在实验室条件下显示出较优异的光电转换效率，由于器件需要 经受包括紫外光在内的宽光谱太阳光辐照，以及要在野外的四季和昼夜等恶劣温差条件工 作长达20年，对于使用寿命和环境等的严苛要求限制了有机器件的推广应用。基于直接带隙能带结构的无机化合半导体器件一般都具有很高的光电转换效率，但工 艺成本较高，单一器件的工作光谱范围通常较窄，仅在少数可承受较高成本(如航天、国 防和科研)等领域被应用。试图突破上述物理限制的新原理和应用研究正成为国际学术和产业界努力的重点，但 真正获得新器件研制的突破和实际应用，仍有很长和艰苦的路要走，难于在短期内被实现。因此，基于材料来源丰富度、工艺成熟度、市场成本和寿命等综合因素的考虑，目前 国际产业界(如美国AM公司等主要国际半导体设备商)的努力方向是发展非晶硅薄膜太 阳能器件，具有与微电子工艺相兼容、材料消耗少、低成本、长寿命、可实现规模化生产 等显著优点，缺点是光电转换效率低于10%，以及不具有自主知识产权。太阳光的能量主要分布在300 — 1000nm(纳米)以可见光为主的光谱范围，峰值约在 500nm。受到天然或人工材料能带结构的物理制约，目前，无任何单一种类的半导体光电 器件的工作区可匹配并覆盖太阳能的主要光谱区，即光电转换效率在太阳光谱区内的分布 是极不均匀的，其峰值转换效率难以与太阳光谱相匹配，导致在实际光电转换应用中来自太阳光的大部分能量都被透射、反射或被转换成热而被浪费掉了。因此，目前的太阳能半 导体光电转换器件的转换效率都比较低， 一般仅为10%左右。在本专利技术中，将采用新型的多光谱分区并集成的太阳能光电器件结构，兼顾器件工艺、 成本、效率等综合因素，实现具有自主知识产权的可供实用的高效率太阳能器件。具体方法是，通过一个透射或反射宽光谱光学聚焦器件，将太阳光聚焦进近似无损 耗的能量传输光纤中，从光纤导出的太阳光经过一个组合式分光器件，将太阳光谱分成 多个子光谱区，分别被所对应的光电器件高效率地转换成电能。由于采用了聚焦和组合 式集成技术，极大縮小了器件的有效面积和提高了全光谱光电转换效率，综合质量和成 本等因素将优于硅基器件。这是一种新型太阳能光电转换器件，按单位面积和单位成 本计算的优值因子高，具有无环境污染、工艺成熟、低成本、长寿命等优点，可获得 实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种能够大大提高光电转换效率的太阳能光电转换方法及 器件。本专利技术提出的太阳能光电转换的方法，具体步骤如下1、 聚焦，通过一个透射或反射宽光谱光学聚焦器件，将太阳光收集并聚焦进近 似无损耗的能量传输光纤中；2、 分区，将从光纤导出的太阳光，根据其主要光谱区300-1000nm的波长区分为 n个子光谱区，n为2-10的整数；3、 转换，采用与太阳光各子光谱区相对应的高效率光电转换器件，分别将各子 光谱区的太阳能转换成电能，实现在全太阳光谱区组合集成的光电转换。上述方法中，关键在于将太阳能主要光谱区进行分区的思想。通过组合的分光器件， 将太阳光的主光谱区300—1000mn分成多个子光谱区，是容易实现的；由于各子光谱区的 范围比较小，所采用的针对该子光谱区子电光转换器件的光电转换效率可以达到很高， 一般可达到60%以上。最后，由各子光电转换器件组合集成，得到全太阳能的光电转换， 其转换效率也在60%以上。对应于上述方法，本专利技术设计的太阳能光电转换器件包括如下几个部分 第一部分，太阳光收集、聚焦器件，可采用透射或反射光学聚焦镜， 第二部分，组合式分光器件，将太阳光主光谱区300—1000nm分成n个子光谱区，一 般n为2-10个，组合式分光器件具体可采用光栅、棱镜或薄膜滤光片等。 第一部分与第二部分之间由光纤连接，传输太阳光能。第三部分，组合式光电转换器件，针对第二部分的各子光谱区，分别设置对应的子光 电转换器件。各子光电转换器件接收对应子光谱区的太阳光能量，分别将各子光谱区的太 阳能转换为电能。