CN103262261A - 热电联供的太阳能*** - Google Patents

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CN103262261A CN2011800463506A CN201180046350A CN103262261A CN 103262261 A CN103262261 A CN 103262261A CN 2011800463506 A CN2011800463506 A CN 2011800463506A CN 201180046350 A CN201180046350 A CN 201180046350A CN 103262261 A CN103262261 A CN 103262261A
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Abstract

本发明公开了一种用于将入射光转换成电能和热的装置。所述装置包括抽真空的壳体，所述抽真空的壳体的至少一部分允许入射光进入；以及吸收器构件，所述吸收器构件被至少部分地设置在所述壳体中以接收入射光。所述吸收器包括将入射光的一部分转换成热的选择性表面。所述选择性表面包括将入射光的一部分转换成电能的光伏层。在一些实施例中，所述吸收器包括细长内管，所述细长内管具有包括选择性表面的外表面。

Description

热电联供的太阳能***
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119（e）要求于2010年8月30日提交的申请号为61/378，301的美国临时申请的优先权，其内容通过引用合并于本申请。
技术领域
本公开总体而言涉及从入射光（例如，太阳光）中产生热能和电能的领域。
背景技术
可再生的能源的利用作为减小对矿物燃料的依赖、并且减小污染物和温室气体排入大气的一种方法而变得受欢迎。太阳能热***具有以可持续的方式产生热、电能和/或冷却的性能，并且由于不同的采集器配置的较大范围的温度而可以提供各种应用。太阳能采集器容易在市场上购得，依其设计而性能不同。从太阳获得的热到传热流体的有效传送仍是继续关注的主题。太阳能采集器可以利用聚光器来将太阳光聚集到采集器上。
太阳能发电***具有利用光伏（PV）材料从太阳光中直接产生电能的性能。利用了聚光器的PV设备被称作为聚光光伏（CPV）。CPV***出于电能产生的目的而利用聚集到光伏表面的太阳光。
典型地，聚光器被设计成接收入射在孔中小于接收角的角度的范围之上的光。光被会聚到面积比孔的面积更小的区域（例如，吸收器）上。孔的面积与所述更小的面积的比被称作为几何聚光。热力学定律将本领域已知为“热力学极限”的理论上界设定成对于指定的聚光器配置的聚光。包括了反射设备和折射设备的很多类型的太阳能聚光器已经被研究。聚光器可以是成像或非成像的，并且可以被设计成校正各种类型的光学像差（球面像差、慧形像差、像散、色差等）。
为了有效地捕获更多可用的太阳光，聚光器和/或太阳能电池可以被配置成在一天中移动以随着太阳在一天中和一年中的变化而跟随或跟踪太阳的位置。这种跟踪***可以沿着单个轴或多个轴移动，并且可以是利用了电动机或其它的供电设备的无源***或有源***以移动太阳能***。然而，跟踪***增加太阳能***的额外的复杂性和成本。
发明内容
发明人已经实现了可以提供以包括了光伏层的选择性表面为特色的能量采集器。选择性表面在工作中将入射光转换成电能和热两种。
在一个方面中，公开了一种用于将入射光转换成电能和热的装置。该装置包括：抽真空的壳体，该抽真空的壳体的至少一部分允许入射光进入；以及吸收器构件，该吸收器构件被至少部分地设置在所述壳体中以接收入射光。吸收器包括将入射光的一部分转换成热的选择性表面。选择性表面包括将入射光的一部分转换成电能的光伏层。在一些实施例中，吸收器包括细长内管，该细长内管的外表面包括选择性表面。
在一个方面中，公开了一种用于将入射光转换成电能和热的装置，该装置包括：抽真空的壳体，该抽真空的壳体的至少一部分用于允许入射光进入；以及吸收器构件，该吸收器构件被至少部分地设置在所述壳体中以接收入射光，其中，吸收器包括将入射光的一部分转换成热的选择性表面，并且选择性表面包括光伏层，所述光伏层将入射光的一部分转换成电能。
在一些实施例中，入射光为太阳光。
在一些实施例中，吸收器包括细长内管，所述细长内管具有包括选择性表面的外表面。
在一些实施例中，细长内管包括刚性材料管，并且光伏层形成在该管的外表面上。
在一些实施例中，其中，刚性材料包括选自玻璃、陶瓷、铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、火石玻璃、氟化物玻璃、熔融石英玻璃、硅酸盐玻璃、钠钙玻璃以及石英玻璃中的至少一种。
在一些实施例中，抽真空的壳体包括细长外管，所述细长外管被设置在内管的周围，并且至少一部分允许入射光通到内管的外表面上。
在一些实施例中，细长内管包括选自玻璃、陶瓷、铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、火石玻璃、氟化物玻璃、熔融石英玻璃、硅酸盐玻璃、钠钙玻璃以及石英玻璃中的至少一种。
