專利名稱：用于住宅和工業(yè)建筑的太陽能/熱(chp)熱電聯(lián)產(chǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能供電的裝置以及將太陽能電力轉(zhuǎn)換成可用的能量形式的方法。
背景技術(shù)：
存在對成本有效的可再生能源的長期認(rèn)可和持續(xù)需要。為了該目標(biāo)，已做出了很大的努力來開發(fā)成本有效的太陽能供能的發(fā)電機(jī)以收獲太陽能。這些努力的主要焦點為制造高效率低成本的太陽能電池板。太陽能電池板是被設(shè)計為將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電的光伏設(shè)備?；镜奶柲茈姵匕寮夹g(shù)是基于p-n結(jié)。半導(dǎo)體材料的ρ摻雜區(qū)和η摻雜區(qū)之間的載流子濃度的差異使載流子擴(kuò)散，從而在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生靜電場。半導(dǎo)體具有為其導(dǎo)帶的最小值與其價帶的最大值之間的能量差的帶隙能量。許多半導(dǎo)體具有位于太陽輻射光譜的界限內(nèi)的帶隙能量。具有大于帶隙能量的能量的光子可被半導(dǎo)體吸收并使載流子從其價帶上升到其導(dǎo)帶。受激載流子由于電場而流動并提供電力。當(dāng)前應(yīng)用中的太陽能電池板大致可分為晶體硅和薄膜技術(shù)。與在薄膜技術(shù)中使用的諸如碲化鎘(CdTe)和砷化鎵(GaAs)的材料相比，晶體硅是相對差的光吸收體并需要相對大的材料厚度(幾百微米)。目前，晶體硅太陽能電池板提供比薄膜太陽能電池板高的效率，但制造成本更高。此時商業(yè)可得的太陽能電池板的良好轉(zhuǎn)換效率在14-19%的范圍內(nèi)。 更高的轉(zhuǎn)換效率是可能的。根據(jù)公知的Siockley-Queissar極限，在室溫下使用單結(jié)太陽能電池板將未會聚的太陽輻射轉(zhuǎn)換成電能的最大效率為約31 %。該極限考慮了熱動力學(xué)上不可避免的載流子復(fù)合率以及半導(dǎo)體的帶隙能量與太陽能光譜之間的失配。失配涉及光中的能量的量化。具有低于帶隙能量的能量的光的波長不能激發(fā)載流子。具有帶隙能量之上的能量的光的波長可激發(fā)載流子，但超過帶隙能量的能量快速轉(zhuǎn)換為熱。在室溫下，對于單結(jié)太陽能電池板而言，約1. 3eV的帶隙能量提供最高的理論效率?？赏ㄟ^提供多結(jié)而超過單結(jié)太陽能電池板的Siockley-Queissar極限。典型的多結(jié)太陽能電池板包括具有不同帶隙能量的兩種或更多種半導(dǎo)體材料的層疊。最上層具有最大的帶隙能量。理想情況下，最上層吸收具有等于或大于上層的帶隙能量的能量的光譜部分，而將較長的波長放過去供下面的層使用。層疊結(jié)構(gòu)的光學(xué)透明度通常要求所有的層具有相似的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)。晶格常數(shù)描述了晶體結(jié)構(gòu)中的原子位置的間距。不同層之間的晶格常數(shù)的失配往往產(chǎn)生位錯并顯著地惡化多結(jié)太陽能電池板的效率。雖然多結(jié)太陽能電池板的材料的選擇受到限制，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多合適的組合，并且這些組合已經(jīng)證明了優(yōu)于單結(jié)電池。通過適當(dāng)?shù)貏澐治展庾V，已利用二結(jié)、三結(jié)和四結(jié)電池獲得了優(yōu)良結(jié)果。例如，在二十世紀(jì)九十年代，包括hGaP(l. 9eV)和砷化鎵(1. 4eV) 的二結(jié)電池保持了接近30%的創(chuàng)紀(jì)錄的效率。包括feanP(1.85eV)的砷化鎵層(1.4 ^) 和鍺(0.67eV)的三結(jié)電池已被用于證實接近40%的效率。改善太陽能電池板效率的另一種方式是通過將太陽光會聚到太陽能電池板表面上。除了提供更多的每單位面積光的明顯益處之外，由聚光器提供的直射光(與通過直接暴露到太陽的電池板接收的散射光相比)允許更高的效率。41%是單結(jié)電池的理論極限， 而55%是二結(jié)電池的理論極限。對于直射的太陽光，最優(yōu)的室溫帶隙能量為1. leV。對于標(biāo)準(zhǔn)串聯(lián)配置的二結(jié)電池，0. 77eV和1. 55eV的配對是近似的最優(yōu)配對。對于三結(jié)，0. 61eV、 1. 15eV 和 1. 82eV 近似為理想的，如由 M. A. Green 在 Third-GenerationPhotovoltaics Advanced Solar EnerRY Conversion, pp 60-63 (Springer :Heidelberg, 2003)中所報導(dǎo)的。提高電轉(zhuǎn)換效率的另一種改進(jìn)涉及從在具有超過帶隙能量的能量的光子激發(fā)電子時吸收的過剩能量獲得電能。最初，該能量是由載流子保持的，導(dǎo)致“熱載流子”。存在兩種基本方式來將熱載流子用于提高電能產(chǎn)生的效率。