CN115004379A - 热光伏电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光伏电池领域，涉及一种热光伏电池，其能够将白炽光源发出并被热光伏电池吸收的辐射能量以及通过反射镜使大量未吸收的辐射回到白炽光源的实际全部转化为电力。本发明还涉及包括这种热光伏电池的模块和制造这种热光伏电池的方法。

Description

热光伏电池及其制造方法
技术领域
本发明属于光伏电池技术领域，涉及一种热光伏电池，该热光伏电池能够将白炽灯腔内的白炽光源发出的辐射能量转化为电力并且能够使大量未被利用的辐射能量回到白炽光源。
背景技术
对于特定波长的电磁辐射，半导体具有透明度或吸收阈值，高于该阈值时，半导体对辐射大体上是透明的。低于透明度阈值时，辐射被吸收，通常会产生光电流。每种半导体材料都有不同的透明度阈值。
光伏(PV)电池基于半导体板(半导体板中形成至少一个PN结)，通常平行于半导体板的表面。在一些情况下，半导体板包括多个不同半导体和形成在半导体中的多个结的堆叠。在这种情况下，透明度阈值是具有最高透明度阈值的半导体的透明度阈值。
在形成结之后，必须提取产生的电流。为此，通过在光伏电池的两个面上沉积电导体对光伏电池进行后处理。在背面，通常是简单的金属片，但在正面，需要沉积在提取光电流同时光能够进入半导体的金属网格，使得在一定的电压下产生光电流。也就是说，光伏电池用辐射能量产生电力。
上述后处理包括沉积网格状电极以从半导体板中提取电流。这是太阳能电池的一种常见做法，并且在致密金属网格((焦耳损失(或串联电阻)小但阴影严重)与透光网格(非常透明，但焦耳损失较多)之间需要进行一定的平衡。在PV中，几乎任意的平面(包含在平面中)的合理结构都会导致非常相似的结果。
在普通光伏电池中，通常会进行网格阴影的优化。其基于网格阴影与电流的焦耳效应引起的损失之间的平衡。这些损失被确定为I2·Rs，I是电流，Rs是串联电阻(其计算方法解释于例如Luque,A.:Solar Cells and Optics for Photovoltaic Concentration,Adam Hilger,Bristol(1989),Chap.4)。由于电流的分布特性，正确设计的光伏电池的串联电阻约为
Figure BDA0003628038840000021
Rg是几何电阻，Rg＝ρΩ·L/A，其中ρΩ是电阻率，L是长度，A是面积，但在一些情况下，没有电流分布，例如电流从电池的前部流向背部。在光伏电池的设计中，经常使用所谓的比串联电阻(rss)，其中rss＝Rs·A′，A′是收集电流的部分电池的面积。
总之，在普通PV电池的设计中，通常会寻求阴影/焦耳损失平衡。
热光伏(TPV)效应与使用光伏电池从位于附近的白炽辐射源提取电力有关。其包括尽可能多地使接收到的辐射能量(主要是高于透明度阈值的辐射)回到白炽光源，以保持源热。光伏电池的效率(ηPV)被定义为ηPV＝Pe,max/Pi，Pe,max是最大可提取电功率，Pi是入射辐射能量。在热光伏装置或TPV装置中，效率被定义为ηTPV＝Pe,max/(Pi-Pr)，Pe,max是最大可提取电功率，Pi是入射辐射能量，Pr是回到辐射源的辐射能量。理论上，ηTPV甚至可以达到白炽体与电池绝对温度之间的卡诺效率(Carnot efficiency)。在实践中，我们离实现这种效率还很远。
尽管上面给出了精确的定义，但将热光伏电池称为非常匹配上述白炽光源的光谱的光伏电池是很常见的，即使没有辐射，回到光源或辐射微不足道。在实践中，没有光伏(PV)电池，即使称为热光伏(TPV)，其大体上使由该光源发射的未被吸收的光回到该光源。
文献EP3120096B1公开了一种***，该***将从普通电力或其他能量源获得的能量储存在硅或其他材料中，将其熔化以使其变成白炽的，并通过光伏电池从以电力形式辐射的功率中回收该能量。在文献EP3120096B1中没有提及电池的细节。
文献WO2004019419A2公开了在PV装置与白炽光源之间设置滤光片，用于将超过PV装置的透明度阈值的一些辐射反射回白炽光源。然而，WO2004019419A2提出的方案存在一些缺陷。首先，滤光片的反射覆盖了小的波长范围。另外，其具有低于透明度阈值的有害反射系数。
文献US9461191B2公开了后镜(back mirror)的使用。特别地，后镜由用有机粘合剂粘在特定基板上的金层制成以避免使用会损坏金层的反射率的过渡金属。除了粘合剂之外，其与现有技术没有不同。然而，金与半导体的这种紧密接触会导致严重的光子吸收并降低热光伏效率。
专利US2019/036473A1公开了一种PV电池，该电池利用选择性滤光片和后镜捕获由辐射复合产生的光亮。由辐射复合产生的微弱光亮与TPV效应中预期的光亮管理有很大不同。
在Datas et al.:Ultra high temperature latent heat energy storage andthermophotovoltaic energy conversion,Energy 107,542-549(2016)中，公开了一种在位于熔融硅容器内的管中引入热光伏电池的***。然而，没有给出关于热光伏电池的细节。其中，为了实现辐射再循环，公开了一种与水冷却的有效透明***兼容的双面电池结构。对于这样的配置，所提出的冷却是否有效值得怀疑。
本发明的目的是公开一种配置，该配置收集由白炽体发射的几乎全部辐射通量，大大降低用于提取电流的焦耳损失并使大部分未吸收的入射辐射回到白炽体。
发明内容
本发明公开了一种更有效的热光伏电池，该热光伏电池适用于使大部分能量不足以产生光电流的光子回到附近的白炽辐射源以维持源热及减少因靠近热源而造成的焦耳损失所需的厚网格反射的辐射。如下所述，本发明的热光伏电池的TPV效率被认为是高效率的。
为此，公开了根据权利要求1的热光伏电池、根据权利要求14的模块、根据权利要求17的能量储存***以及根据权利要求18的制造热光伏电池的方法。在从属权利要求中，限定了本发明的优选实施例。
第一发明方面，提供了一种热光伏电池，包括：
半导体板，具有正面和背面，半导体板包括至少一个PN结、至少一个NP结或至少一个异质结；
多个正面接触细栅条，设置在正面上，正面接触细栅条导电并且与半导体板的正面电接触；
至少一个导电的正面主栅基条，设置在正面上，以及至少一条导线，设置在对应的正面主栅基条上并与之电接触，正面主栅基条和至少一条导线与正面接触细栅条相交；以及
导电层，布置在背面，其中导电层和背面仅在局部导电条上直接电接触或通过中间导电材料电接触。
在整个说明书中，接触细栅条应被理解为较窄的高导电条，通常是金属的，用于接触半导体板。
正面主栅基条与导线一起形成三维正面主栅。
与文献US9461191B2中公开的电池相比，在本发明中，导电层仅与背面的局部导电条电接触，因此防止了背面与导电层之间的过多的接触。因此，鉴于导电条占据电池背面的很小的部分，避免了效率降低。因此，在本发明中，可以达到比文献US9461191B2中公布的效率高约50％的效率。
在优选实施例中，半导体板是矩形的，并且优选地具有亚毫米的厚度。
在优选实施例中，矩形半导体板的面积优选为6×2cm2。
第一发明方面的TPV电池不仅考虑了阴影/焦耳损失，而且还考虑了辐射回收。因此，需要平衡阴影/焦耳损失/辐射回收。
因此，根据上述配置，由正面接触细栅条收集的光电流通过正面接触细栅条和正面主栅基条的电连接被传输到正面主栅基条，并以小的焦耳损失从半导体板中提取。在实施例中，热光伏电池包括：
反射镜，位于背面与导电层之间，其中局部导电条被实施为：
至少一个背面主栅基条，布置在背面与反射镜之间；以及
多个背面接触细栅条，布置在背面与反射镜之间，背面接触细栅条与至少一个背面主栅基条相交并与背面主栅基条和半导体板的背面电接触，
其中，反射镜包括设置在至少一个背面主栅基条上方的至少一个通道，至少一个通道填充有中间导电材料以形成背面主栅基条与导电层之间的电接触。