在一些实施例中，在工作温度下，选择性表面对太阳光的吸收率为至少大约0.75。
在一些实施例中，在工作温度下，选择性表面对太阳光的吸收率为至少大约0.9。
在一些实施例中，在工作温度下，选择性表面对太阳光的吸收率为至少大约0.95。
在一些实施例中，在工作温度下，选择性表面对于大于700nm的波长的发射率小于大约0.25。
在一些实施例中，在工作温度下，选择性表面对于大于700nm的波长的发射率小于大约0.1。
在一些实施例中，在工作温度下，选择性表面对于大于700nm的波长的发射率小于大约0.05。
在一些实施例中，光伏层包括具有带隙的半导体，所述带隙特征在于带隙能量，其中，λg是与带隙能量相对应的光子波长。
在一些实施例中，在工作温度下，选择性表面对波长大于λg的入射光的吸收率为至少大约0.75。
在一些实施例中，在工作温度下，选择性表面对波长大于λg的入射光的吸收率为至少大约0.9。
在一些实施例中，在工作温度下，选择性表面对波长大于λg的入射光的吸收率为至少大约0.95。
在一些实施例中，在工作温度下，选择性表面对大于λg的波长的发射率小于大约0.25。
在一些实施例中，在工作温度下，选择性表面对大于λg的波长的发射率小于大约0.9。
在一些实施例中，在工作温度下，选择性表面对大于λg的波长的发射率小于大约0.95。
在一些实施例中，工作温度小于大约100摄氏度。
在一些实施例中，工作温度小于大约200摄氏度。
在一些实施例中，工作温度小于大约300摄氏度。
在一些实施例中，工作温度小于大约500摄氏度。
在一些实施例中，工作温度小于大约1000摄氏度。
在一些实施例中，光伏层将入射到所述层上的光的至少部分能量转换，具有至少大约7.5%的外量子效率。
在一些实施例中，光伏层将入射到所述层上的光的至少部分能量转换，具有至少大约10%的外量子效率。
在一些实施例中，光伏层将入射到所述层上的光的至少部分能量转换，具有至少大约15%的外量子效率。
在一些实施例中，光伏层将入射到所述层上的光的至少部分能量转换，具有至少大约20%的外量子效率。
在一些实施例中，吸收器包括传送来自选择性表面的热的散热器。
在一些实施例中，吸收器包括至少一个通道，工作流体流经该通道以传送来自选择性表面的热。
一些实施例包括从工作流体中去除热的热交换器。
一些实施例包括适用于移动工作流体的至少一个泵。
在一些实施例中，光伏层包括硅。
在一些实施例中，光伏层包括有源层，所述有源层包括选自单晶硅、多晶硅或非晶硅中的至少一种。
在一些实施例中，光伏层包括铜铟硒化物。
在一些实施例中，光伏层包括铜铟镓硒化物。
在一些实施例中，光伏层包括碲化镉。
在一些实施例中，光伏层包括半导体同质结。
在一些实施例中，光伏层包括半导体异质结。
在一些实施例中，光伏层包括半导体p-n结。
在一些实施例中，光伏层包括半导体p-i-n结。
在一些实施例中，光伏层包括多个结。
在一些实施例中，光伏层包括形成在内管的外表面上的薄膜。
在一些实施例中，薄膜具有小于大约5微米的厚度。
在一些实施例中，薄膜具有小于大约1微米的厚度。
在一些实施例中，薄膜包括至少一个光电池，所述光电池包括设置在第一电极和第二电极之间的半导体有源层。
在一些实施例中，第一电极是形成在内管的外表面上的背电极，而第二电极是包括透明导电层的顶电极。
在一些实施例中，背电极包括选自铜、铝、钼、钛以及碳黑中的至少一种。
在一些实施例中，透明导电层包括透明导电氧化物。
在一些实施例中，背电极被设置在内管的至少一部分的周围和并且包围内管的至少一部分，半导体有源层被设置在背电极的至少一部分的周围并且包围背电极的至少一部分，以及背电极被设置在半导体有源层的至少一部分的周围并且包围半导体有源层的至少一部分。
一些实施例包括聚光器，所述聚光器被设置成将入射光聚集到抽真空的壳体上。
在一些实施例中，聚光器包括复合抛物面聚光器。
在另一个方面中，公开了一种方法，所述方法包括以下步骤：提供如前述权利要求任意之一所述的用于将入射光转换成电能和热的装置；用所述装置接收入射光；以及将入射光转换成电能和热。
在另一个方面中，公开了一种用于制造将入射光转换成电能和热的装置的方法，所述方法包括以下步骤：获得第一细长管；在包括光伏层的管上形成选择性表面；将第一细长管的至少一部分封闭在第二细长管中；以及将形成在第一管与第二管之间的壳体大体抽真空。如本文中所用的，短语“管”被理解为包括任何细长的管状构件，例如，具有两个开口端、一个开口端或没有开口端。
如本文中所用的，术语“光”被理解为包括处于可见光谱之内和之外的电磁辐射，例如包括紫外线和红外线辐射。
将理解的是，之前的一般描述和以下详细描述仅都是示例性的和解释性的，并且不限制所要求保护的本发明。
附图说明
从以下描述、所附权利要求以及在以下将简要描述的附图中所示的所附示例性实施例中，本发明的这些和其他的特点、方面以及优点将变得显然。
图1是根据一个示例性实施例的能量转换***的示意图。
图2A是图1的***的根据一个示例性实施例的能量采集器的截面。
图2B是图1的***的根据一个示例性实施例的能量采集器的截面。
