专利名称：用于太阳能光伏电池的光学模块及光伏电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于太阳能光伏电池的光学模块及光伏电池。
技术背景太阳能电池是将太阳光转化为电流的光伏器件，其最主要的技术指标为光电转换效 率。目前，关于这方面的研究主要在两个方向展开太阳能聚集方法及分频谱吸收方法。目前，许多集光器件己经可以达到很高的太阳能聚集度，太阳能电池系统的效率、 经济性最终局限于光伏电池结的转化能力上。太阳能电池结的光电转换效率在能带优化 的单一频谱是非常高的。然而，太阳光是包含不同频谱的宽带波谱，太阳能电池的整体 效率由于其在频率高于或低于相应能带宽频率部分的迅速降低而降低。因此，科技人员 提出了许多关于用2个或更多的不同能带宽的电池结组合接收同一光照以提高太阳光谱 利用率方案。其中，每一个选择的能带宽度对应相应的太阳能频谱，从而优化转换效率。传统的设计注重于太阳电池结的垂直叠置，其理想状态为每一个叠置的电池结结构 相对于特定的频谱及能带宽度优化。图1示出了两级能带叠置的太阳能电池结示意图， 其中材料1和材料2形成了相对于第一个能带宽度的第一个p-n结；材料2和材料3形 成了相对于第二个能带宽度的第二个p-n结。然而，这种能带叠置法有许多难以克服的 技术瓶颈，如晶格错位、材料的透过率有限、界面反射损失、不同结之间的电流兼容性 等等。为平衡这些技术挑战，传统半导体工艺制作的能带结的叠置数目非常有限。因为 每一个能带宽度根据太阳光频谱中的不同的频率响应优化，当能带结的叠置数目有限 时，能利用的太阳光频谱宽度变得很窄，既太阳能的利用率或光电转换率变得很低。另 外，由于叠置法的制作涉及复杂的多层膜、多步骤工艺，这导致了光伏电池不但昂贵而 且效率远低于其理论值。正由于叠置法太阳能电池的复杂性及工艺难度，目前，能带结 可行的叠置数在2到4个之间。太阳能电池的设计者充分认识到太阳电池结的垂直叠置局限性，意识到并行(水平)排列的p-n结能避免垂直叠置的瓶颈。因为并行排列的p-n结可以分别在不同的基片上 设计、制作以达到各自的优化组合。例如，每一种p-n结的能带可以根据太阳能频谱中 特定的波段优化设计而无需考虑叠置法中的一系列问题，这既避免了复杂的制作工艺又 极大地提高了太阳能电池的光电转换效率。另外，并行排列使得更多的能带可以组合在 一起(可达到6至7个)，提高了被利用的太阳光频谱的宽度，即提高了光电转换效率。 一个优化的设计可以使太阳能与电能的转换率达到60%至70%。当然，并行排列的p-n结也可以在同一基片上以不同的材料设计、制作以达到各自 的优化组合。这使得器件结构更加紧凑，但制作工艺比不同基片的选择来的复杂。为了实现并行排列构造，太阳光必须根据频谱分光到不同的、相关的p-n结。这种 分光主要通过以棱镜为基础的光学系统实现。美国专利US4,069,812及US6,469，241 Bl 公开了一种以菲涅尔透镜为基础的曲面棱镜透镜，其功能为将太阳光分、聚到不同的几 何位置上。这种结构可以有效地利用全频谱太阳能，但透镜到p-n结面板的距离较大， 结构不够紧凑。这是由于其光学系统要使频谱的线分离的程度足够大，以保证相应的频 谱照射到相关的p-n结上。而且以棱镜为基础的光学系统所分的频谱为连续频谱，两相 邻电池元素间的频谱光能没有得到有效地利用。发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效地提高太阳光能利用率的用于太 阳能光伏电池的光学模块及光伏电池。一种用于太阳能光伏电池的光学模块，它包括聚光板和置于所述的聚光板下的分光 板，所述的聚光板将扩展太阳光压縮成一系列间隔的细小光束列，所述的分光板将每个 细小光束根据频谱分光成细小光束列并根据频段顺序折射到不同的几何位置。所述的聚光板为单片结构，所述的聚光板以光学玻璃或光学塑料为材料，所述的聚 光板的两面为半径不同的凸透镜阵列。所述的聚光板由至少两块焦距不同的以光学玻璃或光学塑料为材料的阵列透镜组 成，其中至少包括一块大直径阵列透镜和至少一块小直径阵列透镜。