专利名称：低成本太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新的低成本太阳能电池。
背景技术：
光伏太阳能电池的性能已经持续发展了几十年。在这些年中，已投入几次尝试来提高其效率和产生的电力。这些尝试包括发明人的专利申请FI2007(^64、FI20070743和 FI2007801，上述申请在这里作为参考并入本申请中。US6689949也描述了一种建立几kW 50kW范围内的太阳能发电站的有趣的尝试。 使用外部抛物光学聚能器用于将日光聚集到由太空级反射器材料“Spectralon”制成的反射腔体中。所述反射腔体容纳不同波长下的太阳能电池。US2008/0251112 Al也公开了一种相似解决方案。这两篇文献在此作为参考引用。现有技术由于重大缺陷而不便使用。US6689949的太阳能发电站太大，以至于使电力输送成本增加，这是因为其需要远离用电场所。此外，从产生每瓦特的平均花费以及投资费用的方面来说，这一太阳能发电站非常昂贵，这是因为它需要大量的先期投入。可再生能量目前的情况是光伏电力产生是能量产生的优选模式，只是对于一般的人或行业来说，每单位瓦特太昂贵了。
发明内容
所研究的本发明涉及低成本太阳能电池。本发明的一个目标是将可用的发电站级光伏技术提供给用电场所。本发明的另一个目标是通过减少太阳能电池板所需的初始投资来减少每单位瓦特电力的成本。在本发明的一方面，太阳能电池板由许多小的太阳能电池模块制成。这些模块的面积可为几平方厘米，并且厚度为几厘米或更小。太阳能电池模块包括用于太阳能电池的壳体。在壳体的入射日光一侧存在聚焦元件。该聚焦元件将日光聚焦到一个小区域。所述太阳能电池在该聚焦区域下方，并且获得最大量的入射日光。与聚焦元件或壳体元件的面积相比，所述太阳能电池一般具有小的面积。所述壳体还用作反射腔体或乌布利希球 (integrating sphere)，并且其内壁覆盖有反射箔，或漫反射材料，或其它反射材料。如所述，太阳能电池是昂贵的。太阳能电池的成本或光电二极管规模在很大程度上与其面积相关。制造形成太阳能电池的半导体材料消耗的能量也是这样。在另一方面， 随着许多半导体的效率提高，所述许多半导体确实从辐照度的增加(即，增大的辐射通量) 获益。这是因为光子越多，进入传导带中的受激电子就越多。另一方面，引起光子的聚焦和俘获的聚焦元件和反射腔体可按照多种方法制造。在本发明的一个实施例中，壳体是透明塑料壳体，并且聚焦元件是便宜的塑料透镜，并且腔体即壳体的内侧覆盖有便宜的镜箔，从而将腔体变为反射腔体。在本发明的一个实施例中，壳体、聚焦元件和镜箔被布置成进行选择，使其成本和安装成本至少被俘获的光子和聚焦的光子产生的额外的电力的价值补偿。根据本发明的太阳能电池模块的特征在于-至少一个太阳能电池，所述至少一个太阳能电池被布置在壳体中；-至少一个反射腔体，所述至少一个反射腔体被布置在所述壳体中；-至少一个聚焦元件，所述至少一个聚焦元件被布置为将入射日光聚焦到至少一个所述反射腔体中，-所述至少一个反射腔体被布置为容纳所述至少一个太阳能电池，-至少一个所述聚焦元件连同所述壳体一体地实现。根据本发明的产生太阳能电力的方法，其特征在于，-聚焦元件将入射日光聚焦到反射腔体中；-反射腔体容纳至少一个太阳能电池；-光子的聚焦和反射在同一壳体内进行。除上述具有优点的实施例之外并参照所述实施例，本发明的最佳方式被认为是一种被容纳在包括塑料透镜的多孔陶瓷壳体中的具有多个光谱响应的叠型太阳能电池 (tandem solar cell)。壳体从内部覆盖有镜箔。在一些实施例中，叠型太阳能电池在聚焦元件的焦点下方，并且在壳体中还存在真空。
以下，将参照根据附图的示例性实施例来更加详细地描述本发明，其中图1以框图显示了本发明的太阳能电池模块10的实施例。一些实施例在从属权利要求中进行描述。
