用于能量学应用的包括谐振器的太阳能元件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有包括谐振器的元件的太阳能系统，其特征在于将光能转换为电能的高效率速率。该系统包括位于电极对之间的结构，目的是利用该元件用于将光能高效地转换为电能。
【背景技术】
[0002]在当代光伏技术中，通常应用超过50年历史的转换太阳能电磁辐射或电磁波(10nm至1000nm的波长范围内的宽频带电磁福射)的原理。太阳能电池包括位于两个金属电极之间的两个半导体层(利用硅作为典型材料)。两层中的其中一层(N型材料)包括多个带负电荷的电子，而另一层(P型材料)表现出大量若干“空穴”，其可定义为易于接受电子的空隙空间。将电磁波转换为低频电磁波或直流分量的设备被称为变换器/转换器。为了这个目的，应用具有不同概念和类型的体系结构的半导体结构，但仅在电磁波转换效果的实验结果方面。
[0003]迄今为止设计的天线、检测器或结构没有调谐到谐振；所应用的半导体结构在处理出现的静止电磁波时面临相当大的困难，并且能量转换的效率不得不通过额外措施增加。
[0004]类似的解决方案利用天线原理或前进的电磁波到另一种类型的电磁辐射的转换(即具有不同极化的前进的电磁波或静止电磁波)及其后续处理。与入射电磁波及其反射有关以及与太阳能辐射的广谱特征有关的某些问题发生。在一般情况下，不容易构造能够在几十年期间保持宽光谱的设计特性的天线。
[0005]已经提出一种解决方案，即其中调谐结构的单层状系统被应用以开发入射太阳能辐射；该系统基于谐振模式半导体。
[0006]捷克专利申请PV 2011-42包含光伏元件的描述，该光伏元件包括谐振器并且被布置在半导体结构上。该结构由其上平面构成入射平面的无电磁阻尼的区域和有电磁阻尼的区域形成；两个区域由材料性质变化的虚拟(假定)边界界定，并且至少一个2D-3D谐振器由电解质包围并且被布置在半导体结构中。具有电磁阻尼的区域与相对电极相邻。该解决方案的缺点在于，在入射具有高功率密度的红外辐射光谱A、B、C和D的电磁波时，半导体基板会过热。这个问题接着将导致操作寿命减少或甚至元件的彻底损坏。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提出一种具有布置在电介质结构上的谐振器的太阳能元件的新的体系结构。基于所利用的构造技术，元件谐振并产生电场和磁场的高值分量，在这种方式中，这些分量能够基于传统电子元件通过已知技术手段利用和处理。
[0008]上述提到的缺点通过一种太阳能元件消除，该太阳能元件包括谐振器并且被设置在结构中；该元件的特征在于其包括层状电介质结构，该结构包括具有最小电磁阻尼的区域，所述区域的上平面构成入射平面。可透过电磁波的层状电介质结构由材料特性变化的边界限定，并且至少一个2D-3D谐振器被布置在具有最小电磁阻尼的区域中，其中谐振器的2D部分被布置在入射平面中，相关的3D部分位于电介质中。具有最小电磁阻尼的区域与具有不同谐振频率的至少一个区域耦合。该区域由材料特性变化的边界限定，并且至少一个2D-3D谐振器被布置在表现出不同谐振频率的区域中。该谐振器的2D部分被布置在入射平面中，并且其3D部分位于电介质中，而且具有不同谐振频率的最后结构在电磁波传播方向上与太阳能系统耦合。
[0009]当2D-3D谐振器包括两部分时，能够方便地实现电场和磁场的高值分量的建立，其中第一(2D)部分由转换元件构成，所述转换元件被布置在入射平面上并且包括以耦合的导体的形式的电极对，而第二(3D)部分由电介质和反射器构成，其中电介质和反射器均被布置在无电磁阻尼的区域的内部，而且在所述无电磁阻尼的区域的内部，电磁波以无损耗方式穿过；转换元件被进一步布置在电介质上，反射器被正交地置于电介质上。
