[发明专利]混合式集中光伏装置

说明书

描述

本发明涉及一种混合式集中光伏装置(hybrid concentrated photovoltaic device)。

更具体地，本发明涉及一种混合式集中光伏装置，该混合式集中光伏装置包括：(i)至少一个发光太阳能集中器(LSC)，其具有多边形板、圆形板或椭圆形板的形状，该发光太阳能集中器(LSC)包含至少一种具有吸收光谱范围和发射光谱范围的光致发光化合物；(ii)至少一个微米或亚微米介电光子结构，其光学地联接到所述发光太阳能集中器(LSC)，所述微米或亚微米介电光子结构能够在所述发光太阳能集中器(LSC)中在其中没有所述光致发光化合物的吸收的光谱范围内诱导阳光的漫射和/或衍射，优选地诱导衍射；(iii)至少一个光伏电池，其定位在所述发光太阳能集中器(LSC)的至少一侧的外侧上。

上述混合式集中光伏装置可以有利地结合在建筑物和住宅中(例如，结合在室内和室外的光伏玻璃门中、光伏天窗中、光伏窗户中)。此外，所述混合式集中光伏装置还可以有利地用作城市和运输环境中(例如，在光伏隔音屏障中、在光伏防风墙中)的功能元件。

所述光伏装置具有良好的效率，即，允许宽的光谱波长内的入射阳光转换成电。特别地，为了评估所述效率，在下面报告的示例中使用了网站rredc.nrel.gov/solar/spectra/am1.5/上报告的太阳光谱“Air Mass”1.5G。相应的光子通量约为10¹⁴个光子xs^-1xcm^-2xnm^-1，它在从300nm到2500nm范围内的波长内延伸，并且在600nm到800nm范围内的波长具有最大值。

为了本说明书和以下权利要求书的目的，术语“光伏装置”、“光伏电池”和“光伏模块”以及术语“太阳能装置”、“太阳能电池”和“太阳能模块”可以同义地使用。

已知的是，光伏装置仅能够将入射阳光的一部分转换成电。光伏装置转换和收集光生电荷载体(即光生电子-空穴对)的能力由其外量子效率(EQE)表示，外量子效率(EQE)定义为在光伏装置的半导体材料中产生的电子-空穴对的数目与光伏装置上入射光子的数目之间的比率。例如，对于在从约350nm至1000nm范围内的波长，基于硅晶片的光伏模块具有接近1的外量子效率(EQE)。所述区间的上限由限定吸收开始的硅的电子间隙来施加。

过去已经提出了光伏装置的许多示例。所述光伏装置可以细分为四个主要类别：

(1)光伏模块，其通过将若干基于无机半导体材料(例如硅)(不透明的)的常规光伏电池连接在一起而获得，留下合适的开口或孔，阳光的一部分可以穿过该开口或孔并照射下面的环境；

(2)光伏电池，其基于有机半导体材料，通常为有机聚合物；

(3)太阳能集中器，其基于透明的波导，光漫射材料布置在该透明的波导内，或基于合适的部分反射的内表面，该部分反射的内表面能够将入射光的一部分引导到布置在所述波导的端部处的光伏电池上；

(4)发光太阳能集中器(LSC)。

如下文所示，所述光伏装置具有一些缺点，比如例如：

-透明性或半透明性仅限于装置的一些区域，而其它区域是不透明的；

-外量子效率(EQE)限于窄范围的波长，通常是可见光谱的范围。

例如在美国专利US 5,176,758和US 5,254,179中描述了属于类别(1)的光伏装置。所述装置能够利用入射光的宽范围的波长：然而，它们的最终外量子效率(EQE)被在所述装置的不透明区域中使用的半导体材料所限制。

例如由 D.等人在“Advanced Materials”(1991)，卷3，第3期，第129-138页中；Günes S.等人在“Chemical Reviews”(2007)，卷107，第1324-1338页中；Li G.等人在“Nature Photonics”(2012)，卷6，第153-161页中描述了属于类别(2)的光伏装置。许多有机化合物的带隙(即，在所述光伏装置中使用的有机化合物的HOMO轨道与LUMO轨道之间的差异)是在可见光中，并且因此使所述有机化合物半透明。在这些情况下，外量子效率(EQE)受限于可见光中的比带隙的波长小的波长。