[发明专利]具有高转换效率的光伏组件

说明书

技术领域

本发明涉及具有提高的转换效率的光伏组件并且涉及其制造工艺。

背景技术

已经证明，假如源自电池的电阻区域的电压降的焦耳损耗保持很小，则太阳能电池的转换效率随入射光通量的强度增加(例如，参见M.Paire等,“Microscale solar cells for high concentration on polycrystalline Cu(In,Ga)Se₂thin films”,Appl.Phys.Letts.98,264102(2011))。M.Paire等的文章证明，在限制电阻损耗的同时，能够通过较小直径(10～50微米)的电池实现较高的集中比集中率(达475)，该集中比集中率被定义为进入电池中的光子通量与在远场中测量的入射通量的比。这特别允许将定义为产生的电气功率与入射的光学功率的比的转换效率增加5％。入射光通量的集中还使得能够减少具有较高的制造成本的原材料的消耗，从而使得制造电池所需要的半导体的面积减小等于集中因子的系数。由于铟和碲的有限的长期可用性，因此，对于薄膜基的电池，特别是黄铜矿基的电池，这是特别重要的。

但是，太阳光不能轻易地集中于光伏电池上。太阳光以直接光和散射光的两种形式在海平面上到达地球。直接光(源自太阳的光)可通过成像光学系统被集中。成像光学系统，为了保持有效，必须整天精确地跟随太阳的视移。散射光(通过大气散射)的一部分在这些成像系统中丢失。存在允许集中散射光的非成像系统(例如，参见T.Warabizaco et al.,“Static concentrator module with prism array”,Solar Energy Materials and Solar Cells,67,415-423(2001)or R.Winston et al.,“Nonimaging optics”,Elsevier Academic Press(2005))，但它们的集中因子仍然不大(即，小于4)。

一种已知的类型的非成像光集中系统是荧光集中器(R.Reisfeld et al.,“Luminescent Solar Concentrators for Energy Conversion”,Solar Energy Materials,49,1(1982))。它起到了空腔的作用，此空腔在较大的面积上收集太阳光以将其引向定位(一个或更多个)光伏电池的较小区域。该系统具有对于所有的入射角从太阳收集光并因此受益于太阳光的直接和散射成分的优点。因此，不需要用于精确跟踪太阳的系统。相比之下，该系统引入大量的损耗，特别是由于波导中的多次反射导致的损耗。因此，获得的集中因子仍然非常低。

(金属/绝缘体/金属)MIM型的光学纳米天线关于在非常小的体积中收集光展现卓越的能力。具体而言，它们在非常宽的角度范围(一般为-70～+70度)和小至λ³/1000的空腔体积上与入射角度无关地在共振上表现几乎完美的吸收(A.Cattoni et al.,“3/1000plasmonic nanocavities for biosensing fabricated by Soft UV Nanoimprint Lithography”,Nano Lett.11(9)3557(2011))。由于在金属/电介质界面上传播的耦合电浆模式的光学空腔中的限制导致的这些天线的共振特性意味着，它们的谱宽相对于太阳光谱非常小(一般地，它们的半最大值全宽度小于共振波长的十分之一)。在公开的法国专利申请FR 2959352中报道了专用于制造光伏电池的不对称MIM结构。它们基于允许太阳光谱的较大部分被覆盖的多个共振的同时存在。虽然非常有效，但是，由于必须满足通过给定的半导体在太阳光谱中获得多共振的条件，因此这些结构的尺寸极其受限。

本发明的一个目的是，通过使用例如MIM型的光学纳米天线制造具有集中的光伏组件，该光伏组件相对于现有光伏组件具有提高的转换效率并且消耗更少的光伏功能所需要的材料。

发明内容

根据第一方面，本发明涉及一种光伏组件，该光伏组件包括：光伏纳米电池的至少一个第一阵列，这些光伏纳米电池分别包含在第一共振光谱带中表现电磁共振的光学纳米天线，光学纳米天线的至少一个横向尺寸在尺寸上为亚波长，即，小于所述第一共振光谱带的中心波长；和允许太阳光谱的至少一部分被转换成所述第一共振光谱带的光谱转换层。