[發明專利]一種多光譜區集成的太陽能光電轉換方法與器件

無效

• 申請號: 200810038575.7
• 申請日: 2008-06-05
• 公開（公告）號: CN101290951A
• 公開（公告）日: 2008-10-22
• 發明（設計）人: 陳良堯;趙源;周薇溪;鄭玉祥;楊月梅
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01L31/052
• 分類號: H01L31/052;H01L31/0232;G02B6/26
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于光學電子器件技術領域，具體涉及一種太陽能光電轉換方法與器件。

背景技術

全球不可再生的礦物能源消耗和短缺將制約經濟的發展，在尋求綠色新能源的努力中，太陽能器件的研制和應用將是最重要的新能源戰略發展方向。

經過半個多世紀的研究和發展，因受到材料特性、工藝、成本和使用壽命等多種因素制約，目前在太陽能光電轉換方面應用最廣泛的依然是硅基器件。在實驗室環境下，單晶硅、多晶硅和非晶硅電池分別可達到約為24％、18％和12％的最高效率。商用器件的實際光電轉換效率低于實驗室水平。這主要是這類半導體材料間接帶隙的能帶特征限制了光電轉換效率的提高，在短期內不可能通過低成本的人工方法來改變材料的天然屬性。

某些有機光電器件盡管在實驗室條件下顯示出較優異的光電轉換效率，由于器件需要經受包括紫外光在內的寬光譜太陽光輻照，以及要在野外的四季和晝夜等惡劣溫差條件工作長達20年，對于使用壽命和環境等的嚴苛要求限制了有機器件的推廣應用。

基于直接帶隙能帶結構的無機化合半導體器件一般都具有很高的光電轉換效率，但工藝成本較高，單一器件的工作光譜范圍通常較窄，僅在少數可承受較高成本(如航天、國防和科研)等領域被應用。

試圖突破上述物理限制的新原理和應用研究正成為國際學術和產業界努力的重點，但真正獲得新器件研制的突破和實際應用，仍有很長和艱苦的路要走，難于在短期內被實現。

因此，基于材料來源豐富度、工藝成熟度、市場成本和壽命等綜合因素的考慮，目前國際產業界(如美國AM公司等主要國際半導體設備商)的努力方向是發展非晶硅薄膜太陽能器件，具有與微電子工藝相兼容、材料消耗少、低成本、長壽命、可實現規模化生產等顯著優點，缺點是光電轉換效率低于10％，以及不具有自主知識產權。

太陽光的能量主要分布在300-1000nm(納米)以可見光為主的光譜范圍，峰值約在500nm。受到天然或人工材料能帶結構的物理制約，目前，無任何單一種類的半導體光電器件的工作區可匹配并覆蓋太陽能的主要光譜區，即光電轉換效率在太陽光譜區內的分布是極不均勻的，其峰值轉換效率難以與太陽光譜相匹配，導致在實際光電轉換應用中來自太陽光的大部分能量都被透射、反射或被轉換成熱而被浪費掉了。因此，目前的太陽能半導體光電轉換器件的轉換效率都比較低，一般僅為10％左右。

在本發明中，將采用新型的多光譜分區并集成的太陽能光電器件結構，兼顧器件工藝、成本、效率等綜合因素，實現具有自主知識產權的可供實用的高效率太陽能器件。

具體方法是，通過一個透射或反射寬光譜光學聚焦器件，將太陽光聚焦進近似無損耗的能量傳輸光纖中，從光纖導出的太陽光經過一個組合式分光器件，將太陽光譜分成多個子光譜區，分別被所對應的光電器件高效率地轉換成電能。由于采用了聚焦和組合式集成技術，極大縮小了器件的有效面積和提高了全光譜光電轉換效率，綜合質量和成本等因素將優于硅基器件。這是一種新型太陽能光電轉換器件，按單位面積和單位成本計算的優值因子高，具有無環境污染、工藝成熟、低成本、長壽命等優點，可獲得實際應用。

發明內容

本發明的目的在于提出一種能夠大大提高光電轉換效率的太陽能光電轉換方法及器件。

本發明提出的太陽能光電轉換的方法，具體步驟如下：

1、聚焦，通過一個透射或反射寬光譜光學聚焦器件，將太陽光收集并聚焦進近似無損耗的能量傳輸光纖中；

2、分區，將從光纖導出的太陽光，根據其主要光譜區300-1000nm的波長區分為n個子光譜區，n為2-10的整數；

3、轉換，采用與太陽光各子光譜區相對應的高效率光電轉換器件，分別將各子光譜區的太陽能轉換成電能，實現在全太陽光譜區組合集成的光電轉換。

上述方法中，關鍵在于將太陽能主要光譜區進行分區的思想。通過組合的分光器件，將太陽光的主光譜區300-1000nm分成多個子光譜區，是容易實現的；由于各子光譜區的范圍比較小，所采用的針對該子光譜區子電光轉換器件的光電轉換效率可以達到很高，一般可達到60％以上。最后，由各子光電轉換器件組合集成，得到全太陽能的光電轉換，其轉換效率也在60％以上。

對應于上述方法，本發明設計的太陽能光電轉換器件包括如下幾個部分：

第一部分，太陽光收集、聚焦器件，可采用透射或反射光學聚焦鏡，

第二部分，組合式分光器件，將太陽光主光譜區300-1000nm分成n個子光譜區，一般n為2-10個，組合式分光器件具體可采用光柵、棱鏡或薄膜濾光片等。