СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ НА ОСНОВЕ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Российский патент 2011 года по МПК H01L31/52 B82B1/00 

Изобретение относится к области фотоэлектрического преобразования энергии, в частности к системам с расщеплением солнечного спектра на длинноволновый и коротковолновый диапазоны.

Системы с расщеплением солнечного спектра являются одним из перспективных направлений в солнечной энергетике, т.к. преобразование каждого участка спектра отдельной полупроводниковой структурой с шириной запрещенной зоны, соответствующей энергии того или иного диапазона, ведет к увеличению эффективности преобразования. Тот же подход с комбинированием материалов с различной шириной запрещенной зоны используется и в концентраторных фотоэлектрических системах с многопереходными фотопреобразователями, но при изготовлении таких элементов часто сталкиваются с трудностями, связанными с согласованием параметров кристаллической решетки нескольких эпитаксиальных слоев, в то время как в системе с пространственным разнесением фотопреобразователей эта проблема отсутствует, что позволяет увеличивать число каскадов фотопреобразователей для повышения эффективности фотопреобразования.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль с расщеплением спектра (см. заявка US 20080149162, МПК H01L 31/052, опубликована 26.06.2008), использующий в качестве концентратора систему, состоящую из набора дихроичных зеркал, являющуюся одновременно и приспособлением для расщепления солнечного излучения. В качестве преобразователей излучения известная система включает в себя фотоэлектрические элементы на основе кремния для области 650-1200 nm и InGaP для области 400-650 nm.

Основным недостатком известного солнечного фотоэлектрического модуля является сложная конструкция дихроичных зеркал большой площади.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (см. заявка US20100000593, МКП H01L 31/052, опубликована 07.01.2010), расщепляющий коллимированный пучок света на три группы пучков с помощью дихроичных зеркал. Преобразование света в электричество производится соответствующими фотоэлектрическими элементами, ширина запрещенных зон которых не указана.

Недостатками известного фотоэлектрического модуля являются необходимость получения коллимированного пучка света и высокая плотность мощности на дихроичном зеркале из-за того, что пучок света коллимирован, что неизменно приведет к деградации зеркала.

Известен концентраторный солнечный фотоэлектрический модуль (см. патент US 6689949, МКП H01L 31/052, опубликован 10.02.2004), использующий в качестве концентратора параболическое зеркало, которое собирает свет в полость, по периметру которой расположены четыре группы фотоэлементов, покрытых фильтрами, пропускающими свет с определенной длиной волны и отражающими остальную часть спектра.

Среди недостатков известного концентраторного солнечного фотоэлектрического модуля следует выделить, во-первых, большое количество фотоэлементов из-за необходимости максимального покрытия внутренней поверхности полости, во-вторых, нахождение фильтров под сильно концентрированным светом, что ведет к их деградации, а также сложность монтажа фотоэлементов внутри полости.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль на основе наноструктурных фотопреобразователей (см. заявка US 20090065044, МПК H01L 31/052, опубликована 12.03.2009), совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Известный солнечный фотоэлектрический модуль включает корпус с фронтальной панелью в виде концентрирующей линзы Френеля, боковые стенки и плоскую тыльную стенку, в котором по ходу солнечного излучения установлены линза с коротким фокусным расстоянием для получения коллимированного пучка солнечного излучения, треугольная призма в качестве устройства для расщепления пучка света и разнесенные по тыльной поверхности корпуса фотопреобразователи с различной шириной запрещенной энергетической зоны, при этом на внутренние поверхности стенок корпуса нанесено светоотражающее покрытие.

Недостатком данной системы является, во-первых, большое количество оптических элементов, приводящее к увеличению доли рассеянного и отраженного света. Во-вторых, в соответствии с законом нормальной дисперсии, угловой размер изображения видимого спектрального диапазона будет превышать размер ИК диапазона в 10-15 раз, что либо потребует использования слишком больших элементов, т.о. уменьшая степень концентрирования, либо существенно увеличит потери при преобразовании ИК диапазона.

Задачей заявленного изобретения является создание солнечного фотоэлектрического модуля на основе наногетероструктурных фотопреобразователей, который бы имел более простую конструкцию, увеличенный диапазон преобразуемых длин волн с 400-1200 нм до 350-1800 нм и уменьшенные оптические потери.

