太阳能电池装置的制作方法

专利名称：太阳能电池装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上属于太阳能转换领域，并且涉及一种旨在使转换过 程中能量损耗最小的太阳能转换系统和方法。
背景技术：
太阳能电池是利用半导体将光子转换成电能的感光器件。在半导 体中，导带和价带被能隙五g间隔开，能隙五g随材料组成和温度而变 化。当光子被半导体吸收时，电子被从价带激发到导带，从而在价带
中产生空穴。具有波长人和频率v的光子具有能量hv二hc从，并且通
常在/7V^&时被半导体吸收。但是，由于对于每次吸收事件来说仅能 产生一个电子-空穴对，所以光子的任何额外能量都被转换成热能而不 是电能。另一方面，半导体对于与小于五g的能量相对应的波长更加 透明，这是因为在这种情况下，光子的能量不足以使电子从价带激发 到导带。因此，由于最大能量光子产生大量热能因此不能被有效地利 用，而最小能量光子不能被吸收，所以对于未处理的太阳光，基于单
个带隙的系统的转换效率不超过32%。
一种增加总转换效率的技术是使用具有不同带隙的多个电池，以 转换照射太阳光谱的不同部分，其中每个电池针对其接收到的有限照 射光谱被优化。被称为串叠型电池构造的这种构造是一连串数个电池， 每个电池针对太阳光谱的一部分被优化，并且按带隙降序一个定位在 另一个之上。构成串叠的电池可单独地生长，并以机械方式堆叠在一 起。或者整个器件都可使用任何已知的生长技术(例如，金属有机化 学汽相淀积(M0CVD)、分子束外延(MBE)和液相外延(LPE))单片 地生长。机械堆中的每个电池需要其自身生长的基板，这会增加总成 本。另外，需要复杂的工程技术以实现到堆的良好电连接，电池之间的良好热连接以散热(否则会降低效率)，以及电池之间的良好光连 接。总的来说，这种电池效率差且可靠性低。为此，电池在公共基板 上一个生长在另一个之上的单片堆是优选的。在单片电池结构中，需 要在不同带隙区域之间产生欧姆电连接。这通过在电池之间使用隧道 二极管来实现，从而整个结构仅具有两个电连接。该结构中的各个电 池被串联连接，从而通过任何电池的电流对于所有电池都相同。此设 计造成了电流约束，由此每个电池为了有效的操作而必须生成相同电 流。可针对特定光谱设计并优化结构，但是当实际使用时，例如当在 地表型太阳能聚光系统中使用时，光谱将在一天之中以及一年之中改 变。这意味着，在大部分时间中，各个电池将不会电流匹配，并且器 件效率将从在设计照射光谱下时记录的最优值开始减小。此外，温度 变化在聚光系统中较明显，因此电池带隙变化将意味着效率从最佳的 匹配电流开始减小。
增加总转换效率的一种可选技术是使用光学器件将光谱的恰当 部分偏转到相关的电池，以获得所需的光谱分离。光谱分离包括以光 学方式将入射光分离成若干个能量范围窗，每个能量范围窗都适合于 针对该特定能量范围被优化的电池。遗憾的是，由于太阳光的漫射本 质而使得该方法难以在大面积上分离入射光。因此，通常需要辐射聚 光器。
增加总转换效率的另一种技术是使用上转换和下转换分别将两 个低能量光子转换成一个高能量光子和将一个高能量光子分裂成两个 低能量光子，以针对给定带隙系统更好地利用太阳光谱。但是，即使 有效地利用了上转换和下转换两者，也都仅能使太阳能-电能转换效率 略微增加。
这种太阳能电池(主要是基于非晶硅和分子半导体(MSC)的系 统)的另一个缺点是光敏材料的高内阻。分子太阳能电池中的光电能 量转换的过程可被分成三个步骤通过光吸收在MSC内产生被称为激 子的可移动的电子/空穴对；电荷分离；以及在两个金属触点处收集电 荷。通常，电荷分离在MSC与空穴(或电子)选择性材料之间的界面
7处发生，该材料解离(猝灭)横跨该界面的激子。为了形成回路，在