一種方式產(chǎn)生提高的電壓，另一種方式產(chǎn)生提高的電流。前者要求在載流子冷卻之前提取載流子，而后者要求具有足夠能量的熱載流子通過碰撞電離而產(chǎn)生第二電子-空穴對。為了使任一過程有效，必須以可與本身極快的載流子冷卻速率相匹敵的速率執(zhí)行該過程?？梢酝ㄟ^在納米復(fù)合物材料內(nèi)產(chǎn)生載流子而極大地降低載流子冷卻速率，該納米復(fù)合物材料通過量子效應(yīng)而改變弛豫動力學(xué)。納米復(fù)合物材料包括量子阱、量子線和量子點。這些結(jié)構(gòu)將載流子限制到這樣的空間區(qū)域，所述空間區(qū)域小于或相當(dāng)于載流子的德布羅意波長或在半導(dǎo)體體中的激子的波爾半徑。對于這一點量子點是最有效的。由一種半導(dǎo)體(例如砷化鎵)的基質(zhì)內(nèi)的另一種半導(dǎo)體(例如砷化銦鎵)的極小晶體構(gòu)成的量子點可以將載流子冷卻減慢到碰撞電離變?yōu)楹艽蟮狞c。熱載流子放棄其能量的一部分時的碰撞電離將第二載流子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶而其自身保持足夠的能量以保留在導(dǎo)帶中。還可通過由分散在有機(jī)半導(dǎo)體聚合物基質(zhì)中的極小半導(dǎo)體晶體構(gòu)成的量子點實現(xiàn)碰撞電離?？梢酝ㄟ^以對于強(qiáng)電子耦合和微帶形成發(fā)生足夠的緊密間距將量子點排序為緊密間隔的三維陣列而實現(xiàn)熱載流子提取。微帶允許長程電子輸運。微帶為將以高于正常的導(dǎo)帶電勢的電勢抽出的熱載流子電流提供足夠快速的輸運。為了理解該機(jī)理，注意到以下方面是有幫助的，熱載流子能量以比能量以其他方式朝向熱平衡擴(kuò)展的時間尺度短的時間尺度在導(dǎo)帶中的所有載流子當(dāng)中擴(kuò)展。由此，整個載流子流是“熱的”。為了避免與以上機(jī)理混淆，值得注意的是存在量子阱在提高太陽能電池板效率方面的另一用途。量子阱可被用于調(diào)整和精細(xì)地調(diào)制其被并入的半導(dǎo)體的帶隙能量。這允許半導(dǎo)體帶隙能量適于更好地匹配太陽光譜并提供在選擇材料方面的靈活性。更進(jìn)一步地，半導(dǎo)體復(fù)合物中的納米晶體具有高度尺寸依賴性的帶隙能量。這些被用于獲得介于基質(zhì)材料的價帶與導(dǎo)帶之間的電荷載流子能量狀態(tài)。這些中間帶允許復(fù)合物通過從價帶到中間帶和從中間帶到導(dǎo)帶的激發(fā)電荷的兩步過程而實現(xiàn)具有低于基質(zhì)半導(dǎo)體的帶隙能量的能量的光子的電轉(zhuǎn)換。
上述結(jié)構(gòu)的改進(jìn)中的很多改進(jìn)僅僅與太陽光會聚一起才是經(jīng)濟(jì)的。商業(yè)可得的太陽聚光器提供了具有500的會聚度的太陽能。雖然這樣高的會聚度證明了高度設(shè)計的半導(dǎo)體材料的使用是有道理的，但其引入了管理強(qiáng)熱的問題。發(fā)熱是對太陽能電池板性能非常不利的。上面引用的理論最大效率都隨升高的溫度而減小。所有的太陽能電池板都經(jīng)歷隨溫度升高而效率降低的問題。根據(jù)National Aeronautics andSpace Administration (NASA)，如美國專利7，148，417所報導(dǎo)的，溫度每升高一攝氏度，典型的硅太陽能電池板損失約0.45%的電力。在250°C以上，硅太陽能電池板實質(zhì)上不產(chǎn)生電力。 GaAs太陽能電池板的情況稍好些，每攝氏度僅損失約0. 21%。多結(jié)薄膜太陽能電池板的情況通常更糟糕，這是因為層厚度通常是精致匹配的以均衡由每層產(chǎn)生的電流。即使是5% 的失配也可嚴(yán)重地破壞多結(jié)太陽能電池板的操作。如由M. A. Green在Third-Generation Photovoltaics :Advanced Solar EnerRY Conversion,ρ,63(Springer :Heidelberg，2003) 中所報導(dǎo)的。該問題的常規(guī)解決方法使提供冷卻。除了電力之外，太陽能電池板還已被用于提供家用熱水。美國專利2004/0055631 注意到，以該方式使用太陽能電池板要求在至少約60°C的溫度下操作太陽能電池板，這顯著折衷了電池的電產(chǎn)生效率。由該申請?zhí)岢龅慕鉀Q方案是使太陽能電池板制造為對應(yīng)于低于半導(dǎo)體的帶隙能量的能量的太陽能光譜的一部分。該太陽能電池板與發(fā)熱元件絕緣，而發(fā)熱元件利用不能被轉(zhuǎn)換成太陽能電池板的太陽能光譜的一部分。該解決方案據(jù)說比使用單獨的用于電產(chǎn)生和水加熱的太陽能收集器的備選更空間有效。產(chǎn)生熱水的另一方式是從太陽能收集系統(tǒng)提取熱。當(dāng)使用高程度的太陽能會聚時，廢熱是相當(dāng)多的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了太陽能供能的發(fā)電機(jī)和相關(guān)方法。本發(fā)明的一個方面是太陽能供能的發(fā)電機(jī)，其包括太陽能電池板和鄰近所述太陽能電池板并位于所述太陽能電池板下方的熱電器件。所述熱電器件的熱結(jié)與所述太陽能電池板的底側(cè)緊密熱耦合。