在该实施例中，至少一个背面主栅基条和背面接触细栅条形成背面接触网格。此外，至少一个三维正面主栅和正面接触细栅条形成三维正面接触网格。
在整个说明书中，网格应被理解为设置在第一方向上的间隔条和设置在第二方向上的间隔条的网络，其中第一方向上的条与第二方向上的条相交，交叉点可以是正交或非正交的。
本发明使用不同且适当厚度的多个网格。这有利于在阴影/焦耳损失平衡方面产生明显的改进。
上述网格中使用的金属在空气中呈现出自然的高反射率，但是当它们沉积在对于半导体透明的波长范围的高折射率半导体上时，空气/金属反射率明显降低。
因此，导电层具有两种不同的作用：一种是通过传导可忽略横向焦耳损失的二维背面连接，另一种是到达其的大部分光子向包含白炽体的腔体反射。
在一个实施例中，反射镜包括多个电介质层，并且被配置为在覆盖近红外和中红外光子的辐射的半球入射的宽光谱范围内提供非常高的反射率，通常高于0.999。多个电介质层可以具有不同的厚度并且可以由不同的材料制成。在该实施例中，该组电介质层的厚度可以约为200μm。
在实施例中，反射镜包括至少一个光子晶体，优选多个光子晶体。优选地，多个光子晶体被配置为提供宽波长范围内的非常高的反射和各向同性反射以反射来自白炽光源的各向同性入射辐射。
在优选实施例中，电池包括多个背面主栅基条，优选地这些背面主栅基条彼此平行，并且反射镜包括布置在多个背面主栅基条上方的多个通道，每个通道填充有中间导电材料以形成相应的背面主栅基条与导电层之间的电接触。优选地，背面主栅基条均匀地隔开。
在实施例中，热光伏电池包括背面促反射(pro-reflection)层，该背面促反射层布置在覆盖它的背面与导电层之间，并且局部导电条被实施为多个非交叉窗口，优选地通过蚀刻的方式制成并且宽度约为5μm，布置在背面促反射层中并且填充有导电层的材料，以形成用于背面与导电层之间的电接触的多个背面接触细栅条。在本实施例中，导电层与背面促反射层一起构成反射镜。在实施例中，导电层由高反射率金属层形成，优选为金或银，具有约0.98的反射率，由绝缘促反射层与半导体隔开，由此配置反射镜。反射镜(包括导电层和促反射层)的总厚度优选为约3.5μm(优选地，导电层的厚度约为3μm，促反射层的厚度约为0.5μm)。这些尺寸使导电层能够通过窗口接触半导体板。促反射层被多个条形窗口穿过，使得金属层电接触半导体背面，形成多个接触细栅。在该实施例中，背面主栅不是必需的。在具体实施方式中提供了包括介质镜和被促反射层覆盖的高反射率金属层的实施例的比较。
因此，促反射层有利地使沉积的金属镜(优选银镜或金镜)成为用于将未被利用的光子反射回热腔的优良反射镜，并且大大降低了正面主栅的光吸收并具有电子有益特性。
在实施例中，半导体板的正面和背面是镜面抛光的。在硅PV电池中，通常将表面纹理化以增强所谓的光限制。因此，光的光子进入纹理化的硅，开始在半导体板的壁上反弹，直到它们撞击硅的极限角度(arcsin(1/n)，n是折射率)内的表面为止离开，这增加了硅内部的光子路径并有助于吸收能量接近硅电子带隙的未完全吸收的光子。但是与之对应使得无法产生光电流的光子的亮度(每单位面积和每立体弧度的瓦数)大幅增加(n2～16倍)。相比之下，抛光面在半导体内部形成被背面的元件反射的光子锥体并朝向正面产生来回多次反弹的第二锥体，从而得到恒定亮度(Yablonovitch,E.,Cody,G.D.:Intensityenhancement in textured optical sheets for solar cells.Electron Devices,IEEETransactions on 29(2),300-305(1982)；Luque,A.:Coupling Light to SolarCells.In:Prince,M.(ed.)Advances in Solar Energy.vol.8,pp.161-230.ASES,Boulder(CO)(1993))。
在实施例中，接触细栅条是非交叉条，优选地彼此平行地布置并且优选地垂直于主栅基条。优选地，接触细栅条均匀间隔开。特别地，在实施例中，正面接触细栅条大体上彼此平行，并且/或者背面接触细栅条大体上彼此平行。
在实施例中，主栅基条，优选地通过接触掩模，形成在半导体板的对应面上。然而，可以使用任意的其他标准光刻程序。
在实施例中，接触细栅条，优选地通过剥离(lift-off)微电子技术，沉积在半导体板的对应面上。然而，可以使用任意的其他标准光刻程序。
优选地，主栅基条由银制成。其宽度由可制造性限制决定；在一些情况下，两个面的合理值可以为50μm。优选地，其厚度与可制造性允许的厚度一样厚，目前约为3μm。在实施例中，其间距约为6mm。
置于正面主栅基条中的导线的直径通常大于该条的宽度。在实施例中，导线由铜制成。
优选地，接触细栅条由银制成。优选地，其厚度与可制造性允许的厚度一样厚，目前约为3μm。优选地，其宽度与可制造性允许的宽度一样窄，目前约为5μm。在实施例中，其间距约为6mm。
在实施例中，正面主栅基条比正面接触细栅条更宽，并且导线比正面主栅基条更宽和更厚。
在优选实施例中，主栅基条沿半导体板的整个宽度延伸。
在优选实施例中，正面接触细栅沿半导体板的整个长度延伸。
在实施例中，热光伏电池包括：
至少一个正面促反射条，正面促反射条包括至少一个电介质层并且布置在正面与正面主栅基条之间；以及/或者
至少一个背面促反射条，背面促反射条包括至少一个电介质层并且布置在背面与背面主栅基条之间。
在整个说明书中，与导电条或层相邻的促反射条或层应被理解为一个或多个介质条或层，其厚度被计算为尽可能多地反射半导体内部的波长高于半导体的透明度阈值的辐射。
在实施例中，电池包括布置在正面上的抗反射涂层，布置在任意的位置或者除被正面主栅基条覆盖的区域之外。
在特定实施例中，热光伏电池包括优选地彼此平行的多个正面主栅基条，以及多条导线，每条导线置于相应的正面主栅基条上。优选地，正面主栅基条均匀地隔开。
在特定实施例中，导线是三维的，其中优选地，导线的截面面积是正面接触细栅条的截面面积的至少3000倍，这有利地使电池有更高的效率。
在实施例中，包括至少一个PN结、至少一个NP结或至少一个异质结的半导体板也可以包括多个结以形成多结太阳能电池。
在实施例中，热光伏电池包括附接到热光伏电池的背面的冷却元件，背面是热光伏电池的导电层所在的表面。冷却元件被配置为将热量传递至冷却剂流体。
第二发明方面，定义了一种模块，模块包括至少一个根据第一发明方面的任意的实施例的热光伏电池。
在实施例中，模块包括串联和/或并联连接的多个热光伏电池，以获得舒适的电流和电压水平，用于所产生的电力的使用。
在实施例中，模块包含用于冷却热光伏电池使得其能够在适当的温度下工作的装置，否则电池可能会失去效率，甚至会导致被紧邻的热源损坏。
在实施例中，模块包含防止机械和/或温度损坏的保护元件。
在实施例中，模块包括多个热光伏电池、第一端部固持器、第二端部固持器以及至少一个中间固持器；
其中，第一端部固持器、第二端部固持器和中间固持器是导电的；
其中，热光伏电池设置并附接至第一端部固持器和中间固持器；
其中，中间固持器在一端包括凸缘，凸缘包括与热光伏电池的正面主栅基条对准的多个凹口；
其中，第一端部固持器包括被配置为第一外部连接件的细长部分；
其中，第二端部固持器用作第二外部连接件；
其中，导线沿固持器的凹口布置，使得布置在固持器上的热光伏电池的导线连接到相邻的固持器的凸缘。
在模块的该实施例中，布置在同一个固持器上的热光伏电池并联电连接，而相邻的固持器的热光伏电池串联电连接。第一端部固持器和第二端部固持器提供模块的外部连接件。
实现模块的第一操作是提供TPV装置固持器。优选地，固持器的长度是TPV电池长度的倍数以保持一个或多个TPV电池。
在实施例中，TPV电池优选地通过焊接金属和/或导电胶附接到固持器，因此使得同一个固持器的所有TPV电池并联连接。