Поставленная задача решается тем, что солнечный фотоэлектрический модуль на основе наноструктурных фотопреобразователей включает корпус, имеющий фронтальную панель с концентрирующей линзой Френеля, боковые стенки и тыльные стенки, расположенные под углом к плоскости фронтальной панели и примыкающие под тупым углом к боковым стенкам, в котором по ходу солнечного излучения установлены дихроичное зеркало, пропускающее солнечное излучение с длиной волны больше 900 нм, отражающее оставшуюся часть спектра и расположенное под углом β к оптической оси концентрирующей линзы Френеля, и разнесенные по тыльной поверхности корпуса первый и второй фотопреобразователи на основе полупроводниковой наногетероструктуры. Первый фотопреобразователь выполнен с фоточувствительностью в спектральном диапазоне солнечного излучения, отражаемого дихроичным зеркалом, и установлен в фокусе лучей, отраженных от дихроичного зеркала. Второй фотопреобразователь выполнен с фоточувствительностью в диапазоне спектра, пропускаемого дихроичным зеркалом, и установлен в фокусе концентрирующей линзы Френеля. Расстояние L от концентрирующей линзы Френеля до точки пересечения оси концентрирующей линзы Френеля с плоскостью дихроичного зеркала удовлетворяет соотношению:

F-D/4≤L≤F/2,

где F - фокусное расстояние концентрирующей линзы Френеля, см;

D - геометрический размер линзы Френеля, см.

Первый фотопреобразователь установлен на расстоянии F-L от оптической оси концентрирующей линзы Френеля.

Дихроичное зеркало (селективный фильтр) разделяет спектр солнечного излучения на длинноволновую и коротковолновую составляющие. В качестве первых фотопреобразователей могут быть использованы фотопреобразователи на основе широкозонных наногетероструктур GaInP/GaAs для диапазона 350-900 нм. В качестве вторых фотопреобразователей могут быть использованы фотопреобразователи на основе узкозонного полупроводникового материала GaSb, а также двухслойные каскадные наногетероструктуры AlGaSb/GaSb или GaInAsP/GaInAs (имеющие повышенную эффективность преобразования солнечного излучения) для диапазона 900-1800 нм.

Расстояние L от концентрирующей линзы Френеля до точки пересечения ее оси с плоскостью дихроичного зеркала должно удовлетворять соотношению, обозначенному выше, т.к. если F-D/4≥L, то концентрация света на фильтре будет достаточно высокой, что приведет к деградации фильтра, а если F/2≤L, то свет не будет концентрироваться на фотоэлектрическом элементе.

При F-D/4≤L≤F-D/2 и β=45° тыльные стенки модуля должны быть расположены под углом 45° к плоскости линзы. В противном случае свет не будет фокусироваться на фотоэлемент.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлен один из вариантов воплощения солнечного фотоэлектрического модуля на основе наноструктурных фотопреобразователей, общая схема изобретения;

на фиг.2 приведен другой вариант воплощения солнечного фотоэлектрического модуля на основе наноструктурных фотопреобразователей, общая схема изобретения;

на фиг.3 представлен третий вариант воплощения солнечного фотоэлектрического модуля на основе наноструктурных фотопреобразователей, общая схема изобретения.

Заявляемый солнечный фотоэлектрический модуль на основе наноструктурных фотопреобразователей (см. фиг.1) содержит корпус 1, имеющий фронтальную панель 2, содержащую силиконовую концентрирующую линзу 3 Френеля, преимущественно размером D=4-10 см и фокусным расстоянием F=(1,6-2,0)·D, закрепленную на основе 4 из силикатного стекла, боковые стенки 5 и тыльные стенки 6, расположенные под углом к плоскости фронтальной панели 2 и примыкающие под тупым углом к боковым стенкам 5. В корпусе 1 по ходу солнечного излучения установлены: дихроичное зеркало 7, пропускающее свет с длиной волны больше 900 нм, отражающее оставшуюся часть спектра и расположенное под углом β=45° к оптической оси концентрирующей линзы 3 Френеля, и разнесенные по внутренней поверхности корпуса первый фотопреобразователь 8 и второй фотопреобразователь 9. Первый фотопреобразователь 8 выполнен основе полупроводниковой наногетероструктуры с фоточувствительностью в спектральном диапазоне солнечного излучения, отражаемого дихроичным зеркалом 7. Первый фотопреобразователь 8 установлен в фокусе лучей, отраженных от дихроичного зеркала 7, на боковой стенке 5. Второй фотопреобразователь 9 выполнен на основе полупроводниковой наногетероструктуры с фоточувствительностью в диапазоне спектра, пропускаемого дихроичным зеркалом 7, и установлен в фокусе концентрирующей линзы 3 Френеля в месте соединения тыльных стенок 6. Расстояние L удовлетворяет соотношению:

L=F-D/2.

На фиг.2 показан другой вариант воплощения заявляемого солнечного фотоэлектрического модуля на основе наноструктурных фотопреобразователей, отличающийся от первого варианта тем, что дихроичное зеркало 7 расположено под углом 90° к оптической оси концентрирующей линзы 3 Френеля, а первый фотопреобразователь 8 расположен на тыльной стороне концентрирующей линзы 3 Френеля. Расстояние L удовлетворяет соотношению:

L=F/2.

