一种集热式光热级联电源器件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能利用电源器件，具体的说是一种将光伏器件和热电器件级联为一体的集热式光热级联电源器件及其制备方法。
技术背景
[0002]太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流O在物理学上称为太阳能光伏(Photovoltaic，photo光线，voltaics电力，缩写为PV)，简称光伏，目前市场上主流的太阳能电池为以光电效应工作的薄膜式太阳能电池。以光电效应工作的太阳能光伏电池单元的转换效率主要受限于材料的吸收截止波长，例如GaAs的吸收截止波长为0.87μπι，因此波长大于0.87μπι的太阳辐射均不能被GaAs光伏电池吸收转化。不能被光电池有效转化的太阳能辐射首先以热能的方式被光伏电池单元吸收，然后耗散于周围环境当中。这一过程不仅没有有效的利用太阳辐射，反而使太阳电池基体温度增高，严重影响了电池性能。
[0003]当热电材料两端存在温差时，由于热电材料的Seebeck效应，使得热电材料的冷热两端出现温差电动势，如果有负载接入形成电流回路，这时候就会有功率输出，这就是温差发电的原理，也是热电器件进行热电转换的原理。
[0004]前面已经说明，光伏电池只能转化部分太阳辐射能量，剩余部分能量以热能形式吸收后，耗散于周围环境当中，这一部分能量没有得到充分利用。在一些极端环境下，例如，近日空间轨道飞行器上的光伏电池，在不采取散热措施的情况下表面工作温度可高达400°C，普通地面工作的Si光伏电池正常工作温度也在50?60°C左右。因此在光伏电池背面级联一定结构的热电器件，将光伏电池转化剩余的辐射能量通过热集中的方式利用热电器件进一步进彳丁热电转化，可以进一步提尚太阳能的利用效率。
【发明内容】
[0005]本发明旨在提出一种采用热集中方式能同时进行光电转化与热电转化的级联半导体电源器件及该器件的制备方法，以解决单一光伏太阳器件对太阳能资源利用率较低的问题。
[0006]本发明的目的是这样实现的:
一种集热式光热级联电源器件，其包括光伏电池、热电池和热沉，所述热电池设置于所述光伏电池的背表面和所述热沉的板面之间，所述集热式光热级联电源器件是封装于真空石英腔中；
另外，所述热电池由若干串联或并联的热电池基本单元构成，所述热电池基本单元由一个P型热臂和一个N型热臂构成；
热臂的横截面为正方形，且相邻的两根热臂之间的距离与热臂横截面的边长之比为1:1o
[0007]本发明所述的集热式光热级联电源器件，所述P型热臂和N型热臂分别采用P型Bi2Te3合金材料和N型的Bi2Te3合金材料制成。
[0008]本发明所述的集热式光热级联电源器件，所述光伏电池可以是单晶Si光伏电池、多晶Si光伏电池、GaAs光伏等单结电池或GalnP/GalnAs/Ge光伏电池等三结光伏电池。
[0009]优选的，本发明所述的集热式光热级联电源器件，所述光伏电池为GalnP/GaAs/Ge三结叠层光电池。
[0010]本发明所述的集热式光热级联电源器件，所述热臂形状为截面为正方形的长方体。
[0011]本发明所述的集热式光热级联电源器件，热沉由铜、铝、银、铁或其合金制成。
[0012]本发明还提供了一种集热式光热级联电源器件的制备方法，该电源器件由光伏电池、热电池和热沉构成，所述热电池设置于所述光伏电池的背表面和所述热沉的板面之间，该器件的制备包括以下步骤:
(1)在光伏电池的背表面进行区域性选择淀积，生长一层绝缘层;然后在绝缘层进行区域性选择淀积，生长一层金属互联电极；
(2)在热沉板面进行区域性选择淀积，生长一层绝缘层;然后在绝缘层进行区域性选择淀积，生长一层金属互联电极；
(3)制备P型热臂和N型热臂，并在各P型热臂和各N型热臂的两个端面分别生长一层Ni;
(4)将P型热臂的两个端面和N型热臂的两个端面与光伏电池背表面的金属互联电极和热沉板面的金属互联电极分别进行焊接，得器件主体结构；
其中，P型热臂和N型热臂间的互联方式为:一个P型热臂和一个N型热臂构成一个热电池基本单元，若干热电池基本单元进行串联或并联构成热电池；
(5)将步骤(4)所制得的器件主体结构封装于石英腔中并抽真空，得集热式光热级联电源器件。
