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利用反转变质多结太阳能电池的用于航空器、运工具或陆地交通工具的太阳能电系统

申请号 CN201410342379.4 申请日 2014-07-18 公开(公告)号 CN104300882B 公开(公告)日 2017-10-17
申请人 索埃尔科技公司; 发明人 D·麦格林; P·R.·夏普斯; A·科恩菲尔德; M·A.·斯坦;
摘要 在此公开了一种用于利用安装在非平面配置的 支撑 件上的 薄膜 III‑V族化合物多结 半导体 太阳能 电池 从 太阳 辐射 产生电 力 的系统,其是一种航空器、 水 运工具或陆地交通工具。
权利要求

1.一种航空器、运工具或陆地交通工具,包括:
非平面支撑件,用于安装多个太阳能电池;以及
安装在该非平面支撑件上的第一太阳能电池和第二太阳能电池,其中所述第一太阳能电池和第二太阳能电池中的每一个太阳能电池能够弯曲以便符合所述非平面支撑件的非平面表面,并且其中所述第一太阳能电池和第二太阳能电池中的每一个太阳能电池包括由III-V族化合物半导体形成的薄的柔性膜半导体主体,包括:
具有第一带隙的第一太阳能子电池;
设置在所述第一太阳能子电池之上的第二太阳能子电池,其具有比所述第一带隙小的第二带隙;
分级中间层,由InGaAlAs构成,并且设置在所述主体中所述第二太阳能子电池之上,并具有比所述第二带隙大的第三带隙;以及
第三太阳能子电池,其在所述主体中所述中间层之上,并相对于所述第二太阳能子电池晶格失配,并且具有比所述第三带隙小的第四带隙;以及
互连,用于互连所述第一太阳能电池和第二太阳能电池,所述互连包括:
第一端子,耦接到在所述第一太阳能电池和第二太阳能电池中的一个的顶表面处形成的触点;
U形的第一部,具有耦接到所述第一端子的端部;
第二部,具有耦接到所述第一部的另一端的端部;以及
第二端子,耦接到所述第二部的另一端,并且耦接到位于所述第一和第二太阳能电池中的另一个的底面处的触点;
其中其上安装有所述第一太阳能电池和第二太阳能电池的所述非平面支撑件被附接到所述航空器、水运工具或陆地交通工具。
2.如权利要求1所述的航空器、水运工具或陆地交通工具,其中所述航空器、水运工具或陆地交通工具是有人驾驶的或无人驾驶的。
3.如权利要求1所述的航空器、水运工具或陆地交通工具,其中所述航空器是有动的或无动力的轻航空器。
4.如权利要求1所述的航空器、水运工具或陆地交通工具,其中所述航空器是有动力的或无动力的重航空器
5.如权利要求4所述的航空器、水运工具或陆地交通工具,其中所述重航空器是固定翼或旋翼航空器。
6.如权利要求1所述的航空器、水运工具或陆地交通工具,其中所述水运工具是被驱动的或系留的。
7.如权利要求1所述的航空器、水运工具或陆地交通工具,其中所述水运工具是机动化的或非机动化的。
8.如权利要求1所述的航空器、水运工具或陆地交通工具,其中所述水运工具是水面船只或潜水器。
9.如权利要求1所述的航空器、水运工具或陆地交通工具,其中所述陆地交通工具是机动化的或非机动化的。
10.如权利要求1所述的航空器、水运工具或陆地交通工具,其中所述分级中间层具有基本恒定的带隙,并且是系列的具有单调变化的晶格常数的组分台阶分级的InGaAlAs层,以便与一侧上的所述第二太阳能子电池和另一侧上的所述第三太阳能子电池晶格匹配