散熱器被設(shè)置為與所述熱電器件的冷結(jié)接觸以對其進(jìn)行冷卻。所述熱電器件具有η型和ρ型臂，所述臂具有摻雜的半導(dǎo)體材料的一個或多個區(qū)段。所述區(qū)段中的至少一個由納米復(fù)合物材料形成， 在所述納米復(fù)合物材料中，載流子的量子限制顯著地降低了所述區(qū)段的熱導(dǎo)率。一般而言，不希望將熱電器件設(shè)置在太陽能電池板與散熱器之間。直接冷卻太陽能電池板更簡單也更能量有效。本發(fā)明產(chǎn)生對一般原則的例外。首先，本發(fā)明通過使用最近開發(fā)的用于熱電器件的極大地提高這些器件的性能的材料而減少了由熱電器件引入的能量轉(zhuǎn)換效率損失。其次，發(fā)明人認(rèn)識到，在一些情況下，不能以實際方式設(shè)置將太陽能電池板保持在希望的溫度下的適當(dāng)?shù)纳崞?。在這些情況下，很大程度的發(fā)熱是不可避免的。 當(dāng)僅僅可得的散熱器不足以有效地將太陽能電池板的溫度保持在窄的工作溫度范圍內(nèi)時， 本發(fā)明的性能更好，這是因為，即使太陽能發(fā)電機(jī)由于散熱器的性能不佳而發(fā)熱時，熱電器件也可保持太陽能電轉(zhuǎn)換效率。由于太陽能電池板可以為實質(zhì)上的太陽能熱供能的熱電發(fā)電機(jī)提供冷啟動性能，因此本發(fā)明也是有用的。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，太陽能電池板被配置為接收會聚的太陽光，并且熱電器件被配置為從所述太陽能電池板提取熱并將其傳遞到散熱器。在沒有很多日照的黎明和其他時間，所述太陽能電池板產(chǎn)生比所述熱電器件多的電力。在陽光充足的日子，允許所述太陽能電池板在很大程度上發(fā)熱。當(dāng)所述太陽能電池板發(fā)熱時，其產(chǎn)生逐漸減小的電力而所述熱電器件產(chǎn)生逐漸增多的電力。允許所述太陽能電池板發(fā)熱達(dá)到高溫?？稍试S所述太陽能電池板達(dá)到這樣的溫度，在該溫度下，所述熱電器件是發(fā)電的主要模式。本發(fā)明的另一方面是太陽能供能的發(fā)電機(jī)，其包括整體結(jié)構(gòu)的光伏器件和熱電器件?；蛘咚龉夥骷ㄉL在所述熱電器件的部件上的半導(dǎo)體材料層，或者所述熱電器件包括生長在所述光伏器件的部件上的半導(dǎo)體材料層。該整體結(jié)構(gòu)降低了材料要求并使得熱電器件的熱結(jié)快速加熱達(dá)到熱電能量轉(zhuǎn)換高效的溫度。本發(fā)明的另一方面還涉及太陽能供能的發(fā)電機(jī)，其包括光伏器件和熱電器件，其中所述熱電器件鄰近所述太陽能電池板并位于所述太陽能電池板下方，其中熱結(jié)與所述太陽能電池板的底側(cè)緊密熱耦合。所述熱電器件具有η型和P型臂，所述臂包括摻雜的半導(dǎo)體材料的一個或多個區(qū)段。所述熱電器件與所述太陽能電池板的表面共形并跨過近似相同的面積。所述熱電器件的所述臂很薄地分散在高熱絕緣材料的基質(zhì)中，所述高熱絕緣材料選自真空、氣體和氣凝膠。所述臂占據(jù)不足10%的橫截面積，而所述絕熱材料占據(jù)大于90% 的橫截面積。該配置極大地減少了所述臂所需的半導(dǎo)體材料的量，這在使用納米復(fù)合物材料時是特別重要的。由于所述臂相對于所述太陽能電池板表面均勻地分散，非常小且被緊密間隔，并且由于所述臂非常短，因此盡管所述臂具有低的空間密度和低的熱導(dǎo)率，所述臂也有效地冷卻所述太陽能電池板。該概要的主要目的是以簡化的方式給出本公開的部分主要構(gòu)思，以便于理解下面的更詳細(xì)的描述和權(quán)利要求書。該概要不會是全面的，且不能涵蓋被視為創(chuàng)造性的或用于勾勒創(chuàng)造性事物的每個思想和細(xì)節(jié)。通過以下描述、附圖和作為整體的該公開來傳達(dá)產(chǎn)生并應(yīng)用上述構(gòu)思的其他思想和細(xì)節(jié)。下面的權(quán)利要求中保留了發(fā)明人請求保護(hù)的最終聲明?？赏ㄟ^專利進(jìn)程的一般過程來修改這些權(quán)利要求。


附圖根據(jù)特定的約定使用參考標(biāo)號。在不同的圖中出現(xiàn)的相同參考標(biāo)號表明在不同的位置、用途或透視圖中示出了相同的要素。如果兩個參考標(biāo)號不同但在其兩個最不重要的數(shù)字相同，則仍表明這樣的關(guān)系所表示的對象由于是相同的類而相關(guān)聯(lián)，或者由于是相同的物種和類而相關(guān)聯(lián)。附圖本身和描述的上下文將澄清適用什么關(guān)系以及關(guān)于一個要素的標(biāo)記是否可等效地適用于相關(guān)聯(lián)的要素。使用后面的字母來區(qū)分單個附圖或?qū)嵗齼?nèi)的重復(fù)的要素。圖1是利用散熱器和太陽光工作的示例性太陽能供能的發(fā)電機(jī)100的示意圖；圖2是整體結(jié)構(gòu)的示例性太陽能電池板和熱電器件的示意圖；圖3是示例出在熱電器件的設(shè)計中的分段的示意圖；圖4是示出作為幾種半導(dǎo)體材料的溫度的函數(shù)的熱電品質(zhì)因數(shù)的圖；圖5是示出p-Si/p-SiGe納米復(fù)合物的熱電品質(zhì)因數(shù)的圖；圖6提供了以優(yōu)選方式操作的太陽能供能的發(fā)電機(jī)100的有限狀態(tài)機(jī)圖；圖7對應(yīng)于穿過圖2的線A-A’的橫截面，并示例出廣泛、均勻且精細(xì)地分布在高熱絕緣基質(zhì)中的熱電器件的臂；以及