图3是图1的***的根据一个示例性实施例的能量采集器的截面。
图4是根据一个示例性实施例的光伏层的示意图。
图4A是根据一个示例性实施例以半导体结为特点的光伏层的示意图。
图5说明了根据一个示例性实施例的光伏层中的光电流的产生。
图6说明了根据一个示例性实施例的光伏层对太阳光谱的反应。
图7A和图7B是根据一个示例性实施例以多个太阳能电池为特点的光伏层的示意图。
图8A和图8B示出根据一个示例性实施例具有聚光器的能量采集器的阵列。
图9是说明一种制造根据一个示例性实施例的能量采集器的方法的流程图。
具体实施方式
参见图1，根据一个示例性实施例示出一种光能转换***10。所述光能转换***10收集入射光能11（在本实例中提供的光能是太阳能，但是可以利用任何其他的光），并且利用能量采集器20（例如，接收器、采集器等）将入射光能转换成有助于进行工作的另一种形式的能量。
根据一个示例性实施例，能量采集器20是热真空管，所述热真空管被配置成将太阳能转换成工作流体（例如，水、油、乙二醇、有机流体、熔融盐等）中的或者工作流体的混合物中的热。然后使工作流体经由流体***14流通（例如，用自然对流、用泵等）到设备16。在设备16中，工作流体可以工作（例如，驱动涡轮机、热力发动机等）。在一些实施例中，设备16可以包括热交换器，所述热交换器使工作流体中的热与另一种流体交换，以提供热空气或热水（例如，用于住宅用途）。能量采集器20还被配置成将入射辐射的一部分转换成电气***18中的电能。例如，能量采集器20的一个或更多个表面可以包括响应于入射光而产生电流的光伏层。如以下将详细描述的，这种光伏层也可以用作选择性表面，促进对入射光11的热的吸收和转换，并且减小因辐射热的发射引起的热损耗。
非必须地，聚光器12可以用以将光聚集到采集器20上，由此增加可以由能量采集器20转换的太阳能的量。聚光器12在相当大的面积（例如，比能量采集器20的面积更大的面积）上采集太阳能，并且引导太阳能穿过输出端接近能量采集器20。聚光器12可以是抛物线形或非成像复合抛物面聚光器（例如，CPC，compound parabolicconcentrator）。
聚光器12可以是细长、槽形体，具有接收光的开口端或孔。聚光器12的内表面将诸如太阳光的入射光反射到能量采集器20上。在各种实施例中，聚光器12可以包括跟踪***，例如追随太阳穿过天空的运动。在其他的实施例中，聚光器12可以聚集宽角度范围中的入射光，由此，减小或消除对跟踪的需要。在各种实施例中，聚光器12可以是以下文献中描述的类型：Roland Winston等人，Nonimaging Optics，Academic Press（Elsevier）2005，以及于2010年7月29日申请的申请号为12/846710的美国专利申请；于2010年7月29日申请的申请号为12/846729的美国专利申请；于2008年2月25日申请的申请号为12/036825的美国专利申请；于2008年1月7日申请的申请号为11/970137的美国专利申请；于2007年12月3日申请的申请号为11/949295的美国专利申请；以及于2007年10月31日申请的申请号为11/932739的美国专利申请。
如图2A中所示，在一个实施例中，采集器20（例如，换能器、能量吸收器、光吸收器等）包括内管22和外管24，其中外管24的内径大于内管22的外径。根据一个示例性实施例，内管22和外管24由诸如玻璃的透明材料形成。在各种实施例中，管22或24可以由以下材料形成，包括玻璃、陶瓷、铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、火石玻璃、氟化物玻璃、熔融石英玻璃、硅酸盐玻璃、钠钙玻璃以及石英玻璃等。
内管22和外管24在一个端部封闭以形成半球，并且在另一个端部熔为一体。在内管22和外管24之间的环形空间被抽真空并且被密封以在内管22的至少一部分的周围形成抽真空的壳体。
工作流体经由内管22流通以提取热。如所示，内管22容纳有流通工作流体的一个或更多个管道26。管道26由具有较高的热导率的材料形成，以促进在内管22与工作流体之间的热传送。管道可以从诸如铝、铜、黄铜等的金属中形成。根据一个示例性实施例，采集器20包括与歧管（manifold）连接的U形管道。工作流体沿着一个分支流入采集器20，并且经由另一个分支流出采集器20。管道26可以通过歧管壁中的细长穿孔直接与歧管连接，其中所述管道26***细长穿孔并且通过紧固、焊接等结合到歧管壁上。根据一个示例性实施例，内管22在长度上大约1.5米，在直径上大约3厘米。
根据一个示例性实施，导热鳍片28被安装在内管22与管道26之间，以进一步地促进热传送到在管道26中流动的热传送流体。鳍片28可以在管道26的外表的范围内在离散的位置处被超声波焊接或者以其他方式连接至管道26。管道26和鳍片28可以由选择性的材料制成、和/或用选择性的涂层来涂覆，以促进入射到太阳能聚光器10上的太阳辐射的吸收。所述材料或所述涂层可以具有高吸收率和低发射率属性，使得涂层促进通过入射光的吸收引起的热产生，并且限制辐射热损耗（例如，因红外线发射）。在其他的实施例中，省略鳍片，并且管道26或工作流体可以与内管22直接热接触。
