[发明专利]太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，特别是涉及一种基于分色聚焦的光学元件的高效率太阳能电池。

背景技术

太阳能是一种无污染、取之不尽的可再生能源，对太阳能利用的一种重要方式就是采用太阳能电池把光能转化成电能。太阳能电池的主要原理，以半导体为例，是利用半导体材料的光伏效应去吸收太阳光的能量并转换成电能。当前制约太阳能广泛利用的两个主要因素就是低光电转换效率和高成本。目前，主要通过对太阳光进行聚焦以减少使用昂贵的太阳能电池材料的方式来降低成本。而在实际的使用中，由于不同半导体材料具有的带隙结构不同，能量低于带隙的光无法被吸收转换成电能，能量高于带隙的光虽然被吸收，但超过带隙的那部分能量将以热的形式被浪费掉，因此，采用单一带隙的半导体材料的太阳能电池转换效率较低。采用分色方案，即利用光栅或棱镜等分色光学元件将太阳光的不同波段分开(形成波长分离区域，类似彩虹，可称之为彩虹带)，采用不同带隙的半导体材料来分别吸收转换太阳光各个波段的能量，是实现高光电转换效率的重要途径。

基于以上思想，对太阳光进行分色和聚焦，是实现太阳能高效率、低成本的重要途径。就分色而言，目前世界上主要有两类研究方案，即串联(又称为“级联”)和并联(又称为“横向”)方式。在串联结构中，沿垂直方向自下往上依次生长不同的半导体材料，它们的带隙能量逐渐增加，这种方式在业界通常称为“串联多结电池”。同时，还需要再提供一个高倍聚焦的光学系统以降低成本。这种“串联”方案的缺点在于，不同半导体层之间需要考虑晶格匹配，不仅材料选择性降低，而且材料之间需要具有隧道结，这需要采用分子束外延等技术进行生长，对工艺要求很高；此外，由于不同带隙的半导体之间串联连接，在实际工作时还需要电流匹配，效率亦有所损失。并联结构能够克服上述缺点，因而得到了更多关注。并联结构是指采用光学系统对太阳光同时实现分色和聚焦，使不同波段的太阳光聚焦到不同的区域，然后在对应区域上放置对该波段能量转换效率最高的半导体材料，各半导体材料独立工作。

目前已知的并联结构实现方案主要有两种，第一种是利用二相色镜(Dichroicmirror)对太阳光进行分色，将太阳光分成长波和短波两个波段成分。为获得较高的分色效率，这种二相色镜通常需要镀膜达到十几层、甚至几十层，技术上很困难。第二种是用透镜加棱镜组合分光的方案，这种方案使得光学器件体积庞大。目前存在的并联结构缺点在于光学系统的成本会非常高。

对于并联结构，本申请人在以前的专利或专利申请中公开了多种分色且聚焦的光学元件的设计方案，可参见：

1、中国实用新型专利201120442133.6：高效率分色聚焦衍射光学元件及使用其的太阳能电池；

2、中国发明专利CN201110351978.9：一种衍射光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用；

3、中国发明专利申请201210482517.X：基于常规光学元件设计衍射光学元件的方法；

4、中国发明专利申请201210480434.7：单片式光学元件以及单片式衍射光学元件的设计方法；以及

5、中国发明专利申请201310546100.X：反射式光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用。

这些光学元件将太阳光(入射光线)的多个波长(λ₁，λ₂，λ₃)分别分色且聚焦到一输出平面上的不同位置处(参见图1和图2)；然后将与多个波长对应的多种半导体材料电池分别设置在所述输出平面的对应波长的相应聚焦区域处，以吸收对应波长附近波段的太阳光。这样设计获得的太阳能电池具有体积小、成本低且光电转换效率高的优点。

发明内容

尽管本申请人根据上述专利设计的太阳能电池，从理论上讲已经可望实现较高的光电转换效率；但本申请的发明人发现，太阳光的各波长虽然在输出平面上存在相应的聚焦区域，并被不同半导体材料电池分别高效转换，但是在输出平面上同时还存在着这样一个区域：具有一定能量的多个波长的混合区域，而对这一部分能量的利用由于之前并未发现从而并未在前述专利中给予考虑。如果这部分能量能够被合理的利用，将使太阳能电池实现更高的光电转换效率。

因此，本发明的一个目的是要提供一种具有高光电转换效率的太阳能电池。

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种太阳能电池，包括：

光学元件，用于将太阳光的多个波长在输出平面上形成所述多个波长分别聚焦的多个单色区域以及所述多个波长混合汇聚的混合区域；和