所述的大直径阵列透镜为阵列凸透镜，所述的小直径阵列透镜为阵列凸透镜或阵列 凹透镜，所述的大直径阵列透镜呈无间隙排列，所述的小直径阵列透镜中相邻两小直径 透镜间由非光学面间隔。所述的大直径阵列透镜和所述的小直径阵列透镜的光轴相互对齐且焦点重叠，形成 望远镜系统。所述的分光板包括至少一个微型分光器阵列，所述的微型分光器阵列包括透射第一 个频谱，反射其它频谱的第一微型分光器；反射第n个频谱，透射其它频谱的第n微型 分光器，其中n=>2,所述的微型分光器沿与入射光束垂直的方向连续重复排列，第一微型分光器与所述的聚光板的出射面对齐，相邻两组微型分光器阵列中的相同微型分光 器间的间距等于所述的聚光板的相邻两出射面间的间距。所述的微型分光器为与入射光主轴方向成45°角的干涉滤光片。 所述的微型分光器阵列中的第一干涉滤光片为低通滤光片、其它的为高通滤光片。 所述的微型分光器阵列中的第一干涉滤光片为高通滤光片、其它的为低通滤光片。 使用上述的光学模块的太阳能电池，它包括聚光板和置于所述的聚光板下的分光 板，所述的聚光板将扩展太阳光压縮成一系列间隔的细小光束列，所述的分光板将每个 细小光束根据频谱分光成细小光束列并根据频段顺序折射到不同的几何位置，所述分光 板下设置有条状光伏电池阵列，所述的条状光伏电池阵列间距与所述的分光板出射光间 距相同，并与相应频段顺序折射出的细小光束列对齐。与现有技术相比，本发明的优点在于用太阳能分光板将太阳光线性分频，不同的频 谱太阳光束会聚在与其能带宽度相应的p-n结上，即太阳光频谱中的光能被充分吸收转 换成电能，而没有被浪费成热能或损耗掉。因此，使用这种光学模块的光伏电池的光电 转换效率比传统光伏电池将有极大地提升。
图1为叠层薄膜太阳能电池的结构示意图；图2 (a)为本发明的结构示意图，其中1为太阳光照，2为光学模块，3为光伏电池；图2 (b)为图2 (a)的立体示意图；图3是分光板为一个分光单元的光学模块的结构示意图，其中21为聚光板，22为 分光板；图4是分光板为多个分光单元的光学模块的结构示意图，其中21为聚光板，22为图5为条状排列的光伏电池3的平面示意图，其中31为第一组条状p-n结阵列，3m 为第m组条状p-n结阵列，311为第一组p-n结阵列中第一条p-n结，312为第一组p-n 结阵列中第二条p-n结，313为第一组p-n结阵列中第三条p-n结，31n为第一组p-n结 阵列中第n条p-n结，3ml为第m组p-n结阵列中第一条p-n结，3m2为第m组p-n结 阵列中第二条p-n结，3m3为第m组p-n结阵列中第三条p-n结，3mn为第m组p-n结 阵列中第n条p-n结；图6 (a)为单片结构的聚光板示意图，其中1为太阳光照，21为聚光板，2111为 入射面，2112为出射面；图6 (b)为单片结构的聚光板光路图，其中B,和B2分别为聚光板两侧的光束宽度， 聚光板的压束本领即为B,:B2;图7 (a)为双片结构的聚光板示意图，其中1为太阳光照，21为聚光板，2111为 入射面，2112为出射面；图7 (b)为双片结构的聚光板光路图，其中B,， /;和B2， /2分别为入射凸透镜阵列 和出射凸透镜阵列的光束宽度及焦距，聚光板的压束本领即为Bl:B2;图8为分光板的光路图，其中2201、 2202、 2203、 220n分别为与入射光入射方向成 45°角放置的第一、第二、第三、第n滤光片；图9 (a)为高通分光板中第一滤光片2201的透过率曲线；图9 (b)为高通分光板中第二滤光片2202的透过率曲线；图9 (c)为高通分光板中第n滤光片220n的透过率曲线；图10 (a)为低通分光板中第一滤光片2201的透过率曲线；图IO (b)为低通分光板中第二滤光片2202的透过率曲线；图IO (c)为低通分光板中第n滤光片220n的透过率曲线。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。本发明的高效光伏电池系统如图2 (a)所示，直射的太阳光1从无穷远处照射到光 学模块2上，太阳光经过光学模块2后被分解成一系列不同频谱的光束。在光学模块2 下的光伏电池3，对应这些不同频谱的光束呈条状p-n结阵列排列。