专利名称：太阳能聚光电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能发电装置，尤其涉及一种太阳能聚光电池。
技术背景太阳能发电广泛应用于家庭和工农业生产，是一种真正的绿色能源。现在 一般用光电池板作为将光能转化成电能的器件，例如目前用的较多的硅材料制 成的硅光电池板，也有用其他材料和新技术开发的新型光电池板等。但是由于 需求量很大，其价格高居不下，妨碍了太阳能发电的普及推广。影响太阳能发电推广的因素是多方面的。对于家用系统而言，其衡量指标 为投入发电系统的资金与获得的电能之比。例如每千瓦时电能的价格，如果其 价格高于一般发电厂的供电价格，就难以推广。现在的光电转换器件的转化效 率在10—30%左右，且价格较高；另外， 一般的太阳能聚光透镜难以做得很大， 做大了成本就很高。以上因素，限制了太阳能发电装置的推广和应用。一般的硅光电池受光能力是l-2倍的标准太阳光强U000w/m2)，也有个 别的普通硅光电池由于负极栅线相对较密，其受光能力可超过2倍，但到3倍 时其效率开始急剧下降。也有专门制作的聚光硅光电池，可以在20倍左右的光强下工作，其特征 在于设法减小电池内在的串联电阻，如将上表面栅电极做得密一些，线宽尽可 能小一些，以减小由于表面电阻引起的串联电阻，但由于与现有的普通硅光电 池生产工艺有较大差别，如其上表面栅电极要求用真空蒸镀工艺和光刻工艺， 才能满足要求，成本很高，难以推广。目前的硅光电池模块如图1、图2所示， 一般由硅光电池板ll、钢化玻璃 12和密封塑料板13组成，多块方形的硅光电池板ll紧密排列成一个方形，并 被封装在一块透明钢化玻璃12和一块密封塑料板13之间。这种硅光电池模块 的缺点是硅光电池用量较多，因而成本很高。发明内容本发明的目的，在于解决现有技术存在的上述问题，提供一种成本低、效 率高的太阳能聚光电池。本发明的目的是这样实现的 一种太阳能聚光电池，包括聚光器、小硅光 电池板和太阳光自动跟踪器，所述的聚光器、小硅光电池板和太阳光自动跟踪 器上下设置并顺序固定相连，聚光器将太阳光汇聚在小硅光电池板上，太阳光 自动跟踪器能自动跟踪太阳以使太阳光始终垂直入射聚光器，聚光器和小硅光 电池板跟随太阳光自动跟踪器的转动而转动。所述的聚光器可以是球面聚光透镜、柱面聚光透镜、菲涅尔透镜、曲面反 射镜、或者由多个平面组成的反射镜阵列。所述的小硅光电池板是指面积不大于30平方厘米的小块单晶硅或者多晶 硅硅光电池。所述的小硅光电池板是由普通硅光电池板裁切而成的矩形小块或者圆片。所述的小硅光电池板是直接制造成型的小块硅光电池。所述的小硅光电池板的背面可以制作背电场。所述的小硅光电池板的上表面栅电极间距为0.5 -4毫米，栅电极线宽为 0.01 -0.2毫米。所述的小硅光电池板的上表面电极可用透明导电膜取代部分或全部栅电 极，用透明导电膜取代部分栅电极时，电极间距可以放宽至5毫米。所述的小硅光电池板被封装在一块钢化玻璃和一块塑料板或者金属散热 板之间，小硅光电池板的下表面直接或通过一层导热绝缘材料间接地连接有一 块金属散热片，当直接连接金属片散热片时，该金属散热片可作为电池的一极。所述的聚光器和小硅光电池板可以采用多个组成阵列，多个小硅光电池板 组成阵列时先串联后并联，在各串联组与并联母线之间可加入正向连接的二极 管；多个小硅光电池板可以分别单独封装，也可以一起封装成整体；多个小硅 光电池板的下表面可以分别设置多块小的金属散热片，也可以统一设置一块大 的金属散热片；多个聚光器组成阵列时，可根据采用聚光器的种类不同，分别 采用金属框架连接或用胶粘结的方法连接固定。