圖8示例出采用上述附圖中的每一個的構(gòu)思的示例性家用熱水加熱和發(fā)電系統(tǒng)。
具體實施例方式圖1提供了從太陽光109產(chǎn)生電的示例性太陽能供能的發(fā)電機(jī)100的示意圖。 太陽能供能的發(fā)電機(jī)100包括可選的太陽能會聚系統(tǒng)101、太陽能電池板102和熱電器件 103。發(fā)電機(jī)100需要散熱器104來操作。散熱器104可被設(shè)置作為太陽能供能的發(fā)電機(jī) 100的一部分。發(fā)電機(jī)100從太陽能電池板102和熱電器件103 二者產(chǎn)生電力。這些源通常被弓I到相同的電壓，被組合和耦合到負(fù)載。太陽能會聚系統(tǒng)101可以是用于會聚太陽光的任何合適的器件。太陽能會聚系統(tǒng) 101可以提供低程度、中程度和高程度的太陽能會聚。低程度是范圍從約2到約10的會聚因子f。中程度的會聚在約10到約100的范圍。超過100的會聚因子為相當(dāng)高的。在沒有太陽能會聚的情況下，f為1。太陽輻射以峰值為約1. 3kff/m2的會聚度入射在地球表面。該值有時被用作太陽能通量密度的單位“1個太陽”。具有會聚因子f的太陽能會聚系統(tǒng)101以峰值在約f * 1. 3kff/m2的能量密度(f個太陽)照射太陽能電池板102的上表面105。在任何給定的時間由太陽能會聚系統(tǒng)101提供的太陽光的實際會聚度可根據(jù)諸如太陽在天空中的位置的因素而變化，但可預(yù)期每個太陽能會聚系統(tǒng)具有代表其容量的相當(dāng)嚴(yán)格定義的最大會聚因子和其可預(yù)期交付的最大太陽光強(qiáng)度?？梢岳梅瓷溏R和/或折射透鏡實現(xiàn)太陽能會聚。這里優(yōu)先選擇最簡單的但仍可提供高太陽能會聚度的系統(tǒng)。不需要分割光譜。太陽能會聚系統(tǒng)101可包括太陽能跟蹤器， 以隨著太陽移動而調(diào)整定位來保持焦距。太陽能會聚系統(tǒng)101可具有冷卻系統(tǒng)以使其部件在強(qiáng)光下避免過度發(fā)熱。系統(tǒng)101可包括光纖束，從而太陽能會聚系統(tǒng)101可被定位于為遠(yuǎn)離太陽能供能的發(fā)電機(jī)100的其他部件。在該方面，應(yīng)理解，對太陽能電池板102的“頂部”和“底部”的引用不意味著對電池板的定位位置的限制。系統(tǒng)101可包括鏡腔或類似的元件，以再次反射從表面105反射或從太陽能電池板102發(fā)射的光。太陽能電池板102可以包括且通常包括串聯(lián)或并聯(lián)連接的多個單獨的太陽能電池。太陽能電池是適合從太陽輻射發(fā)電的光伏器件。太陽能電池板可包括較小的太陽能電池板的陣列。太陽能電池板102可以為這樣的類型，其所提供的每個較小電池板具有熱電器件103。對于陣列的每個單獨的元件，太陽能電池板102與熱電器件103之間的在鄰接性 (adjacency)和熱傳遞方面的關(guān)系是重復(fù)的。于是太陽能電池板102和熱電器件103的整體結(jié)構(gòu)被理解為意味著關(guān)于陣列中的每個元件的統(tǒng)一。太陽能電池板102(或者陣列中的每個單元)是薄的，僅僅為太陽能電池板102提供兩個主側(cè)面。這些側(cè)面稱為前側(cè)和后側(cè)或者頂側(cè)和底側(cè)。前表面或頂表面105為面向光的一面。頂表面105和底表面106基本上共形，盡管有任何凸起。它們具有近似相等的總表面積。太陽能電池板102可以包括適合使用環(huán)境的任何類型的光伏電池。在背景技術(shù)部分中討論的實例在廣義上是適用的，但優(yōu)選在高溫下起光伏作用的改進(jìn)。對高溫耐久性和耐受熱循環(huán)的能力的需求也縮窄了實際選擇。利用本發(fā)明設(shè)計太陽能供能的發(fā)電機(jī)100，以便太陽能將太陽能電池板102加熱到諸如47漲、5751(、67漲或更高的高溫。鼓勵高溫的發(fā)展以提供用于熱電器件103的高溫加熱的源。太陽能電池板102優(yōu)選適于在高溫下的光伏性能。適于僅僅在環(huán)境條件下的操作的太陽能電池板包括體單晶硅太陽能電池板和商業(yè)可得的串聯(lián)連接的多結(jié)薄膜太陽能電池板。任一類型都隨著溫度的升高而快速地?fù)p失效率。使太陽能電池板102適于高溫操作通常包括選擇大帶隙能量的半導(dǎo)體材料。 GaN(3. 2eV)、SiC、GaP(2. 26eV)是具有高帶隙能量的半導(dǎo)體的實例，其可被用于形成適于高溫的太陽能電池。諸如常見的串聯(lián)多結(jié)設(shè)計的溫度敏感設(shè)計或者被避免，或者被調(diào)制到極高的溫度。適于高溫性能的太陽能電池板102包括位于層疊配置的最上層且具有高于為在環(huán)境溫度下操作所選擇的帶隙能量的至少一個半導(dǎo)體結(jié)。較高帶隙能量半導(dǎo)體利用比較低帶隙能量半導(dǎo)體少的太陽光譜，然而，隨著溫度升高，較高帶隙能量半導(dǎo)體比較低帶隙能量半導(dǎo)體損失更少的效率。高帶隙能量太陽能電池犧牲室溫性能以保持在高溫下的更多性能。