[发明专利]用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于太阳光谱分光的紧凑型分光元件的结构设计方法。

背景技术

太阳能发电技术作为一种清洁的、可再生能源利用技术不断取得突破。光电转换效率的不断提高及制造成本的持续降低使得光伏技术在空间和地面都得到了广泛的应用。在效率提高方面，由于太阳光谱中的能量分布较宽，任何一种半导体材料都只能吸收其中能量的一部分。低于其带隙能量的光子将透过电池，被背电极金属吸收，转化成热能；而高出其带隙能量很多的太阳光所产生的载流子则通过热化将能量传递给材料本身的点阵原子，这些能量不能通过光生载流子传给负载，变成有效的电能。因此单结太阳能电池的理论转换效率一般较低。多结级联式太阳电池结构可以有效地实现对太阳光的全光谱吸收，从而提高光电转换效率。理论上来说，结数越多，效率越高。但是在实践上，很难找到在带隙宽度上理想搭配，晶格常数又非常匹配的两种材料来实现单片级联电池结构。目前所知的直接生长的四结级联式太阳电池的最高效率仅为35.7％，低于三结InGaP/(In)GaAs/Ge电池的40.7％。这表明要实现最大限度地与太阳光谱匹配，在此三结级联电池中增加新的材料，虽然带隙宽度可以理想搭配，但是由于受到不同半导体材料间晶格常数失配和由失配带来的应力引起的缺陷等问题的限制，生长三结以上的太阳能电池变得十分困难，同时材料的生长成品率低、成本昂贵。

基于以上问题，2007年以美国特拉华大学为首的研究团队利用一个二向色镜，将太阳光谱分为能量不同的两部分，分别被不同带隙能量的太阳电池材料所吸收。这种设计有效地降低了材料生长的困难从而获得了42.8％的电池转换效率。这对未来多结电池的发展提供了一种思路，即可以通过二次甚至多次分光来有效地提高全光谱吸收从而获得更高效率。但多次分光同时带来一些问题，即太阳光经过分光元件后在前后两个界面会存在界面损失，从而导致太阳电池模块的输出效率要远小于太阳电池的效率。因此，减少分光元件的光学损失对分光技术的使用是十分关键的问题，尤其是对太阳光进行两次以上的分光。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于太阳光谱分光的紧凑型分光元件的结构设计方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，特点是：制作一光学玻璃，其折射率为1.5，包括第一界面、第二界面、第三界面，第一界面与第二界面相互平行，第二界面与第三界面的夹角为28度；在第一界面镀介质膜，在第二界面也镀介质膜，其中，第一界面镀介质膜将能量高于2.7eV的太阳光反射被第一电池所吸收，能量低于2.7eV的太阳光透射进入光学玻璃中；第二界面镀介质膜，将能量范围在1.4～2.4eV的太阳光反射经过第三界面被第二电池吸收，将能量低于1.4eV的太阳光透射被第三电池吸收；从而，不同能量的太阳光被不同带隙能量的太阳电池所吸收，由各级子电池半导体材料吸收利用与其带隙宽度最相匹配的太阳光谱，实现太阳光的全光谱转换。

进一步地，上述的用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，第一电池和第二电池固定在同一散热片上，经第一界面反射的太阳光垂直入射到第一电池，被第一电池垂直吸收；相似地，经第二界面反射的太阳光被第二电池垂直吸收；第三电池与第二界面的夹角为45度，使透射的太阳光正入射到第三电池上。

更进一步地，上述的用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，所述第一界面介质膜材料为TiO₂和SiO₂。

更进一步地，上述的用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，所述第二界面介质膜材料为TiO₂和SiO₂。

再进一步地，上述的用于太阳电池的紧凑型分光元件的设计方法，所述光学玻璃的厚度在5mm。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①本发明通过一块光学玻璃的不同表面的镀膜工艺实现太阳光谱的分光，采用一块玻璃实现对太阳光谱的二次分光，相比于以前所采用的传统分光方式，减少了一个界面，减少了光的损失，从而可以有效地提高系统效率；

②减少了光学对准过程，节省了空间；

③只采用一块光学玻璃，有利于分光元件和电池的系统集成，易于大规模生产，堪称是一项具有新颖性、创造性、实用性的好技术。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明紧凑型光学分光元件的结构示意图。

图中各附图标记的含义见下表：