这些p-n结的能带 宽度根据相应的不同光束频谱优化。该结构的立体透视图在图2 (b)中示出，显然光学模块2为一并行排列的采光系统，该系统采用并行分光技术，将太阳光频谱分割并送到 不同的几何位置。光学模块2包括聚光板21及分光板22。由于太阳与地球的距离遥远，可将太阳光 照视为平行光束。聚光板21为一系列光学透镜系统，其将扩展的平行入射光束分割成 一系列细小光束并会聚到在其下方的分光板22上。在图3中示出的光学模块2由聚光板21及分光板22构成，分光板22由一个分光单 元221构成，其中聚光板21为一望远镜系统，它将扩展太阳光束1根据系统压縮比压 縮为一细小的光束；分光板22为一个与入射光方向成45°角排列的千涉滤光片阵列，它 将宽频入射光束根据干涉滤光片的特性分成不同频段的光束。图4中给出的光学模块2由聚光板21及分光板22构成，分光板22由多个分光单元 221沿与入射光垂直方向重复排列构成，其中聚光板21为一望远镜系统，它将扩展太阳 光束1根据系统压縮比压縮为一细小的光束；分光板22为一个与入射光方向成45°角排 列的干涉滤光片阵列，它将宽频入射光束根据干涉滤光片的特性分成不同频段的光束。置于光学模块2下的光伏电池3为如图5所示的条状p-n结阵列，其中311、 312、 313、 ...、 31n构成了第一组阵列31， 3ml、 3m2、 3m3、 ...、 3mn构成了第m组阵列 3m。这m组阵列结构相同，形成了光学模块2的光能接收器。上述的聚光板21为一望远镜系统，它可以是单片结构或多片结构。图6 (a)给出 了其单片结构的聚光板的示意图。它为两面半径不同的的凸透镜阵列，其中入射面2111 的曲率小于出射面2112的曲率，即入射面2111的焦距大于出射面2112的焦距。如图6 (b)所示，该单片结构的聚光板21被设计为其两面的凸透镜的焦点重叠，因此宽度为 B,的光束经过此聚光板21后，根据系统压縮比，被压縮为宽度为B2的小光束。聚光板 21的聚光比即为两凸面的半径比。图7 (a)给出了由两块阵列凸透镜组成的双片结构的聚光板示意图。两阵列凸透 镜形成典型的望远镜系统，其光路系统由图7 (b)示出。与图6类似，双片结构的聚光 板被设计为两阵列凸透镜的焦点重叠，因此宽度为B,的光束经过此聚光板后，被压縮为 宽度为B2的小光束。单双片结构的聚光板与双片结构的聚光板的工作原理相同，其区别 为前者的共焦点在玻璃或塑料媒介中，而后者的共焦点则在空气中。上述的聚光板21均由光学玻璃或光学塑料制成。经聚光板21压縮的阳光然后行进到由一组与入射光垂直排列、其入射角为45°、以 玻璃或塑料为基板的干涉滤光片2201、 2202、 2203、…220n构成的分光单元221。该分光单元221的截面示意图在图8中示出，其中的干涉滤光片为成熟并广泛应用的光学技 术。典型的干涉滤光片由不同折射率的非导电介质层交替叠加形成。控制这些交替叠加 的非导电介质层的膜厚及高、低折射率就能产生理想的干涉滤光片中心波长及通带宽 度。当压縮后的阳光经过第一滤光片2201时，第一频谱的光束通过分光单元221照射 到相应的光伏P-n结上、剩余频谱的光束被反射继续前行。当前行的光遇见第二滤光片 2202时，第二频谱的光束被第二滤光片2202反射通过分光单元221照射到相应的光伏 p-n结上、剩余频谱的光束被透射继续前行。当前行的光遇见第三滤光片2203时，第三 频谱的光束被第三滤光片2203反射通过分光单元221照射到相应的光伏p-n结上、剩 余频谱的光束被透射继续前行。由此反复，直到继续前行的光遇见最后一片第n滤光片 220n，第n频谱的光束被第n滤光片220n反射通过分光单元221照射到相应的光伏p-n 结上。分光单元221的干涉滤光片2201、 2202、 2203、…220n根据光伏电池3的结构可 以相应地设为低通-高通结构，也可以设为高通-低通结构。低通-高通结构的光谱分布 分别在图9 (a)、图9 (b)及图9 (c)中给出。其中第一滤光片2201 (图9 (a))透射 短波、反射长波(低通)，其后的滤光片(图9 (b)及图9 (c))透射长波、反射短波 (高通)。