在背景技術(shù)部分中提到的最優(yōu)帶隙能量不是對于本申請最優(yōu)選的帶隙能量。理想的帶隙能量是與應(yīng)用相關(guān)的，但可以基于理論或?qū)嶒炞龀鲞m當(dāng)?shù)倪x擇。在單結(jié)太陽能電池板中，大于1.6的帶隙能量將表明適于高溫用途，1. SeV以上的帶隙能量當(dāng)然更是如此。在雙結(jié)器件中，2. OeV的帶隙能量是指示性的，其中2. 2eV的帶隙能量更是如此。單結(jié)GaAs單晶或薄膜太陽能電池板比多數(shù)太陽能電池板適于高溫操作，但仍不適于高溫操作。GaAs帶隙能量(IjeV)比硅帶隙能量高，這使其對溫度沒有硅敏感。如在該公開中將使用的術(shù)語那樣，GaAs適于中溫操作，但不適于高溫操作。在本公開中，高溫為至少47漲。以太陽能電池板102的峰值超過675開爾文 (Kelvin)的溫度來操作對于太陽能供能的發(fā)電機(jī)100是典型的，以便于通過熱電器件103 發(fā)電。適于在這樣的高溫下操作并不意味著與在300開爾文的環(huán)境溫度下的性能相比太陽能電池板102將不具有在475開爾文下的降低的性能。幾乎任何(或每個)太陽能電池板將經(jīng)歷隨溫度升高的效率降低。適于高溫包括犧牲在環(huán)境溫度下的性能以改善在高溫下的性能。串聯(lián)連接的多結(jié)太陽能電池板中的高溫適應(yīng)的良好指示是作為溫度的函數(shù)的各種結(jié)的相對電流輸出。這些結(jié)通常被串聯(lián)連接且是電流匹配的。電流匹配包括調(diào)整結(jié)層厚度，直到每個結(jié)產(chǎn)生近似相同的電流為止。當(dāng)電流不匹配時，結(jié)果對性能相當(dāng)不利。由于溫度影響電流的程度在多結(jié)器件中使用的不同結(jié)當(dāng)中變化很大，因此必須為特定的溫度進(jìn)行電流匹配。在太陽照射下每個層都產(chǎn)生相同量的電流時的溫度是太陽能電池板適于操作的溫度。關(guān)于電流匹配的這些評價適用于串聯(lián)連接的多結(jié)器件?？赏ㄟ^并聯(lián)連接避免對電流匹配的需求。由于其實現(xiàn)需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此在多結(jié)太陽能電池板中通常不適用并聯(lián)連接。本申請的折衷是使用并聯(lián)連接但將最大結(jié)數(shù)限制為兩個。 與熱電器件103相比，太陽能電池板102具有對將熱傳遞通過其厚度的低抵抗力。 如果太陽能電池板102過厚或具有對其厚度不足夠的熱導(dǎo)率，則在其頂表面105與其底表面106之間發(fā)生顯著的溫度梯度。部分溫度梯度是對于將熱輸送到熱電器件103所必需的， 但在優(yōu)選設(shè)計中，該梯度非常小。大梯度將不會減小熱電器件103的穩(wěn)態(tài)能量產(chǎn)生，但其導(dǎo)致在太陽能電池板102中的不必要的高溫。
依賴于由太陽能供能的發(fā)電機(jī)100所使用的太陽能會聚的程度，在設(shè)計太陽能電池板102時考慮熱阻率是重要的。在低太陽能會聚度下，普通材料有可能足夠，但應(yīng)小心的是，設(shè)置有太陽能電池板102的基底或支持材料不引入過高的熱阻率。用于太陽能電池板102的低熱容量通常是有利的，但在具有高熱容量時存在優(yōu)點。高熱容量減輕溫度波動和溫度變化速率，這減輕了材料上的應(yīng)力并提高耐久性。除了會限定最小所需熱容量的耐久性問題之外，需要考慮的因素更復(fù)雜。高熱容量的優(yōu)點(例如，金屬板可提供但不引入過量的熱阻率)包括溫度穩(wěn)定性和在低溫下的更多的光電能量產(chǎn)生。雖然高熱容量意味著高溫和低溫都花費較長時間耗散，但與從低溫到高溫相關(guān)的暫態(tài)對應(yīng)于光的可用性，而與從高溫到低溫相關(guān)的暫態(tài)與已損失的太陽光有關(guān)。凈結(jié)果是在低溫下平均的較多的光和在高溫下平均的較少的光。如果太陽能電池板102是唯一考慮的因素，則高熱容量將是有益的。對于熱電器件103，考慮因素則相反。當(dāng)太陽能電池板102到達(dá)穩(wěn)態(tài)最高溫度時， 熱電器件103提供最高的效率。如果這些部件快速達(dá)到太陽光產(chǎn)出的條件，則從熱電器件 103產(chǎn)生的能量將是最大的。如果預(yù)熱(warm-up)周期長，則很多的熱以較低的溫度差分被傳遞通過熱電器件103，由此具有較低的熱電轉(zhuǎn)換效率。同樣地，由太陽能電池板102存儲的熱將在冷卻期間被傳遞而不是在溫度差分仍處于其最大值時被傳遞。給定上述考慮因素，在太陽能電池板102中和太陽能電池板102周圍的熱容量是涉及與其他設(shè)計選擇無關(guān)的多種考慮因素的問題。根據(jù)應(yīng)用來確保對減小或增加熱容量的適應(yīng)性。可以在太陽能電池板102與熱電器件103之間的界面處或表面105之上提供增加的熱容量。為了不增加太陽能電池板102與熱電器件103之間的熱阻率這一優(yōu)點，優(yōu)選在表面105之上的具有與表面105的良好熱接觸的透明蓋，但該優(yōu)點必須與由該蓋層的光吸收引起的光電產(chǎn)生的任何損失相權(quán)衡。