说明书全文

利用反转变质多结太阳能电池的用于航空器、运工具或陆

地交通工具的太阳能电系统

技术领域

[0001] 本发明总的来说涉及用于将太阳光转换成电能的太阳能电力系统,更具体地,涉及使用III-V族化合物半导体太阳能电池

背景技术

[0002] 可商业获得的用于陆基太阳能应用的太阳能电池效率范围从8%到15%。基于III-V族化合物的化合物半导体太阳能电池在正常工作条件下具有28%的效率,并且在汇聚下具有32.6%的效率。此外,公知的是,将太阳能汇集到光伏电池上增加了单元的效率。
[0003] 考虑到硅太阳能电池的低成本以及可广泛获得性,陆基太阳能电力系统当前使用硅太阳能电池。尽管化合物半导体太阳能电池已经广泛地使用在卫星应用中,在卫星应用中在选择这样的器件时,其功率对重量的效率比每瓦成本考虑更重要,但是这样的太阳能电池尚未被设计和配置用于陆基系统,也没有陆基太阳能电力系统被配置和优化来采用化合物半导体太阳能电池。
[0004] 在常规的用硅(Si)衬底构造的太阳能电池中,通常一个电触点放置在太阳能电池的光吸收面或正面上,第二触点放置在单元的背面上。光灵敏的半导体设置在衬底的光吸收面上,并且其包括一个或多个p-n结,其在光在电池内被吸收时生成电子流。
[0005] 电池的光进入的面上的触点通常以网格图案的形式在正面的表面之上扩展,并且通常由良好的导体(诸如,金属)构成。网格图案并不覆盖电池的整个面,这是因为网格材料尽管是良好的电导体但通常对于光是不透明的。
[0006] 该电池面上的网格图案通常较宽地间隔开,以允许光进入太阳能电池,但是不到电接触层收集电池中的电子流所产生的电流将有困难的程度。背电触点没有这样的径然相反的限制。背触点简单地作为电触点,并因此通常覆盖电池的整个背表面。由于背触点须是非常良好的电导体,因此其几乎总是由金属层制成。
[0007] 电池背面上的阳极触点和阴极触点两者的该放置简化了其中各电池串联电连接的水平阵列中各太阳能电池的互连。对于硅电池,这样的背触点设计可从Gee等人的PCT专利公开WO2005/076960 A2已知,以及对于化合物半导体太阳能电池,可以从本受让人的2005年4月19日提交的美国专利申请No.11/109,016知道,通过引用将其并入在此。
[0008] 陆基太阳能电力系统的另一方面是使用会聚装置(诸如,透镜和反射镜)来将进入的太阳射线聚焦到太阳能电池或太阳能电池阵列上。这样的系统的几何设计还要求太阳能跟踪机制,其允许在白天期间太阳横过天空时太阳能电池的平面持续面对太阳,从而优化入射在电池上的太阳光的量。
[0009] 基于会聚装置的太阳能电池配置设计的又一方面在于,用于耗散入射在半导体主体的表面上的强烈的光所产生的相关联的热量的热耗散结构或冷却技术的设计。现有技术的设计(诸如,2002年10月10日公开的PCT国际公开WO 02/080286A1中所描述的)采用与(硅)光伏电池热接触的复杂冷却剂流路径。
[0010] 太阳能电池系统的又一方面在于,构成太阳能电池的半导体材料的物理结构。太阳能电池常常以垂直多结结构制造,并以水平阵列设置,各太阳能电池以电串联形式连接在一起。阵列的形状和结构以及其包含的电池的数目部分地由期望的输出电压和电流确定。在根据本发明的设计中有用的一种多结结构是反转的变质太阳能电池结构,诸如,如美国专利No.6,951,819(Iles等人)中描述的,M.W.Wanless等人的Lattice Mismatched Approaches for High Performance,III-V Photovoltaic Energy Converters(Conference Proceedings of31stIEEE Photovoltaic Specialists Conference,2005年1月3-7日,IEEE Press,2005);以及美国专利申请公开No.2007/0277873A1(Cornfeld等人),通过引用将其并入在此。