即第一频谱(透射)的光束为短波光，其后随着n的增加分光单元221折射 到光伏p-n结阵列的波长长度增大。反之，图10 (a)、图10 (b)及图10 (c)分别给出了高通-低通结构的光谱分布 在。其中第一滤光片2201 (图10 (a))透射长波、反射短波(高通)，其后的滤光片(图 10 (b)及图10 (c))透射短波、反射长波(低通)。即第一频谱(透射)的光束为长波 光，其后随着n的增加分光单元221折射到光伏p-n结阵列的波长长度减小。显而易见，聚光板21与分光板22之间需要精确地对齐。由于第一滤光片为透射式， 之后的滤光片为反射式，从聚光板21来的光束需精确地与第一滤光片重叠。任何不精 确的对齐都会造成光伏电池的效率降低、甚至不工作。
权利要求
1. 一种用于太阳能光伏电池的光学模块，其特征在于它包括聚光板和置于所述的聚光板下的分光板，所述的聚光板将扩展太阳光压缩成一系列间隔的细小光束列，所述的分光板将每个细小光束根据频谱分光成细小光束列并根据频段顺序折射到不同的几何位置。
2. 如权利要求1所述的用于太阳能光伏电池的光学模块，其特征在于所述的聚光 板为单片结构，所述的聚光板以光学玻璃或光学塑料为材料，所述的聚光板的 两面为半径不同的凸透镜阵列。
3. 如权利要求1所述的用于太阳能光伏电池的光学模块，其特征在于所述的聚光 板由至少两块焦距不同的以光学玻璃或光学塑料为材料的阵列透镜组成，其中 至少包括一块大直径阵列透镜和至少一块小直径阵列透镜。
4. 如权利要求3所述的用于太阳能光伏电池的光学模块，其特征在于所述的大直 径阵列透镜为阵列凸透镜，所述的小直径阵列透镜为阵列凸透镜或阵列凹透镜， 所述的大直径阵列透镜呈无间隙排列，所述的小直径阵列透镜中相邻两小直径 透镜间由非光学面间隔。
5. 如权利要求4所述的用于太阳能光伏电池的光学模块，其特征在于所述的大直 径阵列透镜和所述的小直径阵列透镜的光轴相互对齐且焦点重叠，形成望远镜 系统。
6. 如权利要求1所述的用于太阳能光伏电池的光学模块，其特征在于所述的分光 板包括至少一个分光单元，所述的分光单元包括透射第一个频谱，反射其它频 谱的第一微型分光器；反射第n个频谱，透射其它频谱的第n微型分光器，其 中!1=>2，所述的微型分光器沿与入射光束垂直的方向连续重复排列，所述的第 一微型分光器与所述的聚光板的出射面对齐，相邻两组分光单元中的相同微型 分光器间的间距等于所述的聚光板的相邻两出射面间的间距。
7. 如权利要求6所述的用于太阳能光伏电池的光学模块，其特征在于所述的微型 分光器为与入射光主轴方向成45°角的干涉滤光片。
8. 如权利要求7所述的用于太阳能光伏电池的光学模块，其特征在于所述的分光单元中的第一干涉滤光片为低通滤光片、其它的为高通滤光片。
9. 如权利要求7所述的用于太阳能光伏电池的光学模块，其特征在于所述的分光 单元中的第一干涉滤光片为高通滤光片、其它的为低通滤光片。
10. —种使用权利要求1所述的光学模块的太阳能电池，其特征在于它包括聚光板 和置于所述的聚光板下的分光板，所述的聚光板将扩展太阳光压縮成一系列间 隔的细小光束列，所述的分光板将每个细小光束根据频谱分光成细小光束列并 根据频段顺序折射到不同的几何位置，所述分光板下设置有条状光伏电池阵列， 所述的条状光伏电池阵列间距与所述的分光板出射光间距相同，并与相应频段 顺序折射出的细小光束列对齐。
全文摘要
一种用于太阳能光伏电池的光学模块，特点是它包括聚光板和置于聚光板下的分光板，聚光板将扩展太阳光压缩成一系列间隔的细小光束列，分光板将每个细小光束根据频谱分光成细小光束列并根据频段顺序折射到不同的几何位置，优点在于用太阳能分光板将太阳光线性分频，不同的频谱太阳光束会聚在与其能带宽度相应的p-n结上，即太阳光频谱中的光能被充分吸收转换成电能，而没有被浪费成热能或损耗掉。因此，使用这种光学模块的光伏电池的光电转换效率比传统光伏电池将有极大地提升。
文档编号H01L31/052GK101276850SQ20081006232
公开日2008年10月1日 申请日期2008年5月9日 优先权日2008年5月9日
发明者同 李 申请人:宁波思达利光电科技有限公司