如果需要附加的熱容量，則可以將不會過度干擾太陽能電池板102與熱結(jié)107之間的熱傳輸?shù)娜魏谓Y(jié)構(gòu)用于提供該附加的熱容量。適合的結(jié)構(gòu)包括金屬層。金屬具有高熱容量和高熱導(dǎo)率的有利組合。本文中使用的術(shù)語熱電器件是這樣的器件，其包括熱結(jié)和冷結(jié)并用于在將熱結(jié)保持為高于冷結(jié)的溫度時直接從熱能發(fā)電。熱電器件103包括ρ型和η型摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域。 這些區(qū)域內(nèi)的載流子濃度取決于溫度。當(dāng)從熱結(jié)107到冷結(jié)108施加溫度梯度時，該溫度梯度橫貫這些區(qū)域，由此產(chǎn)生電荷載流子梯度。電荷載流子梯度導(dǎo)致電力的流動。圖3提供了熱電器件103的實例203。熱電器件203包括ρ臂219，其包括至少一個η摻雜的半導(dǎo)體區(qū)段；以及η臂220，其包括η摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域的至少一個區(qū)段。臂 219和220跨過熱結(jié)207與冷結(jié)208之間的間隙。電絕緣體222隔離這些臂。金屬互連218 被設(shè)置為鄰近熱結(jié)207或在熱結(jié)207內(nèi)。歐姆接觸將每個臂219和220連接到互連218的金屬，從而P臂219、金屬互連218以及η臂220提供p-i-n結(jié)。該p-i-n結(jié)通過臂219和 220而產(chǎn)生電場。在冷結(jié)208處，臂219和220具有與引線221a和221b的歐姆接觸。這些引線彼此電隔離，但它們可以是單個金屬互連層的一部分，互連層是電介質(zhì)的平面矩陣形式的金屬圖形。當(dāng)熱結(jié)207保持在比冷結(jié)208高的溫度下時，在臂中形成電荷載流子梯度，導(dǎo)致電子在ρ臂219向下流動且空穴(有效地)在η臂220向下流動。依賴于熱結(jié)與冷結(jié)之間的溫度差，引線之間的電勢差不同。電壓近似與溫度差成比例。電流乘以電壓給出了由熱電器件203提供的可用功率。 這樣的器件將熱能轉(zhuǎn)換為電能的理想效率由公知的公式給出，該公式表明對熱結(jié)與冷結(jié)之間的溫度差、幾何形狀以及構(gòu)成P臂和η臂的材料的特性的依賴性。效率η由下式給出
權(quán)利要求
1.一種太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100) (100)，包括太陽能電池板(102)，其具有頂側(cè)(105)和底側(cè)(106)并用于從太陽光(109)產(chǎn)生電力；熱電器件(103)，其鄰近所述太陽能電池板(10 并位于所述太陽能電池板(102)下方，所述熱電器件(103)包括熱結(jié)(107)和冷結(jié)(108)，所述熱結(jié)(107)與所述太陽能電池板(102)的所述底側(cè)(106)緊密熱耦合，所述熱電器件(10 用于在所述熱結(jié)(107)比所述冷結(jié)(108)熱時產(chǎn)生電力；以及一個或多個電互連，其用于電耦合到所述太陽能電池板(10 和從所述太陽能電池板 (102)抽取電力，并用于電耦合到所述熱電器件(103)和從所述熱電器件(103)抽取電力； 其中所述熱電器件(103)包括η型臂(219)和ρ型臂Q20)，所述η型臂(219)被配置為將熱從所述熱結(jié)(107)傳導(dǎo)到所述冷結(jié)(108)，所述ρ型臂(220)被配置為將熱從所述熱結(jié)(107)傳導(dǎo)到所述冷結(jié)(108)；所述η型臂(219)包括η摻雜的半導(dǎo)體材料的一個或多個區(qū)段； 所述P型臂(220)包括ρ摻雜的半導(dǎo)體材料的一個或多個區(qū)段；且所述區(qū)段中的至少一個由納米復(fù)合物材料形成，在所述納米復(fù)合物材料中，載流子的量子限制顯著地降低了所述區(qū)段的熱導(dǎo)率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100)，還包括太陽能會聚系統(tǒng)(101)，所述太陽能會聚系統(tǒng)(101)被配置為將太陽光(109)會聚到所述太陽能電池板(102)的頂部， 所述系統(tǒng)(101)具有最大太陽能會聚因子f。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100)，其中f為100或更大。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100)，其中所述太陽能電池板(10 包括單結(jié)或雙結(jié)薄膜型的薄膜太陽能電池，所述電池具有半導(dǎo)體材料的最上結(jié)，所述半導(dǎo)體材料在單結(jié)情況下具有大于1. SeV的帶隙能量或者在雙結(jié)情況下具有大于2. OeV的帶隙能量。