专利名称：分光谱太阳能光电池的制作方法
技术领域：
太阳能光电转换技术，属于太阳能光电电池技术领域。
背景技术：
利用半导体材料将太阳光能转换成电能的光电池已有许多种，尽管材料和结构不同，但按其将太阳光转换成电能的效率来分可将其划分为两大类，即一、单一半导体材料的光电池，如现在广泛应用的单晶硅光电池，多晶硅光电池，砷化镓光电池等，其批量生产的转换效率在10％～18％之间。二、多种半导体材料经特种工艺重叠做成的叠层光电池，其转换效率在实验室中已达30％～60％，但叠层电池没有得到大量生产和应用，原因在于此种光电池的半导体材料用量为单一半导体光电池的若干倍，且制作工艺复杂，电流匹配较困难，造价昂贵。
众所周知，单一半导体材料光电池的转换效率低是因为任何一种半导体材料对不同的波长的光都有一定的光谱响应率，它们对有的波长范围的光的光谱响应率高，即光电转换效率高，而对另一些波长范围的光的转换效率低，而每种不同的半导体材料的光谱响应曲线都不一样，为此利用不同半导体材料对特定波长范围的高响应率的叠层电池得到广泛研究，如中国专利CN1367536公开了一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法，中国专利CN18545342公开了一种两或三组分薄膜材料InTaO4/InVO4或InNbO4/InVO4/InTaO4，这些方案虽然可使光电转换效率提高，但由于半导体材料用量多，工艺复杂，成本昂贵而无法推广应用。
发明目的本发明的目的是提供一种光电转换效率与叠层光电池相当，但半导体材料的使用量只有叠层光电池的若干分之一，价格较便宜的太阳能光电池。
本发明的另一目的是提供一种制作光电池工艺简易，克服叠层太阳能光电池的工艺技术复杂，电流匹配难的太阳能光电池。
发明的一般说明本发明的目的可通过以下措施来达到在太阳能光电池装置中设置一个第一聚光反射镜、一个第二聚光反射镜、一个棱镜、一个凸透镜、一个由若干种不同半导体材料的电池组成的光电池组及一个冷却器、二个支架、一个跟日器等。在太阳跟踪机构即跟日器和相应的支架上面置放第一聚光反射镜，此聚光反射镜正对太阳，由支架和跟日器转动此聚光反射镜使其始终对准太阳，在此聚光反射镜的焦点位置上、下附近置放第二聚光反射镜，此反射镜的面积远小于第一聚光反射镜，当将此聚光反射镜放在第一聚光反射镜的焦点上方时，此聚光反射镜的凹面与第一聚光反射镜的聚光面相对放置；当第二聚光反射镜放在第一聚光反射镜的焦点的下方时，应将第二聚光反射镜的凸面作反射面对准第一聚光反射镜的反射面，上述两种置放方法均应使两反射镜的中心和焦点在一条直线上，第二聚光反射镜离第一聚光反射镜焦点的距离应满足使第一聚光反射镜的反射光完全或绝大部分射入第二聚光反射镜的反射面，适当设计第二聚光反射镜的曲面形状即可使经此反射镜反射后的太阳光成为一平行光，或近似一平行光；棱镜、凸透镜、电池组、冷却器对称或近似对称地依次位于第二聚光反射镜与第一聚光反射镜的中心点之间，棱镜和凸透镜使从第二聚光反射镜反射来的太阳光分解为不同波长的光谱带，棱镜和凸透镜的大小、厚度及摆放位置应满足使分解后的光谱带的总宽度至少为从第二聚光反射镜反射出来的光束带的宽度的1.5倍以上，这是不难做到的，只需适当选取棱镜和凸透镜的几何参数和摆放位置即可；最佳光谱分布宽度为3～6倍左右；电池组为由若干个不同半导体材料的光电池组成，这若干个电池相互靠近，位于凸透镜的下方，从凸透镜出来的光谱带几乎全部位于电池组的各个不同材料的光电池上，电池组的选配和排列规律满足使从凸透镜来的不同波长的光与相应的光电池的半导体材料有最高的或相对较高的光谱响应率；第一聚光反射镜、第二聚光反射镜、棱镜、凸透镜、电池组、冷却器等由支架将它们连接成为一体。