具体实施例方式图1显示了本发明的太阳能电池模块10的实施例。在一些实施例中，太阳能电池模块10的壳体由为相对便宜的材料的塑料制成。在一些实施例中，太阳能电池模块10的壳体由玻璃或玻璃/塑料的混合物制成。在一些实施例中，聚焦元件300由塑料、玻璃或玻璃/塑料的混合物制成，并且可为太阳能电池模块10的壳体500的一体部件。在一些实施例中，壳体500和聚焦元件由单一的玻璃件和/或塑料件制成，例如通过模制制成。在本发明的一些实施例中，聚焦元件300是透镜，但是根据本发明，聚焦元件还可以是抛物面镜或其它聚焦装置。在本发明的多数实施例中，聚焦元件一体地连接到壳体 500。壳体500的一个或多个壁被实现为聚焦元件300，或者，所述壁被布置为至少在其区域的一部分中容纳聚焦元件300。在一些实施例中，光子导体、例如至少一个光纤或潜望镜可用于将聚焦元件300 —体地连接到壳体500中。在一些实施例中，壳体和聚焦元件由不同材料制成。例如，壳体500可由多孔陶瓷制成，多孔陶瓷是最便宜的一类材料(来源英国剑桥大学工程系)，聚焦元件300由塑料、 玻璃和/或玻璃/塑料的混合物制成，反射腔体可利用由任何金属或合金或任何其它材料制成的镜箔来实现。在一些实施例中，反射腔体200通过利用反射箔覆盖内壁而在壳体500 内实现，所述反射箔可基于任何金属或合金或任何其它材料。在本发明的一些实施例中，大约在壳体内的反射腔体的开口处还存在另一个聚焦、发散和/或衍射元件400。该元件400可用于最优化所述反射腔体内的初始内光子分布。另外，反射腔体200的俘获壁(entrapment wall)600也是重要的。光子从俘获壁和反射腔体200的其它壁被反射回来，并且不能真正地逃离，除非它们设法反射回到在多数实施例中具有非常小的面积的元件400。因此，反射腔体200俘获光子并迫使它们与太阳能电池100、101、102相互作用数次，从而增大它们在至少一个太阳能电池中转化为电流的可能性。聚焦元件300被布置为将入射日光聚焦到反射腔体200中。在反射腔体的光圈处可以存在另一个聚焦和/或衍射/漫射元件400。在一些实施例中，反射腔体200通过利用镜箔覆盖内壁而在太阳能电池模块10内实现。在一些实施例中，反射腔体被设置为乌布利希球(integrating sphere)。在这些实施例中，所述壁按照漫射的方式进行反射，这通常意指所述壁是白色的。根据本发明，所述太阳能电池模块和反射腔体可为任何形状。在本发明的一些实施例中，在至少一个反射腔体200和/或壳体500的内部存在真空或存在低密度气体。在本发明的一些实施例中，壳体500、反射腔体200、聚焦元件300、衍射/漫射元件或太阳能电池模块10的任何其它部件可基于任何金属或合金、陶瓷、多孔陶瓷、玻璃、合成材料、塑料、聚合物、橡胶、泡沫材料、木材和/或木制品。根据本发明，至少一个太阳能电池100、101、102可为Si (硅)、多晶硅、薄膜硅、非晶硅、Ge (锗),GaAs (砷化镓),GaAlAs (镓铝砷)、GaAlAs/GaAs、GaP (磷化镓)、InGaAs (铟镓砷 MnP (磷化铟)、InGaAsAnP、GaAsP (镓砷磷)、GaAsP/GaP、CdS (硫化镉)、CIS ( 二硒化铜铟)、CdTe (碲化镉)、InGaP (铟镓磷)、AlGaInP (铝镓铟磷)、InSb (锑化铟)XIGS ( 二硒铜铟/镓)和/或InGaN(氮化铟镓)太阳能电池。同样，在一些实施例中，根据本发明的至少一个太阳能电池100、101、102可以任何元素或合金组合为特征，或以能够发生光电效应的任何材料为特征，所述材料在以下公布文件中描述，所述公布文件为Josuke Nakata 的 EP1724841A1 “Multilayer Solar Cell (多层太阳能电池)，，、James P. Campbell 等人的 US6320117 "Transparent solar cell and method offabrication(透明太阳能电池及制造方法)”、Thomas Markvart 的 Solar Electricity (太阳能电力)(第二版，ISBN 0-471-98852-9)禾口 Paul Preuss 白勺"An unexpected discovery could yield a full spectrum solar cell (意夕卜的发现可产生全光谱太阳能电池)，，，Research News, Lawrence Berkeley National Laboratory (研究新闻，美国劳伦斯伯克利国家实验室)，根据本发明， 这些公布文件以引用的方式全部并入本申请中。