MSC-猝灭器界面处产生的电荷必须在金属触点处被选择性地收集。由 于在MSC-猝灭器界面处生成的电荷必须横穿MSC层，所以收集效率取 决于MSC的电阻率。换句话说，有效电荷分离需要猝灭器-0SC (有机 半导体)界面具有长的激子扩散长度和高品质，同时有效光转换还取 决于MSC层的电阻率。此外，MSC的短的激子扩散长度或高电阻率限 制了其中维持能量转换过程的高量子产额的MSC层的厚度。因此，这 些太阳能电池的总的光密度低，因此转换效率也低。
提供高的每单位照射面积的界面面积的互贯穿构造解决了激子 扩散长度的问题，但是使得光生成电荷的传输变得复杂。

发明内容
在现有技术中需要通过提供一种能够将输入的电磁辐射的不同 部分引导到具有不同吸收光谱的太阳能电池区域的新技术来优化太阳 能到电能的转换。本发明提供了一种新颖的波导装置，该波导装置构 造成吸收光谱的太阳能电池区域的阵列，输入能量的不同光谱分量因 此被不同的太阳能电池区域依次处理(转换)。电池辐射的引导在大 区域上进行，并且利用光谱选择的局部透明的元件。
根据本发明的一个宽泛方面，提供了一种太阳能转换系统，该转 换系统包括至少一个分别具有至少一个光输入的波导装置。该波导装 置包括供输入太阳辐射通过的芯单元和沿着该芯单元与该芯单元交界 的覆层材料装置。所述覆层材料装置被构造成沿着所述芯单元间隔开 布置且具有不同光学吸收范围的太阳能电池的阵列，使得波导芯与覆 层装置之间的界面通过使所述输入太阳辐射的不同波长的光子在通过 所述芯单元的同时被所述阵列的连续的太阳能电池连续吸收而由此转 换成电能，从而在光谱上将所述输入太阳辐射的光子分离。
优选的是，所述覆层装置的太阳能电池按照它们的光学吸收能量 阈值的降序布置，所述太阳能电池具有不同带隙的光敏材料。
所述波导装置在光学上可以是非均匀的，从而将输入辐射连续导向不同的太阳能电池，以使所述辐射的转换最优。在本发明的某些实 施方式中，所述波导芯与所述覆层装置之间的所述界面被构造成能够 提供所述空间光谱分离，在该空间光谱分离中所述辐射被分离成若干 个能量范围窗。所述波导装置沿着所述芯轴线可以具有光学折射率梯 度。
优选的是，所述太阳能电池具有薄的光敏膜(大约几微米厚，例
如2至5微米)。
在本发明的某些实施方式中，所述转换系统具有波导串叠型构 造。该转换系统包括至少一个与第一波导结构的覆层材料装置交界的 第二波导结构，每个波导结构都具有进入相应芯的光输入。该波导装 置可以为楔形。
优选的是，所述太阳能电池垂直于所述输入辐射，并且所述波导
装置被构造成V形槽(grove)。
所述转换系统可包括光谱分离元件，该光谱分离元件提供至少第 一和第二波导装置之间的输入太阳辐射的光谱分离。该光谱分离元件 可以是分色镜。该分色镜可被集成在至少一个太阳能电池内。
根据本发明的另一宽泛方面，提供了一种太阳能转换系统，该太 阳能转换系统包括至少一个分别具有至少一个光输入的波导装置，该 波导装置包括供输入的太阳辐射通过的芯单元和沿着该芯单元与该芯 单元交界的覆层材料装置，所述覆层材料装置被构造成沿着所述芯轴 线具有折射率梯度，所述覆层材料装置的不同折射率区域分别与不同 的太阳能电池相关联。
根据本发明的又一个宽泛方面，提供了一种太阳能会聚器，该太 阳能会聚器包括至少一个分别具有至少一个光输入的波导装置，该波 导装置包括供输入太阳辐射通过的芯单元和沿着该芯单元与该芯单元 交界的覆层材料装置，所述覆层材料装置被构造成沿着所述芯轴线具 有折射率梯度，由此通过使输入太阳辐射的不同波长的光子在通过所 述芯单元的同时在所述覆层材料装置的不同折射率区域处被连续吸收 和收集，从而在光谱上将所述输入太阳辐射的光子分离。根据本发明的再一个宽泛方面，提供了一种用于优化太阳能向电 能转换的方法。该方法包括将输入辐射导向至少一个波导装置，该 波导装置包括供输入太阳辐射通过的芯单元和沿着该芯单元与该芯单 元交界的覆层材料装置，所述覆层材料装置被构造成沿着所述芯轴线 间隔开布置且具有不同光学吸收范围的太阳能电池的阵列，使得波导 芯与覆层装置之间的界面通过使所述输入太阳辐射的不同波长的光子 在通过所述芯单元的同时被所述,阵列的连续的太阳能电池连续吸收而 由此转换成电能，从而在光谱上将所述输入太阳辐射的光子分离；由 此能够使转换过程效率最大，在该转换过程中，太阳辐射的能量谱被 周围太阳能电池吸收。