固持器可以被实施为支撑板，其中一个或多个中间固持器以及第二端部固持器包括在其一侧的凸缘，该凸缘优选地基本垂直于用于容纳光伏电池的部分。
在实施例中，固持器由金属制成，优选地由金属片材，特别是铜、可伐合金、因瓦合金或具有小的热膨胀的任意的其他合金制成以更好地匹配半导体。
优选地，模块包括多个中间固持器。
在优选实施例中，凸缘边缘包括一组凹槽或凹口，对于并联连接的每个TPV电池，每条导线优选对应一个凹槽或凹口。
优选地，凹槽或凹口的厚度是导线直径的厚度，以使导线穿过这些凹口。
因此，导线将穿过所有凹口，与主栅基底对齐。在此操作中，导线将被接合到主栅基底和形成网格的凹槽，从而实现所有TPV电池的并联连接。
在特定实施例中，通过在固持器外侧靠近凸缘的位置切割导线，固持器将串联连接，从而形成并联/串联TPV电池的集合。
在实施例中，模块还包括冷却装置，特别地，包括冷却元件，其附接到固持器，即附接到第一端部固持器、第二端部固持器和/或中间固持器。优选地，冷却元件被尺寸化为具有对应于模块中的多个固持器的面积。优选地，冷却元件被配置用于将来自电池的热量传递到冷却剂流体，例如水。
在实施例中，冷却元件用作为良好热导体的非导电材料片绝缘。
在特定实施例中，当所有TPV电池都与固持器连接时，固持器将连接到冷却装置，防止电接触。为此，电绝缘体片材将位于固持器与冷却装置之间以使它们电绝缘。电绝缘片还必须表现出良好的导热性。
在实施例中，冷却元件用具有良好导热性的胶粘剂附接至固持器，优选地在固持器之间留有较窄的间隙以保持相邻的固持器的串联绝缘。
第三发明方面，一种能量储存***，包括至少一个根据第一发明方面的热光伏电池以及被配置为在内部包含白炽材料的白炽腔，其中，白炽腔包括具有窗口的壁，并且热光伏电池附接到窗口。
结合目前的能量储存***，需要考虑五个重要的功率通量概念：
输入辐射功率通量Pi(每单位面积的瓦数，通常由Stefan-Boltzmann定律计算)；
提取的电力通量Pe；
由冷却装置从PV电池中将热量传递给冷的流动水而去除的热功率通量Pt；以及
功率通量Pl，其为不希望的热损失，包括腔体中的热量泄漏。
在TPV电池中，部分入射辐射通量Pr通过窗口反射或回到白炽腔。假设以下关系成立：
Pi＝Pe+Pt+Pr+Pl (I)
如果Pl＝0，则白炽腔是理想的，并且计算出的TPV效率将是TPV电池的效率。
考虑以下定义和关系：
Figure BDA0003628038840000091
其中，Pe可以从零(PV电池短路或开路)修改至其最大值。
此外：
Pw＝Pi-Pr (3)
其为发电时从热库中浪费的热能。在Pl0，Pw＝Pe+Pt的模块中，由于Pw不随从TPV电池提取的电力而变化，电力的提取减少了Pt项，仅影响PV电池的冷却，不影响浪费的功率Pw。
在第四发明方面，定义了根据第一发明方面的任意的实施例的热光伏电池的制造方法，该方法包括以下步骤：
a)提供半导体板，该半导体板具有正面和背面并且包括至少一个PN结、至少一个NP结或至少一个异质结；
b)对正面进行处理，其中对正面的处理包括以下步骤：
在正面上沉积至少一个正面主栅基条，正面主栅基条是导电的，
在正面上沉积多个正面接触细栅条，其与至少一个正面主栅基条相交并与正面主栅基条和半导体板电接触，多个正面接触细栅条由导电材料制成，
将至少一条导线设置在至少一个正面主栅基条上；
c)对背面进行处理，其中对背面的处理包括以下步骤：
在背面沉积导电层。
在制造电池时执行将至少一条导线设置在至少一个正面主栅基条上的步骤。
然而，当执行制造以实现模块时，可以在制造该模块的后续步骤中执行将至少一条导线设置在至少一个正面主栅基条上的步骤。
在实施例中，所述方法包括在正面上、在未被正面主栅基条覆盖的区域上沉积抗反射涂层。抗反射涂层减少了被半导体吸收的产生光电流的辐射(即低于透明度阈值的辐射)的反射，从而增加了光电流。
在优选实施例中，抗反射涂层包括不同折射率的一层或两层电介质材料，材料的厚度也被优化(参见例如，Born,M.et al.:Principles of Optics,Pergamon Press,Oxford(1975))。防止这些层沉积在正面主栅基条上很方便。为此，可以使用近似于用于沉积正面主栅基条的接触掩模的负片的接触掩模；该接触掩模可以具有一系列薄金属条的形状。这样，抗反射涂层占据了半导体板的正面的大部分，正面主栅基条除外，但覆盖了正面接触细栅条。也可以使用其他微电子程序，例如光刻。可以在设置正面主栅之前执行将抗反射涂层涂布到正面的该步骤。
在所述方法的实施例中，步骤c)包括：
在提供导电层之前，在背面上沉积至少一个背面主栅基条，背面主栅是导电的，
沉积多个背面接触细栅条，其与至少一个背面主栅基条相交并与背面主栅基条和半导体板电接触，背面接触细栅条由导电材料制成，
通过沉积多个电介质层并覆盖背面接触细栅条和至少一个背面主栅基条提供反射镜，
在反射镜中挖掘置于至少一个背面主栅基条上的至少一个通道，
用中间导电材料填充至少一个通道，以及
用导电层覆盖反射镜，
其中，至少一个填充的通道内的中间导电材料在背面主栅基条与导电层之间形成电接触。
根据该实施例，在背面中打开通道之后，使它们填充有导电材料，优选可延展的金属(例如，铟)，或具有类似延展性的低熔点导电胶。如有必要，可以向板施加热量以利于更容易地填充通道。可以使用利用导电体填充通道的任意的方法，例如通过用微喷嘴注入导电膏。
在该实施例中，背面主栅基条和填充至少一个通道的导电材料一起形成适于与连续导电层(优选金属)接触的背面主栅，从而形成热光伏电池背电极。导电层优选地由高反射率的材料制成，例如银，从而提高介质镜的反射率。
除了使用微型铣削或圆片切割机之外，还可以通过激光、离子钻孔或任意的其他方式来挖掘通道。
在所述方法的另一实施例中，步骤c)包括：
在提供导电层之前，沉积覆盖整个背面的背面促反射层；
将背面促反射层穿孔以形成多个窗口，以及
通过在促反射层的背面沉积金属层来提供导电层，导电层的材料穿过多个窗口以形成背面与导电层之间的电接触。
根据该实施例，在整个背面上沉积促反射层，用于提高随后要沉积的层(优选金属)的反射率。然后，在沉积金属之前，在促反射层上形成条形窗口以形成背面接触细栅。这可以使用标准光刻技术来执行。最后，导电层(例如，银)沉积在板的整个背面上，其中大部分中形成反射镜，并且还通过窗口形成背面接触细栅。如此形成的后镜通过促反射层具有增强的反射率。有利地，在该实施例中，不需要精确对准来产生反射镜和背面接触细栅。
在优选实施例中，沉积了多个正面主栅基条和背面主栅基条。
在实施例中，主栅基条(优选地通过接触掩模)被沉积在半导体板的对应面上。然而，可以使用任意的其他标准程序。
在实施例中，所述方法还包括以下步骤：
在沉积至少一个正面主栅基条之前，在正面上沉积至少一个正面促反射条，正面促反射条包括至少一个电介质层，并且至少一个正面主栅基条沉积在正面促反射条上；以及/或者
在沉积至少一个背面主栅基条之前，在背面上沉积至少一个背面促反射条，背面促反射条包括至少一个电介质层，并且至少一个背面主栅基条沉积在背面促反射条上。
在优选实施例中，促反射条在每个面上沉积在半导体与主栅基条之间，可能具有用于促反射和主栅基条的相同接触掩模，然而，可以使用任意的其他标准光刻程序。
在实施例中，接触细栅条，优选地通过剥离微电子技术，被沉积在半导体板的两个面上。然而，可以使用任意的其他标准光刻程序。
主栅基条优选由银制成。其宽度由制造限制决定；在两个面上通常50μm为合理的值。优选地，其厚度与可制造性允许的厚度一样厚，目前约为3μm，在实施例中，其间距约为6mm。
在实施例中，靠置于正面主栅基条中的导线由铜或镀锡铜制成。
接触细栅条优选由银制成。其厚度与可制造性允许的厚度一样厚，目前约为3μm；优选地，其宽度与可制造性允许的宽度一样窄，目前约为5μm。
本说明书(包括权利要求书、说明书和附图)中描述的所有特征和/或所描述的方法的所有步骤可以以任意的组合进行结合，相互排斥的特征和/或步骤的组合除外。
