由用于光处理的光电光子平台、光子转换器和用于形成太阳光转换器的一个或多个光电 ...的制作方法
【专利说明】由用于光处理的光电光子平台、光子转换器和用于形成太阳光转换器的一个或多个光电转换器构成的光电装置
[0001 ]发明定义
[0002]本发明是一种由光处理的光电光子平台，一个或多个光子转换器和一个但更经常几个光电转换器构成的光电装置。
[0003]光电光子平台包括至少一个平面衬底，其具有至少一个微米或纳米结构化表面，形成具有斜肋和模块化特征的衍射光栅，其用于将光谱分散成光谱子带，而不管其入射角。因此，入射角的光谱子带分开进行处理，并且每一个指向专用光电转换器的指定表面，所述光电转换器配置为具有最高可能的转换效率。
[0004]为了聚光效果，光电光子平台的光学部件是选择性的微米或纳米结构的衍射系统。其结合两个光子转换器，所述光子转换器用于将紫外辐射和红外辐射转换为可见光谱子带，每个光谱子带指向下游的专用光电转换器，对于每个出现的光谱子带所述专用光电转换器具有最佳性能。
[0005]然后，组件由用于光处理的光电光子平台和光电转换单元构成，所述光电转换单元由用于获得高性能光伏器件的一个或多个光电转换器构成。
[0006]光电光子平台基本上捕获和聚集可见光和不可见光的入射太阳辐射的所有光谱分量或子带，并且然后将他们引导到相关联的光电转换器以转换最大可能量的入射光子能量，从而获得最大可能的总收率。
[0007]技术问题
[0008]由目前市场可用的光伏传感器所产生的电能是比较小的，主要是因为他们的较低效率，而且也因为他们相对于太阳的固定位置，其恒速运动引起由角度失调造成的损失。
[0009]当他们的前表面垂直地暴露于阳光下时，这些传统光伏电池的总收率是最大的。然而，在全天的时间和整个季节中，太阳的倾斜角是连续变化的。即使选择传感器的位置，使得他们尽可能长的接收太阳辐射，但是在白天期间这个辐射的很大一部分不能被转换为电能，因为这些传感器的不灵活性以及输入光线的或多或少“掠角反射”。
[0010]当太阳辐射在地平线下面或散射时，当天空是阴天时或者当太阳辐射由于悬浮气溶胶而衰减或者由于包括那些在高海拔的云层而散射时，护着当辐射直接到达传感器时，问题就出现了。在这些情况下，由于为了转换失去了太阳辐射的大部分光子能量，因此所产生的电量小。
[0011]当前太阳能光伏的低产率是10-20%的量级。这个性能的较低性还以其他的方式产生。
[0012]太阳光涵盖宽广的光谱，由包含多种波长(从而包含不同的光子能量)的很多光谱子带组成，其不能以相同的方式全部被转换为电能。
[0013]对于任何当前用于产生光伏电能的转换器，由入射太阳辐射的光子提供的能量必须足以释放电子。
[0014]科学家熟知的基本条件是:当入射光子的能量超过在形成光伏转换器的半导体材料的禁带隙时出现转换。电子可以被释放并且表现为电流。
[0015]因此，具有小于形成光伏转换器的半导体材料的带隙能量的光子能量的光谱分量或光谱子带不能释放电子。
[0016]另一方面，其光子能量大于光伏转换器的半导体材料的带隙的光谱子带的辐射释放与那些具有与带隙能量完全对应的能量的光子相同数量的电子。这些高能量光谱子带的额外光子能量无法用于释放额外的电子。
[0017]此外，如果入射太阳辐射的可见光部分至少部分地被当前光伏转换器使用，那么红外线光谱子带的能量完全不转换，使得紫外线子带的能量不充分地转换为电能，并且因此他们带来大量的热量，这对于传感器和相关装置是有害的。
[0018]因此，由输入太阳辐射提供的大多数光子能量损失，这解释了有资格作为太阳能光伏的现有传感器的较差性能。