由采集器20吸收的太阳能穿通外管24到内管22上，以利用辐射热传送来加热吸收器鳍片28和管道26以及管道26内部的工作流体。在内管22与外管24之间的至少部分真空减小由于传导或对流而从管道26到外部环境的能量损耗。在一些实施例中，内管22与外管24之间的物理连接可以利用具有很低热导率的材料制成，由此减小由管间热导引起的热损耗。
参见图2B，在另一个实施例中，采集器20（例如，换能器、能量吸收器、光吸收器等）包括透明内管22和外管24，其中，外管24的内径比内管22的外径大。内管22和外管24在一个端部处封闭以形成半球，并且在另一个端部熔合在一起。在内管22与外管24之间的环形空间被抽真空并且被封闭以在内管22的至少一部分的周围形成抽真空的壳体。
采集器20还可以包括杜瓦真空采集器（Dewar collector），在所述真空采集器中工作流体例如从歧管（未示出）中经由在远端开口的送料管50流入采集器20中。工作流体离开送料管50的开口端部，然后返回到处于送料管50与内管22的内壁之间的外部环形空间中，最后回到歧管。送料管50可以由诸如金属或玻璃的任何适用的材料形成。为了减小图2B中的采集器20的制造成本，送料管50可以由诸如玻璃的较便宜材料形成，来替换较贵的金属。
典型地，采集器20可以大体竖直地定向，或者可以使开口端部（例如，在此内管22和外管24熔合在一起）自封闭端部向下大约以纬度角倾斜。在这种大体竖直定向的情况下，工作流体可以被配置成在晚上从采集器排出，所以在缺乏阳光时不被冷却和不损耗能量。在其他的实施例中，采集器20可以大体水平定向。
可以利用其他类型的管道或管而没有限制。例如，采集器20可以容纳利用同轴管道的逆流管道设计，在所述同轴管道中传热流体流经内部管道，并且经由与鳍片28连接的外侧返回。
通过采集器20吸收的光一般包括各种强度的宽范围的波长。内管22的至少部分可以用选择性涂层27来涂覆。如以下详细描述的，涂层27具有高吸收率并且低发射率属性，使得涂层促进经由吸收入射光而引起的热产生，并且限制辐射热损耗（例如，因红外发射）。
根据一个示例性实施例，选择性涂层包括薄膜光伏（PV）层40或者由薄膜光伏（PV）层40组成。PV层40被应用于内管22的外部，以通过捕获能量并且在电气***18中将能量转换成电能来增加装置10的效率。PV层29可以包括响应于入射光11而产生电流的一个或更多个PV单元。一个或更多个导电引线，例如导线、电极等（未示出）将产生的光电流输出能量采集器22。
参见图3，在一个实施例中，采集器20包括整体构件，所述整体构件包括设置在内管22周围的外管24以形成抽真空的壳体30。内管22的外表面用选择性层29（如所示为薄膜PV层40）来涂覆。保持元件35被设置在抽真空的壳体30中，以机械性地支持和保持内管22的位置。保持元件35可以由具有低热导率的材料制成以减小从内管22到外管24的热导引起的热损耗。非必要地，低热导率的端盖38可以被设置成封闭内管22和外管24的开放的端部，同时减小或防止管之间的热导。在其他的实施例中，省略了端盖38，而将内管22和外管24的端部熔合在一起。
抽真空的壳体30可以包括用以使壳体内保持良好真空的一个或更多个吸气剂元件。如本领域中已知，吸气剂是用于从真空***中去除微量气体的活性材料。残余气体可能因性能不足的真空泵而保留在真空中，或者吸收的气体可能在抽真空之后由容器的内表面释放。吸气剂可以是施加到真空容器内表面的涂层。当残留气体的分子冲击吸气剂表面时，它们与该材料化学结合，将它们从抽真空的空间中去除。
如所示，抽真空的壳体30包括安装在保持元件35上的吸气剂36。吸气剂36可以是本领域已知的任何适用类型的吸气剂。在一些实施例中，吸气剂36可以是适用于在高温下工作的非蒸发性的吸气剂。在一些实施例中，非蒸发性的吸气剂可以包括合金（例如，包括锆）薄膜，在室温下形成当被加热时消失的钝化层。
如所示，抽真空的壳体30包括闪蒸的吸气涂层（flashed getter coating）37。吸气涂层37通过将挥发性及活性材料的储蓄器布置在壳体30的内部来形成。一旦壳体30被抽真空并且被封闭，则例如通过射频感应加热，材料被加热、并且蒸发，将其自身沉积到壁上而留下涂层。在示例性实施例中，闪蒸的吸气涂层是钡，但是可以利用在本领域中任何其他的适用的材料，包括铝、镁、钙、钠、锶、铯以及磷。
图4示出形成在内管22的外表面上的薄膜PV层40的截面。如通过波形线所指示的，薄膜PV层一般比底部内管44更加薄。在一些实施例中，PV层40小于大约10微米厚度、小于大约5微米厚度、小于大约1微米厚度、乃至更薄。光伏层40包括背导电电极层42、PV有源层44以及顶电极层46。光伏层40还可以包括其他的层，例如抗反射层和/或保护层。
在一些实施例中，顶电极48是允许入射光11进入PV有源层44的透明电极。例如，顶电极层48可以是一个或更多个透明导电层，诸如ZnO、铟锡氧化物（ITO）、掺杂Al的ZnO（“AZO”）或者较高电阻率AZO和较低电阻率ZnO的组合、ITO层或AZO层。在一些实施例中，顶电极层的厚度小于该层对入射辐射（例如，太阳能辐射）的光学透入深度。