附图说明
本发明的这些和其他特征和优点将通过参考附图从本发明的优选实施例(仅作为示例给出并且不限于此)中变得明显的本发明的详细描述而被清楚地理解。
图1示出了根据本发明的实施例的从热光伏电池的顶部观察的三维视图。
图2示出了根据本发明的实施例的从热光伏电池的底部观察的三维分解图。
图3示出了热光伏电池的实施例的垂直于一条导线的平面上的局部截面。
图4示出了热光伏电池的实施例的垂直于一条导线并沿正面接触细栅条或背面接触细栅条的平面上的局部截面。
图5A和图5B分别示出了根据与本发明的实施例对应的热光伏电池的背面接触细栅条垂直的平面的局部截面，以及与分解图相同的局部截面。
图6示出了在一个半导体晶片上制造的矩形热光伏电池。
图7示出了粘附在两个相邻的支撑板上的两个相邻的热光伏电池的组装细节(截面图)。
图8示出了图7所示的组件的截面，其现在包括一条导线。
图9示出了沿穿过点划线的法线平面得到的图8所示的组件的截面。
图10示出了多个相邻的热光伏电池的组件的截面。
图11示出了根据本发明的实施例的热光伏***。
图12示出了在硅熔点(1410℃或1683.15K)的温度下白炽黑体的功率谱密度作为真空中波长的函数。纵坐标以(W/cm2)/m表示，横坐标以m表示。
具体实施方式
图1至图10中示出了根据本发明的实施例的热光伏电池1。根据本发明的热光伏电池1包括：半导体板2、多个正面主栅基条3、多个正面接触细栅条4、在正面主栅基条3顶部形成三维主栅的多条导线5；以及与半导体板2的背面2.2电接触的导电层(9、15)，这样的电接触限于高度定域化的(highly localized)导电条7。
图1示出了本发明的一个实施例。半导体板2具有正面2.1和背面2.2，并且包括至少一个PN结、至少一个NP结或至少一个异质结，但可能在不同的半导体层中包括多个PN结、NP结和异质结(未示出)。在实施例中，半导体板2由锗制成。多个正面主栅基条3，优选约50μm宽，设置在正面2.1上。在该实施例中，正面主栅基条3设置在促反射条10的顶部，其使正面主栅基条3与半导体板2电绝缘。在优选实施例中，多个正面接触细栅条4，每个正面接触细栅条约5μm宽，由导电材料(例如，金属)制成，并且布置成与正面主栅基条3相交并电接触。另外，多个正面接触细栅条4布置成与正面主栅基条3和半导体板2的正面2.1电接触。优选地，导线5的直径约3mm，设置在与其对齐的相应的正面主栅基条3上，与其一起形成整个三维主栅。
其为分解图的图2示出了热光伏电池1的背面2.2。在一些实施例中，其包括背面接触细栅条7，作为导电条的一个实施例，优选地，每个背面接触细栅条约5μm宽，与半导体背面2.2电接触，与多个背面主栅基条6相交并电接触，优选约50μm宽。在一些优选实施例中，背面主栅基条6通过电介质材料形成的促反射条8与半导体板2电绝缘。如图2所示，在该实施例中，反射镜14沉积在半导体板2的背面2.2上，反射镜14与半导体板2包围多个背面接触细栅条7。背面接触细栅条7不与反射镜14电接触，因为背面接触细栅条7是由多个绝缘电介质层制成的。在实施例中，反射镜14约200μm厚。在将反射镜14分成几个部分14的背面主栅基条6处，在反射镜14中挖掘通道13，这在图2中可以看得更清楚。通道13中填充有导电材料并且导电层15被布置成使得反射镜14的一部分与填充导体的通道13接触导电层15，以将用作背电极的导电层15(优选为金属制成)连接到背面主栅基条6，并且也连接到半导体板2。这种连接不是直接连接，而是通过背面与细栅条7接触。
根据本发明的热光伏电池1能够接收白炽光源的辐射并将大量未被利用的辐射回到白炽光源。在优选但非唯一的实施例中，白炽光源可以是熔融硅(优选地固相和液相结合)，但许多其他合金也是非常有吸引力的。金属硅(未经超纯化)非常便宜，并且具有非常高的熔化潜热(50.55kJ/mol，比大多数材料高出约50％)，并且如果与硼混合，则可以明显提高。Si的熔点为1410℃，并随着硼的加入而降低。其是一种很有吸引力的材料，可以通过热光伏技术进行能量储存和回收。然而，将熔融铁(熔化潜热，13.8kJ/mol；熔点，1538℃，为纯铁的两个数据)及其合金中的热量转化为电力在今天是具有经济意义的。
热光伏电池1的半导体板2可以由Ge或具有相似带隙的其他几种材料制成。在带隙约为0.7eV的半导体中，会发现Ge(0.67eV)、GaSb(0.726eV)或InGaAs(可变带隙，In0.58Ga0.42As为0.7eV)，甚至是具有不同的成分和带隙的适用于这些半导体可以在其上外延生长的GaSb晶体的晶格常数的两个InGaAsSb半导体区域的双结器件。但是非常高质量的介质镜也可以使用不能很好地适应白炽材料光谱的材料。可以使用硅电池，其优点是非常便宜。Ge也很有吸引力，因为Ge半导体板是三结太阳能电池的部件，用于空间和聚光电池，从而，经过一些修改，可以从三结太阳能电池制造商处获得Ge半导体板。
如前文所述，位于两个半导体面(2.1、2.2)中的促反射条(8、10)防止正面主栅基条3和背面主栅基条6与半导体板2的电接触。这种接触是半导体器件中的电子-空穴复合源，导致热光伏电池1电压降低。然而，在此之外，促反射条(8、10)具有增强主栅基条(3、6)对辐射的反射从而降低其吸收的作用。显然，吸收的辐射不能回到辐射源。可以计算促反射条(8、10)的厚度(Born,M.et al.:Principles of Optics.Pergamon Press,Oxford(1975))以尽可能多地反射透明度阈值之上的辐射。在实施例中，促反射条(8、10)的厚度在0.5μm的范围内。
与每个促反射条(10、8)相邻地布置一个正面主栅基条3或背面主栅基条6。在该实施例中，正面主栅基条3和背面主栅基条6由金属(优选为银)制成，与正面促反射条10和背面促反射条8具有相同的宽度，厚度约为3μm。正面促反射条10和背面促反射条8和正面主栅基条3和背面主栅基条6可以使用相同的接触掩模沉积在半导体板2上。设置正面主栅基条3是为了用作导线5的基底，并与导线5和正面接触细栅条4电接触，而设置背面主栅基条6是为了与背面接触细栅条7和填充通道13的中间导电材料电接触，并通过它们与由金属制成的导电层15电接触。在优选实施例中，正面主栅基条3和背面主栅基条6在其整个宽度上沿着热光伏电池1延伸。
在图1和2的实施例中，多个正面接触细栅条4和背面接触细栅条7布置在半导体板2的两个面(2.1、2.2)上(优选地，通过剥离的微电子技术沉积)。正面接触细栅条4和背面接触细栅条7直接沉积在半导体板2上，并且与相应的面(2.1、2.2)的主栅基条(3、6)电连接。在该实施例中，正面接触细栅条4和背面接触细栅条7分别垂直于正面主栅基条3和背面主栅基条6，并在热光伏电池1的整个长度上延伸，但正面主栅基条3和背面主栅基条6与正面接触细栅条4和背面接触细栅条7之间的其他交叉角度是可以的。在实施例中，正面接触细栅条4和背面接触细栅条7的厚度约为3μm，宽度约为5μm。在优选实施例中，正面接触细栅条4和背面接触细栅条7由银制成。
图1中示出了电池宽度(L)、线径(d)和主栅间隔(l)。
图3和图4示出了热光伏电池1的实施例的垂直于一条导线5的平面的局部截面。图3的视图可以对应于图1的正面2.1和背面2.2中的正面主栅基条3或背面主栅基条6附近的局部截面；该截面不与任一正面接触细栅条4或背面接触细栅条7接触。在图4的视图中，该平面还与在该图中示出为对齐的正面接触细栅条4和背面接触细栅条7相交。然而，正面接触细栅条4和背面接触细栅条7可以具有不同的间隔并且不需要对齐。