发明内容

[0011] 1.发明目的
[0012] 本发明的一个目的是提供一种改善的多结太阳能电池。
[0013] 本发明的另一目的是提供一种作为符合非平面支撑件的薄的柔性膜的太阳能电池。
[0014] 某些实现方式或实施例可以实现比全部前述目的更少的目的。
[0015] 2.本发明的特征
[0016] 简要且概括地,本发明提供了一种航空器、水运工具或陆地交通工具,包括:非平面支撑件,用于安装多个太阳能电池;以及安装在该非平面支撑件上的多个太阳能电池,其中所述多个太阳能电池中的每一个太阳能电池被成形为符合所述非平面支撑件的非平面表面,并且其中所述多个太阳能电池中的每一个太阳能电池包括由III-V族化合物半导体形成的薄的柔性膜半导体主体,包括:具有第一带隙的第一太阳能子电池;设置在所述第一子电池之上的第二太阳能子电池,其具有比所述第一带隙小的第二带隙;分级中间层,由InGaAlAs构成,并且设置在所述主体中所述第二子电池之上,并具有比所述第二带隙大的第三带隙;以及第三太阳能子电池,其在所述主体中所述中间层之上,并相对于所述第二子电池晶格失配,并且具有比所述第三带隙小的第四带隙;其中其上安装有所述多个太阳能电池的所述非平面支撑件被附接到所述航空器、水运工具或陆地交通工具。
[0017] 在另一方面,本发明提供了一种太阳能电池组件,其包括:非平面支撑件,用于安装多个太阳能电池;以及安装在该非平面支撑件上的多个太阳能电池,其中所述多个太阳能电池中的每一个太阳能电池能够弯曲以符合所述非平面支撑件的非平面表面,并且其中所述多个太阳能电池中的每一个太阳能电池包括由III-V族化合物半导体形成的薄的柔性膜半导体主体,包括:具有第一带隙的第一太阳能子电池;设置在所述第一子电池之上的第二太阳能子电池,其具有比所述第一带隙小的第二带隙;分级中间层,由InGaAlAs构成,并且设置在所述主体中所述第二子电池之上,并具有比所述第二带隙大的第三带隙;以及第三太阳能子电池,其在所述主体中所述中间层之上,并相对于所述第二子电池晶格失配,并且具有比所述第三带隙小的第四带隙;其中所述太阳能电池组件被附接到航空器、水运工具或陆地交通工具。在某些实施例中,所述非平面支撑件包括弯曲的表面。
[0018] 在另一方面,本发明提供了一种用于将多个太阳能电池安装到航空器、水运工具或陆地交通工具上的方法,所述方法包括:提供非平面支撑件,用于安装多个太阳能电池;在该非平面支撑件上安装所述多个太阳能电池,其中所述多个太阳能电池中的每一个太阳能电池能够弯曲以符合所述非平面支撑件的非平面表面,并且其中所述多个太阳能电池中的每一个太阳能电池包括由III-V族化合物半导体形成的薄的柔性膜半导体主体,包括:具有第一带隙的第一太阳能子电池;设置在所述第一子电池之上的第二太阳能子电池,其具有比所述第一带隙小的第二带隙;分级中间层,由InGaAlAs构成,并且设置在所述主体中所述第二子电池之上,并具有比所述第二带隙大的第三带隙;以及第三太阳能子电池,其在所述主体中所述中间层之上,并相对于所述第二子电池晶格失配,并且具有比所述第三带隙小的第四带隙;以及将其上安装有所述多个太阳能电池的所述非平面支撑件附接到航空器、水运工具或陆地交通工具。在某些实施例中,所述非平面支撑件适于附接到所述航空器、水运工具或陆地交通工具的弯曲的表面。
[0019] 某些实现方式或本发明的实施例可以仅仅并入有前述方面中的某些方面。附图说明
[0020] 图1示出了可以用在本发明中的反转变质太阳能电池的截面图;
[0021] 图2是具有太阳能电池500以及太阳能电池600之间的电互连的实施例的简化截面图,太阳能电池500以及太阳能电池600与图1所示的太阳能电池类似并且在另外的处理步骤之后;
[0022] 图3和4示出了其中如图2中所示的太阳能电池组件附接到具有非平面表面的支撑件的实施例,该支撑件又附接到航空器、水运工具(船舶)或陆地交通工具;
[0023] 图5是水运工具的示例性实施例的透视图,其具有附接到该水运工具的非平面表面的太阳能组件;和
[0024] 图6是航空器的示例性实施例的透视图,其具有附接到该航空器的非平面表面的太阳能组件。
[0025] 图7和8是陆地交通工具的示例性实施例的透视图,其具有附接到该航空器的非平面表面的太阳能组件。
[0026] 根据本公开,包括下面的详细说明以及通过践行本发明,本发明另外的目的、优点新颖的特征对于本领域技术人员将变得明显。尽管下面参考示例性实施例描述了本发明,但是应当理解,本发明不限于此。受益于本发明教导的本领域普通技术人员将认识到在其它领域的另外的应用、修改和实施例,其被包含在如在此公开的和要求权利的本发明的范围内,对于其本发明也可以具有实用性。