背电极42可以包括可以涂覆于或形成在内管22上的任何导电层。根据一个示例性实施例，衬底是金属箔，诸如涂覆到内管22的铜箔或铝箔。在其他的实施例中，背电极42是形成（例如，通过化学气相沉积、溅射或任何其他合适的技术）在内管22上的薄金属层。例如，可以利用铜、铝、钼、钛、任何其他合适的导电金属、重掺杂的导电半导体材料、前述的组合等。在一些实施例中，背导电层可以包括例如与氧化物或有机粘结剂混合的碳黑。如以下更加详细的讨论，优选地，背电极42是具有高吸收率和低发射率的材料，其用作针对发射穿过顶电极42和PV有源层44的入射光的热选择性表面。
PV有源层40响应于入射光以产生电能。在典型的实施例中，PV层40包括一个或更多个半导体结。在一些实施例中，该结可以是具有不同掺杂的同类半导体材料层之间的同质结。在其他的实施例中，该结可以是不同材料（也可以被不同地掺杂）之间的异质结。在一些实施例中，PV层40包括多个结。
在一些实施例中，PV有源层40包括形成p-n结的p掺杂区和n掺杂区之间的界面。在一些实施例中，PV有源层44包括位于p型半导体区和n型半导体区之间的宽的、轻掺杂的“近”本征半导体区，被称作为p-i-n结。在一些实施例中，p-i-n结的p型区和n型区被t重掺杂，并且可以用作与电极层42和46的欧姆接触。
在一些实施例中，PV有源层44包括结晶、多晶或非晶半导体材料。半导体材料可以包括IV族元素型或化合物型半导体（例如，Si、Ge、SiC、SiGe等）、III-V半导体（例如，GaAs、GaN等）、II-V三元、四元或五元合金、II-VI族半导体（CdSe、CdS、CdTe等）、铜铟镓硒化物（CIGS）化合物、或者任何其他适用的半导体PV材料。
参见图4A，在一个示例性实施例中，有源层44包括形成p-n结48的n型半导体层43和p型半导体层45。与顶电极和底电极42，46一起形成光伏单元，在光伏单元电路中产生电流。在结48处能量大于半导体材料的带隙的入射光11（例如，在太阳光中）的光子冲击光伏单元并产生电子-空穴对。电子扩散穿过n型半导体43到达顶电极46，同时相对应的正电荷“空穴”扩散穿过p型半导体45。应当注意的是在其他的实施例中，可以改变（例如，倒置）p型层和n型层的位置。
根据一个示例性实施例，p型半导体45（例如，吸收层）是铜铟镓联硒化物（CIGS）化合物。根据另一个示例性实施例，p型半导体层45是碲化镉（CdTe）化合物。根据另一个示例性实施例，p型半导体层45是非晶硅材料。CdTe具有使其合适用作PV有源层44中的p型半导体45的很多优点。CdTe可以容易地适用于实现高吸收率和低发射率。CdTe可以被制造商顺利地大面积沉积。另外，CdTe具有直接能带，大约Eg=1.45eV，可吸收波长小于856nm的光的高理论效率为29%。CIGS化合物具有与CdTe化合物的结构相似的结构。CIGS化合物的能带从1.0eV到1.7eV不等，可以针对PV涂层40来调整。
n型半导体层46（例如，窗口层）优选地比p型半导体层44更薄，并且一般对于太阳辐射高度透明。n型半导体层46也被称作为缓冲层，因为n型半导体层46可以被配置成保护p-n结免受由下一层的沉积引起的破坏。例如，n型半导体层46可以是CdS、ZnS、ZnSe或其他的硫化物或硒化物。
参见图5，在典型的PV半导体材料中，仅在光子的能量大于带隙Eg时才产生电子-空穴对。这种条件在入射光的波长小于相对应的波长λg时被满足。PV有源层44对于波长大于λg（例如，靠近电磁光谱的红外线侧的辐射）的低能光子一般是透明的。例如，图6示出了光谱强度与太阳辐射的波长的关系曲线。对于波长大于PV有源层44的λg（所示，大约1.1微米）的这部分辐射，PV有源层对于产生电输出不起作用。
因此，波长大于λg的入射光一般穿通PV有源层44并且照射到背接触层42。因而，背接触层优选地为低发射率材料，对大于λg的波长具有高吸收率，使得PV层40将起选择性层的作用。例如，背接触层42可以包括铝、铜、或者其他任何适用的选择性材料。因此，PV层40用以吸收波长大于λg的光能并且将光能转换成热。PV层40在内管22上，并且由此与工作流体热接触。因而，工作流体起散热器的作用，使得产生的热远离PV层40，并且将热传送到设备16以提供有用功。
再次参见图5，对于光子能大于带隙Eg的入射光（即，波长小于λg的光子），会在PV有源层44中产生具有过剩动能的电子空穴对。随着这些电荷载子扩散穿过PV有源层44，这一过剩能量将被转换成热（例如，通过产生声子），因而将不产生任何电能。因此，如图6中所示，入射到PV有源层44上的光中仅仅一部分能量用于产生电输出。剩余能量通过转换成热能而被“浪费”。另外，PV有源层44的这种发热将在一些实施例中减小PV有源层44中的光转换的效率。然而，再次参见图1和图2，PV层40在内管22上，并且由此与工作流体热接触。因而，工作流体起散热器的作用，使得该热量远离有源PV层40，并且将热传送到设备16以提供有用功。
因此，PV层40在采集器20中协同工作以便为***10提供增加的效率。入射光11的一部分通过PV层40直接转换成电能。PV层40也起选择性表面的作用，使得剩余入射光的大部分被转换成热，然后该热被传递给工作流体以有效使用。另外，通过从PV层40中去除热，工作流体防止层的过热，由此避免PV光转换效率的热相关恶化。
