[发明专利]垂直堆叠的光伏和热太阳能电池

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年12月21日提交的题为“Vertically Stacked Photovoltaic and Thermal Solar Cell(垂直堆叠的光伏和热太阳能电池)”的美国临时专利申请S/N61/288,632的优先权，该申请通过引用结合于此。

政府赞助

美国政府具有本发明的已付许可，并且在有限的情况下有权要求专利权人在如美国能源部颁发的批准号DE-FG36-08G088008的条款所规定的合理条款下许可其它人。

背景技术

本发明涉及一种新型的光伏(PV)太阳能电池系统，该系统结合集中器技术和冷却剂方法以使来自利用有机薄膜和/或无机薄膜半导体以堆叠形式垂直排列的光伏(PV)模块的电和热输出最大。

相关技术描述

目前国际上致力于实现包括有机光伏(OPV)设备和III-V半导体无机光伏(IPV)(例如但不限于铜铟镓硒化合物(CIGS))的薄膜设备的更高性能。目标是制造可以按照有效但廉价的方式产生电力的模块。

迄今为止，对于无机光伏(IPV)电池，由III-V半导体化合物制成的薄膜太阳能电池呈现领先的能量转换效率。在2008年，国家可再生能源实验室(NREL)的团队在铜铟镓硒化合物(CIGS)太阳能电池中实现了19.9％的效率。除了潜在的高效率，Ill-V半导体化合物材料相比于硅太阳能电池还具有优点，包括：元素组分的带隙可调性、直接带隙能量的光子吸收更高以及热降解更小。现有技术表明可通过多重堆叠不同带隙能量的光伏材料以形成所谓的多结或串接电池来实现效率提高。串接电池的理念是利用通过III-V半导体化合物的组分实现的带隙能量和晶格常数的可调性以从太阳光光谱更宽且更有效地吸收光子能量。迄今为止，已通过由NREL、Boeing-Spectrolab和Fraunhofer独立开发的三结InGaP/GaAs/Ge电池实现了约为40％的最高效率。

制造三结InGaP/GaAs/Ge电池的最近进展显示出接近理论极限的远大前景(在AM1.5D、1000太阳下效率为50.1％)。然而，这些电池的制造非常复杂。例如，串联的单片三结电池具有超过15个半导体层。通过采用有机金属化学气相沉积(MOCVD)的外延生长来沉积每个层，这倾向于需要这些堆叠的半导体材料之间精确的晶格匹配。虽然当前正在进行由NREL发起的开发下一代制造技术以制造42％高效的III-V三结串接集中器太阳能电池的努力，但是这些电池的大量生产将倾向于需要控制大面积的外延生长。因此，制造三结InGaP/GaAs/Ge电池仍然面临技术上的挑战。而且，制造这些串接电池的成本可能达不到峰值为1$/瓦的商业上可行的目标。

最近，基于美国国防高级研究计划局(DARPA)计划的合作团队报告了一种新颖的电池模块设计，其中通过分色滤色器分离阳光并将其独立地置于具有不同的带隙能量的电池中。在这种体系结构中，每个电池将接收太阳光谱的一部分，该部分被最有效地吸收并转化为电力。该体系结构避免了单片设备的子电池之间的电流匹配问题和上层子电池中的自由载流子吸收损耗。他们已采用适当的滤波器独立地测试三个电池(两个双结和一个单结)以模拟每个电池的光谱入射，并通过简单地总计三个电池的效率报告了42.7％的效率。这表明通过对电池模块的正确的光学设计，每个单独电池的设计可更简单地制造而不牺牲总效率。

对于有机光伏电池，多数努力集中于产生允许有效分离光生激子的聚合物-纳米颗粒混合物。基于这些“体异质结”混合物的设备体系结构产生入射光到电力的超过5％的转化。它们主要基于散布有C₆₀(富勒烯)偶联物的聚噻吩宿主。困难来自于：混合物的不同的宿主材料、可用分散相或纳米相可能不具有适当的电子结构或可能不能形成支持有效的谐振电荷转移的正确界面。低吸收范围以及随之而来的降低的填充因数的附加因素导致更低的功率转换效率。

在模块形式中，标准设备性能中的限制可包括IPV或OPV周围的温度升高的影响，并且升高的温度对太阳能电池的效率和寿命有不利影响。光伏设备的众所周知的问题为电池组件的由于暴露在阳光下所导致的温度升高引起的热降级。随着时间的推移，热降级倾向于影响电池的寿命。而且在以漫射光为主或将直射阳光散射成漫射形式的天气模式的区域中采集光还会产生其他问题。