该方法包括将输入辐射的具有不同波长范围的不同部分引导到 不同的太阳能电池。
在本发明的某些实施方式中，所述方法包括提供空间光谱分离。 所述波导装置可构造成一连串棱镜。所述光谱分离可通过分色镜实现。
所述方法还包括选择性地修改从以下参数选出的参数以优化输 入辐射的吸收所述波导-太阳能电池界面处的相对折射率；所述太阳 能电池的带隙；每个太阳能电池及吸收窗口的长度。所述波导-太阳能 电池界面处的相对折射率可以通过所述波导和所述太阳能电池之间的 不同光学连接涂层而改变。通过波导折射率的逐渐变化可以将所述输 入辐射光谱分离成若干个能量范围窗。
优选的是，可朝给定波长在与输入辐射方向垂直的方向上选择性 地修改波导折射率。
在本发明的某些实施方式中，太阳能电池具有独立的电路以减小 电损耗，并消除所述太阳能电池之间的电流匹配。
在本发明的一些实施方式中，将电磁辐射导向到额外的太阳能电 池上，该额外的太阳能电池相对于其他电池以最优角度附接至所述波 导装置。所述额外的太阳能电池具有最低光学吸收阈值。所述电磁辐 射可以通过镜或透镜而被导向到所述波导中。所述波导可以以多片折 叠或以螺旋形巻绕，以减少空间。这些片或巻可被封装在真空或惰性
10气体中；或者被封装在形成电化学系统的电解质内。
一些电池可由于维护或它们寿命的不同而被更换。 本发明还提供了一种为了优化辐射收集而利用具有各种横截面 的端部密封的玻璃管封装太阳能电池的方法。该管可以被抽空，填充 有惰性气体，或者被在化学上惰性的液体填充，该液体的光学特性以 最优的方式与管的光学特性匹配。所述管的外表面被修改以被动或主 动地自清洁。所述管可配备光收集镜。
所述管可布置成相对于水平倾斜以便优化太阳辐射收集。可以通 过围绕管的轴线旋转管而实现这种最优条件。
所述管可以被布置成形成统一模块，从而允许单独更换管。 所述电池可电连接到独立的电路。每个电池产生的电流可被单独 地管理和利用，这降低电损耗并且不需要电池之间的电流匹配。电池 的独立电连接还降低了由于太阳光谱特性的季节性和日常的变化而造 成损耗。


通过参照仅作为非限制性示例的附图，可理解本发明并了解本发 明在实践中是如何实施的，在附图中
图1示意性地示出了在传统波导内发生的反射过程； 图2示意性地示出了根据本发明一个实施方式的基于波导的太阳 能电池的实施例；
图3A至3C示意性地示出了其中基于波导的太阳能电池的实施例
被堆叠的不同结构；
图4示出了以波导串叠型构造耦合的若干个太阳能电池； 图5示出沿若干个系统的光的可能耦合；
图6A示出根据本发明一个实施方式的具有光学折射率梯度的波 导中的空间色彩分离；
图6B示出了组装成堆的一组具有V形顶端的色彩分离的基于波
导的太阳能电池；图7A至7B示出双电池设计的一个实施例，其具有平行堆叠的空 心管，.该空心管包含两种电池和分色镜，该分色镜在电池之间实现光 谱分离；
图8A至8B示出使用将太阳辐射分离成高能量区域和低能量区域 的分色镜和针对这些区域被优化的两个太阳能电池的两种任选构造的 一般方案；
图9示出作为照射路径的函数的太阳能电池的入射光子-电流转 化效率(IPCE)的频谱；
图10示出两条曲线GJB G2，其中Gi对应于在标准条件下太阳能 电池的入射光子-电流转化效率(IPCE) ， G2类似于Gt，但是以长波长 照射且被分色镜反射；
图11示出转换系统的入射光子-电流转换效率，在该转换系统中 太阳能电池附接到一块窗玻璃上，该窗玻璃被从侧面照射从而用作导 光件；以及
图12示出了不同长度的电池的J-V特性。
具体实施例方式