[0019]光电光子平台光谱地转换紫外线和红外线辐射，整个拆分入射太阳辐射，并且通过光谱子带将其引导到为每个光谱子带进行优化的光电转换器上，这使得这种新光伏传感器具有高得多的总产率。
现有技术
[0020]在试图解决现有技术的低效率中，已经提出了将这些早期的光伏转换器安装在太阳跟踪系统上，在白天尽可能长的定向他们以保持他们完全暴露在太阳下。
[0021]这些跟踪系统有使得有可能增加由光伏转换器产生的能量总量，但是以几个缺点为代价。跟踪系统时复杂的，难以安装和维护，主要由于他们的可移动机构而易碎和相当昂虫贝ο
[0022]还存在用于聚集太阳能的静态装置。然而这些装置是繁琐的，并且需要大量的感测表面，其限制在房屋的屋顶安装的可能性。
[0023]透镜已经被用于将太阳辐射聚集到光伏转换器，例如一套多个并列的汇聚透镜，但是他们不恢复更多能量，然后使其落在他们身上。这些系统主要用于加热水。
[0024]本发明通过特定的优化衍射数字光栅来聚集阳光。衍射光学最早由模拟方式进行，利用全息技术的资源，遵循丹尼斯.伽博在1971年获得诺贝尔将的原则。但是如果这个模拟方法构成用于成形波阵面的衍射光学证明，特别是用于太阳能应用中，其性能是有限的。另外，所获得的衍射元件在大型串联中是不可再现的。
[0025]自80年代中期，衍射光学已经数字化，其已经扩展适用于太阳能领域，但是还具有两个缺点:
[0026]-标量建模减轻从光学对称轴移开的机会非常小，
[0027]-模式复制是能用塑料制成。
[0028]利用条纹的衍射技术的出现已经通过新的理论可能性增加了在阳光下的性能。制造干涉条纹衍射元件需要特定技术和特别昂贵的机器的困难已经限制了预期收益。因此，这种技术从未被大规模开发。
[0029]本发明的简要描述
[0030]光电装置包括用于光处理的光电光子平台，其采取透明支承的形式，所述透明支承可以是平面形式，并且用透明介电材料来实现，所述透明介电材料包括的衍射聚光器的网络，所述衍射聚光器具有光学数字肋或者倾斜和调制条纹，其用于收集最多的太阳光，而不管其入射角。其将入射光分散成多个光谱子带，并且重新排列在最佳效率的光谱子带中那些无效或热有害的光谱子带。接着，其引导和单独地聚焦每个光谱子带到相关联的光电转换器的前表面的接收区域上。给定的转换器为光谱子带进行优化。整个系统形成高性能的光伏传感器。
[0031]光电光子平台包括用于将紫外线和红外线辐射转换为可见光辐射的装置以及至少一个光电转换器。这允许通过增加光电转换的找那个效率来更好的利用太阳光谱。
[0032]因此，光电光子平台是衍射数字聚光器，其与至少两个光子转换器相关联。一个转换紫外线辐射和另一个转换红外线辐射成光谱子带:可见光或近红外光。这样，每个接收光谱子带辐射的光电转换器达到良好的效率。
[0033]光电光子平台的数字衍射微米或纳米结构实现太阳光处理的不同功能。他们将入射光分散成多个光谱子带，每个对应于有限宽度的选定光谱子带，并且彼此独立地引导每个这些光谱子带，以及将他们聚集到光电光子平台的指定输出区域。光谱子带然后被投影为具有对应于所分配光电转换器的表面的形状、尺寸和位置的光点，所述光电转换器被适当的插入光束的路径上。
[0034]然后入射光在途中被处理以从太阳能产生最大功率。对于太阳光的每个光谱子带分量这是事实:太阳光的可见光和不可见光独立地入射到平台上。所有这些集成功能导致效率超过当前安装的太阳能板。
[0035]本发明的优势
[0036]如本发明中所描述的光电光子单元是一个纯粹的光学装置，其允许考虑到全部光采集和光聚集功能，