На фиг.3 представлен третий вариант воплощения заявляемого солнечного фотоэлектрического модуля на основе наноструктурных фотопреобразователей, отличающийся от первого варианта тем, что дихроичное зеркало 7 расположено под углом к оптической оси концентрирующей линзы 3 Френеля, а первый фотопреобразователь 8 расположен на тыльной стенке 6 модуля, расположенной под углом 45° к плоскости концентрирующей линзы Френеля, а расстояние L удовлетворяет соотношению:

F-D/4≤L≤F-D/2.

Заявляемый солнечный фотоэлектрический модуль на основе наноструктурных фотопреобразователей работает следующим образом. Солнечный свет падает на фронтальную поверхность модуля 4 и концентрируется линзой Френеля 3. Свет с длиной волны больше 900 нм проходит сквозь дихроичное зеркало 7 и фокусируется на узкозонном наноструктурном фотопреобразователе 9, который преобразует эту часть спектра в электричество. Свет с длиной волны меньше 900 нм отражается от дихроичного зеркала 7 и фокусируется на широкозонном наноструктурном фотоэлементе 8, который преобразует эту часть спектра в электричество. В заявляемом модуле оптические потери уменьшаются, т.к. за счет небольшого количества оптических элементов уменьшается доля рассеянного и отраженного света.

Концентраторный фотоэлектрический модуль на основе наногетероструктурных солнечных элементов относится к области фотоэлектрического преобразования энергии, в частности к системам с расщеплением солнечного спектра. Модуль содержит корпус (1), имеющий фронтальную панель (2), содержащую концентрирующую линзу (3) Френеля, боковые стенки (5) и тыльные стенки (6), расположенные под углом 45° к плоскости фронтальной панели (2). В корпусе (1) по ходу солнечного излучения установлены: дихроичное зеркало (7), пропускающее свет с длиной волны выше меньше 900 нм, отражающее оставшуюся часть спектра и расположенное под углом β к оптической оси концентрирующей линзы (3) Френеля, и разнесенные по внутренней поверхности корпуса первый фотопреобразователь (8) и второй фотопреобразователь (9). Дихроичное зеркало (7) расщепляет излучение на два спектральных диапазона. Отраженное излучение с длиной волны 350-900 нм преобразуется первым фотопреобразователем (8), а прошедшее излучение с длиной волны 900-1800 нм преобразуется вторым фотопреобразователем (9). Фотоэлектрический модуль согласно изобретению имеет более простую конструкцию, увеличенный диапазон преобразуемых длин волн с 400-1200 нм до 350-1800 нм и уменьшенные оптические потери. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Солнечный фотоэлектрический модуль на основе наноструктурных фотопреобразователей, включающий корпус, имеющий фронтальную панель с концентрирующей линзой Френеля, боковые стенки и тыльные стенки, расположенные под углом к плоскости фронтальной панели и примыкающие под тупым углом к боковым стенкам, в котором по ходу солнечного излучения установлены дихроичное зеркало, пропускающее свет с длинной волны больше 900 нм, отражающее оставшуюся часть спектра и расположенное под углом β к оптической оси концентрирующей линзы Френеля, и разнесенные по внутренней поверхности корпуса первый фотопреобразователь на основе полупроводниковой наногетероструктуры с фоточувствительностью в спектральном диапазоне солнечного излучения, отражаемого дихроичным зеркалом, установленный в фокусе лучей, отраженных от дихроичного зеркала, и второй фотопреобразователь на основе полупроводниковой наногетероструктуры с фоточувствительностью в диапазоне спектра, пропускаемого дихроичным зеркалом, установленный в фокусе концентрирующей линзы Френеля, при этом расстояние L от концентрирующей линзы Френеля до точки пересечения оси концентрирующей линзы Френеля с плоскостью дихроичного зеркала удовлетворяет соотношению:
F-D/4≤L≤F/2;
где F - фокусное расстояние концентрирующей линзы Френеля, см;
D - геометрический размер концентрирующей линзы Френеля, см;
а первый фотопреобразователь установлен на расстоянии F-L от оптической оси концентрирующей линзы Френеля.

2. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что дихроичное зеркало установлено под углом β=90°, первый фотопреобразователь расположен на тыльной поверхности концентрирующей линзы Френеля, а расстояние L удовлетворяет соотношению:
L=F/2.

3. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что дихроичное зеркало установлено под углом β=45°, первый фотопреобразователь расположен на боковой стенке, а расстояние L удовлетворяет соотношению:
L=F-D/2.

4. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что дихроичное зеркало установлено под углом β=45°, а первый фотоэлемент расположен на тыльной стенке, расположенной под углом 45° к плоскости концентрирующей линзы Френеля, а расстояние L удовлетворяет соотношению:
F-D/4≤L≤F-D/2.