至少一个太阳能电池100、101和/或102 也可以是能带内间隙(intraband-gap)半导体，例如量子级联半导体。在一些实施例中，这可通过例如利用反向驱动的QCL激光器(即，作为光接收器)来实现。在多数实施例中，至少一个太阳能电池100、101、102被布置为置于聚焦元件300 的焦点处。在一些实施例中，至少一个太阳能电池100、101、102可设有滤光器，所述滤光器将典型针对太阳能电池效率最高的频带(band)具有带通。这是因为，根据本发明，在最具有量子效率的光谱的那一部分，将光子从所述部分提供给太阳能电池是敏感的。这种滤光器的一个实例是梳状(Rugate)滤光器。另一种方式是，元件400可被布置为从光谱的特定部分将光子分布到在所述频带下工作得最好的特定的太阳能电池100、101、102。在一些实施例中，这可通过将元件400设置为衍射棱镜并且将各太阳能电池布置到对应于它们的在效率方面的最佳频带的衍射峰(diffraction maximum)的位置来实现。在本发明的一些实施例中，将滤光器和光子分布方法二者一起使用。在本发明的一个实施例中，不同光谱响应的几个太阳能电池100、101、102被布置在反射腔体200中，和/或至少一个太阳能电池100、101、102是叠型太阳能电池。现在，这些高级光伏方案的使用是经济可行的，这是因为在反射腔体中，太阳能电池将暴露于更高的辐照度，并且将实现更高电平的使用和将取得更多光电流。在本发明的多数实施例中，通过太阳能电池100、101、102的任一个收集的光电流被布置为通过布置为引出太阳能电池模块10外的电导体收集。根据本发明，例如，连接到太阳能电池100、101、102的任一个的金属线或其它导体可以自反射腔体200中伸出以为网络供电或驱动负载或为太阳能电池模块之外和/或远离太阳能电池模块的电池充电。在一些实施例中，至少一个太阳能电池模块10被聚集起来以形成包括一个或多个太阳能电池模块的太阳能电池板。本发明的太阳能电池模块可以被制作得非常小。它们可用于为例如腕表供电。但是，聚集几千或几百万个太阳能电池模块也可构造出巨型太阳能电池板，其可用于太阳能发电站。太阳能电池模块本身也可被制作得非常大，例如，像礼堂或房屋那么大。因此，太阳能电池模块10本身或其太阳能电池板可按照任何尺寸、形状或构造实现。在本发明的多数实施例中，通过太阳能电池100、101、102从聚集和俘获的光子产生出来的额外的光电流被设置为抵消反射腔体200和/或聚集元件300、和/或模块10或其壳体500的成本。例如，假如太阳能电池100的有效面积为1cm2，并且假设具有面积为 IOcm2的聚焦元件的模块的面积更大。聚焦元件300可为任何形状，例如在一些实施例中， 为正方形或圆形透镜。现在，假设在理想条件下，太阳能电池100被暴露于大约10倍多的辐射通量(flux)，即10倍日光。与太阳能电池在1倍日光下能够产生的电力相比，估计太阳能电池在上述条件下产生3倍多的电力。现在，对于几乎没有成本的塑料壳体而言，使包括反射腔体、壳体和聚焦元件的整个太阳能电池模块系统的花费小于两个太阳能电池的花费将是非常可能的。如果我们假设太阳能电池的持久力不受光学集中的影响，并且太阳能电池模块的价格等于太阳能电池的价格，则在太阳能电池模块内使用太阳能电池将节约 1/3 = 33%的成本。因此，在本发明的太阳能电池板中，太阳能电池模块的成本将优选地不止被通过聚焦和俘获的光子产生出来的光电流带来的相对收益抵消。换句话说，对于太阳能电池100、101、102的成本来说，由于俘获和聚焦而导致的光电流的相对增长被设置得高于壳体500、聚焦元件300和反射腔体200的相对成本。