参照附图可更好地理解在此使用的用于优化太阳能向电能转换 的转换系统及方法的构造和操作，在所述几幅附图以及随后的非限制 性的示例性实施方式的描述中以相同的附图标记表示相同的元件。
在本发明的一个方面中，本发明利用沿波导传播的光的全内反射 效应来构造太阳能电池装置。全内反射是由于在波导芯一覆层界面处 的折射率的差别造成的。该差别确定了所有光被反射回波导内的临界 角。反射过程在大约为波长的一半的距离上进行。换句话说，在每次 反射事件中，光在反射期间穿入覆层材料大约为其波长一半的距离。 图1中以明显的方式示出了该反射过程的示意图。
参照图2，图2示出了总体上用附图标记1000表示的太阳能转换 系统，该转换系统包括至少一个波导装置100,在本实施例中示出了 单个波导。该波导具有光输入20。波导装置IOO包括供输入太阳辐射
1220通过的芯单元10和沿着芯10与该芯10交界的覆层材料装置30。 覆层材料装置30被构造成沿着所述芯轴线间隔开布置且具有不同光 学吸收范围的太阳能电池的阵列，使得波导芯10与覆层装置30之间 的界面通过使所述输入太阳辐射20的不同波长的光子在通过所述芯 单元10的同时被所述阵列的连续的太阳能电池连续吸收而由此转换 成电能，从而在光谱上将所述输入太阳辐射的光子分离。
因此，波导可被修改成这样的程度即对于可见光区域，只有各 个电池的前200-400nm (如果需要的话可以更少)被照射。在这里， 与标准电池不同，在第一次通过时未被薄太阳能电池吸收的光子不会 损失。周围太阳能电池的长度和波导的特性确保这些光子被全部收集。 换句话说，基于波导的太阳能电池(该波导装置具有至少一个具有不 同吸收光谱的太阳能电池阵列区域)使得入射光子能够全部被收集， 同时保持薄的、低电阻的、高效的太阳能电池。
应指出，在该实施例中，使用ITO作为透明导体，但是应理解， 本发明并不限于该特定实施例。当光穿入波导时，其在穿入围绕物(覆 层材料)的同时传播。如果围绕物是太阳能电池，则可预料穿入的光 将被转换成电能。换句话说，当光经由波导传播时，其一部分被周围 太阳能电池吸收而被转换成电能。确切的光程以及被周围太阳能电池 吸收的部分取决于波导一太阳能电池界面处的相对折射率和太阳能电 池的带隙。该界面设计成使得对于周围太阳能电池来说具有足够高能 量的光子都被吸收。但是同时，波导和周围太阳能电池之间的界面允 许低能量的光子沿波导传播。这种设计可包括朝给定波长区域改变波 导的折射率、波长相关的散射、或基于光子的能量影响光子的路径的 其它光学方法。
应指出，文中使用的术语"波导"并不是将该器件构造局限于圆 柱形构造。该器件可构造成圆筒状或基本扁平的构造。
参照图3A和图3C，图3A至3C示出其中基于波导的太阳能电池
被堆叠的示例性结构。
根据本发明的一个实施方式，可以将若干太阳能电池以如图4所示的波导串叠型构造进行联接。
进入系统的光在紧邻一连串太阳能电池的波导内传播。光与周围 太阳能电池之间的相互作用被局限于能够在特定太阳能电池中使用的 光子。剩余的照射光继续朝之后的太阳能电池中的一个前进，并最终 允许低端的光子退出而在基于热能的系统中使用，或者作为避免过热 的措施。
根据本发明的一些实施方式，提供了一种具有多个太阳能电池的 系统，该系统具有许多自由度，例如每个周围太阳能电池的长度、吸 收窗口、相对折射率等，以允许优化所选择的每组周围太阳能电池。 如图5所示，光能够利用光学相容胶而沿若干个系统运动，并且最后 的太阳能电池能够定位成以传统方式面对光路。
此外，应指出，本发明构造的基于波导的太阳能电池系统的太阳 能电池可由薄层(几个微米，'2-5微米)形成，以防止出现高内阻。 薄层的使用提高了电池的效率。
根据本发明的另一个方面，光波导能够利用与渐变折射率(GRIN)
透镜相同的原理进行直接光谱分离，但是用具有强波长色散的材料实 现。该波导可设计成将导致空间光谱分离的一连串棱镜。两个参数可
被独立地改变首先，在波导的每个点处的折射率；其次，在太阳能