本发明通过一个聚光器，将太阳光能汇聚地照在小硅光电池板上，大大减 少了光电转换器件的面积，充分利用了光电池板的发电能力，从而降低了系统 的成本。图3所示为硅光电池S的等效电路，其电池方程式如下-式中各符号的定义如下-A —任意曲线拟合常数，其值在1一5之间； Rs—电池的串联电阻； RSH—电池的并联电阻； I—电池的输出电流；lL一光生电流；Io — 二极管饱和电流；e—电子电荷； V—电池的端电压； K—玻耳兹曼常数； T一绝对温度。根据硅光电池的等效电路，通常在一个标准太阳光强下并联电阻RsH的值很大，而串联电阻Rs值随光强变化很小。因此上述方程式中的V/RSH—项可以忽略。但是在聚光条件下，并联电阻RsH值会由于P-N结中光生少数载流子数量 的猛增而急剧下降，从而使电池的输出电流减少。这一推断可由以下5个实验证实实验一普通125mmxl25mm的硅光电池在一个太阳光下，其输出电压为 0.55V,输出电流为4A，输出功率为2.2 。在10倍聚光条件下，其输出电压 为0.6V，输出电流为8.5A，输出功率为5.1W，输出功率提高到2.3倍。实验二将普通125mmxl25mm的硅光电池切割成31mmx31mm的小块电 池，4片串联，在一个太阳光下，其输出电压为2.2V，输出电流为0.29A，输 出功率为0.64W。在10倍聚光条件下，其输出电压为2.4V，输出电流为2.25A， 输出功率为5.4W，输出功率提高到8.4倍。
实验三将以上小块电池4片并联，在一个太阳光下，其输出电压为0.55V, 输出电流为1.14A，输出功率为0.63W。在10倍聚光条件下，其输出电压为 0.61V,输出电流为2.7A,输出功率为1.65W，输出功率提高到2.7倍。实验四将以上小块电池再切割成7.75mmx31mm的小块电池，将其串联， 在一个太阳光下，其输出电压为2.2V，输出电流为0.07A，输出功率为0.15W。 在IO倍聚光条件下，其输出电压为2.4V,输出电流为0.63A，输出功率为1.5W， 输出功率提高到10倍。实验五将实验四的串联电池片，在20倍聚光条件下，其输出电压为2.4V， 输出电流为0.95A，输出功率为2.3W，输出功率提高到15倍。由以上五个实验，证实普通硅光电池在高倍聚光条件下，其并联电阻会急 剧减小，而普通硅光电池(尺寸103mmxl03mm ， 125mmxl25mm ， 152mmxl52mm)可以看成多块小尺寸电池并联，那末，只要将大尺寸的电池 切成小块即可增加其并联电阻，这时便可用于聚光条件下，尺寸越小，耐受的 聚光倍数越大。对于不同上表面栅电极密度的普通硅光电池(如栅线间距2mm， 3mm等)，实验表明，上表面栅电极密度大的在高光强下相对效率较高。进一步的实验表明，对于多晶硅制成的普通硅光电池与单晶硅制成的普通 硅光电池有以上同样的实验结果。而且对于制成光电池的硅材料的电阻率允许的范围较宽，对于P/N结的表 面方块电阻允许的范围也较宽，这些参数可与普通硅光电池一样。另外，在同样的聚光倍数下，聚光电池尺寸越小，对散热越有利，但是对 于封装成聚光电池组件越不利。在权衡利弊以后，取10倍聚光条件，普通硅 光电池(125mmxl25mm)以一片切成16片小方片为宜，每一小方片对应一个 聚光器，聚光器的汇聚光斑只要落在小方片电池上即可，如果光斑比小方片电 池面积小一点，对输出功率基本没有影响，如果光斑比小方片电池面积大一点， 输出功率会相应降低。这种情况下，输出功率如实验二所述，效率大约为8.4 倍。如果太阳跟踪系统精度较高，也可将1/16的小片再切成2片，成为1/32 的小片，这2片串联，其效率可增加到10倍，是一种较理想的状态。每个小电池片对应一片聚光器，这对汇聚光斑的均匀性要求不高，对汇聚 光斑偏离中心也不敏感。如果按照实验三的方法切割成的四片小片电池串联组件对应一个聚光器，则聚光光斑的不均匀性将会严重影响电流输出，这时如果将实验四所述小片改成15.5mmxl5.5mm的小方片，这样的四片小方片电池串 联组成的大方片组对应一个聚光器，则对聚光器汇聚光斑的不均匀性不敏感， 但仍然对光斑偏离中心位置敏感。