例如，如上所述，在典型的实施例中，入射光是太阳光。通过材料的合适选择，包括PV层40的选择性表面27可以对太阳光具有至少大约0.75、至少大约0.9、至少大约0.95、或者更大的吸收率。在一些实施例中，选择性表面可以在大于λg的大体全部波长上（例如，在光谱的近IR和IR部分中所有大于λg的波长上）呈现出这些吸收率。选择性表面可以具有小于大约0.25、小于大约0.1或小于大约0.05的发射率。在一些实施例中，表面可以在以下波长上呈现出这些发射率：在可见光、近IR、和/或IR的波长上，在小于700nm的波长上，以及在大于λg的大体全部波长上（例如，在光谱的近IR和IR部分中所有大于λg的波长上）。在各种实施例中，选择性表面可以在以下工作温度下呈现出以上的吸收率和发射率属性：小于大约100摄氏度、小于大约200摄氏度、小于大约300摄氏度、小于大约500摄氏度、小于大约1000摄氏度等。
在各种实施例中，PV层40具有以下外量子效率或内量子效率：至少大约1%、至少大约5%、至少大约7.5%、至少大约10%、至少大约15%、至少大约20%、或者更大。外量子效率（EQE）是由太阳能电池收集的电荷载子的数目与从外部入射的指定波长的光子的数目之比。内量子效率（IQE）是由太阳能电池采集的电荷载子的数目与从外部入射的未被电池反射回去、也未穿透电池的指定波长的光子的数目之比。在各种实施例中，PV层40可以在小于λg的大体所有波长上（例如，在光谱的近IR和可见光中大于λg的全部波长上）呈现出以上效率。
应当注意的是，在一些实施例中，整个PV层40可以对波长大于λg的光大体上透明（例如，此时背电极42是透明导体）。在这种情况下，单独的选择性表面层（例如，铜或铝层）可以位于PV层40之下。这种单独的选择性层可以位于外内管22上、或内管22中（例如，位于管的内表面上）。在一些实施例中，这种单独的选择性层可以是鳍片28的表面或在鳍片28上的涂层。
参见图7A和图7B，在一些实施例中，PV层40可以包括不止一个PV单元71（示出两个）。非导电元件72（例如，由电介质、非导电聚合物、非导电氧化物等组成）可以包括在层中，以将至少一个单元与另一个单元电隔离。在图7A中，单元71被完全电隔离，而图7B中单元71共享公共电极。在一些实施例中，两个或更多个单元可以在电路中连接，或串联或并联。非导电元件71可以利用本领域中已知任何适用的技术（例如，光刻），以任何适用的图案形成在PV层40中。
参见图8A和图8B，在一些实施例中，***10包括能量采集器20阵列，一个或更多个能量采集器20可以与聚光器12成对。如所示，管状采集器20阵列中的每个与槽形非跟踪太阳能聚光器12成对。
参见图9，用于制造上述类型的能量采集器20的示例性方法90包括提供玻璃（或其他的适用材料）的内管22的步骤91。
在步骤92中，利用本领域中已知的任何适用的技术将选择性PV层40涂覆在内管22上。例如，包括喷射、溅射、层沉积、卷绕工艺等的PV沉积（例如，非晶硅、CdTe和/或CIGS沉积）的方法在本领域中熟知。沉积工艺可以在真空或非真空条件下实施。例如，在一些实施例中，钼层可以被沉积在内管22上，接着是利用喷射技术沉积CIGS层。在一些实施例中，PV有源层（例如，CIGS层）可以被制造在柔性衬底（例如，金属箔或聚合物衬底）上，并且随后被涂覆到内管22。
在步骤93中，内管22被至少部分地封闭在外管24内。在步骤94中，将包围内管22的壳体抽真空。
尽管已经示出以直线、管状的能量采集器为特点的热电联供的太阳能***的一些实例，但是将理解的是可替选的实施例在本公开的范围内。例如，在一些实施例中，管状能量采集器可以是曲线的、平面的或具有不规则的形状。
如本领域技术人员将理解的，出于任何和全部的目的，尤其根据提供的书面描述，本文公开的全部范围也包含任何和全部可能的子范围，以及子范围的组合。任何所列的范围可以容易地被认为充分地描述，并且使同一范围被分成至少相同的二部分、三部分、四部分、五部分、十部分等。作为非限制性实例，本文讨论的每个范围可以被容易地分成下三分之一、中间三分之一以及上三分之一等。如本领域的技术人员也将理解的是，所有诸如“达到”、“至少”、“大于”、“小于”等的用语都包括所引用的数字，并且涉及如以上所讨论的随后可以被分成子范围的范围。
在本说明书中提到所有出版物、专利申请、授权专利以及其他文档通过引用并入本文，如同每个单独的出版物、专利申请、授权的专利或其他的文档被明确地和单独地指明其全部通过引用合并于此一样。但排除通过引用结合到本文中所包含的与本公开相抵触的定义。
对于本公开的内容，除非另有说明，“一”意味着“一个或更多个”。
如本文所利用的，术语“包括”意味着组合物和方法包括所列举的元素，但是不排除包括其他的元素。当以“基本由…组成”定义组合物和方法时，不包括其他任何对组合有基本重要性的元素。“由…组成”指不包括用于制造或利用本发明的聚光器或制品的其他超过微量成分的元素和实质性的方法步骤。