具体实施方式

[0027] 现在将描述本发明的细节,包括其示例性方面和实施例。参考附图和下面的说明,相同的附图标记用于标识相同的或功能类似的部件,并且意图以高度简化的图示方式示出示例性实施例的主要特征。此外,附图并不意图用于描述实际实施例的每一特征,也不用于描述所示出的元件相对尺寸,并且也不是按比例绘制的。
[0028] 本发明总的来说涉及利用III-V族化合物半导体太阳能电池将太阳光转换成电能的太阳能电力系统。
[0029] 图1示出了可以用于本发明的一个实施例中的多结的反转变质太阳能电池,其包括三个子电池A、B和C。更具体地,可以利用美国专利申请公开No.2007/0277873 A1(Cornfeld等人)中的工艺过程形成太阳能电池。如图中所示,太阳能电池的顶表面包括格栅线501,其直接地沉积在接触层105之上。防反射(ARC)电介质层130沉积在太阳能电池的整个表面之上。粘合剂沉积在ARC层之上,以固着盖玻璃。太阳能电池结构包括窗层106,其与接触层105相邻。然后在窗层106上形成子电池A(其包括n+发射极层107和P型基极层108)。
[0030] 在一个实施例中,n+型发射极层107由InGA(Al)P构成,并且基极层108由InGa(Al)P构成。
[0031] 与基极层108相邻的是沉积的背表面场(“BSF”)层109,用于降低复合损耗。BSF层109驱动来自基极/BSF界面表面附近的区域的少数载流子,以使复合损耗的影响最小化。
[0032] 在BSF层109上顺序沉积重掺杂的p型和n型层110,其形成隧道二极管,一种作用来将电池A电连接到电池B的电路元件。
[0033] 在隧道二极管层110上沉积窗层111。子电池B中使用的窗层11还操作来降低复合损耗。窗层111也改善了下面的结的电池表面的钝化。本领域技术人员应当明白,在该电池结构中可以增加或删除一个或多个另外的层而不偏离本发明的范围。
[0034] 在电池B的窗层111上沉积:发射极层112和p型基极层113。在一个实施例中,这些层优选分别由InGaP和In0.015GaAs构成,但是也可以使用与晶格常数和带隙要求相符的任何其它适当的材料。
[0035] 在电池B上沉积BSF层114,其执行与BSF层109相同的作用。在BSF层114之上沉积p++/n++隧道二极管115,与层110类似,再次形成这里作用来将电池B电连接到电池C的电路元件。在隧道二极管115之上沉积缓冲层115a(优选InGaAs),并且缓冲层115a具有大约1.0微米的厚度。在缓冲层115a之上沉积变质缓冲层116,其优选是系列的具有单调改变的晶格常数的组分上台阶分级的InGaAlAs层,以实现从电池B到子电池C的晶格常数的转变。层116的带隙是1.5ev常数,具有比中间电池B的带隙稍大的值。
[0036] 在一个实施例中,如Wanless等人的文章中所建议的,该台阶分级包含九个组分分级的台阶,每一个台阶层具有0.25微米的厚度。在一个实施例中,中间层由InGaAlAs构成,具有单调改变的晶格常数,从而使得带隙保持恒定在1.50ev。
[0037] 在变质缓冲层116之上是窗层117,其由In0.78GaP构成,继之以具有n+发射极层118和p型基极层119的子电池C。在一个实施例中这些层优选由In0.30GaAs构成。
[0038] 在基极层119之上沉积BSF层120。BSF层120相对于电池C执行与BSF层114和109相同的功能。
[0039] 在BSF层120和金属接触层122之上沉积p+接触层121,优选地,在层121之上施加Ti/Au/Ag/Au层序列。
[0040] 总的来说,该太阳能电池组件是薄膜半导体主体,包括多结太阳能电池,在某些实施例中多结太阳能电池在其背表面上具有第一和第二电触点。该模包括支撑件,其用于安装太阳能电池和形成与第一和第二触点的电接触。