图1为现有技术太阳能聚光电池的结构示意图； 图2为图1所示聚光电池的结构俯视图； 图3为硅光电池的等效电路图；图4为现有125xl25mm普通硅光电池的结构示意图；图5为由图4所示硅光电池切割成的31x31mm小电池片的结构示意图；图6为本发明的太阳能聚光电池一实施例的结构示意图；图7为图6所示聚光电池的剖视结构示意图；图8为图6所示聚光电池的机械连接结构示意图；图9为图8所示机械连接结构的俯视图。
具体实施方式
本发明的太阳能聚光电池，可以是由单个聚光器、单个小硅光电池板和太 阳光自动跟踪器组成的较为单一的聚光电池，也可以是由多个聚光器组成的聚 光器阵列、多个小硅光电池板组成的小硅光电池板阵列和一个太阳光自动跟踪 器组成的模块化集成式聚光电池。聚光器将太阳光汇聚在小硅光电池板上，太 阳光自动跟踪器能自动跟踪太阳以使太阳光始终垂直入射聚光器，聚光器和小 硅光电池板跟随太阳光自动跟踪器的转动而转动。其中的聚光器可以是球面聚 光透镜、柱面聚光透镜、菲涅尔透镜(包括柱面菲涅尔透镜)、曲面反射镜(例 如球面反射镜和抛物面反射镜)、或者由多个平面组成的反射镜阵列等。其中 的小硅光电池板是指面积不大于30平方厘米的小块单晶硅或者多晶硅硅光电 池。它可以是由普通硅光电池板裁切而成的矩形小块或者圆片。也可以是直接 制造成型的小块硅光电池。如由常用的125mmxl25mm的硅光电池块(如图4 所示)切成31mmx31mm的方形小块(如图5所示)，或者15.5x31mm的矩形
小块，或者直径30mm的圆片等。图4、图5中所示，31为上表面主电极线， 32为上表面栅线。小硅光电池板的背面可以制作或者不制作背电场，小硅光电 池板的上表面栅电极间距为0.5-4毫米，栅电极线宽为0.01-0.2毫米。小硅光 电池板的上表面电极可用透明导电膜取代部分或全部栅电极，用透明导电膜取 代部分栅电极时，电极间距可以放宽至5毫米。小硅光电池板被封装在一块钢 化玻璃和一块塑料板或金属散热片之间，小硅光电池板的下表面可以直接或间 接地连接一块金属散热片，当直接连接金属片散热片时，该金属散热片可作为 电池的一极。参见图6，配合参见图7、图8、图9，本发明的太阳能聚光电池一般做成 模块化集成式聚光电池，它包括由多个菲涅尔透镜制成的聚光器阵列21、小硅 光电池板阵列22和太阳光自动跟踪器(未作图示)。聚光器阵列21、小硅光 电池板阵列22和太阳光自动跟踪器上下设置并顺序固定相连，太阳光自动跟 踪器能自动跟踪太阳以使太阳光始终垂直入射聚光器阵列，聚光器阵列和光电 池板阵列跟随太阳光自动跟踪器的转动而转动。本发明中的聚光器阵列和小硅 光电池板阵列可以为2x4阵列或3x6阵列或其它形式的阵列，图6至图9所示 实施例即为2x4阵列。聚光器阵列21由至少两个(本实施例为8块)聚光器211组成，小硅光 电池板阵列22由与聚光器数量相同的小硅光电池板221组成。聚光器阵列21 中的聚光器和小硅光电池板阵列22中的小硅光电池板一一对应设置，各小硅 光电池板221分别位于各聚光器211的聚光光斑上。组成小硅光电池板阵列的 所有小硅光电池板在连接成阵列时先串联后并联，在各串联组与并联母线之间 可加入正向连接的二极管。组成小硅光电池板阵列22的所有小硅光电池板221都封装在一块钢化玻 璃23和一层塑料板(或一块散热金属板)24之间，各小硅光电池板221分别 位于各聚光器的聚光光斑上，并且各小硅光电池板221的面积都小于各聚光器 211的聚光面面积，各聚光器的聚光面可完全覆盖各小硅光电池板。当采用散 热金属板时，散热金属板与小硅光电池板阵列之间用绝缘层隔离，用EVA等 树脂真空热压使上下黏结密封。本发明还可在组成小硅光电池板阵列的各小硅 光电池板的下表面分别直接或通过一层导热绝缘材料间接连接一块小的散热