结合图1和图2描绘了这些截面的所有要素，但现在进行如下说明。在图3和图4中，具有抗反射涂层11，通常由一个或多个电介质层制成。层的厚度(参见例如Luque,A.:SolarCells and Optics for Photovoltaic Concentration,Adam Hilger,Bristol(1989),Chap.14)优选地经适当计算和优化，优选地在0.1μm厚的范围内，在连接导线5之正面沉积层。为了促进导线5与正面主栅基条3之间的电接触，抗反射涂层11可以通过接触掩模(其为用于沉积促反射条(10、8)和正面主栅基条3的掩模的负片(negative))沉积，或者可以使用光刻装置在涂层11上制作窗口。附图标记12指的是热光伏电池1的外部；其可以只是空气，也可以是，例如，由硅树脂制成的透明的保护性厚层。附图标记16指的是用于将电池1粘合到支撑板上以形成模块的导电膏。
图5A示出了垂直于与本发明的另一个实施例对应的热光伏电池1的背面接触细栅条7的平面的局部截面。具体地，该图中示出了靠近热光伏电池1的背面2.2的三个背面接触细栅条7周围的区域。该剖面也垂直于图3和4中的部分。在该实施例中，光伏电池1的背面2.2与结合图3和4的实施例描述的不同。在该实施例中，热光伏电池1包括沉积在半导体板2的背面2.2上的背面促反射层17和蚀刻在其上的多个窗口27。背面促反射层17被沉积覆盖半导体板2的整个背面2.2。窗口27(通常为条形)是通过光刻蚀刻掉背面促反射层17的所有厚度制成的。反射镜通过导电层9(优选为金层或银层)以及背面促反射层17实现，并且背面促反射层17的窗口27，填充有导电层9的材料，形成在半导体板2背面2.2与成为热光伏电池1的背电极的导电层9之间提供电接触的背面促反射层17。由导电层9和背面促反射层17形成的反射镜可以覆盖有导电导热胶16，以将热光伏电池1粘合到支撑板(图5A中未示出支撑板)、
图5B中示出与先前描述的配置相同的配置，但是为了便于辨别每个公开的要素，其为分解图。
根据本发明的多个热光伏电池1可以制造在特别的半导体晶片30上。在优选实施例中，使用预处理的半导体晶片30，其中PN结、NP结或异质结形成多个光伏电池1。图6示出了在一个半导体晶片30上制造的矩形热光伏电池1。
当在一个半导体晶片30上制造多个热光伏电池1时，本发明的方法的制造步骤优选地在晶片30中包括的热光伏电池1上进行，随后在晶片30中进行必要的切割以分离各个热光伏电池1。
如图7至图9所示，可以将热光伏电池1一个个地或以两个或更多为一组固定到支撑板19，以形成热光伏模块，这些热光伏电池1通过支撑板19并联连接。优选地，热光伏电池1使用导电导热树脂16粘合到支撑板19。优选地，支撑板19由金属制成，并且具有与并联的热光伏电池1的长度之和相近的长度。在实施例中，分别为6cm长的两个锗热光伏电池1并联连接，总板长为12cm。支撑板19的宽度优选地与热光伏电池1的相同，例如为2cm。在实施例中，支撑板19的材料为铜或具有低热膨胀系数的任意的合金，例如可伐合金。支撑板19旁边可以是具有与第一支撑板19串联连接的相应热光伏电池1的相邻的支撑板19，如下所述。
图7示出了粘附在两个相邻的支撑板19上的两个相邻的热光伏电池1的组装细节(截面图)。在该图中，可以看到两个支撑板19，两个热光伏电池1的导电层15使用导热导电膏16粘附在支撑板19上。导热导电膏16使支撑板19与热光伏电池1粘合并接触。支撑板19的一端设置有凸缘25。该描述涉及具有介质镜的热光伏电池的实施例(如图1至图4中所公开的)。然而，相同的设置适用于具有金属镜的实施例(如结合图5A至5B所公开的)。
图8示出了图7所示的组件的截面，该组件现在包括一条导线5。导线5位于沉积在半导体板2上的正面主栅基条3上，正面主栅基条3优选地由正面促反射条(图中未示出)电隔离。
图9示出了沿穿过图8的点划线22的法线平面的图8的组件的截面。图7和图8分别是图9的由点划线20和21切割得到的截面(严格来说，图8不是由点划线21切割的，因为凸缘的顶部应该是不可见的)。在图8中，导线5被切割(28)，以使两个热光伏电池1的串联连接。在图9中可以看到支撑板19的凸缘25，以及在凸缘25的边缘制成的凹口18。通过这些凹口18引入导线5并与导线5结合。凹口18的宽度是导线5的直径。凹口18的深度能够使导线5置于正面主栅基条3上(参见图1至图4)，当正面主栅基条3与其交叉(参见图4)时，正面接触细栅条4使其变厚。
在实施例中，导线5在凹口18和正面主栅基条3的一些放大点(enlarged points)处被软接合(soft-bonded)到凸缘25，或者被软接合到整个正面主栅基条3。一旦完成整个模块的接合工艺，在热光伏电池1之间切割(28)导线5，从而提供图8左侧的热光伏电池1的半导体板2的正面2.1与右侧的热光伏电池1的半导体板2的背面2.2的连接，因此两个支撑板19上包含的热光伏电池1的串联。对于位于同一个支撑板19上的热光伏电池1，它们通过支撑板19并联连接实现背面连接，并通过接合到支撑板19的凸缘25实现正面连接。
在图7至图9中，为了便于描述，仅示出了热光伏电池1的一部分元件。然而，应当理解，根据本发明的热光伏电池1包括其他元件。另外，尽管已在图中明确示出了根据图1至图4的实施例的导电层15，但热光伏电池1可以是根据图5的实施例或根据本发明的任意的实施例。
图10示出了多个相邻的热光伏电池1的组件的截面，以更详细地展示如何形成模块。该图主要示出了一行串联的热光伏电池1的端部。热光伏电池1并行地设置并连接到它们的支撑板19。导线5设置并连接到正面主栅基条3以及支撑板19的凸缘25的凹口18，并且在下一个支撑板凸缘的右侧切割(28)导线5。
在图中，最左侧的支撑板19没有凸缘，并且是除了热光伏电池1的支撑板19之外的以所需的长度延伸出任意的保护模块的第一电极23(例如，正极)。第一电极23用于与另一个模块、AC/DC转换器或要实现的应用的另一个元件进行外部连接。模块的右侧的支撑板19具有凸缘25但上面没有任何热光伏电池的支撑板连接并粘合到包含热光伏电池1的最右侧支撑板19的导线5。不具有热光伏电池1的支撑板为模块24的第二电极(例如，负极)，并且可以延长的尽可能长。
在该示意性模块中，仅示出了三个热光伏电池1。通常，一个实际的模块将具有更多个热光伏电池1，直到在其电极之间达到合适的电压，例如几十伏，甚至更高。在实施例中，模块包括并联的两个热光伏电池1和串联的60个支撑板，从而得到120个6×2cm2的热光伏电池。在该实施例中，热光伏电池的总面积为120×12＝1440cm2。
图11示出了根据本发明的实施例的热光伏***。特别地，一种能量储存***40，包括根据本发明的热光伏电池1以及白炽腔41。白炽腔41包含发射保持由绝缘壁(在图11中描绘为虚线区域)限制的辐射的白炽体或材料42。该绝缘壁包括窗口43，辐射可以通过该窗口离开腔。热光伏电池1附接到窗口43并接收发射的辐射。在使用中，热光伏电池1将通过白炽腔41的窗口43发射的各向同性辐射转换成电力，并使大量未被利用的辐射回到腔的窗口43。附接到热光伏电池1的冷却元件44将必要的热量传递给冷却剂流体(例，如水)以保持低温，从而将热光伏电池1保持在接近环境的温度并且有利于作为光伏器件的半导体板的有效工作。图中的箭头表示将热量注入白炽腔41的任意的方法。包括电线和水管以分别提取电力和热能。尽管在图中示意性地描绘了一个热光伏电池，但可以将根据本发明的多个热光伏电池和/或一个或多个热光伏模块附接到窗口。
图12示出了在硅熔点(1410℃或1683.15K)的温度下白炽黑体的功率谱密度作为真空中波长的函数。纵坐标以(W/cm2)/m表示，横坐标以m表示。其积分是发射的辐射的功率密度，为45.51W/cm2。将其与从所谓的标准日照接收到的功率(0.1W/cm2)进行比较。如所见，其大得多，尽管与目前的多结聚光电池接收的功率密度相当。这些电池通常小于1cm2，所以需要设置一个密集的接触细栅网格以将电流提取到照明区域之外的边缘(其上设置较宽的主栅)。在根据本发明的热光伏电池中，为了不浪费辐射能，热光伏电池优选地位于非常靠近白炽体的位置，从黑体接收上述45.51W/cm2的功率密度，并且不具有用于较宽的主栅基条或用于冷却电池的边侧区域。