[0010]本发明利用电磁波功率通量密度(W/m2)高的太阳能辐射的光谱。在所呈现的发明内，对于频谱的选定部分，设置在层状电介质结构上的2D-3D谐振器形式的太阳能元件被调谐到入射EMG波的频率。该元件以这种方式被调谐，即其集中于表现出高值功率谱密度的区域(诸如红外辐射区域A、B、C、D);同时，另一个2D-3D谐振器被调谐到频谱的选定区域的不同频率。然后改谐振器在入射电磁波的前进方向上跟随前述2D-3D谐振器。通过这种包括布置在层或区域中的其他谐振器(即使理论上能够包括无限数量的谐振器，实际数目保持在数百个这种元件)，2D-3D谐振器的系统可以基于地理和气候条件建立；因此，开发入射电磁波来获取最大能量以用于随后转换成电能是可能的。与当前应用的太阳能和光伏元件相比，本文所述的谐振器的制造技术和设计提供长的工作寿命并允许高的热差值。所描述的发明的范围内实现的概念的特征在于实现将光/热能的能量转换为电能的最高效率。
[0011]新构造的太阳能元件的主要优点在于其构成的方式，即在于层状电介质结构。这种结构由电介质材料的各个区域形成，并且具有电介质特性的这些区域的每一个都包含2D-3D谐振器。因此这样设计的层状电介质结构的布置产生最小振幅大小和在由源诸如太阳发射的入射电磁波的方向上传播的向后电磁波的相位。太阳能元件利用能量的必要部分，并且实际的层状电介质结构将不会由于入射或入射和背面反射电磁波对太阳能元件所带来的影响而变热。2D-3D谐振器以这种方式被设计，即穿过电介质结构的电磁波进一步在2D-3D谐振器的后面传播，以到达具有2D-3D谐振器的其他区域，并且在电介质结构的端部传播到自由空间或能够以余热、电磁波或光的形式收集剩余能量的太阳能系统。因此，谐振器表现得类似于理想阻抗匹配天线或理想能量转换器以用于所提出的宽的和任意可变的频谱。
[0012]层状电介质结构包含该文本的以下部分中描述的若干组件。首先，有必要指定具有最小电磁阻尼的区域，其由材料特性变化的平面界定；具有最小电磁阻尼的此区域旨在收集其边界上的入射电磁波的能量的一部分。能量的剩余部分被留下从而以最小损耗离开该区域。然后，至少一个2D-3D谐振器被布置在入射平面上，在这种情况下，该入射平面与材料特性变化的平面相同。这些部件确保电磁波的最优处理；该处理以电磁波朝向2D-3D谐振器发生最小反射的方式实现。在具有最小电磁阻尼的区域的后面(该区域在材料特性变化的平面处终止)，存在如下另一个区域；该区域表现出2D-3D谐振器的不同谐振频率，并且被布置在电磁波传播方向上。该区域包含至少一个2D-3D谐振器，该谐振器被调谐到与布置在具有最小电磁阻尼的区域中的第一谐振器不同的频率。以所描述的方式，该结构在太阳能系统内构成；该系统能够由最后的太阳能元件终止，并且电磁波离开系统进入自由空间。替换地，太阳能元件的最后区域可以包括太阳能系统的常规组件，这将通过将电磁波能量的剩余部分转换为将用作热源、光源或电能源的有用能量形式来转换或以其他方式利用电磁波能量的剩余部分。
[0013]重要地，所设计的具有布置在电介质结构上的谐振器的太阳能元件不利用材料确保电荷的产生，而是使用该结构的特性来设定电磁波入射及其转换为静止形式的电磁场的合适条件。
[0014]由于系统内选择性调谐的区域的构成，该系统以这种形式表现:其根据能量的波的频谱(频谱功率密度分布)表示，最大效率利用电磁波形式入射的能量。与谐振器或其周期组不按照上述方式修改的情况相比，这使我们能够在所设计的综合结构和系统内使用数量显著降低的调谐结构的变体，以包含和利用入射电磁波的期望频谱。
[0015]基于所提出的发明，所描述的解决方案允许布置在所得结构中的各个太阳能元件区域适应入射电磁辐射的各种密度条件，如存在于应用所述