电池与波导之间的边界处的反射系数。
应指出，可通过利用波导与太阳能电池之间的各种光学联接涂层 改变在太阳能电池与波导之间的边界处的反射系数。光谱色散能够以 一种以上的方式(一种以上掺杂剂)实现，使得该参数可改变而不会 使其它期望的波导特性恶化。考虑白光以小角度变化落到在与入射辐 射方向垂直的方向上具有折射率梯度的波导上，如果材料具有任意程 度的光色散，则不同波长的光在入口处偏向不同的角度。如果波导足 够长，则由于不同波长的光的光程不同，所以来自波导侧表面的光被 空间色彩分离。
参照图5和图6A至图6B，图5和图6A至图6B示出了空间色彩 分离构造的实施例。图6A示出了在具有光学折射率梯度以产生波长色散的波导中的空间色彩分离。可通过改变外部涂层(将光耦合到太阳 能电池的涂层)的折射率来修改内反射角。应指出，可通过修整折射 率曲线来改变色彩分离的顺序。图6B示出了以堆叠的方式组装的一组 具有V形顶端的色彩分离波导装置。
应指出，由于电池垂直于入射辐射，所以光波导可形成v形槽(或 弯曲的v形槽)，并且在板的v形部分内具有多层抗反射涂层和渐变 折射率。这种构造能够在宽的光学范围内操作。v形槽并不一定是对
称的。例如，波导端部的形状可以考虑到太阳的位置。
参照图7A-7B，图7A和图7B示出了具有平行堆叠的空心管的双 电池设计，该双电池设计包含两种电池和设置成用于在这两种电池之 间进行光谱分隔的分色镜。图7A示出了双电池装置，包含平行堆叠的 其中放置有倒V形分色镜的空心管。管可被密封并填充延长电池寿命 的惰性气体。顶部镜收集漫射光。管和镜可用玻璃制成，这样使维护 简单并且滤除UV辐射，以便防止塑料制成的部件退化。应指出，根据
所选的设计，分色镜可与其中一个电池集成。
应指出，每个堆叠、波导和波导上的电池都可被单独更换和修理。 由于不同类型的电池的寿命可能在很大范围上不同，这使得在维护和 循环利用方面是非常有利的。循环利用对于包含Cd的电池尤其重要。 另外，这为系统的尺寸提供了空前的灵活性堆叠中的波导的数量没 有上限或下限。因此，本发明的系统可用于超大工业规模的能量生产 以及家用尺寸的备用电源。
堆叠设计解决了热应力的问题，这是因为堆叠在入射辐射的方向 上可以自由膨胀。这样降低了对电池与波导之间的光学胶的要求，从 而可大大减缓老化。
任何光学系统的外表面都会随着时间由于自然因素而损坏。可通 过更换波导的顶部部件或更换管而容易地更换外部光学表面。还可设 想在不拆卸叠层的情况下进行这种更换的方式。这在沙漠区域可能是 决定因素。
堆叠不需要具有大的机械强度或者极好的光学特性。因此，它们
15可以利用能够显著简化折射率和色散率的修整的工艺(诸如凝胶)来 制造。根据本发明的另一个方面，其中波导芯与覆层之间的界面被构 造成能够提供将入射辐射分离成若干个能量范围窗口的空间光谱分
离。图8A至图8B示出了太阳辐射被分离成两个能量窗口，随后通过
两个在能量方面被优化的太阳能电池转换成电能。示出了两个可选的 构造，该构造使用将太阳辐射分离成高能量区域和低能量区域的分色 镜以及针对这些区域被优化的两个太阳能电池。与现有的系统不同， 这里的光谱分离在转换系统内完成，因此克服了使用会聚器所涉及的 缺点。
优选的是，转换系统的构造和密封基于不同长度的玻璃管(但其 长度总是其直径的若干倍)实现。
使用染料敏化太阳能电池(DSSC)检验上述发明方面的概念。染
料敏化、有机和聚合物电池类型的第三代太阳能电池仅容许薄的光敏
材料层。在染料敏化太阳能电池中，仅从直接附着到半导体上的染料
分子发生有效电荷分离，而在有机和聚合物太阳能电池中，光敏材料
的厚度应不超过激子扩散长度。因此，这些电池的光学密度在光敏材
料的所有光谱窗口中都不是最理想的。通常，该问题通过利用光敏材
料和载流子传导材料的三维互穿结构克服，其中间界表面积显著大于
投影面积。这利用薄光敏材料层实现了期望的高光学密度。尽管该方