根据本发明，聚焦元件与壳体500 和/或反射腔体200的一体接触允许针对每个太阳能电池模块和/或每个太阳能电池板执行成本电力优化。前面讨论了聚焦元件、反射腔体和太阳能电池模块将由便宜的塑料、玻璃或二者的混合物制成。还讨论了，在本发明的一些实施例中，壳体500、反射腔体200、聚焦元件 300、聚焦/衍射/漫射元件400或太阳能电池模块10的任何其它部分可基于任何金属或合金、陶瓷、多孔陶瓷、玻璃、塑料、复合材料、聚合物、橡胶、泡沫材料、木材和/或木制品。根据本发明使用的满足相对成本收益测试的任何其它材料当然也是可以的。本发明的太阳能电池模块10可实现为任何形状、尺寸、用途或伪装。例如，可基于利用所述太阳能电池模块的太阳能电池板建成和使用低成本太阳能发电站。可基于本发明
7的太阳能电池模块建成单独的太阳能电池板，并且所述单独的太阳能电池板可用于任何地方，例如，用电场所，例如家庭、办公室等。因为所有光学部件和上述至少一个太阳能电池位于同一壳体内，所以本发明的一个非常优选的实施例是由许多作为元件的太阳能电池模块构成的聚集太阳能电池板。因为太阳能电池板不应该太厚，所以聚焦元件300的焦距应当优选地非常短。这还对聚焦元件的面积实施了限制。在一个实施例中，当太阳能电池位于反射腔体200和壳体500的后壁中的情况下，太阳能电池板为约Icm厚，并且聚焦元件的焦距为约lcm。基于这些尺寸，聚焦元件300可能有几平方厘米的面积。因此，在本实施例中，太阳能电池板的每平方米面积内可包含大量的小的太阳能电池模块10，每个太阳能电池模块的面积为几平方厘米。在一些实施例中，太阳能电池模块10铺设于平坦的平面上，以实现平坦的太阳能电池板，但是其它形状也是可以的。在一些实施例中，由太阳能电池模块10构成的太阳能电池板可被装配为用于贴合任何形状，例如，球形或圆形的物体。同样，在本发明的一些实施例中，壳体500、 聚焦元件300和反射腔体300以及太阳能电池100、101、102的任一个可具有不同的形状。 根据本发明，壳体500、聚焦元件300和/或反射腔体300的一体接触允许基于光学集中带来的成本电力优化的所有优点对于任何形状、大小或形式的用电场所都能体现。在本发明的一些实施例中，包括大量太阳能电池模块的太阳能电池板被制成片材。在一些实施例中，例如通过溅射和/或熔融将一个片材上的许多小的腔体利用反射箔或一些其它反射材料覆盖。然后，根据本发明，太阳能电池通过导体连线至每个腔体。然后， 将一片聚焦元件附着到所述容纳有太阳能电池的片材的腔体的顶部，同时所述两个片材一起形成太阳能电池板。太阳能电池板优选地布置在每个聚焦元件的焦点处。这样，在一些实施例中，以大量的本发明的太阳能电池模块为特征的整个太阳能电池板可根据本发明被制造出来。在本发明的一些实施例中，太阳能电池模块10或其太阳能电池板可用作建筑材料，例如砖块、建筑元件等。例如，太阳能电池模块10可实现为砖块，其中透镜或类似的聚焦元件位于日光入射一侧。在这些实施例中，砖块内部的真空对于将建筑物与本发明的一些实施例中的周围环境热绝缘来说将是非常优选的。由于砖块内部不暴露于环境，所以砖块内部的真空和密闭将也典型延长太阳能电池的寿命。旅行者卫星已经利用同样的太阳能电池板完美地运行了 32年，那时太阳能电池板已被保持在外太阳系和日光层的相对真空中。砖块内部的太阳能电池通过电触点而连接到彼此和/或负载，并且由这种砖块制成的整个墙壁或墙壁的一部分可被制成为运行壳体内部的负载。在本发明的一些实施例中，砖块串联或并联连接，或两者皆有。在一些实施例中，在砖块的表面上具有一个或多个电触点。通过引入砖块的外表面内侧上的电触点的导线来收集电流，所述外表面内侧即为入射日光侧(外部外侧)的相反侧。在一些实施例中，在砖块的外表面顶部和/或底部具有砖块到砖块的电触点也是可以的。重要的是，当墙壁组合时，避免通过砂浆或石膏而使电连接断开，并且在一些实施例中，将所述电触点升高、降低、覆盖或被设置为被嵌入，以使得当建造墙壁时，砂浆或石膏将不能使电触点断开。根据本发明也可使用其它支撑结构，例如，贯穿砖块的金属棒，并且所述支撑结构另一方面用作电连接器或其它电连接器的主机 (host) ο