[0041] 图2是一个实施例的简化截面图,其是在另外的处理步骤之后,并具有太阳能电池500和太阳能电池600之间的电互连,太阳能电池500以及太阳能电池600与图1所示的太阳能电池类似。图2是简化图,其仅仅示出了如图1所示的太阳能电池的顶部的层和下部的层中的一些。在太阳能电池500中,到格栅金属层501的触点垫(contact pad)520被示出为临近粘合剂层513和盖玻璃514。粘合剂层613和盖玻璃614在太阳能电池600中也示出了。盖玻璃514和614被分别通过粘合剂513和613固着到太阳能电池500和600的顶部。盖玻璃514和
614通常为大约4密(mil)厚。尽管盖玻璃的使用对于许多环境条件和应用是期望的,但是这不是对于所有实现方式都是必须的,也可以采用另外的层或结构以用于对太阳能电池提供另外的支撑或环境保护。
[0042] 对于太阳能电池500和600,分别利用接合层124和624将金属膜125和625附接到金属接触层122和622。在本公开的一个实施例中,接合层124和624是粘合剂,诸如,聚酰亚胺(例如,加载的聚酰亚胺(carbon-loaded polyimide))或环树脂(例如,B阶环氧树脂)。在本公开的另一实施例中,接合层124和624是焊料,诸如,AuSn、AuGe、PbSn或SnAgCu。所述焊料可以是共融焊料。
[0043] 在某些实施例中,金属膜125和625是固态金属箔。在某些实现方式中,金属膜125和625是带有聚酰亚胺材料的邻接层的固态金属箔(诸如,KaptonTM)。更通常地,所述材料可以是镍钴合金材料,或镍铁合金材料。在某些实现方式中,金属膜125和625包括钼层。
[0044] 在某些实现方式中,金属膜125和625每一个都具有近似50微米(或者,更通常的,在0.001英寸和0.01英寸之间)的厚度。一种替代的衬底实现方式将是0.002”Kapton膜加上0.0015”粘合剂/0.002”Mo箔/0.002”Kapton膜加上0.0015”粘合剂,总厚度0.009”。然而,Kapton膜可以薄如0.001”以及厚如0.01”。粘合剂可以是薄如0.0005”以及厚如0.005”。Mo箔可以是如0.001”那样薄以及如0.005”那样厚。
[0045] 图2是本公开的一个实施例中的电池间电互连550的附接的图示。电互连550通常在形状上是蛇形的(serpentine)。第一端部通常焊接到触点520,但是也可以使用其它接合技术。电互连550还包括:第二U形部552,其连接到在电池的顶表面以及边沿510之上延伸的第一部分;第三直部553,其连接到所述第二部分,并与太阳能电池的边沿平行地垂直延伸沿着电池的侧边沿,并终止在电池的底表面下面的并与第三部553正交地延伸的弯曲的触点末端部554中。触点末端部554适于直接地连接到相邻的第二太阳能电池600的第一极性的底部触点或者端子
[0046] 互连件550可以包括钼,镍钴铁合金材料,诸如,KovarTM,或者镍铁材料,诸如,InvarTM,并且在形状上可以基本为矩形,厚度在0.0007英寸和0.0013英寸之间。
[0047] 图3中示出的本发明的一个方面是,太阳能电池组件包括多个柔性薄膜太阳能电池400、500、600、700和800,其以电互连450、550、650和750互连。该太阳能电池组件可以被成形为符合具有非平面配置的支撑件1002的表面。可以利用粘合剂1001将支撑件1002附接到航空器、水运工具或陆地交通工具或卫星的表面。
[0048] 图4是图3的太阳能电池组件的延展的视图,其更清晰地示出了由附接到支撑件的太阳能电池形成弯曲的表面,该支撑件又被附接到航空器、水运工具或陆地交通工具或卫星。
[0049] 图3和4中所示的太阳能电池组件可以例如附接到航空器、水运工具或陆地交通工具的非平面表面。示例性的航空器、水运工具和陆地交通工具可以是有人驾驶的或无人驾驶的(例如,无人机)。