另外，在硅熔化温度下的黑体照射下，热光伏电池在高于锗的吸收阈值(1.85μm)的波长处接收到的辐射能量为31.91W/cm2(这是应当回到白炽光源的)。当然，并非所有这些辐射都可以回到。下面描述确定热光伏效率的计算方法。
本发明的热光伏电池1的串联电阻可以按照文献(例如，A.:Solar Cells andOptics for Photovoltaic Concentration,Adam Hilger,Bristol(1989),Chap 4)中的教导计算。对于普通聚光电池的情况，串联电阻主要包括电流从其产生点到正面接触细栅条4的横向路径的串联电阻，沿正面接触细栅条4到主栅(位于照明点之外)的电阻以及板2的从正面到背面的电阻。在本发明的热光伏电池1中，为正面主栅基条3和导线5的串联电阻，另一方面，为从它们的产生点到背面接触细栅条7的电流的横向路径的电阻，另一方面，为必须添加到普通电池串联电阻中。除此之外，在具有反射镜14的实施例中，还必须增加沿背面接触细栅条7到背面主栅基条6的电阻。在具有金属镜的实施例中，不考虑穿过窗口27形成的沿背面接触细栅7的串联电阻，因为它们直接连接到形成背面接触的背面的金属层(其串联电阻被认为是零)。
在优选的矩形电池实施例中，所有这些都是电池宽度L、导线在各向同性照明下的平均阴影(其为圆柱体的导线直径)d、正面主栅的间隔(中心到中心的距离)l、背面主栅的间隔(中心到中心的距离)lb、正面接触细栅条的透明度因子(定义为它们的宽度除以它们的间隔)F以及背面接触细栅条的透明度因子Fb的作用。所有这些参数都将被优化以获得最大热光伏效率。还有由制造考虑决定的其他尺寸参数(例如，接触细栅条和主栅基条的宽度和厚度)。在其他非矩形实施例中，也可以计算和优化串联电阻。在没有背面主栅的具有金属镜的实施例中，lb没有意义并且包含其的项为零。
为了实现热光伏效率优化，需要考虑回到白炽光源的辐射能量。当热光伏电池被白炽光源呈半球形照射时，部分辐射能量被热光伏电池正面的元件反射(主要被金属，但也有小部分被抗反射涂层反射)。反射的辐射能量回到白炽光源，其余辐射进入半导体板2。低于透明度阈值的辐射完全被半导体吸收，主要产生光电流。高于阈值的辐射被限制在锥体中(如果半导体板的两个面都是平坦的)，其中锥体角度为空气与半导体之间的极限角；然后辐射被反射镜反射并形成回到白炽光源的另一个辐射锥。对于高反射率的反射镜，可以假设一个合理的近似值，即两个锥体的亮度同为B(W/(cm2×立体弧度))。向前辐射的锥在半导体块体、反射镜、背面接触细栅条7和背面主栅基条6中被少量吸收，尽管促反射层(如有)可以减少这种吸收。另一方面，向后反射的锥在半导体块体、正面主栅基条3和正面接触细栅条4中有相同的吸收，但大部分通过正面的接触网格未覆盖的空间离开热光伏电池1，尽管在未覆盖的表面上存在少量反射，但当存在抗反射涂层11时反射会减少。离开热光伏电池1的辐射回到白炽光源。
因此，发现辐射在半导体板2的两个面(2.1、2.2)之间进行时所有金属和电介质表面都有反射。这些反射大部分是镜面反射，因此它们包含在半导体的两个锥体中。它们对亮度B有贡献。但其中一些反射，特别地，在金属和介质条的边缘形成的散射中产生少量公认的各向同性辐射(在与锥体限制的辐射类似的形式处理的半导体内散射的)，形成各向同性亮度Biso。
通过平衡(Luque,A.:The Confinement of Light in Solar-Cells,SolarEnergy Materials 23(2-4),152-163(1991)or Luque,A.:Coupling Light to SolarCells,In:Prince,M.(ed.)Advances in Solar Energy.vol.8,pp.161-230.ASES,Boulder(CO)(1993))高于波长阈值的入射辐射与回到源的辐射加上所描述的吸收损失来进行亮度B的计算。实际上，小部分辐射被转换成各向同性辐射(现在是亮度Biso的输入)，并与各向同性逸出辐射加上损失平衡。必须考虑到逸出辐射被限制于空气-半导体极限角锥体，其余辐射被反射回来，因此增加了Biso。
上述内容使得能够计算B和Biso，因此能够计算回到白炽光源的辐射(也必须添加未进入热光伏电池的辐射)。因此，可以计算热光伏效率，其被定义为可提取电力除以入射辐射功率减去回到辐射源的辐射功率的商。可以选择变量l、d、lb(如有)、F和Fb以产生最大的热光伏效率。
以这种方式，光伏电池可以作为可调度的发电机工作，根据需要将储存在熔融材料储存器中的能量转换为电力，其效率为热光伏效率，比普通光伏效率高很多(高出3倍以上，如下所述)。
据说为了便于制造，选择了进行优化所需的几个参数。每个热光伏电池1在正面和背面(2.1、2.2)上具有多个主栅基条6和多个接触细栅条(4、7)。通常，所有这些金属化条的宽度越窄越好。它们的厚度越厚越好，但有些值是由适合制造的技术所强制的。宽度约为5μm可能是合理的(给定几厘米的长度)，厚度约为3μm。在正面主栅的情况下，需要在正面上容纳直径可为0.3mm的导线，并且背面上的反射镜中的通道受到锯(saw)的厚度50μm的限制。这些考虑也适用于在背面不具有主栅基条的具有金属镜的实施例。
热光伏电池1的宽度L极大地影响随其增加而增加的串联电阻。尽管该宽度通常出于实际原因是固定的(2cm是一个合理的选择)，但是可以在制造模块时考虑到热光伏电池之间的间隙而在模块级别执行优化。
如前所述，网格在半导体内部吸收阈值之上的辐射损失中具有重要作用。因此，相对于多个值，即正面上的导线直径d、它们的间隔l和背面间隔lb(如果有背面主栅基条)，热光伏效率作为阴影因子F和Fb的函数进行优化。
示例1
在0.7eV半导体电池(接近Ge电池)中，假设遵循肖克利(Shockley)模型(Shockley,W.:The Theory of p-n junctions in Semiconductors and p-nJunctionTransistors,Bell Syst.Tech.J.28,435-489(1949))，在硅熔化温度(1410℃)下的黑体的各向同性照明下，无网格短路电流密度为13.53A/cm2，开路电压为0.629V，对于具有介质镜的实施例，最高的热光伏效率发生在d＝0.3mm、l＝4mm、lb＝1mm、F＝0.038、Fb＝0.029。对于5μm宽的接触细栅，其正面和背面的间隔分别为131μm和172μm。性能数据如下：热光伏效率为31.8％，网格覆盖的短路电流密度为11.02A/cm2，比串联电阻(串联电阻乘以电池面积)为0.0127Ω×cm2，热光伏电池接收到的没有利用的辐射的平均反射率为95.7％。与该示例对应的数据在表1的A列中示出。用于前述计算的热光伏电池是(理想情况下)没有集流网、达到0.7eV电池的热力学效率极限的70％的热光伏电池。该热光伏电池的光伏效率为9.44％(回到源的辐射不计算在内)。热光伏效率是光伏效率的3.37倍。
然而，对后镜的每一次1mm的挖掘被怀疑对后镜的伤害太大。因此，后镜中5mm的通道间隔被认为更适合制造。lb＝5mm时，最高的热光伏效率发生在d＝0.3mm、l＝4mm、F＝0.040、Fb＝0.075。5μm宽的接触细栅的正面和背面的间隔分别为126μm和66.8μm。性能数据如下：热光伏效率为29.4％，网格覆盖的短路电流密度为11.00A/cm2，比串联电阻(串联电阻乘以电池面积)为0.0138Ω×cm2，热光伏电池接收到的没有利用的辐射的平均反射率为94.7％。该热光伏电池的光伏效率为9.16％。热光伏效率是光伏效率的3.18倍。与该示例对应的数据在表1的B列中示出。