法解决了光学密度问题，但是互穿构造增加了分离的电荷到达集电器
所需行进的距离。因此，电流收集开始限制电池性能。为了克服该问
题，电池常常再次具有光学密度并不是最理想的吸收体，因此将会不
完全地利用太阳辐射。
本申请的发明人已经为这些类型的电池开发出一种新的通用构
造，该构造使得在光敏材料的吸收系数低的光谱区域上也可实现高效 的能量转换。因此，太阳能电池的有效光谱响应在比标准构造情况下 的光谱范围更宽的光谱范围上遍布。该方法为太阳能光谱和这些类型 的吸收光谱之间的更好匹配提供了方便。
使用了当前可用的、适于利用光谱高能量部分的电池类型，即染料敏化太阳能电池(DSSC)，该电池的有效吸收边缘在2eV左右。对 于低能量部分，可使用当前可用的电池之中的多晶硅电池，或更好的 是使用基于CuInSe2的电池。应指出，尽管本领域系统的当前设计状 况是在整个光谱上都获得最大效率，但是本发明教导的分离只要求电 池在有限光谱范围上被优化。
为了针对每个光谱窗口最优地选择电池，在转换系统中使用的低 能量电池和高能量电池都被开发出用作单个电池。对操作电压的增加 要给予特别注意。与染料的峰值吸收匹配的光谱范围的使用需要较少 的染料和较薄的纳米多孔电极。这提供了能够用于使导带电势负增长 从而增加操作电压的自由表面。
需要考虑能够显著影响最终能量成本的各种参数。这些参数包括 分色镜的特性(从透明变为反射的能量位置和锐度)、电池之间的角 度以及电池与二色镜之间的角度。
考虑到上述原理，该构造的优化包括检查转换系统在管内的位 置，并且计算由于转换系统在管内的放置而引起的可能增益或损失， 包括管相对于太阳的位置和反射损失；抗反射涂层；管的折射率的影 响；弯曲管表面作为低合聚透镜的使用；管内的气氛及其对热平衡的 影响；管内的热应力的估计(管内气体密度波动的估计以及该波动对 光学特性的影响)；圆形管对比椭圆形管；改变曲率以减小反射的使 用。
对于分色镜，应考虑以下参数分色镜的品质对电池性能的影响； 以及对分色镜的最低要求，即截止频率的位置、过渡区的光谱宽度以 及太阳光谱的各个部分中的光学吸收。
如下是本发明的技术的一些实验结果。
第一个实验是针对提出的系统中的光收获和光子的有效使用。因 此，并不涉及高效和串叠概念。
图9示出作为照射路径的函数的DSSC的IPCE(入射光子-电流效 率)光谱。曲线a代表电池在标准垂直照射下的IPCE，而曲线b代表 从相同的DSSC获得的但是在经由玻璃基板照射电池时的IPCE光谱。该玻璃基板用作扁平波导。两条曲线a和b在它们的峰值处都被归一 化为100%。
结果表明，基于波导的构造使得可更好地利用入射光子。这是由 于高光学密度(对于所有波长)和光注入电子的短传输路径相结合。
图IO示出两条曲线G,和G2，其中G,对应于在标准条件下的DSSC 的入射光子-电流转化效率(工PCE) ， G2类似于G。但是以长波长照射 且被分色镜反射。该实验使用包含市场上可买到的Si p/n太阳能电池 和Ru染料敏化太阳能电池(Ru-DSSC)、光谱截止为大约540nm的分 色镜的转换系统执行。结果表明，分色镜在截止能量(400-520nm)以 上不影响电池性能。电流-电压测量(未示出)表明，尽管在540nm 处截止，但是DSSC维持其转换效率的50°/。，而同时，Si电池仅损失其 性能的20%。
在还一个实验中，DSSC连接到窗玻璃板上，该玻璃板被从其侧面 照射以便用作导光件。其结果在图11中示出。曲线(a)从内部光子-电流转化效率(％)角度示出了基于光导的DSSC的电流-波长特性。为 了进行比较，示出了相同电池但被直接照射的相似曲线(b)。很清楚， 前者的光谱响应远好于后者。曲线(c)示出了电池的光学吸收。
在另一个实验中，测量一组DSSC。如上述实施例那样，每个DSSC