[0050] 示例性的具有非平面表面的航空器包括轻航空器(其比空气轻)和重航空器(其比空气重)。示例性的轻航空器可以包括,例如,无动力设备(例如,气球,诸如热气球、氦气气球和氢气球)和动力设备(例如,飞艇或飞船)。示例性的重航空器可以包括,例如,无动力设备(例如,筝和滑翔器)和动力设备(例如,飞机和直升机)。示例性的重航空器可以是固定翼设备(例如,飞机和滑翔机)或旋翼航空器(例如,直升机和旋翼飞机)。
[0051] 示例性的具有非平面表面的水运工具可以是机动化的或非机动化的,并且可以是驱动的或系缆的(tethered)。示例性的水运工具可以包括水面设备(例如,舰艇、舟船和气垫船)和潜水器(例如,潜水艇和水下悬浮设备)。
[0052] 示例性的具有非平面表面的陆地交通工具可以是机动化的(例如,汽车卡车、公共汽车、摩托车、探索车和火车)或非机动化的(例如,自行车)。
[0053] 图5是示例性实施例的水运工具的透视图。潜水水运工具904具有非平面表面,并经由系缆902附连到平台903。潜水水运工具904包括水下漂浮设备901,通过控制系缆902的长度将其保持在水面下期望的深度处。太阳能电池组件900附连到该水下漂浮设备901的非平面表面。在某些实施例中,在光入射在潜水水运工具904的太阳能电池组件900上时,从太阳能电池组件900产生的电流可以经由系缆902提供到平台903。
[0054] 图6是示例性实施例的航空器的透视图。航空器1000具有非平面表面,并且是固定翼设备。太阳能电池组件1001附接到航空器1000的机翼的非平面表面。在某些实施例中,在光入射在航空器1000的太阳能电池组件1001上时,从太阳能电池组件1001产生的电流可以提供用于航空器1000的系统(例如,导航系统、推进系统等)的操作。
[0055] 图7是示例性实施例的陆地交通工具的透视图。陆地交通工具2000具有非平面表面,并且是一种汽车。太阳能电池组件2001附接到汽车2000的非平面表面。在某些实施例中,在光入射在汽车2000的太阳能电池组件2001上时,从太阳能电池组件2001产生的电流可以提供用于汽车2000的系统(例如,导航系统、推进系统等)的操作。在某些实施例中,汽车2000是混合动力或电动力汽车。
[0056] 图8是另一示例性实施例的陆地交通工具的透视图。陆地交通工具3000具有非平面表面,并且是探索车,其可以用于在地球或其它星球上的陆地巡航和/或探索。太阳能电池组件3001附接到探索车3000的非平面表面。在某些实施例中,在光入射在探索车3000的太阳能电池组件3001上时,从太阳能电池组件3001产生的电流可以提供用于探索车3000的系统(例如,导航系统、推进系统等)的操作。在某些实施例中,探索车3000是混合动力或电动力的陆地交通工具。
[0057] 尽管已经就某些具体实施例描述了本发明,但是许多其他的修改和变型对于本领域技术人员将是明显的。因此本发明应当在所有方面被认为是示例性和非限制性的。本发明的范围由所附权利要求表示,并意图将落入其等同的含义和范围内的所有改变涵盖其中。
[0058] 尽管已经就某些具体实施例描述了本发明,但是许多其他的修改和变型对于本领域技术人员将是明显的。因此本发明应当在所有方面都被认为是说明性的和非限制性的。本发明的范围由所附权利要求表示,并意图将落入其等同的含义和范围内的所有改变涵盖其中。
[0059] 将理解,上面所描述的元件中的每一个,或者两个或更多个一起,也可以发现在与上面所描述的类型不同的其它类型的构造中的有用应用。
[0060] 尽管已经示出和描述本发明为在利用化合物半导体的太阳能电力系统中实施,但是并不是意图将其限制到所示出的细节,因为可以进行多种不同的修改和结构改变而不偏离本发明的精神。
[0061] 无需更多的分析,前述内容将如此完全地揭示本发明的要旨,其它人可以通过应用当前知识容易地将其适用于不同应用,而不省略从现有技术的观点来看构成本发明的一般的或特定的方面的相当实质性的特点的特征,并因此这样的适用应当被理解为在下面的权利要求的等同的含义和范围内。
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