在本发明的太阳能电池模块被用作建筑材料的实施例中，建筑材料上的节约、由于真空绝缘导致的暖气装置或空调的减少以及由于聚焦和俘获的光子导致的光电流的增大带来的组合收益可用于抵消太阳能电池模块10本身的成本。因此，对于家庭成员、消费者和商业人员来说，本发明的太阳能电力产生建筑材料将使得光伏发电在经济上更加可行。以上参照上述实施例解释了本发明，并且已经显示了若干商业和工业优点。本发明的方法和布置允许生产每单位瓦特的成本极低的太阳能电池板。以上参照前述实施例解释了本发明。但是，清楚的是，本发明并不局限于这些实施例，而是包括了本发明思想以及所附专利权利要求书的精神和范围内的所有可能的实施例。参考文献FI20070264 An active solar cell and method of manufacture (活性太阳能电池和制造方法)FI20070743 Thermodynamically shielded solar cell (热力学屏蔽的太阳能电池)FI20070801 Method and means for designing a solar cell (用于设计太阳能电池的方法和装置)EP1724841A1, Josuke Nakata, "multilayer solar cell (多层太阳能电池)”US6320117, James P.Campbell 等，"Transparent solar cell and method of fabrication (透明太阳能电池及制造方法)”US6689949, Ugur Ortabasi, Concentrating photovoltaic cavity converters for extreme solar-to-electric conversion efficiencies (用于极限太阳-电转换效率的集中光伏腔体转换器).US2008/0251112A1, David g. Jenkins, Concentrating photovoltaic kaleidoscope and method (集中光伏万花筒禾口方法)Solar Electricity (太阳能电力)，Thomas Markvart,第二 版， ISBN0-471-98852-9"An unexpected discovery could yield a full spectrum solar cell (意夕卜的发现可产生全光谱太阳能电池)，，，Paul Preuss，Research News, Lawrence Berkeley National Laboratory (研究新闻，美国劳伦斯伯克利国家实验室)
权利要求
1.一种太阳能电池模块(10)，其特征在于，-至少一个太阳能电池(100、101、102)，所述至少一个太阳能电池(100、101、102)被布置在壳体(500)内部；-至少一个反射腔体000)，所述至少一个反射腔体(200)被布置在所述壳体(500)内部；-至少一个聚焦元件(300)，所述至少一个聚焦元件(300)被布置为将入射日光聚焦到至少一个所述反射腔体O00)中，-所述至少一个反射腔体被布置为容纳所述至少一个太阳能电池(100、101、102)，-至少一个所述聚焦元件(300)连同所述壳体(500) —体地实现，以及至少一个所述太阳能电池(100、101、102)设有滤光器。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池模块，其特征在于，至少一个聚焦元件(300)被布置到所述壳体(500)的至少一侧。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池模块，其特征在于，至少一个反射腔体(200)通过利用反射性材料覆盖所述壳体的内壁而被布置在所述壳体(500)内。