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100)，其中所述太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100) 在f和所述熱電器件(103)的熱阻率方面被配置為當(dāng)在地球表面處的環(huán)境條件下操作時在太陽光的影響下將所述太陽能電池板(10 加熱到超過67 的溫度，其中通過散熱器 (104)將所述冷結(jié)(108)的溫度保持為低于100°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100)，還包括 散熱器(104)，其與所述冷結(jié)(10 接觸；其中所述發(fā)電機(jī)(100)，包括非限制性的f、所述熱電器件(10 的厚度和熱導(dǎo)率、所述散熱器(104)的尺寸和類型、以及結(jié)構(gòu)的材料，被配置、適應(yīng)和通過設(shè)計起作用，以在地球表面處的環(huán)境條件和晴天下連續(xù)操作所述發(fā)電機(jī)(100)，以便將所述太陽能電池板(102) 升高到這樣的溫度，在該溫度下，所述熱電器件(10 產(chǎn)生至少兩倍于所述太陽能電池板 (102)的電力。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100)，還包括 散熱器(104)，其與所述冷結(jié)(10 接觸；其中所述發(fā)電機(jī)(100)，包括非限制性的f、所述熱電器件(10 的厚度和熱導(dǎo)率、所述散熱器(104)的尺寸和類型、以及結(jié)構(gòu)的材料，被配置、適應(yīng)和通過設(shè)計起作用，以在地球2表面處的環(huán)境條件和晴天下連續(xù)操作所述發(fā)電機(jī)(100)，以便將所述太陽能電池板(102) 升高到至少57 的溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100)，其中所述η型臂(219)和所述ρ型臂Q20)中的至少一個包括不同組成的兩個區(qū)段(219a，219b，219c，220a，220c)，每種組成具有這樣的操作溫度范圍，在該操作溫度范圍中，其熱電品質(zhì)因數(shù)優(yōu)于另一組成的熱電品質(zhì)因數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100)，還包括 散熱器(104)，其與所述冷結(jié)(10 接觸；其中所述散熱器(104)包括熱水管(979)、熱水罐(974)和封閉的環(huán)道(974，979， 978)，通過所述封閉的環(huán)道，水在所述熱水罐(974)與所述冷結(jié)(10 之間再循環(huán)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100)，還包括 太陽能收集器(971)；以及一個或多個光纖(972)，其被配置為將太陽能從所述太陽能收集器(971)傳輸?shù)剿鎏柲茈姵匕?102)；其中所述太陽能電池板(10 、所述熱電器件(10 和所述熱水罐(974)被設(shè)置在住宅或工業(yè)建筑物(973)內(nèi)，所述住宅或工業(yè)建筑物(97 被配置為利用來自所述罐(974)的熱水。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100)，還包括 水混合系統(tǒng)(980)，其被耦合到所述熱水罐(974)和冷水源(981)；其中所述混合系統(tǒng)(980)被配置為從所述熱水罐(974)和所述冷水源(981)分離地抽取水并供應(yīng)從這些源(974，981)抽取的水的混合物(982)；以及所述混合系統(tǒng)(980)被配置為根據(jù)需要自動調(diào)整來自所述罐(974)的水和來自所述冷水源(981)的水之間的混合比，以將由所述混合系統(tǒng)供應(yīng)的水(982)保持為低于預(yù)設(shè)的最大溫度。
12.根據(jù)權(quán)利要求2的太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100)，其中其中所述會聚因子f為10或更大，從而所述太陽能會聚系統(tǒng)(101)在太陽當(dāng)空的晴天下向所述太陽能電池板(10 提供大于10千瓦每平方米的太陽輻射；其中所述熱電器件(103)的所述熱結(jié)(107)與所述太陽能電池板(102)的背側(cè)(106) 緊密熱耦合，其中所述系統(tǒng)被配置為使通過所述熱電器件(103)的熱傳輸為用于在穩(wěn)定狀態(tài)操作期間冷卻所述太陽能電池板(102)的主要路徑；其中所述熱電器件(103)在室溫下具有小于(f/100)千瓦每m2(太陽能電池板(102) 面積)每開爾文的在其熱結(jié)與冷結(jié)(108)之間的熱傳遞系數(shù)，從而所述系統(tǒng)被配置為在晴天在所述冷結(jié)(108)溫度之上的100開爾文或更高的穩(wěn)定狀態(tài)溫度下利用所述太陽能電池板(102)操作。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100)，其中f為100或更大。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100)，其中所述發(fā)電機(jī)(200)包括生長在所述熱電器件O03)的部件上的半導(dǎo)體材料層，或者所述熱電器件(20 包括生長在所述光伏器件O02)的部件上的半導(dǎo)體材料層。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100，200)，其中所述熱電器件(20 具有其面積約等于所述太陽能電池板(20 的背面的面積的平行于所述太陽能電池板(202)的背面(106)的橫截面(A-A’)，所述橫截面切割通過所述熱電器件Q03)的所述臂019，220)；小于10%的所述橫截面的面積被所述臂Ο19，220)占據(jù)；以及大于90%的所述橫截面具有選自真空、氣體和氣凝膠的高度熱絕緣組成022)，所述熱絕緣組成填充所述臂(219，220)之間的空間。
