[发明专利]用于聚集光的方法和装置

说明书

有关申请的交叉参考

本申请要求2005年12月19日提交的、题为“Method and Apparatus forConcentrating Light”的美国临时申请60/751810号的权益。

技术领域

本发明一般涉及用于收集光的装置，尤其涉及收集光、根据光谱内容分离光以及把经分离的光聚集到两个或多个接收机的装置。

背景技术

在许多应用中，辐射能量的有效收集和聚集是有用的，并且对于把太阳能转换成电能的装置具有特别的价值。聚能器太阳能电池使之有可能得到大量的太阳能，并且聚集该能量使之成为热或用于从光电接收机产生直流电流。

得到太阳能的大规模光聚能器一般包括安排成用于使光聚集到放置在焦点处的接收机的光学系统的、一组相对立的曲面镜。只是作为几个例子，Nakamura的题为“Sunlight Collecting System”的美国专利5,979,438号以及Winston等人的题为“High Flux Solar Energy Transformation”的美国专利5,005,958号的两个文件中描述了大规模太阳能系统，该系统使用相对立的主要和次要镜的组。作为提供更小型化收集装置的更近的开发，已经引入了平面聚能器，诸如Roland Winston和Jeffrey M.Gordon在Optics Letters，30卷，19期，2617-2619页的题为“Planar Concentrators Near the EtendueLimit”的文件中所描述的解决方案。平面聚能器使用通过介电光学材料分开的主要和次要的曲面镜，用于提供高的光通量聚集。

一些类型的太阳能系统是通过使光能转换成热能而操作的。在各种类型的平板收集器和太阳能聚能器中，聚集的太阳光使通过太阳能电池流动的液体加热到产生电功率的高温。更适用于薄的面板和更小型化设备中使用的、另外类型的太阳能转换机构使用光电(PV)材料，使太阳光直接转换成电能。可以从各种类型的硅和其它半导体材料来形成光电材料，并且使用半导体制造技术来制造。许多制造商提供光电部件，例如，诸如Emcore Photovoltaics，Albuquerque，NM。在硅是较不昂贵的同时，较高性能的光电材料是由诸如铝、镓和铟之类的元素与诸如氮和砷之类的元素一起制造的合金。

众所周知，太阳光包含分布较广的光谱内容，范围从紫外(UV)，通过可见，到红外(IR)波长，每个波长具有相关联的能级，一般以术语电子-伏特(eV)来表示。不必惊奇，由于材料之间的不同带隙特性，任何一种特定光电材料的响应都取决于入射波长。能级在材料带隙之下的光子从中滑掉。例如，高带隙半导体不吸收红光光子(名义上在1.9eV左右)。同时，吸收能级大于材料的带隙的光子。例如，在低带隙半导体中，作为热而浪费了来自紫外光光子的能量(名义上在3eV左右)。

从光电材料得到较高效率的一个策略是形成堆叠的光电电池，有时也称为多结光电器件。通过在光电池的顶部相互堆叠多个光电电池来形成这些器件。具有如此的设计，在堆叠中的每个相继的光电电池相对于入射光源具有较低的带隙能量。例如，在一个简单的堆叠光电器件中，由砷化镓(GaAs)组成的上光电电池捕获较高能量的蓝光。锑化镓(GaSb)的第二电池把较低能量的红外光转换成电。在Sano等人的题为“Stacked Photovoltaic Device”的美国专利6,835,888号中给出堆叠光电器件的一个例子。

在堆叠光电器件可以在总效率方面提供某些改进措施的同时，这些多层的器件制造起来成本较高。在可以堆叠在一起的材料类型方面也存在限制，使得如此的方法在大范围应用方面的经济性也是一个疑问。另外的方法是根据波长把光分离成两个或多个光谱部分，并且把每个部分聚集到合适的光电器件上。这个方法使光电器件的制造简化，成本减少，并且可以考虑使用极多种的半导体。这个类型的解决方案需要支持光学器件，用于把光分离成合适的光谱分量和把每个光谱分量聚集到它相应的光电表面上。