对于相同辐射源下的同为0.7eV太阳能电池，使用具有银镜的实施例的最佳热光伏效率发生在d＝0.3mm、l＝4mm、F＝0.039、Fb＝0.028。对于5μm宽的接触细栅，其正面和背面的间隔分别为128μm和176μm。性能数据如下：热光伏效率为30.4％，网格覆盖的短路电流密度为11.01A/cm2，比串联电阻(串联电阻乘以电池面积)为0.0125Ω×cm2，热光伏电池接收到的没有利用的辐射的平均反射率为94.5％。该电池的光伏效率为9.56％。热光伏效率是光伏效率的3.18倍。注意到，热光伏效率30.4％低于采用介质镜的实施例的最佳值31.8％，但高于实际使用介质镜的值29.4％。此外，采用银镜的实施例更简单。性能的变化在所有情况下都相当小。与该示例对应的数据在表1的C列中示出。
已经简要介绍了具有Ge电池的模块的优选实施例。对于任意的0.7eV半导体几乎相同。该模块在支撑板19中具有并联的2个电池，具有串联的60个板(包括6×2cm2的120个电池)。电池的总面积为120×12＝1440cm2。模块特性如下：开路电压为37.7V；短路电流为246A；长度为120cm；宽度为12cm；功率为6.028kW(后镜的实际挖掘)。其他实施例是可能的，例如，在相同的电流以及1/2、1/3和1/4的电压和功率下，具有该模块长度的1/2、1/3和1/4的模块。使用相同的电池有许多其他可能的组合，也可以使用不同的电池尺寸。本公开涵盖所有这些组合。
关于模块的冷却，除了没有利用的辐射外，6.028kW模块还接收除电力输出外消散的10W/cm2热量。如果用水以每分钟5升的速度冷却，通过热量平衡得出出口处的水温比进水温度高40.27℃。电池的温度约为该温度的一半。一切都非常合理，具有这些要求的水的热交换器很容易找到。该结论也适用于大部分其他输出功率的模块。
示例2
已经提出了硅电池的应用的商业利益。从概念的角度来看，没有什么不同，但结果却非常不同。首先，没有利用的辐射的波长阈值为1.0μm(而不是Ge-0.7eV半导体的1.85-1.77μm)。第一个结论是，从熔化的硅黑体(1410℃)接收到的没有利用的辐射为44.13W/cm2，而0.7eV电池为33.11W/cm2。因此，只有很小一部分的入射辐射(1.38W/cm2)可用于光电流。当然，在这两种情况下，输入辐射能量都是45.51W/cm2。我们在此使用的电池模拟了良好的商业Si电池，假设其遵循肖克利模型(Shockley,W.:The Theory of p-n junctionsin Semiconductors and p-n Junction Transistors,Bell Syst.Tech.J.28,435-489(1949))，在硅熔化温度(1410℃)下的黑体的各向同性照明下，无网格短路电流密度为0.855A/cm2，开路电压为0.774V。对于使用介质镜的实施例，最高的热光伏效率发生在d＝70μm(可用于微电子中的引线键合)、l＝5mm、lb＝3mm、F＝0.00548、Fb＝0.00500。5μm宽的接触细栅的正面和背面的间隔分别为0.92mm和1.00mm。性能数据如下：热光伏效率为27.9％，网格覆盖的短路电流密度为0.826A/cm2，比串联电阻(串联电阻乘以电池面积)为0.0854Ω×cm2，电池接收到的没有利用的辐射的平均反射率为99.1％。与该示例相应的数据在表1的D列中示出。
然而，如上，每一次3mm的挖掘后镜被怀疑对后镜的危害太大。因此，后镜中5mm的通道间隔被认为更适合制造。lb＝5mm时，最高的热光伏效率发生在d＝80μm、l＝6mm、F＝0.00598、Fb＝0.00608。5μm宽的接触细栅的正面和背面的间隔分别为0.86mm和0.82mm。性能数据如下：热光伏效率为27.6％，网格覆盖的短路电流密度为0.827A/cm2，比串联电阻(串联电阻乘以电池面积)为0.0953Ω×cm2，电池接收到的没有利用的辐射的平均反射率为99.1％。与该示例相应的数据在表1的E列中示出。
该电池的光伏效率(没有回到辐射)为1.13％。在这种情况下，热光伏效率是光伏效率的24.4倍。这反映了硅电池对熔融硅辐射的适应性非常差的事实。接收到的大部分辐射是没有利用的，必须回到，这解释了高反射率，但没有回到辐射的情况下，效率非常低。使用非常高性能的反射镜使得能够使用硅电池(通常，在光谱上对白炽光源的适应性较差的光伏电池)作为热光伏电池。
对于6×2cm2的电池，Si电池的优选模块实施例由在同一个板上并联的20个电池和串联的40个板形成。该模块的尺寸为120×80＝9600cm2，电气数据如下：开路电压为29.8V；短路电流为198A；额定功率为4.658kW。
尚未准确计算该模块的冷却，但从其特性可以推断出，散热量约为0.7eV半导体电池模块的10倍。这意味着模块背面的一组自然对流散热片可能足以进行合理散热。如果不够，散热片上的强制空气肯定会满足散热的要求。
显然，该示例与具有0.7eV半导体电池的示例非常不同。第一个考虑因素是，在相同功率下，Si电池的尺寸要大一个数量级以上。但是冷却更简单并且硅电池的热光伏效率仅略低。因此，如果准备好的Si板的价格远低于Ge板，则这样的选择会更佳。
在任何情况下，要强调的是，可以利用根据本发明的热光伏电池制造多种模块。
表1：
参数 A B C D E
电池宽度(cm) 2 2 2 2 2
正面主栅直径(mm) 0.3 0.3 0.3 0.070 0.080
正面主栅间隔(mm) 4 4 4 5 6
背面主栅间隔(mm) 1 5 - 3 5
正面接触细栅条间隔(μm) 131 126 128 920 860
背面接触细栅条间隔(μm) 172 66.8 176 1000 820
效率(％) 31.8 29.4 30.4 27.9 27.6
网格覆盖电流密度(A/cm<sup>2</sup>) 11.02 11.0 11.0 0.826 0.827
比串联电阻(Ω·cm<sup>2</sup>) 0.0127 0.0138 0.0125 0.0854 0.0953
反射率(％) 95.7 94.7 94.5 99.1 99.1

Claims (22)

1.一种热光伏电池(1)，包括：
半导体板(2)，具有正面(2.1)和背面(2.2)，所述半导体板(2)包括至少一个PN结、至少一个NP结或至少一个异质结；
多个正面接触细栅条(4)，设置在所述正面(2.1)上，所述正面接触细栅条(4)导电并且与所述半导体板(2)的所述正面(2.1)电接触；
至少一个导电的正面主栅基条(3)，设置在所述正面(2.1)上，以及至少一条导线(5)，设置在相应的正面主栅基条(3)上并与该相应的正面主栅基条(3)电接触，所述正面主栅基条(3)和所述至少一条导线(5)与所述正面接触细栅条(4)相交；以及
导电层(9、15)，布置在所述背面(2.2)，其中，所述导电层(9、15)和所述背面(2.2)仅在局部导电条(6、7)处直接电接触，或仅在局部导电条(6、7)处通过中间导电材料电接触。
2.根据权利要求1所述的热光伏电池(1)，还包括：
反射镜(14)，位于所述背面(2.2)与所述导电层(15)之间，
其中，所述局部导电条(6、7)被实施为：
至少一个背面主栅基条(6)，布置在所述背面(2.2)与所述反射镜(14)之间；以及
多个背面接触细栅条(7)，布置在所述背面(2.2)与所述反射镜(14)之间，所述背面接触细栅条(7)布置为与至少一个背面主栅基条(6)相交并与所述背面主栅基条(6)和所述半导体板(2)的所述背面(2.2)电接触，
其中，所述反射镜(14)包括设置在至少一个背面主栅基条(6)上方的至少一个通道(13)，所述至少一个通道(13)填充有中间导电材料以形成所述背面主栅基条(6)与所述导电层(15)之间的电接触。
3.根据权利要求2所述的热光伏电池(1)，其中，所述反射镜(14)包括多个电介质层。
