[發(fā)明專利]分頻、匯聚、變頻太陽能電池

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• 申請日: 2019-04-19
• 公開（公告）號: CN111834483A
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 顧士平;顧海濤
• 申請（專利權(quán)）人: 顧士平
• 主分類號: H01L31/054
• 分類號: H01L31/054
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.分頻、匯聚、變頻太陽能電池，其特征是：

光線的分頻就是光線的色分，利用棱鏡，可以將太陽光色分，不同顏色光線的折射率不同，不同顏色即不同波長的光線在投射到不同的地方；

分頻太陽能電池：利用色分鏡將太陽光分成多段不同波長的光束，不同波長光束照射在不同禁帶寬度太陽能電池的PN極上，使光電池最高效率發(fā)電；

E＝hv，E表示能量，h普朗克常數(shù)，v光線的頻率；只有能量大于或等于禁帶寬度的光子才能越過禁帶到達導(dǎo)帶產(chǎn)生光電流，用于發(fā)電；能量小于禁帶寬度的光子產(chǎn)生的光電子不能越過禁帶到達導(dǎo)帶產(chǎn)生光電流，不能用來發(fā)電，只能產(chǎn)生熱量，熱量白白的浪費了，熱量引起的太陽能光電池升溫還會影響光電池運行的穩(wěn)定性，降低光電池的發(fā)電效率；

色分鏡：利用棱鏡作為色分鏡將太陽光線按不同頻率分開；或采用菲涅耳棱鏡作為色分鏡將太陽光線按不同頻率分開；或利用矩陣菲涅耳棱鏡作為色分鏡將太陽光線按不同頻率分開；

采用菲涅耳棱鏡，為了減小棱鏡的厚度；采用菲涅耳匯聚鏡，為了減小匯聚鏡的厚度；從而減少棱鏡、透鏡的質(zhì)量，大大降低成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

匯聚太陽能電池：利用匯聚鏡將太陽光匯聚為小口徑光束，小口徑光束照射在小面積的光電池上進行發(fā)電，這樣可大大節(jié)約光電池的面積，可大大節(jié)省光電池的成本；對沒有光線投射的地方無需加光電池；空閑的空間空置；或空閑的空間加散熱片，降低光電池的溫度，提高光電池的系統(tǒng)的穩(wěn)點性，提高光電池的效率；或空閑的空間加散熱片兼做光電池的正極，或空閑的空間加散熱片兼做光電池的負極；

匯聚鏡：利用凸透鏡作為匯聚鏡；或利用凹鏡作為匯聚鏡；或利用菲涅耳凸透鏡作為匯聚鏡；或利用矩陣菲涅耳凸透鏡作為匯聚鏡；

將色分鏡和匯聚鏡結(jié)合起來：將太陽光分頻，再將分頻的光束，經(jīng)過匯聚鏡，形成更小的光束，分別投射到不同禁帶寬度太陽能電池的PN極上，能實現(xiàn)分頻高效率發(fā)電，并能大大節(jié)約成本；

將匯聚鏡和色分鏡結(jié)合起來：將太陽光經(jīng)過匯聚鏡匯聚為小光束，再經(jīng)過色分鏡進行色分，色分的光束投射到不同禁帶寬度的太陽能電池的PN極上，能實現(xiàn)分頻高效率發(fā)電，并能大大節(jié)約成本；

倍頻晶體：晶體在基頻光波電場作用下產(chǎn)生的二階非線性極化效應(yīng)的晶體；利用倍頻晶體將長波長的光倍頻到高頻率，超過光電池的截止頻率，使長波長的太陽光能使太陽能電池發(fā)電；

鍺的禁帶寬度為0.66eV，硅的禁帶寬度為1.12eV，砷化鎵的禁帶寬度為1.42eV，氮化鎵的禁帶寬度3.44eV，金剛石的禁帶寬度為5.47eV；

在光電池的PN極外加電場，從而改變光電池PN極的電勢，從而改變PN極電荷區(qū)的厚度，改變其禁帶寬度，從而改變光電池發(fā)電的電壓，從而改變光電池的發(fā)電功率；對于某種物質(zhì)的半導(dǎo)體禁帶寬度的確定的，在半導(dǎo)體的PN極上加上外電場后，其禁帶寬度可在半導(dǎo)體禁帶寬度的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)禁帶寬度的電壓連續(xù)可調(diào)；使太陽能電池的發(fā)光效率達到最高；當外加電場方向與原PN極內(nèi)建電場方向一致時，增加半導(dǎo)體的禁帶寬度；當外加電場方向與原PN極內(nèi)建電場方向相反時，減少半導(dǎo)體的禁帶寬度；