16.一種太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100，200)，包括太陽能電池板(202)，其具有頂側(cè)(105)和底側(cè)(106)并用于從太陽光(109)產(chǎn)生電力；熱電器件003)，其鄰近所述太陽能電池板(20 并位于所述太陽能電池板(202)下方，所述熱電器件(203)包括熱結(jié)(127)和冷結(jié)008)，所述熱結(jié)(207)與所述太陽能電池板Q02)的所述底側(cè)(106)緊密熱耦合，所述熱電器件(20 用于在所述熱結(jié)O07)比所述冷結(jié)(208)熱時產(chǎn)生電力；以及一個或多個電連接，其用于電耦合到所述太陽能電池板(20 和從所述太陽能電池板 (202)抽取電力，并用于電耦合到所述熱電器件(203)和從所述熱電器件(203)抽取電力； 其中所述熱電器件(203)包括η型臂(219)和ρ型臂Q20)，所述η型臂(219)被配置為將熱從所述熱結(jié)(207)傳導(dǎo)到所述冷結(jié)008)，所述ρ型臂(220)被配置為將熱從所述熱結(jié)(207)傳導(dǎo)到所述冷結(jié)Q08)；所述η型臂(219)包括η摻雜的半導(dǎo)體材料的一個或多個區(qū)段； 所述P型臂(220)包括ρ摻雜的半導(dǎo)體材料的一個或多個區(qū)段；且所述太陽能電池板(20 包括生長在所述熱電器件O03)的部件上的半導(dǎo)體材料層， 或者所述熱電器件(20 包括生長在光伏器件的部件上的半導(dǎo)體材料層。
17.一種太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100，200)，包括太陽能電池板(202)，其具有頂側(cè)(105)和底側(cè)(106)并用于從太陽光(109)產(chǎn)生電力；熱電器件003)，其鄰近所述太陽能電池板(20 并位于所述太陽能電池板(202)下方，所述熱電器件(203)包括熱結(jié)(127)和冷結(jié)008)，所述熱結(jié)(207)與所述太陽能電池板Q02)的所述底側(cè)(106)緊密熱耦合，所述熱電器件(20 用于在所述熱結(jié)O07)比所述冷結(jié)(208)熱時產(chǎn)生電力；以及一個或多個電連接，其用于電耦合到所述太陽能電池板(20 和從所述太陽能電池板 (202)抽取電力，并用于電耦合到所述熱電器件(203)和從所述熱電器件(203)抽取電力； 其中所述熱電器件(203)包括η型臂(219)和ρ型臂Q20)，所述η型臂(219)被配置為將熱從所述熱結(jié)(207)傳導(dǎo)到所述冷結(jié)008)，所述ρ型臂(220)被配置為將熱從所述熱結(jié)(207)傳導(dǎo)到所述冷結(jié)Q08)；所述η型臂(219)包括η摻雜的半導(dǎo)體材料的一個或多個區(qū)段； 所述P型臂(220)包括ρ摻雜的半導(dǎo)體材料的一個或多個區(qū)段； 所述熱電器件(20 具有其面積約等于所述太陽能電池板(20 的背面(106)的面積的平行于所述太陽能電池板(202)的背面(106)的橫截面(A-A’)，所述橫截面切割通過所述熱電器件O03)的所述臂；小于10%的所述橫截面的面積被所述臂019，220)占據(jù)；以及大于90%的所述橫截面具有選自真空、氣體和氣凝膠的高度熱絕緣組成022)，所述熱絕緣組成填充所述臂(219，220)之間的空間。
全文摘要
一種太陽能供能的發(fā)電機(jī)(100)具有熱電元件，所述熱電元件鄰近太陽能電池且位于所述太陽能電池下方。提供會聚的太陽光。溫度或效率可變的散熱器(104)與所述熱電器件(103)的冷結(jié)(108)接觸。關(guān)于能量通量設(shè)計熱阻率，從而所述熱電器件(103)形成幾百開爾文的梯度。優(yōu)選所述太陽能電池包括高帶隙能半導(dǎo)體。所述發(fā)電機(jī)(100)在冷結(jié)(108)溫度范圍內(nèi)保持相對恒定的效率。所述散熱器(104)可以為熱水系統(tǒng)。使用納米復(fù)合物熱電材料實現(xiàn)高效率。在高度熱絕緣材料的基質(zhì)中均勻地但很薄地分散熱電區(qū)段可以減少所述區(qū)段所需的材料量而不犧牲性能。所述太陽能電池和熱電元件的整體結(jié)構(gòu)提供進(jìn)一步的優(yōu)點。
文檔編號H01L31/042GK102272940SQ200980153483
公開日2011年12月7日 申請日期2009年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月4日
發(fā)明者H·胡 申請人:伊頓公司