一種集熱式光熱級聯(lián)電源器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能利用電源器件，具體的說是一種將光伏器件和熱電器件級聯(lián)為一體的集熱式光熱級聯(lián)電源器件及其制備方法。
技術(shù)背景
[0002]太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及電流O在物理學(xué)上稱為太陽能光伏(Photovoltaic，photo光線，voltaics電力，縮寫為PV)，簡稱光伏，目前市場上主流的太陽能電池為以光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽能電池。以光電效應(yīng)工作的太陽能光伏電池單元的轉(zhuǎn)換效率主要受限于材料的吸收截止波長，例如GaAs的吸收截止波長為0.87μπι，因此波長大于0.87μπι的太陽輻射均不能被GaAs光伏電池吸收轉(zhuǎn)化。不能被光電池有效轉(zhuǎn)化的太陽能輻射首先以熱能的方式被光伏電池單元吸收，然后耗散于周圍環(huán)境當中。這一過程不僅沒有有效的利用太陽輻射，反而使太陽電池基體溫度增高，嚴重影響了電池性能。
[0003]當熱電材料兩端存在溫差時，由于熱電材料的Seebeck效應(yīng)，使得熱電材料的冷熱兩端出現(xiàn)溫差電動勢，如果有負載接入形成電流回路，這時候就會有功率輸出，這就是溫差發(fā)電的原理，也是熱電器件進行熱電轉(zhuǎn)換的原理。
[0004]前面已經(jīng)說明，光伏電池只能轉(zhuǎn)化部分太陽輻射能量，剩余部分能量以熱能形式吸收后，耗散于周圍環(huán)境當中，這一部分能量沒有得到充分利用。在一些極端環(huán)境下，例如，近日空間軌道飛行器上的光伏電池，在不采取散熱措施的情況下表面工作溫度可高達400°C，普通地面工作的Si光伏電池正常工作溫度也在50?60°C左右。因此在光伏電池背面級聯(lián)一定結(jié)構(gòu)的熱電器件，將光伏電池轉(zhuǎn)化剩余的輻射能量通過熱集中的方式利用熱電器件進一步進彳丁熱電轉(zhuǎn)化，可以進一步提尚太陽能的利用效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在提出一種采用熱集中方式能同時進行光電轉(zhuǎn)化與熱電轉(zhuǎn)化的級聯(lián)半導(dǎo)體電源器件及該器件的制備方法，以解決單一光伏太陽器件對太陽能資源利用率較低的問題。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
一種集熱式光熱級聯(lián)電源器件，其包括光伏電池、熱電池和熱沉，所述熱電池設(shè)置于所述光伏電池的背表面和所述熱沉的板面之間，所述集熱式光熱級聯(lián)電源器件是封裝于真空石英腔中；
另外，所述熱電池由若干串聯(lián)或并聯(lián)的熱電池基本單元構(gòu)成，所述熱電池基本單元由一個P型熱臂和一個N型熱臂構(gòu)成；
熱臂的橫截面為正方形，且相鄰的兩根熱臂之間的距離與熱臂橫截面的邊長之比為1:1o
[0007]本發(fā)明所述的集熱式光熱級聯(lián)電源器件，所述P型熱臂和N型熱臂分別采用P型Bi2Te3合金材料和N型的Bi2Te3合金材料制成。
[0008]本發(fā)明所述的集熱式光熱級聯(lián)電源器件，所述光伏電池可以是單晶Si光伏電池、多晶Si光伏電池、GaAs光伏等單結(jié)電池或GalnP/GalnAs/Ge光伏電池等三結(jié)光伏電池。
[0009]優(yōu)選的，本發(fā)明所述的集熱式光熱級聯(lián)電源器件，所述光伏電池為GalnP/GaAs/Ge三結(jié)疊層光電池。
[0010]本發(fā)明所述的集熱式光熱級聯(lián)電源器件，所述熱臂形狀為截面為正方形的長方體。
[0011]本發(fā)明所述的集熱式光熱級聯(lián)電源器件，熱沉由銅、鋁、銀、鐵或其合金制成。
[0012]本發(fā)明還提供了一種集熱式光熱級聯(lián)電源器件的制備方法，該電源器件由光伏電池、熱電池和熱沉構(gòu)成，所述熱電池設(shè)置于所述光伏電池的背表面和所述熱沉的板面之間，該器件的制備包括以下步驟:
(1)在光伏電池的背表面進行區(qū)域性選擇淀積，生長一層絕緣層;然后在絕緣層進行區(qū)域性選擇淀積，生長一層金屬互聯(lián)電極；
(2)在熱沉板面進行區(qū)域性選擇淀積，生長一層絕緣層;然后在絕緣層進行區(qū)域性選擇淀積，生長一層金屬互聯(lián)電極；
(3)制備P型熱臂和N型熱臂，并在各P型熱臂和各N型熱臂的兩個端面分別生長一層Ni;
(4)將P型熱臂的兩個端面和N型熱臂的兩個端面與光伏電池背表面的金屬互聯(lián)電極和熱沉板面的金屬互聯(lián)電極分別進行焊接，得器件主體結(jié)構(gòu)；
其中，P型熱臂和N型熱臂間的互聯(lián)方式為:一個P型熱臂和一個N型熱臂構(gòu)成一個熱電池基本單元，若干熱電池基本單元進行串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成熱電池；
(5)將步驟(4)所制得的器件主體結(jié)構(gòu)封裝于石英腔中并抽真空，得集熱式光熱級聯(lián)電源器件。
