[發明專利]垂直堆疊的光伏和熱太陽能電池

無效

• 申請號: 201080071272.0
• 申請日: 2010-12-21
• 公開（公告）號: CN104185903A
• 公開（公告）日: 2014-12-03
• 發明（設計）人: S·柯倫;S·迪亞斯;廖康庠;S·D·亞穆班;A·哈達爾;N·艾雷
• 申請（專利權）人: 休斯敦大學
• 主分類號: H01L31/00
• 分類號: H01L31/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 毛力

相關申請的交叉引用

本申請要求2009年12月21日提交的題為“Vertically?Stacked?Photovoltaic?and?Thermal?Solar?Cell(垂直堆疊的光伏和熱太陽能電池)”的美國臨時專利申請S/N61/288,632的優先權，該申請通過引用結合于此。

政府贊助

美國政府具有本發明的已付許可，并且在有限的情況下有權要求專利權人在如美國能源部頒發的批準號DE-FG36-08G088008的條款所規定的合理條款下許可其它人。

背景技術

本發明涉及一種新型的光伏(PV)太陽能電池系統，該系統結合集中器技術和冷卻劑方法以使來自利用有機薄膜和/或無機薄膜半導體以堆疊形式垂直排列的光伏(PV)模塊的電和熱輸出最大。

相關技術描述

目前國際上致力于實現包括有機光伏(OPV)設備和III-V半導體無機光伏(IPV)(例如但不限于銅銦鎵硒化合物(CIGS))的薄膜設備的更高性能。目標是制造可以按照有效但廉價的方式產生電力的模塊。

迄今為止，對于無機光伏(IPV)電池，由III-V半導體化合物制成的薄膜太陽能電池呈現領先的能量轉換效率。在2008年，國家可再生能源實驗室(NREL)的團隊在銅銦鎵硒化合物(CIGS)太陽能電池中實現了19.9％的效率。除了潛在的高效率，Ill-V半導體化合物材料相比于硅太陽能電池還具有優點，包括：元素組分的帶隙可調性、直接帶隙能量的光子吸收更高以及熱降解更小。現有技術表明可通過多重堆疊不同帶隙能量的光伏材料以形成所謂的多結或串接電池來實現效率提高。串接電池的理念是利用通過III-V半導體化合物的組分實現的帶隙能量和晶格常數的可調性以從太陽光光譜更寬且更有效地吸收光子能量。迄今為止，已通過由NREL、Boeing-Spectrolab和Fraunhofer獨立開發的三結InGaP/GaAs/Ge電池實現了約為40％的最高效率。

制造三結InGaP/GaAs/Ge電池的最近進展顯示出接近理論極限的遠大前景(在AM1.5D、1000太陽下效率為50.1％)。然而，這些電池的制造非常復雜。例如，串聯的單片三結電池具有超過15個半導體層。通過采用有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)的外延生長來沉積每個層，這傾向于需要這些堆疊的半導體材料之間精確的晶格匹配。雖然當前正在進行由NREL發起的開發下一代制造技術以制造42％高效的III-V三結串接集中器太陽能電池的努力，但是這些電池的大量生產將傾向于需要控制大面積的外延生長。因此，制造三結InGaP/GaAs/Ge電池仍然面臨技術上的挑戰。而且，制造這些串接電池的成本可能達不到峰值為1$/瓦的商業上可行的目標。

最近，基于美國國防高級研究計劃局(DARPA)計劃的合作團隊報告了一種新穎的電池模塊設計，其中通過分色濾色器分離陽光并將其獨立地置于具有不同的帶隙能量的電池中。在這種體系結構中，每個電池將接收太陽光譜的一部分，該部分被最有效地吸收并轉化為電力。該體系結構避免了單片設備的子電池之間的電流匹配問題和上層子電池中的自由載流子吸收損耗。他們已采用適當的濾波器獨立地測試三個電池(兩個雙結和一個單結)以模擬每個電池的光譜入射，并通過簡單地總計三個電池的效率報告了42.7％的效率。這表明通過對電池模塊的正確的光學設計，每個單獨電池的設計可更簡單地制造而不犧牲總效率。

對于有機光伏電池，多數努力集中于產生允許有效分離光生激子的聚合物-納米顆粒混合物。基于這些“體異質結”混合物的設備體系結構產生入射光到電力的超過5％的轉化。它們主要基于散布有C₆₀(富勒烯)偶聯物的聚噻吩宿主。困難來自于：混合物的不同的宿主材料、可用分散相或納米相可能不具有適當的電子結構或可能不能形成支持有效的諧振電荷轉移的正確界面。低吸收范圍以及隨之而來的降低的填充因數的附加因素導致更低的功率轉換效率。

在模塊形式中，標準設備性能中的限制可包括IPV或OPV周圍的溫度升高的影響，并且升高的溫度對太陽能電池的效率和壽命有不利影響。光伏設備的眾所周知的問題為電池組件的由于暴露在陽光下所導致的溫度升高引起的熱降級。隨著時間的推移，熱降級傾向于影響電池的壽命。而且在以漫射光為主或將直射陽光散射成漫射形式的天氣模式的區域中采集光還會產生其他問題。