[发明专利]用于太阳能光伏电池的光学模块及光伏电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于太阳能光伏电池的光学模块及光伏电池。

背景技术

太阳能电池是将太阳光转化为电流的光伏器件，其最主要的技术指标为光电转换效率。目前，关于这方面的研究主要在两个方向展开：太阳能聚集方法及分频谱吸收方法。

目前，许多集光器件已经可以达到很高的太阳能聚集度，太阳能电池系统的效率、经济性最终局限于光伏电池结的转化能力上。太阳能电池结的光电转换效率在能带优化的单一频谱是非常高的。然而，太阳光是包含不同频谱的宽带波谱，太阳能电池的整体效率由于其在频率高于或低于相应能带宽频率部分的迅速降低而降低。因此，科技人员提出了许多关于用2个或更多的不同能带宽的电池结组合接收同一光照以提高太阳光谱利用率方案。其中，每一个选择的能带宽度对应相应的太阳能频谱，从而优化转换效率。

传统的设计注重于太阳电池结的垂直叠置，其理想状态为每一个叠置的电池结结构相对于特定的频谱及能带宽度优化。图1示出了两级能带叠置的太阳能电池结示意图，其中材料1和材料2形成了相对于第一个能带宽度的第一个p-n结；材料2和材料3形成了相对于第二个能带宽度的第二个p-n结。然而，这种能带叠置法有许多难以克服的技术瓶颈，如晶格错位、材料的透过率有限、界面反射损失、不同结之间的电流兼容性等等。为平衡这些技术挑战，传统半导体工艺制作的能带结的叠置数目非常有限。因为每一个能带宽度根据太阳光频谱中的不同的频率响应优化，当能带结的叠置数目有限时，能利用的太阳光频谱宽度变得很窄，既太阳能的利用率或光电转换率变得很低。另外，由于叠置法的制作涉及复杂的多层膜、多步骤工艺，这导致了光伏电池不但昂贵而且效率远低于其理论值。正由于叠置法太阳能电池的复杂性及工艺难度，目前，能带结可行的叠置数在2到4个之间。

太阳能电池的设计者充分认识到太阳电池结的垂直叠置局限性，意识到并行(水平)排列的p-n结能避免垂直叠置的瓶颈。因为并行排列的p-n结可以分别在不同的基片上设计、制作以达到各自的优化组合。例如，每一种p-n结的能带可以根据太阳能频谱中特定的波段优化设计而无需考虑叠置法中的一系列问题，这既避免了复杂的制作工艺又极大地提高了太阳能电池的光电转换效率。另外，并行排列使得更多的能带可以组合在一起(可达到6至7个)，提高了被利用的太阳光频谱的宽度，即提高了光电转换效率。一个优化的设计可以使太阳能与电能的转换率达到60％至70％。

当然，并行排列的p-n结也可以在同一基片上以不同的材料设计、制作以达到各自的优化组合。这使得器件结构更加紧凑，但制作工艺比不同基片的选择来的复杂。

为了实现并行排列构造，太阳光必须根据频谱分光到不同的、相关的p-n结。这种分光主要通过以棱镜为基础的光学系统实现。美国专利US4,069,812及US6,469,241B1公开了一种以菲涅尔透镜为基础的曲面棱镜透镜，其功能为将太阳光分、聚到不同的几何位置上。这种结构可以有效地利用全频谱太阳能，但透镜到p-n结面板的距离较大，结构不够紧凑。这是由于其光学系统要使频谱的线分离的程度足够大，以保证相应的频谱照射到相关的p-n结上。而且以棱镜为基础的光学系统所分的频谱为连续频谱，两相邻电池元素间的频谱光能没有得到有效地利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效地提高太阳光能利用率的用于太阳能光伏电池的光学模块及光伏电池。

一种用于太阳能光伏电池的光学模块，它包括聚光板和置于所述的聚光板下的分光板，所述的聚光板将扩展太阳光压缩成一系列间隔的细小光束列，所述的分光板将每个细小光束根据频谱分光成细小光束列并根据频段顺序折射到不同的几何位置。

所述的聚光板为单片结构，所述的聚光板以光学玻璃或光学塑料为材料，所述的聚光板的两面为半径不同的凸透镜阵列。

所述的聚光板由至少两块焦距不同的以光学玻璃或光学塑料为材料的阵列透镜组成，其中至少包括一块大直径阵列透镜和至少一块小直径阵列透镜。

所述的大直径阵列透镜为阵列凸透镜，所述的小直径阵列透镜为阵列凸透镜或阵列凹透镜，所述的大直径阵列透镜呈无间隙排列，所述的小直径阵列透镜中相邻两小直径透镜间由非光学面间隔。

所述的大直径阵列透镜和所述的小直径阵列透镜的光轴相互对齐且焦点重叠，形成望远镜系统。