根据同样的方法和原理，可将本专利技术的太阳能光谱区扩展到紫外短波(〈300nm)和红外 长波(波长〉1000nm)的光谱区，从而进一步提高太阳能的光电转换效率。设太阳能器件的面积为A，单位面积的器件成本为B，全光谱光电转换的效率为C,则 器件的综合优值因子T可被简化为T = iiC/AB (1)式中q为光的传输损耗因子。如以非晶硅(a-Si)薄膜器件为参照，并按规一化条件， 其T^值为Ta—Si- H a-SiCa—Si / Aa-siBa—si (2)在本专利技术的新型器件结构中，其T。值为T。=ii。C。/A。B。 (3) 因此，将两种器件的T值作比较S =L/TVSi= [ / A0B。 ] / [ Tl a-SiGa-Si / Aa-SiBa-Si ]=(il 。/ a-Si) (C。/Ca—Si) (Aa—Si/A。) (Ba-Si/B。) (4)在实际器件结构中，il。/ ru-si = 0.9 (传输损耗比)，A。/Aa-Si=0.01 (器件面积比)， B。/Ba—si二50 (单位面积的器件成本比)，C。/Ca—Si = 6，(全光谱光电转换效率比)，因此，将 可获得S>10的优值；如果取A。/Aa-si二0.02， B。/Ba-Si = 100，也可获得I >2的优值，这是 采用单一硅基等光电器件结构和方法难以实现的。 附图说明图1为本专利技术方法和器件结构示意图。图中标号l为太阳光，2为太阳能收集器，3为太阳能光谱分区器件(组合式分光器件)，4为被划分的太阳能光谱区，5为组合式光电转换器。具体实施方式器件结构如图1的示意图所示，对于本专利技术所采用的太阳能多光谱分区和集成的 高效率光电转换器件的结构如下第一部分是收集太阳光，自然界的太阳光1由太阳光收集器2收集。太阳光收集 器2可采用玻璃、石英等透明光学玻璃材料对太阳光进行光学聚焦，或采用金属等光 学反射聚焦镜，或采用平面透射或反射聚焦镜，将太阳光收集并聚焦在传输能量的石 英或玻璃光纤端面上，在光纤的进出端面上镀防反射膜，设计合适的聚光角，与满足 全内反射条件的光纤入射角匹配，使得在太阳光传输过程中几乎无能量损失。从光纤 导出的太阳光进入太阳能光谱分区器件3，按子光谱区排列进行分光。第二部分对太阳光主光谱区进行分区。采用高效率的光栅、棱镜或薄膜滤光片等器件，将太阳光的300-1000mn主光谱区分成多个(〉2)子光谱区。例如，将太阳光 主光谱区分成5个区，每个区为300—400nm，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多光谱区集成的太阳能光电转换方法，其特征在于具体步骤如下：（１）、聚焦，通过一个透射或反射宽光谱光学聚焦器件，将太阳光收集并聚焦进近似无损耗的能量传输光纤中；（２）、分区，将从光纤导出的太阳光，根据其主要光谱区３００－１ ０００ｎｍ的波长区分为ｎ个子光谱区，ｎ为２－１０的整数；（３）、转换，采用与太阳光各子光谱区相对应的高效率光电转换器件，分别将各子光谱区的太阳能转换成电能，实现在全太阳光谱区组合集成的光电转换。

【技术特征摘要】
1、一种多光谱区集成的太阳能光电转换方法，其特征在于具体步骤如下(1)、聚焦，通过一个透射或反射宽光谱光学聚焦器件，将太阳光收集并聚焦进近似无损耗的能量传输光纤中；(2)、分区，将从光纤导出的太阳光，根据其主要光谱区300-1000nm的波长区分为n个子光谱区，n为2-10的整数；(3)、转换，采用与太阳光各子光谱区相对应的高效率光电转换器件，分别将各子光谱区的太阳能转换成电能，实现在全太阳光谱区组合集成的光电转换。2、 一种多光谱区集成的太阳能光电转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈良尧，赵源，周薇溪，郑玉祥，杨月梅，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]