从上述光电池组中各不同半导体材料的光电池输出的光电流，其输出电压和电流大小将会有较大差别，不能将它们直接串、并联，而应将若干组这样的太阳能光电池组作一定的组合，或先接入稳压电路，使组合后的各组电压相同，再将各组并联输出。
上述光电池组不含逆变器、蓄电池等，将若干组上述的光电池组作一定的组合使其各组电压相同，再将各组并联后，然后再与逆变器、蓄电池等相连接，这些光电池的辅助器件以下省去不再叙述。
上述本发明的太阳能光电池的工作方式是利用跟日器跟踪太阳，利用第一聚光反射镜将太阳光聚焦到位于第一聚光反射镜的焦点附近的第二聚光反射镜，第二聚光反射镜再将入射光变为平行光或近似平行光，棱镜和凸透镜将从第二聚光反射镜反射出来的平行光分解为不同波长的光谱带，选择适当的棱镜和凸透镜使此光谱带的宽度为从第二个聚光反射镜反射出的平行光的宽度的若干倍，在此光谱带下面适当位置安装有由不同材料的太阳能光电池组成的光电池组，其每种电池对应光谱响应效率最高的波长光谱区，从而使得有最大的光电转换效率，其转换效率与多种半导体材料组成的叠层光电池相当。
上述的聚光反射镜可以是一个，也可以是由若干个组成，只需满足上述的经第二聚光反射镜反射后的光为平行光或近似平行光即可，反射镜的形状可以是旋转抛物形或柱面抛物形或渐开线形或其他形状，反射镜的材料可以为抛光铝合金或镀银铝合金或镀银塑料等材料，棱镜可以为三棱镜或其他形状的棱镜，冷却器可以为水冷或风冷或油冷等均可。
图1为本发明的太阳能正面示意图，在此图中，第二聚光反射镜位于第一聚光反射镜的焦点的上方。
图2为光电池的侧面示意图。
图3为电池组和冷却器的示意图。
图4为电池组的上表面示意图。
图5为光电池的正面示意图，在此图中，第二聚光反射镜位于第一聚光反射镜的焦点的下方。
图6为太阳光路示意图实施例下面结合附图给出一实施例对本发明作进一步说明图1为本实施例的光电池的正面结构示意图，在图中(1)为第一聚光反射镜，形状为抛物面形，以下简称反射镜(1)，(2)为第二聚光反射镜，形状为抛物面形，曲率与反射镜(1)不一样，以下简称反射镜(2)，(3)为反射镜(1)的焦点，反射镜(2)位于焦点(3)的上方，反射镜(1)与反射镜(2)的凹面相对放置，两者的中心点和其焦点位于同一直线上，反射镜(1)的反射表面积为反射镜(2)的反射表面积的500倍；图中(4)为三棱镜，(5)为凸透镜，(6)为光电池组，(7)为冷却光电池组用的水冷却器，内中有冷却管道，冷却水在管道中通过水泵使其快速流动，并将冷却水通过一冷却塔散热，(8)为支撑反射镜(1)的支架，(9)为跟日器，反射镜(1)、反射镜(2)、棱镜(4)、凸透镜(5)、光电池(6)和冷却器(7)位于一直线上，并由支架(10)连接为一整体。
跟日器(9)使反射镜(1)始终正对太阳，适当设计反射镜(2)的曲率半径和摆放位置即可使反射镜(1)反射后的太阳光全部被反射镜(2)所反射并变为平行光或近似平行光。三棱镜(4)位于反射镜(1)的中心与其焦点的连线的中点以下的位置，这样做的目的是尽量减少三棱镜(4)阻挡从反射镜(1)射向反射镜(2)的太阳光，安放三棱镜(4)时，尽量使从反射镜(2)射入的光束靠近三棱镜的较厚的位置，以使光束在三棱镜中有足够的光程，从而更好地使不同波长的光分开，根据射入三棱镜的光束的宽度不难计算出所需三棱镜(4)和凸透镜(5)的大小和厚度，以及光电池组(6)的位置，以使其达到将从反射镜(2)射入的光束分解开至若干倍宽度的不同波长的光谱带的目的。
图3为本实施例的电池组(6)和冷却器(7)的示意图，图4为电池组(6)的俯视图，其中A为GaAs光电池，位于波长＜0.47μm的光谱区，B为CdS光电池，位于波长0.47μm～0.65μm的光谱区，C为GaAs光电池位于波长0.65μm～40.8μm的光谱区，D为多晶硅光电池位于0.8μm～1.2μm光谱区，由于射入三棱镜的光束有一定的宽度，上述的分解后的不同波长的光谱区有一定的重合现象，光谱区越宽即相对于射入三棱镜的光束越宽，对不同波长的光谱分解得越开，重合越小；但另一方面分解得越开，三棱镜(4)和凸透镜(5)需越厚，这样会损失较多的入射光，且光电池组(6)的半导体材料的面积相应地增加，导致成本增加，因此分解后的光谱区与射入三棱镜的光束宽度应保持在一定的倍数为宜，这个倍数以3倍～6倍为最佳。
