[发明专利]一种多光谱区集成的太阳能光电转换方法与器件

说明书

技术领域

本发明属于光学电子器件技术领域，具体涉及一种太阳能光电转换方法与器件。

背景技术

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。

在本发明中，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，极大缩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。

发明内容

本发明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。

本发明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300-1000nm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，本发明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。