4.根据权利要求2或3所述的热光伏电池(1)，其中，所述反射镜(14)包括至少一个光子晶体。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的热光伏电池(1)，其中，所述热光伏电池(1)包括多个背面主栅基条(6)，优选地，所述多个背面主栅基条(6)彼此平行，并且其中，所述反射镜(14)包括布置在所述多个背面主栅基条(6)上方的多个通道(13)，每个通道(13)填充有所述中间导电材料以形成相应的背面主栅基条(6)与所述导电层(15)之间的电接触。
6.根据权利要求1所述的热光伏电池(1)，还包括背面促反射层(17)，所述背面促反射层(17)布置在所述背面(2.2)与所述导电层(9)之间，其中，所述局部导电条(7)被实施为多个窗口(27)，所述多个窗口(27)布置在所述背面促反射层(17)中并填充有所述导电层(9)的材料以形成所述背面(2.2)与所述导电层(9)之间的电接触的多个背面接触细栅条(7)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的热光伏电池(1)，还包括：
至少一个正面促反射条(10)，所述正面促反射条(10)包括至少一个电介质层并且布置在所述正面(2.1)与所述正面主栅基条(3)之间；以及/或者
至少一个背面促反射条(8)，所述背面促反射条(8)包括至少一个电介质层并且布置在所述背面(2.2)与背面主栅基条(6)之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的热光伏电池(1)，其中，背面促反射条(8)和/或正面促反射条(10)和/或背面促反射层(17)具有使所述半导体板(2)与所述背面促反射条(8)和背面主栅基条(6)的组件之间，和/或所述半导体板(2)与所述正面促反射条(10)和所述正面主栅基条(3)的组件之间和/或所述半导体板(2)与所述背面促反射层(17)和所述导电层(9)的组件之间的反射率最大化的厚度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的热光伏电池(1)，还包括抗反射涂层(11)，所述抗反射涂层(11)布置在所述正面(2.1)上，布置在任意的位置或者布置在除被所述正面主栅基条(3)覆盖的区域之外。
10.根据前述权利要求中任一项所述的热光伏电池(1)，其中，所述热光伏电池(1)包括多个正面主栅基条(3)，优选地，所述多个正面主栅基条(3)彼此平行，以及多条导线(5)，每条导线(5)设置于相应的正面主栅基条(3)上。
11.根据前述权利要求中任一项所述的热光伏电池(1)，其中，所述导线(5)是三维的，其中，优选地，所述导线(5)的截面面积是所述正面接触细栅条(4)的截面面积的至少3000倍。
12.根据前述权利要求中任一项所述的热光伏电池(1)，其中，
所述正面接触细栅条(4)大体上彼此平行，并且/或者
背面接触细栅条(7)大体上彼此平行。
13.根据前述权利要求中任一项所述的热光伏电池(1)，其中，所述半导体板(2)的所述正面(2.1)和/或所述背面(2.2)被镜面抛光。
14.一种模块，包括根据前述权利要求中任一项所述的热光伏电池(1)。
15.根据权利要求14所述的模块，其中，所述模块包括多个热光伏电池(1)、第一端部固持器(19)、第二端部固持器(19)以及至少一个中间固持器(19)；
其中，所述第一端部固持器、所述第二端部固持器和中间固持器(19)是导电的；
其中，所述热光伏电池(1)设置在所述第一端部固持器(19)和所述中间固持器(19)上并附接至所述第一端部固持器(19)和所述中间固持器(19)；
其中，所述中间固持器(19)和所述第二端部固持器(19)的一端包括凸缘(25)，所述凸缘(25)包括与所述热光伏电池(1)的所述正面主栅基条(3)对准的多个凹口(18)；
其中，所述第一端部固持器(19)包括被配置为第一外部连接件(23)的细长部分；
其中，所述第二端部固持器(19)用作第二外部连接件(24)；
其中，所述导线(5)沿固持器(19)的所述凹口布置，使得布置在固持器(19)上的所述热光伏电池(1)的所述导线(5)连接到相邻的固持器(19)的凸缘(25)。
16.根据权利要求14至15中任一项所述的模块，还包括附接到所述固持器(19)的冷却装置，具体地，所述冷却装置为冷却元件。
17.一种能量储存***(40)，包括至少一个根据权利要求1至13中任一项所述的热光伏电池(1)以及被配置为在内部包含白炽材料(42)的白炽腔(41)，其中，所述白炽腔(41)包括具有窗口(43)的壁，并且所述热光伏电池(1)附接到所述窗口(43)。
18.一种根据权利要求1至13中任一项所述的热光伏电池(1)的制造方法，包括以下步骤：
a)提供半导体板(2)，所述半导体板(2)具有正面(2.1)和背面(2.2)并且包括至少一个PN结、至少一个NP结或至少一个异质结；
b)对所述正面(2.1)进行处理，其中对所述正面(2.1)的处理包括以下步骤：
在所述正面(2.1)上沉积至少一个正面主栅基条(3)，所述正面主栅基条(3)是导电的，
在所述正面(2.1)上沉积多个正面接触细栅条(4)，所述多个正面接触细栅条与至少一个正面主栅基条(3)相交并与所述正面主栅基条(3)和所述半导体板(2)电接触，所述多个正面接触细栅条(4)由导电材料制成，
将至少一条导线(5)设置在所述至少一个正面主栅基条(3)上；
c)对所述背面(2.2)进行处理，其中对所述背面(2.2)的处理包括以下步骤：
在所述背面(2.2)上沉积导电层(9、15)。
19.根据权利要求18所述的热光伏电池(1)的制造方法，其中，步骤c)包括：
在提供所述导电层(15)之前，在所述背面(2.2)上沉积至少一个背面主栅基条(6)，所述背面主栅基条(6)是导电的，
沉积多个背面接触细栅条(7)，多个背面接触细栅条(7)与所述至少一个背面主栅基条(6)相交并与所述背面主栅基条(6)和所述半导体板(2)电接触，所述背面接触细栅条(7)由导电材料制成，
通过沉积多个电介质层并覆盖所述背面接触细栅条(7)和所述至少一个背面主栅基条(6)来提供反射镜(14)，
在所述反射镜(14)中挖掘设置在所述至少一个背面主栅基条(6)上的至少一个通道(13)，
用中间导电材料填充所述至少一个通道(13)，以及
用所述导电层(15)覆盖所述反射镜(14)，
其中，至少一个填充的所述通道(13)内的所述中间导电材料在所述背面主栅基条(6)与所述导电层(15)之间形成电接触。
20.根据权利要求18所述的热光伏电池(1)的制造方法，其中，步骤c)包括：
在提供所述导电层(9)之前，沉积覆盖整个所述背面(2.2)的背面促反射层(17)；
将所述背面促反射层(17)穿孔以形成多个窗口(27)，以及
通过在所述背面促反射层(17)的背面沉积金属层来提供所述导电层(9)，所述导电层(9)的材料穿过所述多个窗口(27)以形成所述背面(2.2)与所述导电层(9)之间的电接触。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的热光伏电池(1)的制造方法，所述方法还包括在所述正面(2.1)上沉积抗反射涂层(11)，优选地，在未被所述正面主栅基条(3)覆盖的区域上沉积抗反射涂层(11)，所述抗反射涂层(11)优选地由至少一层电介质材料形成。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的热光伏电池(1)的制造方法，所述方法还包括：
在沉积所述至少一个正面主栅基条(3)之前，在所述正面(2.1)上沉积至少一个正面促反射条(10)，所述正面促反射条(10)包括至少一个电介质层，并且所述至少一个正面主栅基条(3)沉积在所述正面促反射条(10)上；以及/或者
在沉积所述至少一个背面主栅基条(6)之前，在所述背面(2.2)上沉积至少一个背面促反射条(8)，所述背面促反射条(8)包括至少一个电介质层，并且所述至少一个背面主栅基条(6)沉积在所述背面促反射条(8)上。
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