金属板，当直接连接散热金属板时，小的散热金属板如铝板可作为电池板的一 极，以利于硅片上的热量快速传递到大的散热金属板表面上。采用这种方法，
在10倍聚光条件下，不需要强制冷却。
本发明中的各聚光器211紧密地排列在一起组成一个方形的聚光器阵列 21。各聚光器的面型可使汇聚在各小硅光电池板221上的光斑能量均匀，各聚 光器的面积大于各小硅光电池板面积的4倍。组成聚光器阵列21的各聚光器 211之间可以如图8、图9所示使用金属框架31连接固定。也可以将各聚光器 都固定在一块强度较高的钢化玻璃上。本发明的太阳能聚光电池，可以使现有的硅光发电成本降低70%以上。
权利要求
1、一种太阳能聚光电池，其特征在于包括聚光器、小硅光电池板和太阳光自动跟踪器，所述的聚光器、小硅光电池板和太阳光自动跟踪器上下设置并顺序固定相连，聚光器将太阳光汇聚在小硅光电池板上，太阳光自动跟踪器能自动跟踪太阳以使太阳光始终垂直入射聚光器，聚光器和小硅光电池板跟随太阳光自动跟踪器的转动而转动。
2、 如权利要求1所述的太阳能聚光电池，其特征在于所述的聚光器可 以是球面聚光透镜、柱面聚光透镜、菲涅尔透镜、曲面反射镜、或者由多个平 面组成的反射镜阵列。
3、 如权利要求1所述的太阳能聚光电池，其特征在于所述的小硅光电 池板是指面积不大于30平方厘米的小块单晶硅或者多晶硅硅光电池。
4、 如权利要求1所述的太阳能聚光电池，其特征在于所述的小硅光电 池板是由普通硅光电池板裁切而成的矩形小块或者圆片。
5、 如权利要求1所述的太阳能聚光电池，其特征在于所述的小硅光电 池板是直接制造成型的小块硅光电池。
6、 如权利要求1所述的太阳能聚光电池，其特征在于所述的小硅光电 池板的背面可以制作背电场。
7、 如权利要求1所述的太阳能聚光电池，其特征在于所述的小硅光电 池板的上表面栅电极间距为0.5 -4毫米，栅电极线宽为0.01 -0.2亳米。
8、 如权利要求1所述的太阳能聚光电池，其特征在于所述的小硅光电 池板的上表面电极可用透明导电膜取代部分或全部栅电极，用透明导电膜取代 部分栅电极时，电极间距可以放宽至5毫米。
9、 如权利要求1所述的太阳能聚光电池，其特征在于所述的小硅光电池板被封装在一块钢化玻璃和一块塑料板或者金属散热板之间，小硅光电池板 的下表面直接或通过一层导热绝缘材料间接地连接有一块金属散热片，当直接 连接金属片散热片时，该金属散热片可作为电池的一极。
10、 如权利要求l或9所述的太阳能聚光电池，其特征在于所述的聚光 器和小硅光电池板可以采用多个组成阵列，多个小硅光电池板组成阵列时先串联后并联，在各串联组与并联母线之间可加入正向连接的二极管；多个小硅光 电池板可以分别单独封装，也可以一起封装成整体；多个小硅光电池板的下表 面可以分别设置多块小的金属散热片，也可以统一设置一块大的金属散热片； 多个聚光器组成阵列时，可根据采用聚光器的种类不同，分别采用金属框架连 接或用胶粘结的方法连接固定。
全文摘要
本发明提供了一种太阳能聚光电池，它包括聚光器、小硅光电池和太阳光自动跟踪器。聚光器将太阳光汇聚在小硅光电池上。太阳光自动跟踪器能自动跟踪太阳以使太阳光始终垂直入射聚光器。聚光器和小硅光电池板跟随太阳光自动跟踪器的转动而转动。本发明通过一个聚光器，将太阳光能汇聚地照在小硅光电池板上，大大减少了光电转换器件的面积，充分利用了光电池板的发电能力，从而降低了系统的成本。
文档编号G02B19/00GK101119084SQ20061002972
公开日2008年2月6日 申请日期2006年8月3日 优先权日2006年8月3日
发明者邓运明 申请人:邓运明