外加電場改變半導(dǎo)體光電池的禁帶寬度；

光電池的發(fā)電功率取決于發(fā)電電壓和發(fā)電電流的乘積，半導(dǎo)體光電池的禁帶寬度即為半導(dǎo)體光電池的發(fā)電電壓；

光電池1(112)，光電池2(113)，光電池n(114)利用不同禁帶寬度的半導(dǎo)體做成太陽能電池，不同波段光線的光束照射在不同的光電池上，實現(xiàn)最高效率的發(fā)電，同時由于光線高效率轉(zhuǎn)換為電能，大大減少了光能轉(zhuǎn)換為熱能比例，從而減少光電池散熱部件開銷，增加太陽能電池的穩(wěn)定性；

匯聚太陽能電池：利用匯聚透鏡將太陽光匯聚為小口徑光束，小口徑光束照射在小面積的光電池上進行發(fā)電，從而大大減少了太陽能電池的面積，可大大節(jié)省光電池的成本；太陽能發(fā)電系統(tǒng)的主要成本是半導(dǎo)體太陽能電池的成本；

將色分鏡、和倍頻晶體結(jié)合起來：先用色分鏡將太陽光按頻率分開，高頻的光線直接進入光電池發(fā)電；低頻的光線經(jīng)過倍頻晶體將頻率倍頻后再送到光電池發(fā)電，使光線中的低頻光線的頻率大于光電池的截止頻率，從而可以用于光電池發(fā)電；

將色分鏡、和匯聚鏡、和倍頻晶體結(jié)合起來：先用色分鏡將太陽光束按波段分為不同的光束，不同的光束經(jīng)匯聚鏡匯聚后形成較小的光束，對于波長小的光束直接投射到光電池上進行發(fā)電；對于波長較長的光束，通過倍頻晶體對光線進行倍頻，將光束的波長變?yōu)椴ㄩL短光線，投射到光電池上進行發(fā)電；

將分頻棱鏡和匯聚透鏡結(jié)合起來：將分頻的光束，再經(jīng)過匯聚透鏡，形成更小的光束，分別投射到不同禁帶寬度太陽能電池的PN極上，能實現(xiàn)分頻高效率發(fā)電，并能大大節(jié)約成本；

經(jīng)過匯聚、分頻后的不同波段的光束，光束照射到不同禁帶寬度太陽能電池的采用不同的半導(dǎo)體化合物PN極上，實現(xiàn)高效率發(fā)電；

經(jīng)過匯聚、分頻后的不同波段的光束，波長短的光束照射到不同禁帶寬度太陽能電池的采用不同的半導(dǎo)體化合物PN極上，實現(xiàn)高效率發(fā)電；

經(jīng)過匯聚、分頻后的不同波段的光束，波長短的光束照射到不同禁帶寬度太陽能電池的采用不同的半導(dǎo)體化合物PN極上，實現(xiàn)高效率發(fā)電；

不同禁帶寬度太陽能電池的PN極：采用在半導(dǎo)體PN極上外加電場，實現(xiàn)不同禁帶寬度太陽能電池的PN極；

利用伺服系統(tǒng)實現(xiàn)跟蹤太陽，使光束始終投射到太陽能電池的功能；

色分鏡使用三棱鏡，或菲涅耳棱鏡，實現(xiàn)色分的顏色呈帶狀分布，布置帶狀的光電池；

色分鏡使用環(huán)形棱鏡，或環(huán)形菲涅耳棱鏡，實現(xiàn)色分的顏色呈環(huán)狀分布，布置環(huán)狀的光電池；

使用間隔菲涅耳棱鏡，實現(xiàn)色分的顏色呈環(huán)間隔分布，布置間隔矩陣分布的光電池；

分頻、匯聚、變頻太陽能電池，將太陽光按頻率分成幾個光帶，再經(jīng)匯聚透鏡或匯聚面鏡對光束進行匯聚為較小的光斑，不同頻率光線的光斑照射到不同禁帶寬度的半導(dǎo)體太陽能電池的PN極上，實現(xiàn)高效率發(fā)電；對波長較長的光斑，其光線的能量不能使太陽能電池發(fā)電，光線通過倍頻晶體對光線進行倍頻后，再射到半導(dǎo)體太陽能電池的PN極上，使不能發(fā)電的光線，如紅外線、紅色光線也可以使半導(dǎo)體太陽能電池發(fā)電；

用以上的單元作為一個小單元，由多個小單元組成矩陣，可實現(xiàn)大面積太陽能電池；優(yōu)勢：(1)對太陽能進行匯聚，無需所有面積都需要半導(dǎo)體太陽能電池，大大降低了成本；(2)對現(xiàn)在不能發(fā)電的波長較長的光線通過倍頻，實現(xiàn)太陽能電池發(fā)電；(3)采用菲涅耳棱鏡，菲涅耳透鏡減輕分頻和匯聚透鏡的重量，降低成本，提高產(chǎn)品的可靠性；

利用伺服系統(tǒng)，使太陽能電池垂直于太陽光，使太陽能電池接受的太陽能光能的密度最大，同時保證色分、或匯聚、或倍頻的光線照射到對應(yīng)的不同禁帶寬度的半導(dǎo)體光電池上。