[發明專利]一種天線太陽能電池及其制備方法

無效

• 申請號: 200710304104.1
• 申請日: 2007-12-25
• 公開（公告）號: CN101211991A
• 公開（公告）日: 2008-07-02
• 發明（設計）人: 高杰
• 申請（專利權）人: 高杰
• 主分類號: H01L31/04
• 分類號: H01L31/04;H01L31/042;H01L31/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種天線太陽能電池，進一步地說，是涉及一種利用寬頻接收天線實現光電轉化的太陽能電池及其制備方法。

背景技術

太陽能電池是實現光能向電能轉化的裝置，其從誕生到今天已經有50多年歷史。從最早出現的硅太陽能電池，到近年來各種薄膜太陽能電池等，原理上多是利用了半導體的光電效應。具體而言，利用光的粒子性，通過太陽光粒子撞擊半導體實現正負電荷分離。利用這種“撞擊”效應的太陽能電池光電轉化效率比較低，單結電池理論效率一般低于33％。低效率、高成本是目前制約太陽能電池普及的根本原因。

光具有波粒二象性，太陽光也是電磁波，遍及紫外、紅外和可見光，波長主要分布在290～2300nm之間，且各向極化。設計一種利用光波動性、通過某種天線機制吸收轉化太陽光能的太陽能電池是一種新思路。根據天線原理，阻抗匹配的情況下，天線可以實現高效的能量轉化。

目前國際上還沒有出現真正意義的天線太陽能電池，但已有人提出過類似觀點。Bailey最早提出了使用天線收集太陽能的思想，并給出了基本模型(BaileyR.L.(1972)A?proposed?new?concept?for?a?solar?energy?converter.Journal?of?Engineering?for?powerApril，73)：其基本模型中低通濾波器用于整流器與天線之間的匹配調節，而直流濾波的作用是調節脈動式直流電，使之更加平緩，但Bailey未給出詳盡的設計方案。在解決高效接收太陽光的問題上，Kraus等給出的方案比較有代表性(KrausJ.D.(1988).Antennas，2nd?Ed，McGraw-Hill，New?York)，其天線系統由振子天線、整流器、傳輸線、電極等構成。Marks在專利中也進行了詳細的闡述和計算(Marks，United?States?Patent，App.No.330791)。但由于納米科技發展所限以及趨膚損耗等設計難點尚未解決，長期以來有效的天線太陽能電池一直未曾出現。不過近年來一系列實驗進展不斷證實了發展天線太陽能電池的可行性。Christophe?Fumeaux等人實驗上證實了紅外波段符合傳統天線理論的天線效應(Christophe?Fumeaux?etc.Infrared?Physics&Technology?41(2000)271-281，p.271.)。Y.Wang等人發現了碳納米管陣列中的天線效應(Y.Wang.etc.Appl.Phys.Lett?Vol.85，No.13，27?September?2004，p.2607.)，通過實驗證實納米級天線同樣滿足經典天線理論中半波諧振等規律，但沒能夠進一步往能量利用的方向發展。Lin首次報道了人工構造的天線結構吸收光波的實驗現象(Guang?H.Lin.etc.J.Appl.Phys.80(1)，1?July?1996，p.565.)。Avier?Alda等人闡述了將光天線應用于傳感器上的思想(Javier?Alda?etc.Nanotechnology?16(2005)S230-S234，S230-S234.)。

在電磁波電場分量的激發下，天線向傳輸線輸出交流電(AC)，經整流器變成脈動式直流輸出(DC)，直流電極與外接匹配負載相連，最終實現能量的轉移。但考慮到極高頻交流電經過傳輸線上由于趨膚效應等原因能量將很快損失殆盡，按照傳統思路的設計實際上是不可行的。JavierAlda也指出高頻交流電經過傳輸線的巨大損耗是設計這種天線太陽能電池目前遇到的一個突出難點(JavierAlda?etc.The?International?Society?for?Optical?ngineering，10.1117/2.1200602.0131)。

就目前技術發展情況來看，設計這種天線太陽能電池需要克服的主要難點有：1在電池任意接收點盡可能接收遍布太陽光譜各波段的、非極化的入射光波；2天線將自由傳播的光波轉變成導行的高頻交流電，需要避免因趨膚效應等因素造成的巨大能量損失；3選用具有相應響應頻率的整流器并與天線系統融合；4，匹配天線和整流二極管尺度為納米量級，需要解決這種精細結構的加工問題。

發明內容：