图2为本实施例的装置的侧示图。
图6为本实施例的光路示意图。
通过本实施例可使光电池的太阳光能转换效率达到30％～50％，单位功率成本相当于非聚焦多晶硅光电池的1/5～1/10。
图5给出了一种将反射镜(2)放置在反射镜(1)的焦点(3)的下方的一种方法，此时反射镜(2)的凹面向上，其反射面为凸面，根据反射镜(1)的曲面形状以及反射镜(2)的位置，可计算出反射镜(2)的曲面形状，以使经反射镜(2)反射后的太阳光变为平行光。
鉴于从光电池组(6)的每一光电池输出的光电流的电压和电流大小有较大差别，如从A和C中GaAs光电池输出的电压大约为0.75～1V，其大小与光强和温度有关，从B中CdS光电池中输出的电压大约为1V～1.1V左右，从D中硅光电池输出的电压为0.5～0.7V左右，因此，A、B、C、D四个光电池之间不能直接串联或者并联，而应将若干个这样的光电池组组合在一起，使若干每组相同材料的光电池串联，最后使每组材料的光电池的电压的大小大致相同，再经适当稳压后再将这几种材料的光电池的输出电源并联在一起。
效果本发明相比现在技术具有如下优点1、大大提高了光电池的转换效率，与单晶硅和多晶硅光电池相比，其转换效率可达到后者的2～3倍。
2、与现有的叠层光电池相比，半导体材料用量为后者的若干分之一，且克服了叠层电池工艺复杂，电流匹配较难，成本高的缺点。
3、单位发电量的成本大大下降，可达到多晶硅光电池的十分之一左右。
权利要求
1.一种太阳能光电池，由第一聚光反射镜、第二聚光反射镜、棱镜、凸透镜、光电池组、冷却器、支撑第一聚光反射镜的支架、跟踪太阳的跟日器及连接上述部件的支架等组成，其特征是(1)第一聚光反射镜的面积远大于第二聚光反射镜的面积，第二聚光反射镜的位置对称地位于第一聚光反射镜的中心与其焦点的连线或其延长线上，即位于焦点的下面或上面，第二聚光反射镜离第一聚光反射镜的焦点的距离应满足使第一聚光反射镜的反射光完全或绝大部分被射入第二反射镜的反射面内；(2)第二聚光反射镜的曲面形状为这样一种形状，可使第一聚光反射镜反射来的光经第二聚光反射镜反射后变为平行光或变为近似平行光；(3)棱镜、凸透镜、电池组、冷却器等对称或近似对称地依次位于第二反射镜与第一反射镜的中心点之间；(4)棱镜和凸透镜使从第二聚光反射镜反射来的太阳光分解为不同波长的光谱带，棱镜和凸透镜的大小、厚度及摆放位置应满足使分解后的光谱带的总宽度至少为从第二聚光反射镜反射出来的光束带的宽度的1.5倍以上；(5)电池组为由若干个不同半导体材料的光电池组成，这若干个电池相互靠近，位于凸透镜的下方，从凸透镜出来的光谱带几乎全部分布于电池组的各个不同材料的光电池上，电池组的选配和排列规律满足使从凸透镜来的不同波长的光与相应的光电池的半导体材料有最高的或相对较高的光谱响应率。
2.按权利要求1所述的太阳能光电池，其特征是第一聚光反射镜、第二聚光反射镜、棱镜、凸透镜、电池组、冷却器等由支架连接为一体。
全文摘要
本发明是一种利用光学系统将太阳光分解成不同波长的光谱带，分别用几种对上述不同波长的光的光谱响应率高的半导体材料对准上述的光谱带，从而组成一光电转换效率高的光电池组，克服了单一半导体材料的光电池的光电转换效率低和叠层光电池的半导体材料用量多，电流匹配困难，制作工艺复杂，造价昂贵的缺点。
文档编号H02N6/00GK101083288SQ20071011237
公开日2007年12月5日 申请日期2007年6月12日 优先权日2007年6月12日
发明者邱定平 申请人:邱定平