都附接到具有给定边缘面积的窗玻璃板上。电池的长度不同，但是其 它方面都相同。结果在图12中示出。长度为3、 4和5cm的电池的J-V 特性由曲线H。 H2和H3表示。将这些特性与相同电池暴露在相同照射 (曲线HJ下但现在却被直接照射(即光没有通过玻璃板)的那些特 性进行比较。所有电流被归一化到lcm2。可清楚地看到改进很大的电 流。电压降低是由于与直接照射的电池相比，那些通过玻璃照射的电 池的光强(每单位照射面积)低的缘故。还明显可见的是，通过玻璃 照射的长度为4cm和5cm的电池最大功率点比直接照射的电池高。
图12所呈现的结果还证明了这里所描述的通用系统的灵活性。 可以将附接到波导的电池的长度修正成与太阳能电池的特性和特定太 阳光谱相适应。
权利要求
1. 一种太阳能转换系统，该转换系统包括至少一个分别具有至少一个光输入的波导装置，该波导装置包括供输入太阳辐射通过的芯单元和沿着该芯单元与该芯单元交界的覆层材料装置，所述覆层材料装置被构造成沿着所述芯单元间隔开布置且具有不同光学吸收范围的太阳能电池的阵列，使得波导芯与覆层装置之间的界面通过使所述输入太阳辐射的不同波长的光子在通过所述芯单元的同时被所述阵列的连续的太阳能电池连续吸收而由此转换成电能，从而在光谱上将所述输入太阳辐射的光子分离。
2. 根据权利要求1的转换系统，其中，所述覆层装置的所述太 阳能电池按照它们的光学吸收能量阈值的降序布置，所述太阳能电池 具有不同带隙的光敏材料。
3. 根据权利要求1的转换系统，其中，所述波导装置在光学上 是非均匀的，从而将输入辐射连续导向不同的太阳能电池。
4. 根据权利要求1的转换系统，其中，所述界面被构造成能够 提供所述空间光谱分离，在该空间光谱分离中所述辐射被分离成若干 个能量范围窗。
5. 根据权利要求4的转换系统，其中，所述波导装置沿着所述 芯单元具有光学折射率梯度。
6. 根据权利要求1的转换系统，其中，所述太阳能电池具有薄 的光敏膜。
7. 根据权利要求1的转换系统，该转换系统具有波导串叠型构造。
8. 根据权利要求7的转换系统，该转换系统包括至少一个与第 一波导结构的覆层材料装置交界的第二波导结构，每个波导结构都具 有进入相应芯的光输入。
9. 根据权利要求1的转换系统，其中，所述波导装置为楔形。
10. 根据权利要求1的转换系统，其中，所述太阳熊电池垂直于所述输入辐射，并且所述波导装置被构造成V形槽。
11. 根据权利要求l的转换系统，其中，该转换系统包括光谱分 离元件，该光谱分离元件提供所述至少第一和第二波导装置之间的输 入太阳辐射的光谱分离。
12. 根据权利要求11的转换系统，其中，所述光谱分离元件是分色镜。
13. 根据权利要求1的转换系统，该转换系统包括至少一个集成 在至少一个所述太阳能电池中的分色镜。
14. 一种太阳能转换系统，该太阳能转换系统包括至少一个分别 具有至少一个光输入的波导装置，该波导装置包括供输入太阳辐射通 过的芯单元和沿着该芯单元与该芯单元交界的覆层材料装置，所述覆 层材料装置被构造成沿着所述芯单元具有折射率梯度，所述覆层材料 装置的不同折射率区域分别与不同的太阳能电池相关联。
15. —种太阳能会聚器，该太阳能会聚器包括至少一个分别具有 至少一个光输入的波导装置，该波导装置包括供输入太阳辐射通过的 芯单元和沿着该芯单元与该芯单元交界的覆层材料装置，所述覆层材 料装置被构造成沿着所述芯单元具有折射率梯度，由此通过使输入太 阳辐射的不同波长的光子在通过所述芯单元的同时在所述覆层材料装 置的不同折射率区域处被连续吸收和收集，从而在光谱上将所述输入 太阳辐射的光子分离。
16. —种用于优化太阳能向电能转换的方法，所述方法包括 将输入辐射导向至少一个波导装置，该波导装置包括供输入太阳辐射通过的芯单元和沿着该芯单元与该芯单元交界的覆层材料装置， 所述覆层材料装置被构造成沿着所述芯单元间隔开布置且具有不同光 学吸收范围的太阳能电池的阵列，使得波导芯与覆层装置之间的界面 通过使所述输入太阳辐射的不同波长的光子在通过所述芯单元的同时 被所述阵列的连续的太阳能电池连续吸收而由此转换成电能，从而在 光谱上将所述输入太阳辐射的光子分离；由此能够使转换过程效率最 大，在该转换过程中，太阳辐射的能量谱被周围太阳能电池吸收。