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池模块，其特征在于，从由所述太阳能电池聚焦和俘获的光子中产生出来的额外光电流被设置为补偿或抵消所述反射腔体000)、壳体 (500)和/或聚焦元件(300)的成本。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池模块，其特征在于，所述太阳能电池模块(10)的壳体(500)由多孔陶瓷制成，所述聚焦元件(300)由塑料制成，和/或所述反射腔体(200) 通过利用镜箔覆盖所述壳体(500)的内壁来实现。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池模块，其特征在于，所述壳体(500)和所述聚焦元件(300)由任何材料或塑料制成为一个一体元件。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池模块，其特征在于，所述壳体(500)、所述反射腔体000)、所述聚焦元件(300)、衍射/漫射元件(400)或所述太阳能电池模块(10)的任何其它部件基于任何金属或合金、陶瓷、多孔陶瓷、玻璃、塑料、复合材料、聚合物、橡胶、泡沫材料、木材和/或木制品。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池模块，其特征在于，在至少一个反射腔体O00)内部存在真空或存在低密度气体。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池模块，其特征在于，至少一个太阳能电池模块 (10)被聚集起来以形成包括一个或多个太阳能电池模块(10)的太阳能电池板。
10.根据权利要求1所述的太阳能电池模块，其特征在于，不同光谱响应的若干太阳能电池(100、101、102)被布置在所述反射腔体O00)内，和/或至少一个太阳能电池(100、 101,102)是叠型太阳能电池。
11.根据权利要求1所述的太阳能电池模块，其特征在于，通过所述太阳能电池(100、 101,102)收集的光电流通过被设置为引出所述太阳能电池模块(10)外的至少一个电导体来收集。
12.根据权利要求1所述的太阳能电池模块，其特征在于，所述太阳能电池模块(10)被布置为用作建筑材料。
13.—种产生太阳能电力的方法，其特征在于，-至少一个聚焦元件(300)将入射日光聚焦到反射腔体O00)中， -至少一个反射腔体容纳至少一个太阳能电池(100、101、102)， -通过所述至少一个聚焦元件(300)和所述至少一个反射腔体(200)进行的光子的聚焦和反射在同一壳体(500)内和/或同一壳体(500)的壳体壁上进行，以及至少一个所述太阳能电池(100、101、102)设有滤光器。
14. 一种利用权利要求1所述的太阳能电池模块(10)产生电力的方法。
全文摘要
本发明涉及一种新的低成本太阳能电池。根据本发明的太阳能电池模块(10)的特征在于至少一个太阳能电池(100、101、102)被布置在壳体(500)内部；至少一个反射腔体(200)被布置在所述壳体(500)内部；至少一个聚焦元件(300)被布置为将入射日光聚焦到至少一个所述反射腔体(200)中，所述至少一个反射腔体被布置为容纳所述至少一个太阳能电池(100、101、102)，至少一个所述聚焦元件(300)连同所述壳体(500)一体地实现。本发明的最佳方式被认为是一种被容纳在包括塑料透镜(300)的多孔陶瓷壳体(500)中的具有多个光谱响应的叠型太阳能电池。所述壳体(500)从内部覆盖有镜箔(200)。在一些实施例中，所述叠型太阳能电池在所述聚焦元件(300)的焦点下方，并且在所述壳体(500)中存在真空。在一些实施例中，所述太阳能电池模块(10)可用作建筑材料，例如砖块。
文档编号H01L31/18GK102334196SQ201080008943
公开日2012年1月25日 申请日期2010年3月2日 优先权日2009年3月6日
发明者米科·韦内宁 申请人:米科·韦内宁