[0013]本發(fā)明所述的集熱式光熱級聯(lián)電源器件的制備方法，所述光伏電池可以是單晶Si光伏電池、多晶Si光伏電池、GaAs光伏等單結(jié)電池或GalnP/GalnAs/Ge等三結(jié)光伏電池。優(yōu)選的，所述光伏電池為GalnP/GaAs/Ge三結(jié)疊層光電池。
[0014]本發(fā)明所述的集熱式光熱級聯(lián)電源器件的制備方法，熱沉由銅、鋁、銀、鐵或其合金制成。
[0015]本發(fā)明所述的集熱式光熱級聯(lián)電源器件的制備方法，所述P型熱臂由P型碲化鉍、碲化鉛或鍺娃合金構(gòu)成;所述N型熱臂由N型碲化祕、碲化鉛或鍺娃合金制成。
[0016]本發(fā)明所述的集熱式光熱級聯(lián)電源器件的制備方法，所述絕緣層的材料為二氧化娃、三氧化二鋁或氮化娃。
[0017]本發(fā)明所述的集熱式光熱級聯(lián)電源器件的制備方法，所述金屬互聯(lián)電極采用銅、銀、金、招或其合金制成。
[0018]本發(fā)明的集熱式光熱級聯(lián)電源器件，其轉(zhuǎn)化效率比單一光伏電池的轉(zhuǎn)化效率大大提高，在地外空間環(huán)境條件下，GaInP/GaAS/Ge-Bi2Te3-Al結(jié)構(gòu)的集熱式光熱級聯(lián)電源器件轉(zhuǎn)化效率比單一的GalnP/GaAs/Ge三結(jié)電池高出8%左右，這對于太陽能器件而言是非?？捎^的提升，有效解決了單一光伏電池不能充分利用太陽能資源的問題。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明集熱式光熱級聯(lián)電源器件主體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2是圖1所示主體結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖3是為本發(fā)明集熱式光熱級聯(lián)電源器件主體結(jié)構(gòu)的光伏電池背表面上熱臂連接方式結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4是為本發(fā)明集熱式光熱級聯(lián)電源器件主體結(jié)構(gòu)的熱沉板面上熱臂連接方式結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖1?圖4中:l、GaInP/GaAs/Ge三結(jié)光伏電池，2、熱沉，3、Si02絕緣層，4、Cu互聯(lián)電極，5、N型熱臂，6、P型熱臂，7、釬料層。
[0024]圖5是本發(fā)明實施例1、實施例1中GalnP/GaAs/Ge三結(jié)光伏電池及對比例I所制備的器件在地外空間無對流環(huán)境條件下，不同輻射強度條件下的轉(zhuǎn)化效率對比圖。
【具體實施方式】
[0025]本發(fā)明中的GalnP/GaAs/Ge三結(jié)光伏電池為按常規(guī)工藝采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積法制備得到，其結(jié)構(gòu)如“GalnP/GaAs/Ge三結(jié)疊層光電池光譜響應(yīng)的溫度特性，作者:劉磊、陳諾夫、汪宇、白一鳴、崔敏、高福寶，《科學(xué)通報》2009年第54卷第I期:16-20”中圖1所不O
[0026]本發(fā)明所用P型熱臂為P型Bi2Te3合金材料，常溫下Seebeck系數(shù)為200μν.°C—SN型熱臂為N型Bi2Te3合金材料，常溫下熱電Seebeck系數(shù)為_180μν.l—1，其可通過市購方式獲得。
[0027]本發(fā)明以下實施例及對比例中所用釬料為HL505鋅鋁合金釬料。
[0028]本發(fā)明實施例中轉(zhuǎn)化效率測試方法為:集熱式光熱級聯(lián)器件的總體轉(zhuǎn)化效率為光伏特電池與熱電池效率之和，其中在測定器效率過程中，將光熱級聯(lián)器件置于特定輻射功率條玲謝件下，直接對光伏電池進行常用的1-V測試，通過獲得的1-V曲線即可獲得光伏電池最大輸出功率在進行光伏電池測試的同時，測量熱電電池的開路電壓V。。，獲得V。。后，通過公式Pife=Vcic2AI^著獲得熱電池的最大輸出功率，其中RiTpf為熱電池熱臂的總內(nèi)阻。這樣總的輸出功率為細=Ρ^Κ+Ρ她，集熱式光熱級聯(lián)器件的總體轉(zhuǎn)化效率收=R_/P輔寸。
[0029]實施例1
(1)制備GalnP/GaAs/Ge三結(jié)光伏電池；
(2)在GalnP/GaAs/Ge三結(jié)光伏電池的背表面進行區(qū)域性選擇淀積，生長一層ΙΟΟμπι厚的S12絕緣層，然后在S12絕緣層進行區(qū)域性選擇淀積，生長一層ΙΟΟμπι厚的Cu互聯(lián)電極；
(3)采用Al基平板做熱沉，將熱沉板面進行陽極氧化處理，然后在其板面上進行區(qū)域性選擇淀積，生長一層ΙΟΟμπι厚的S12絕緣層，然后在S12絕緣層進行區(qū)域性選擇淀積，生長一層ΙΟΟμπι厚的Cu互聯(lián)電極；
(4)制備P型熱臂和N型熱臂，并在各P型熱臂和各N型熱臂的兩個端面分別生長一層100μπι厚的Ni，并將熱臂側(cè)面進行拋光處理；
熱臂的形狀為截面為正方形的長方體，其尺寸:截面邊長=lcm，高=Icm;
(5)采用釬焊的方式，采用合適釬料將P型熱臂和N型熱臂按圖2所示排列方式焊接到光伏電池背表面的Cu互聯(lián)電極，形成多個獨立的溫差發(fā)電熱電池基本單元，然后