17. 根据权利要求16的方法，该方法包括将输入辐射的具有不 同波长范围的不同部分引导到不同的太阳能电池。
18. 根据权利要求17的方法，其中，所述波导装置在光学上是 非均匀的，从而将辐射导向不同的太阳能电池。
19. 根据权利要求17的方法，该方法包括提供空间光谱分离。
20. 根据权利要求19的方法，其中，所述波导装置构造成一连 串棱镜。
21. 根据权利要求19的方法，其中，所述光谱分离通过分色镜实现。
22. 根据权利要求16的方法，该方法包括选择性地修改从以下 参数选出的参数以优化输入辐射的吸收所述波导-太阳能电池界面处 的相对折射率；所述太阳能电池的带隙；每个太阳能电池的长度及吸 收窗口。
23. 根据权利要求22的方法，其中，所述波导-太阳能电池界面 处的相对折射率通过所述波导和所述太阳能电池之间的不同光学连接 涂层而改变。
24. 根据权利要求16的方法，该方法包括通过波导折射率的逐 渐变化将所述输入辐射光谱分离成若干个能量范围窗。
25. 根据权利要求24的方法，该方法包括朝给定波长在与输入 辐射方向垂直的方向上选择性地修改波导折射率。
26. 根据权利要求16的方法，该方法包括将竊射导向到额外的 太阳能电池上，该额外的太阳能电池相对于其他电池以最优角度附接 至所述波导装置，且具有为收集剩余辐射而被优化的最低光学吸收阈 值。
27. 根据权利要求16的方法，其中，所述辐射通过镜或棱镜而 被导向到所述波导装置中。
28. 根据权利要求16的方法，其中，所述波导装置包括以多片 折叠或以螺旋形巻绕的多个波导。
29. 根据权利要求28的方法，其中，所述片或巻被封装在真空或惰性气体中。
30. 根据权利要求28的方法，其中，所述片或巻被封装在形成 电化学系统的电解质中。
31. 根据权利要求16的方法，其中，所述太阳能电池具有独立 的电路，以降低电损耗并消除所述太阳能电池之间的电流匹配。
32. —种为了优化辐射收集而利用具有各种横截面的端部密封的 玻璃管封装太阳能电池的方法。
33. 根据权利要求32的方法，其中，所述管被抽空。
34. 根据权利要求32的方法，其中，所述管填充有惰性气体。
35. 根据权利要求32的方法，其中，所述管被在化学上惰性的 液体填充，该液体的光学特性以最优的方式与管的光学特性匹配。
36. 根据权利要求32的方法，其中，所述管的外表面被修改以 被动或主动地自清洁。
37. 根据权利要求32的方法，其中，所述管配备光收集镜。
38. 根据权利要求32的方法，其中，所述管相对于水平倾斜以便优化太阳辐射收集。
39. 根据权利要求38的方法，其中，通过围绕管的轴线旋转管实现最优条件。
40. 根据权利要求32的方法，其中，所述管被布置成形成统一模 块，从而允许单独更换管。
全文摘要
提供了一种太阳能转换系统。该系统包括至少一个分别具有至少一个光输入的波导装置。该波导装置包括供输入太阳辐射通过的芯单元和沿该芯单元与该芯单元交界的覆层材料装置。所述覆层材料装置被构造成沿着所述芯单元间隔开布置且具有不同光学吸收范围的太阳能电池的阵列，使得波导芯与覆层装置之间的界面通过使所述输入太阳辐射的不同波长的光子在通过所述芯单元的同时被所述阵列的连续的太阳能电池连续吸收而由此转换成电能，从而在光谱上将所述输入太阳辐射的光子分离。
文档编号H01L31/00GK101454903SQ200780019900
公开日2009年6月10日 申请日期2007年5月30日 优先权日2006年5月30日
发明者伊戈尔·卢博米尔斯基, 大卫·卡恩, 奥斯卡·M·斯塔夫苏德, 阿里·扎班 申请人:曳达研究和发展有限公司;巴伊兰大学;加利福尼亚大学董事会