如在各种示例性实施例中所示的太阳能聚光器的结构和布置仅是说明性的。尽管在本公开中仅详细地描述了一些实施例，但是在实质不脱离本文描述的主题的新颖性示教和优点的情况下，许多修改是可以的（例如，在各种构件的尺寸、维数、结构、形状和比例、参数值、安装布置、材料的利用、颜色、方向等上的改变）。示为整体形成的元件可以由多个部分或元件组成，元件的位置可以倒置或以其他方式改变，并且分立元件的性质或数量目可以改变或变化。根据可替选的实施例，任何工艺、逻辑算法、或方法步骤的顺序或次序都可以变化或重新排序。在不脱离本公开的范围的情况下，可以在各种实施例的涉及、操作条件以及布置中进行其他的替换、修改、变化以及省略。

Claims (55)

1.一种用于将入射光转换成电能和热的装置，所述装置包括：
抽真空的壳体，所述抽真空的壳体的至少一部分允许入射光进入；以及
吸收器构件，所述吸收器构件被至少部分地设置在所述壳体中以接收入射光，其中
所述吸收器包括将所述入射光的一部分转换成热的选择性表面，以及
所述选择性表面包括将所述入射光的一部分转换成电能的光伏层。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述入射光是太阳光。
3.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述吸收器包括细长内管，所述细长内管的外表面包括所述选择性表面。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述细长内管包括刚性材料管，并且所述光伏层形成在所述管的外表面上。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述刚性材料包括选自玻璃、陶瓷、铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、火石玻璃、氟化物玻璃、熔融石英玻璃、硅酸盐玻璃、钠钙玻璃以及石英玻璃中的至少一种。
6.如权利要求3至5任意之一所述的装置，其中，所述抽真空的壳体包括细长外管，所述细长外管被设置在所述内管周围、并且至少一部分允许入射光进入到所述内管的外表面上。
7.如权利要求3所述的装置，其中，所述细长内管包括选自玻璃、陶瓷、铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、火石玻璃、氟化物玻璃、熔融石英玻璃、硅酸盐玻璃、钠钙玻璃以及石英玻璃中的至少一种。
8.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，在工作温度下，所述选择性表面对太阳光的吸收率为至少大约0.75。
9.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，在工作温度下，所述选择性表面对太阳光的吸收率为至少大约0.9。
10.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，在工作温度下，所述选择性表面对太阳光的吸收率为至少大约0.95。
11.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，在工作温度下，所述选择性表面对大于700nm的波长的发射率小于大约0.25。
12.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，在工作温度下，所述选择性表面对大于700nm的波长的发射率小于大约0.1。
13.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，在工作温度下，所述选择性表面对大于700nm的波长的发射率小于大约0.05。
14.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述光伏层包括具有带隙的半导体，所述带隙特征在于带隙能量，其中，λg是与所述带隙能量相对应的光子波长。
15.如权利要求14所述的装置，其中，在工作温度下，所述选择性表面对波长大于λg的入射光的吸收率为至少大约0.75。
16.如权利要求14所述的装置，其中，在工作温度下，所述选择性表面对波长大于λg的入射光的吸收率为至少大约0.9。
17.如权利要求14所述的装置，其中，在工作温度下，所述选择性表面对波长大于λg的入射光的吸收率为至少大约0.95。
18.如权利要求14至17任意之一所述的装置，其中，在工作温度下，所述选择性表面对大于λg的波长的发射率小于大约0.25。
19.如权利要求14至17任意之一所述的装置，其中，在工作温度下，所述选择性表面对大于λg的波长的发射率小于大约0.9。
20.如权利要求8至19任意之一所述的装置，其中，在工作温度下，所述选择性表面对大于λg的波长的发射率小于大约0.95。
21.如权利要求8至19任意之一所述的装置，其中，所述工作温度小于大约100摄氏度。
22.如权利要求8至19任意之一所述的装置，其中，所述工作温度小于大约200摄氏度。
23.如权利要求8至19任意之一所述的装置，其中，所述工作温度小于大约300摄氏度。
24.如权利要求8至19任意之一所述的装置，其中，所述工作温度小于大约500摄氏度。
