[发明专利]一种新型太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型太阳能电池，进一步地说，是涉及一种利用宽频接收天线实现光电转化的太阳能电池及其制备方法。

背景技术

太阳能电池是实现光能向电能转化的装置，其从诞生到今天已经有50多年历史。从最早出现的硅太阳能电池，到近年来各种薄膜太阳能电池等，原理上多是利用了半导体的光电效应。具体而言，利用光的粒子性，通过太阳光粒子撞击半导体实现正负电荷分离。利用这种“撞击”效应的太阳能电池光电转化效率比较低，单结电池理论效率一般低于33％。低效率、高成本是目前制约太阳能电池普及的根本原因。

光具有波粒二象性，太阳光也是电磁波，遍及紫外、红外和可见光，波长主要分布在290～2300nm之间，且各向极化。设计一种利用光波动性、通过某种天线机制吸收转化太阳光能的太阳能电池是一种新思路。根据天线原理，阻抗匹配的情况下，天线可以实现高效的能量转化。

目前国际上还没有出现真正意义的新型太阳能电池，但已有人提出过类似观点。Bailey最早提出了使用天线收集太阳能的思想，并给出了基本模型，其基本模型中低通滤波器用于整流器与天线之间的匹配调节，而直流滤波的作用是调节脉动式直流电，使之更加平缓，但Bailey未给出详尽的设计方案。在解决高效接收太阳光的问题上，Kraus等给出的方案比较有代表性，其天线系统由振子天线、整流器、传输线、电极等构成。Marks在专利中也进行了详细的阐述和计算。但由于纳米科技发展所限以及趋肤损耗等设计难点尚未解决，长期以来有效的新型太阳能电池一直未曾出现。不过近年来一系列实验进展不断证实了发展新型太阳能电池的可行性。Christophe Fumeaux等人实验上证实了红外波段符合传统天线理论的天线效应。Y.Wang等人发现了碳纳米管阵列中的天线效应，通过实验证实纳米级天线同样满足经典天线理论中半波谐振等规律，但没能够进一步往能量利用的方向发展。Lin首次报道了人工构造的天线结构吸收光波的实验现象。Avier Alda等人阐述了将光天线应用于传感器上的思想。

在电磁波电场分量的激发下，天线向传输线输出交流电(AC)，经整流器变成脉动式直流输出(DC)，直流电极与外接匹配负载相连，最终实现能量的转移。但考虑到极高频交流电经过传输线上由于趋肤效应等原因能量将很快损失殆尽，按照传统思路的设计实际上是不可行的。Javier Alda也指出高频交流电经过传输线的巨大损耗是设计这种新型太阳能电池目前遇到的一个突出难点。

就目前技术发展情况来看，设计这种新型太阳能电池需要克服的主要难点有：1在电池任意接收点尽可能接收遍布太阳光谱各波段的、非极化的入射光波；2天线将自由传播的光波转变成导行的高频交流电，需要避免因趋肤效应等因素造成的巨大能量损失；3选用具有相应响应频率的整流器并与天线系统融合；4，匹配天线和整流二极管尺度为纳米量级，需要解决这种精细结构的加工问题。

发明内容：

最新的纳米科技进展为新型太阳能电池的实现提供了有效工具。本发明给出了克服现有技术难点的方法，利用相关天线原理以及纳米科技的最新进展给出了一整套新型太阳能电池的设计方案，并通过CST2006进行了仿真处理，给出了与太阳波谱契合的宽频接收天线单元以及一系列优化的参数和曲线，计算表明电池单元光电转化效率可达到67.3％。本发明解决了一系列新型太阳能电池设计中的关键问题，如避免交流电趋肤效应损耗、与天线融合的MIM二极管的精确加工方法等。

本发明的目的是提供一种新型太阳能电池，该电池可实现较高的光电转化效率。本发明的另一个目的是提供所述新型太阳能电池的制备方法。

本发明针对现有技术中太阳能电池光电转化效率比较低的问题，采用宽频天线作为接收天线来制备太阳能电池。电磁波(太阳光)入射到匹配的接收天线系统后，能量将被有效吸收并传递给负载。

本发明提供的一种新型太阳能电池，主要包括光电转化层和基底。所述基底为硅片，二氧化硅薄膜可生长在抛光面上。基底的厚度和纯度没有特殊限制，只要适合在其表面生长二氧化硅薄膜即可。

所述光电转化层主要由电池单元阵列、主电极以及填充其间的二氧化硅构成。所述电池单元阵列是由电池单元组成的并联阵列串联后再并联而成。其中电池单元是由单个宽频接收天线和与其相邻的次级电极以及将次级电极与宽频接收天线相连的桥式整流电路构成。其中电池单元阵列的电极分别与主电极相连，并且和外接的辅助电极相连。