[發明專利]太陽能電池

有效

• 申請號: 201410219020.8
• 申請日: 2014-05-22
• 公開（公告）號: CN104009110B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: 孟慶波;王進澤;楊國楨;李冬梅;全保剛;葉佳聲;張巖;黃慶禮;許信
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01L31/054
• 分類號: H01L31/054;H01L31/0352
• 代理公司: 北京智匯東方知識產權代理事務所(普通合伙)11391
• 代理人: 范曉斌,康正德

技術領域

本發明涉及太陽能電池領域，特別是涉及一種基于分色聚焦的光學元件的高效率太陽能電池。

背景技術

太陽能是一種無污染、取之不盡的可再生能源，對太陽能利用的一種重要方式就是采用太陽能電池把光能轉化成電能。太陽能電池的主要原理，以半導體為例，是利用半導體材料的光伏效應去吸收太陽光的能量并轉換成電能。當前制約太陽能廣泛利用的兩個主要因素就是低光電轉換效率和高成本。目前，主要通過對太陽光進行聚焦以減少使用昂貴的太陽能電池材料的方式來降低成本。而在實際的使用中，由于不同半導體材料具有的帶隙結構不同，能量低于帶隙的光無法被吸收轉換成電能，能量高于帶隙的光雖然被吸收，但超過帶隙的那部分能量將以熱的形式被浪費掉，因此，采用單一帶隙的半導體材料的太陽能電池轉換效率較低。采用分色方案，即利用光柵或棱鏡等分色光學元件將太陽光的不同波段分開(形成波長分離區域，類似彩虹，可稱之為彩虹帶)，采用不同帶隙的半導體材料來分別吸收轉換太陽光各個波段的能量，是實現高光電轉換效率的重要途徑。

基于以上思想，對太陽光進行分色和聚焦，是實現太陽能高效率、低成本的重要途徑。就分色而言，目前世界上主要有兩類研究方案，即串聯(又稱為“級聯”)和并聯(又稱為“橫向”)方式。在串聯結構中，沿垂直方向自下往上依次生長不同的半導體材料，它們的帶隙能量逐漸增加，這種方式在業界通常稱為“串聯多結電池”。同時，還需要再提供一個高倍聚焦的光學系統以降低成本。這種“串聯”方案的缺點在于，不同半導體層之間需要考慮晶格匹配，不僅材料選擇性降低，而且材料之間需要具有隧道結，這需要采用分子束外延等技術進行生長，對工藝要求很高；此外，由于不同帶隙的半導體之間串聯連接，在實際工作時還需要電流匹配，效率亦有所損失。并聯結構能夠克服上述缺點，因而得到了更多關注。并聯結構是指采用光學系統對太陽光同時實現分色和聚焦，使不同波段的太陽光聚焦到不同的區域，然后在對應區域上放置對該波段能量轉換效率最高的半導體材料，各半導體材料獨立工作。

目前已知的并聯結構實現方案主要有兩種，第一種是利用二相色鏡(Dichroicmirror)對太陽光進行分色，將太陽光分成長波和短波兩個波段成分。為獲得較高的分色效率，這種二相色鏡通常需要鍍膜達到十幾層、甚至幾十層，技術上很困難。第二種是用透鏡加棱鏡組合分光的方案，這種方案使得光學器件體積龐大。目前存在的并聯結構缺點在于光學系統的成本會非常高。

對于并聯結構，本申請人在以前的專利或專利申請中公開了多種分色且聚焦的光學元件的設計方案，可參見：

1、中國實用新型專利201120442133.6：高效率分色聚焦衍射光學元件及使用其的太陽能電池；

2、中國發明專利CN201110351978.9：一種衍射光學元件及其設計方法和在太陽能電池中的應用；

3、中國發明專利申請201210482517.X：基于常規光學元件設計衍射光學元件的方法；

4、中國發明專利申請201210480434.7：單片式光學元件以及單片式衍射光學元件的設計方法；以及

5、中國發明專利申請201310546100.X：反射式光學元件及其設計方法和在太陽能電池中的應用。

這些光學元件將太陽光(入射光線)的多個波長(λ₁，λ₂，λ₃)分別分色且聚焦到一輸出平面上的不同位置處(參見圖1和圖2)；然后將與多個波長對應的多種半導體材料電池分別設置在所述輸出平面的對應波長的相應聚焦區域處，以吸收對應波長附近波段的太陽光。這樣設計獲得的太陽能電池具有體積小、成本低且光電轉換效率高的優點。

發明內容

盡管本申請人根據上述專利設計的太陽能電池，從理論上講已經可望實現較高的光電轉換效率；但本申請的發明人發現，太陽光的各波長雖然在輸出平面上存在相應的聚焦區域，并被不同半導體材料電池分別高效轉換，但是在輸出平面上同時還存在著這樣一個區域：具有一定能量的多個波長的混合區域，而對這一部分能量的利用由于之前并未發現從而并未在前述專利中給予考慮。如果這部分能量能夠被合理的利用，將使太陽能電池實現更高的光電轉換效率。

因此，本發明的一個目的是要提供一種具有高光電轉換效率的太陽能電池。

為了實現本發明的目的，本發明提供了一種太陽能電池，包括：

光學元件，用于將太陽光的多個波長在輸出平面上形成所述多個波長分別聚焦的多個單色區域以及所述多個波長混合匯聚的混合區域；和