[0013]本发明所述的集热式光热级联电源器件的制备方法，所述光伏电池可以是单晶Si光伏电池、多晶Si光伏电池、GaAs光伏等单结电池或GalnP/GalnAs/Ge等三结光伏电池。优选的，所述光伏电池为GalnP/GaAs/Ge三结叠层光电池。
[0014]本发明所述的集热式光热级联电源器件的制备方法，热沉由铜、铝、银、铁或其合金制成。
[0015]本发明所述的集热式光热级联电源器件的制备方法，所述P型热臂由P型碲化铋、碲化铅或锗娃合金构成;所述N型热臂由N型碲化祕、碲化铅或锗娃合金制成。
[0016]本发明所述的集热式光热级联电源器件的制备方法，所述绝缘层的材料为二氧化娃、三氧化二铝或氮化娃。
[0017]本发明所述的集热式光热级联电源器件的制备方法，所述金属互联电极采用铜、银、金、招或其合金制成。
[0018]本发明的集热式光热级联电源器件，其转化效率比单一光伏电池的转化效率大大提高，在地外空间环境条件下，GaInP/GaAS/Ge-Bi2Te3-Al结构的集热式光热级联电源器件转化效率比单一的GalnP/GaAs/Ge三结电池高出8%左右，这对于太阳能器件而言是非常可观的提升，有效解决了单一光伏电池不能充分利用太阳能资源的问题。
【附图说明】
[0019]图1是本发明集热式光热级联电源器件主体结构示意图。
[0020]图2是图1所示主体结构的基本结构图。
[0021]图3是为本发明集热式光热级联电源器件主体结构的光伏电池背表面上热臂连接方式结构示意图。
[0022]图4是为本发明集热式光热级联电源器件主体结构的热沉板面上热臂连接方式结构示意图。
[0023]图1?图4中:l、GaInP/GaAs/Ge三结光伏电池，2、热沉，3、Si02绝缘层，4、Cu互联电极，5、N型热臂，6、P型热臂，7、钎料层。
[0024]图5是本发明实施例1、实施例1中GalnP/GaAs/Ge三结光伏电池及对比例I所制备的器件在地外空间无对流环境条件下，不同辐射强度条件下的转化效率对比图。
【具体实施方式】
[0025]本发明中的GalnP/GaAs/Ge三结光伏电池为按常规工艺采用金属有机物化学气相沉积法制备得到，其结构如“GalnP/GaAs/Ge三结叠层光电池光谱响应的温度特性，作者:刘磊、陈诺夫、汪宇、白一鸣、崔敏、高福宝，《科学通报》2009年第54卷第I期:16-20”中图1所不O
[0026]本发明所用P型热臂为P型Bi2Te3合金材料，常温下Seebeck系数为200μν.°C—SN型热臂为N型Bi2Te3合金材料，常温下热电Seebeck系数为_180μν.l—1，其可通过市购方式获得。
[0027]本发明以下实施例及对比例中所用钎料为HL505锌铝合金钎料。
[0028]本发明实施例中转化效率测试方法为:集热式光热级联器件的总体转化效率为光伏特电池与热电池效率之和，其中在测定器效率过程中，将光热级联器件置于特定辐射功率条玲謝件下，直接对光伏电池进行常用的1-V测试，通过获得的1-V曲线即可获得光伏电池最大输出功率在进行光伏电池测试的同时，测量热电电池的开路电压V。。，获得V。。后，通过公式Pife=Vcic2AI^着获得热电池的最大输出功率，其中RiTpf为热电池热臂的总内阻。这样总的输出功率为細=Ρ^Κ+Ρ她，集热式光热级联器件的总体转化效率收=R_/P辅寸。
[0029]实施例1
(1)制备GalnP/GaAs/Ge三结光伏电池；
(2)在GalnP/GaAs/Ge三结光伏电池的背表面进行区域性选择淀积，生长一层ΙΟΟμπι厚的S12绝缘层，然后在S12绝缘层进行区域性选择淀积，生长一层ΙΟΟμπι厚的Cu互联电极；
(3)采用Al基平板做热沉，将热沉板面进行阳极氧化处理，然后在其板面上进行区域性选择淀积，生长一层ΙΟΟμπι厚的S12绝缘层，然后在S12绝缘层进行区域性选择淀积，生长一层ΙΟΟμπι厚的Cu互联电极；
(4)制备P型热臂和N型热臂，并在各P型热臂和各N型热臂的两个端面分别生长一层100μπι厚的Ni，并将热臂侧面进行抛光处理；
热臂的形状为截面为正方形的长方体，其尺寸:截面边长=lcm，高=Icm;
(5)采用钎焊的方式，采用合适钎料将P型热臂和N型热臂按图2所示排列方式焊接到光伏电池背表面的Cu互联电极，形成多个独立的温差发电热电池基本单元，然后