光谱分光模块和包括聚光器光学器件的光伏系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 优先权
[0002] 本专利申请案要求2012年8月30日申请的题目为用于全光谱、超高效太阳能 转化的光学器件（OPTICSFOR即化S阳CTRUM，ULTRAHIGHEFFICIENCYSOLARE肥RGY CONVERSION)的美国临时专利申请案第61/695, 216号和2012年12月21日申请的题目 为光谱分光模块和包括聚光器光学器件的光伏系统（SPECTRALLIGHTS化口TINGMODULE ANDP册TOVOLTAICSYSTEMIN化UDINGCONCENTRATOROPTICS)的美国临时专利申请案第 61/740, 969号的优先权，其中所述临时专利申请案的全文W引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明设及将入射光转化成电能的光伏器件。更具体来说，本发明设及包括固体 光学元件的光伏器件，所述固体光学元件具有W平行六面体排列形式配置的多个光伏电 池。
【背景技术】
[0004] 光伏电池（也可W被称作太阳能电池或PV电池）适用于将入射光（如日光）转 化成电能。可能W单结太阳能电池形式提供运些电池，它们具有一种本质上具有低转化效 率的被专口定义的带隙。运是因为单个光伏电池只对入射光的宽带光谱的小部分具有光伏 反应，并且因此只将入射光的小部分转化成能量。因此，使用并提议多种增加太阳能电池效 率的方式。
[0005] -种实现较高光伏效率的常见方法是共同使用多个带隙W形成多结太阳能电池。 此类多结太阳能电池由具有不同半导体材料的系统组成，所述半导体材料具有与太阳能光 谱的不同部分对应的不同带隙能量。只有使用能量匹配或略微大于能隙的光子最有效。因 此，具有更广范围的带隙使系统W相对有效方式转化更多光谱。能量低于带隙的光子无法 被吸收和随后被转化，并且在一些情况下可能被寄生吸收并且转化成废热。能量大于带隙 的光子只将它能量中匹配能隙的一部分转化成电能，而多余能量主要W废热损失形式。
[0006] 按照惯例，多结电池生长成单片棒（monolithicstick)，使得每个半导体充当吸 收高于其带隙且低于其上电池带隙的光的滤光器。虽然传统多结串联太阳能电池提供优于 单结太阳能电池的优势，但通过使用用于将入射太阳福射分成多个光谱带并将那些光谱带 引导到不同和相应的太阳能电池的分光光学器件可W实现更高效率。W此方式，子电池可 W独立地生长并且电连接，避免晶格和电流匹配问题。设计每个目标电池W使它具有适应 引导到所述电池的光谱带的带隙，W便帮助使能量转化最大化。也就是说，分光光学器件将 入射光分隔成片段或片，随后将所述片独立地引导到具有适当带隙的光伏电池上。
[0007] 专利和技术文献中已经描述利用分光或光谱分裂来改良太阳能转化效率的 光伏系统。实例包括美国专利公开案第2009/0056788号（吉布森（Gibson))和第 2011/0284054号（万莱斯（Wanlass));己涅特度arnett)等人，光伏器件进展：研究和 应用（ProgressinF*hotovoltaics:Resea;rchandApplications)，"极高效率太阳能 电池模块（Very Hi曲Efficien巧Solar Cell Modules)"17 :75-83(2009);伊美尼斯(Imenes)等人，太阳能材料和太阳能电池（Solar !Energy Materials and Solar Cells), "在太阳能聚集系统中增加转化效率的光谱束分裂技术，综述（Spectral Beam Splitting Technology for Incre曰sed Conversion Efficiency in Sol曰r Concentr曰ting Systems， A Re view) ",84:19-69 (2004);麦克剑桥（McCambridge)等人，光伏器件进展：研究和 应用，高效率紧密光谱分裂光伏模块（Compact Spectrum Splitting Photovoltaic Module With Hi曲Efficiency)"，19 :352-360(2011);米切尔（Mitchell)等人，光伏器 件进展：研究和应用，"具有高光学效率的四结光谱束分裂光伏接收器（Four-化nction Spectral Beam-Splitting Photovoltaic Receiver With High Optical Efficiency)"， 19 :61-72(2011);和彼得斯（Peters)等人，能量巧nergies)，"用于PV应用的光谱选择 性光子结构（Spectrall}f-Selective Photonic Structures for PV Applications)"，3: 171-193(2010)O
[0008] 尽管使用太阳能电池分光技术的光伏系统在理论上一般应改良入射光转化成电 能的效率，但需要提供实际上可W允许甚至更高效且具有更好分光光学结构的系统。
【发明内容】
[0009] 本发明设及一种将入射光转化成电能的光伏系统，它可W被称作多面镜面反射 器。所述系统可W用于将光分隔到一系列单结太阳能子电池或一系列串联生长子电池。所 述系统一般可W包括排列在固体光学元件对侧上的太阳能电池或光伏电池阵列，它们可W 与聚光光学器件组合使用。运些系统的相对高效是置放每个子电池（因此它可W吸收由那 个电池最有效吸收的光谱的特定子集），随后通过固体光学元件将其余光反射到后续电池 (它可能随后吸收其自身的光谱的子集）上的结果。此吸收和反射光的过程在每个太阳能 电池上继续，其中在每个后续太阳能电池上可W用于吸收和反射的光的量减少，直到到达 任选的背反射器化ack reflector),所述背反射器一般位于电池阵列的输入端的相对端。 放置太阳能电池，使得入射光首先到达的电池能够吸收最高能量光谱，同时最后到达的电 池能够吸收最低能量光谱。在本发明的一个实施例中，至少两个光伏电池与光学聚光元件 组合使用，其中电池被配置成有助于入射光的光学禪合的固体平行六面体。
[0010] 在本发明的一个方面中，提供将入射光转化成电能的分光光学模块。模块包括包 含接收光的输入端、第一侧面W及与第一侧面隔开的第二侧面的固体光学元件；邻近于固 体光学元件的第一侧面的第一太阳能电池；W及邻近于固体光学元件的第二侧面的第二太 阳能电池。放置第一太阳能电池W吸收入射光的第一子集，并且使入射光的第一其余部分 通过固体光学元件反射到第二太阳能电池。
[0011] 在本发明的另一个方面中，分光光学模块与收集且聚集入射光的光学聚光器元件 组合，其中光学聚光器元件和固体光学元件的输入端光学接触。
【附图说明】
[0012] 将参看随附图式进一步解释本发明，其中在若干视图中类似结构由类似数字指 代，并且其中：
[0013] 图1是本发明光伏系统的透视图；
[0014] 图2是图I中展示的太阳能电池的平行六面体排列的放大侧面示意图。
[0015]图3是图1中所说明类型的排列成模块的多个光伏系统的俯视图；
[0016] 图4是图3中所说明的一部分模块的透视图；
[0017]图5是表示使用本发明光伏系统的聚光度对光学损耗的例示性影响的曲线图；
[0018] 图6是根据本发明的具有单独电池聚光器W及槽型聚光器的平行六面体排列的 侧视图；并且
[0019] 图7是类似于图6平行六面体排列的但不具有分离槽型聚光器的平行六面体排列 的侧视图。
【具体实施方式】
[0020] 下文描述的本发明的实施例并不意图是穷尽性的或将本发明限于W下具体实施 方式中所公开的精确形式。