25.如权利要求8至19任意之一所述的装置，其中，所述工作温度小于大约1000摄氏度。
26.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述光伏层将入射到所述层上的光的至少部分能量转换，具有至少大约7.5%的外量子效率。
27.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述光伏层将入射到所述层上的光的至少部分能量转换，具有至少大约10%的外量子效率。
28.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述光伏层将入射到所述层上的光的至少部分能量转换，具有至少大约15%的外量子效率。
29.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述光伏层将入射到所述层上的光的至少部分能量转换，具有至少大约20%的外量子效率。
30.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述吸收器包括散热器，所述散热器传送来自选择性表面的热。
31.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述吸收器包括至少一个通道，工作流体流经所述通道以传送来自所述选择性表面的热。
32.如权利要求27所述的装置，还包括热交换器，所述热交换器从所述工作流体中去除热。
33.如权利要求27所述的装置，还包括至少一个泵，所述泵适用于移动所述工作流体。
34.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述光伏层包括硅。
35.如权利要求30所述的装置，其中，所述光伏层包括有源层，所述有源层包括选自单晶硅、多晶硅或非晶硅中的至少一种。
36.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述光伏层包括铜铟硒化物。
37.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述光伏层包括铜铟镓硒化物。
38.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述光伏层包括碲化镉。
39.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述光伏层包括半导体同质结。
40.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述光伏层包括半导体异质结。
41.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述光伏层包括半导体p-n结。
42.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述光伏层包括半导体p-i-n结。
43.如前述权利要求任意之一所述的装置，其中，所述光伏层包括多个结。
44.如权利要求3至43任意之一所述的装置，其中，所述光伏层包括形成在所述内管的外表面上的薄膜。
45.如权利要求44所述的装置，其中，所述薄膜具有小于大约5微米的厚度。
46.如权利要求44所述的装置，其中，所述薄膜具有小于大约1微米的厚度。
47.如权利要求44至46任意之一所述的装置，其中，所述薄膜包括至少一个光电池，所述光电池包括设置在第一电极和第二电极之间的半导体有源层。
48.如权利要求47所述的装置，其中，所述第一电极是形成在所述内管的外表面上的背电极，并且所述第二电极是包括透明导电层的顶电极。
49.如权利要求48所述的装置，其中，所述背电极包括选自铜、铝、钼、钛、碳黑中的至少一种。
50.如权利要求47或48所述的装置，其中，所述透明导电层包括透明导电氧化物。
51.如权利要求47至50任意之一所述的装置，其中：
背电极被设置在所述内管的至少一部分的周围并且包围所述内管的至少一部分，
所述半导体有源层被设置在所述背电极的至少一部分的周围并且包围所述背电极的至少一部分，以及
所述背电极被设置在所述半导体有源层的至少一部分的周围并且包围所述半导体有源层的至少一部分。
52.如前述权利要求任意之一所述的装置，还包括聚光器，所述聚光器被设置成将所述入射光聚集到所述抽真空的壳体上。
53.如权利要求52所述的装置，其中，所述聚光器包括复合抛物面聚光器。
54.一种方法，所述方法包括以下步骤：
提供前述权利要求任意之一所述的用于将入射光转换成电能和热的所述装置；
用所述装置接收入射光；
将入射光转换成电能和热。
55.一种制造用于将入射光转换成电能和热的装置的方法，所述方法包括以下步骤：
获得第一细长管；
在包括光伏层的管上形成选择性表面；
将所述第一细长管的至少一部分封闭在第二细长管中；以及
将形成在第一管与第二管之间的壳体大体抽真空。
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