大功率單色光電池器件及單色光電池裝置的製作方法

2024-03-23 16:52:05

本發明實施方式涉及光電技術領域，特別是涉及大功率單色光電池器件及單色光電池裝置。

背景技術：

對於各種不同禁帶寬度的半導體光伏材料來說，採用不同波長的單色光入射，更容易能夠獲得相比廣譜光譜入射更高的光電轉換效率。

由於雷射具有單色性好，能量集中和發散角度小的特點，因此是理想的單色光源。另外雷射和光纖耦合後容易通過全反射進行長距離的能量傳輸，且光纖本身通常為石英材料，具有絕緣，抗腐蝕，重量輕，非易燃易爆的特點，因此利用光纖傳能，就能夠應用在高壓，易爆，易腐蝕或者太空等特殊領域中。

相比較傳統太陽能電池數百瓦數千瓦的電力能量輸出，傳統的光纖傳能通常只可以提供最多瓦級的電力能量輸出。這主要是因為伴隨著入射單色光能量的進一步增大，傳統的單色光電池的器件和封裝結構無法提供更大功率的能量輸出。

現有技術中的的單色光電池封裝結構如圖1所示，輸入光通常由光纖直接耦合輸出。電池晶片1被安置在TO管座2上，單色光從光纖輸出後發散入射到電池晶片1表面上。為了更好匹配發散後的光斑形狀，電池通常是圓形結構。電池晶片1受到單位面積承受能量密度的限制和自身體電阻的限制，不能支持大功率單色光注入，只能輸出瓦級的小功率能量，無法提供數十瓦甚至數百瓦更大功率的能量。

近年來，隨著特高壓直流輸電技術的興起，對於數十瓦甚至數百瓦級的遠距離大功率非接觸式供能供給的需求越來越多。

鑑於此，針對現有技術中的上述缺陷，提供一種能夠實現大功率能量輸出的單色光電池器件成為本領域亟待解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明實施方式主要解決的技術問題是提供一種依靠單色光來實現大功率能量輸出的電池器件，從而能夠滿足對非接觸式大功率供能場合的需求。

為解決上述技術問題，本發明實施方式採用的一個技術方案是：提供一種大功率單色光電池器件，包括：

殼體，所述殼體的第一端為單色光入射端，所述殼體內具有沿其長度方向延伸的光路腔室，所述光路腔室的底部被構造為臺階狀，臺階狀底部具有靠近雷射入射端的高階部、和遠離雷射入射端的低階部，所述低階部的階面與所述光路腔室之間區域形成電池腔室；

封裝於殼體內的窗口組件，所述窗口組件位於光路腔室靠近雷射入射端的一側；

封裝於所述電池腔室內的單色光電池組件；

封裝於所述光路腔室內的光整形組件，所述光整形組件位於光路腔室中高階部所在一側；以及

封裝於所述光路腔室內的光反射組件，所述光反射組件位於光路腔室中低階部所在一側；

其中，單色光從入射端入射依次經過窗口組件、光整形組件和光反射組件最終垂直入射至單色光電池組件。

其中，所述單色光電池組件位於殼體長度方向的兩側分別設有多根貫穿殼體延伸的引腳，所述單色光電池組件通過與殼體絕緣的引腳將電極引出。

其中，所述單色光電池組件包括單色光電池、高散熱基板、和設於所述高散熱基板上的防反二極體和溫度探測元件，所述高散熱基板上還刻蝕有隔離槽，防止單色光電池鍵合在基板上時出現的短路現象。

其中，所述電池腔室的開口處設有用於保護單色光電池組件的擋光板，所述擋光板上與單色光電池對應位置處開設有開口，所述擋光板的開口呈倒角，有利於入射光斑的二次反射。

其中，所述窗口組件包括傾斜設置的窗口玻璃、固定於殼體內用於放置窗口玻璃的窗口支架，所述窗口支架包括與殼體連接的連接部、用於容納窗口玻璃的窗口部。

其中，所述光整形組件包括光整形透鏡、固定於殼體內用於放置光整形透鏡的透鏡支架，所述透鏡支架的底部被構造為板狀部。

其中，所述光反射組件包括傾斜設置的反射鏡和用於放置反射鏡的反射鏡支架，所述反射鏡支架包括呈倒梯形的主體、位於所述主體底部用于于殼體固定的固定板，所述主體朝向雷射入射端的一側形成有用於固定反射鏡的傾斜卡槽。

其中，所述殼體外側雷射入射端所在一側設有光輸入法蘭。

本發明還提供了一種大功率單色光電池裝置，包括：

殼體，所述殼體的第一端為雷射入射端，所述殼體內具有沿其長度方向延伸的光路腔室，光路腔室的底部延長度方向均勻排列有多個電池腔室；

一個封裝於殼體內的窗口組件，所述窗口組件位於光路腔室靠近雷射入射端的一側；

封裝於每個電池腔室內的單色光電池組件；以及

在光路腔室內沿著長度方向均勻排列並位於單色光電池組件的上方的光透反鏡組件，所述光透反鏡組件包括傾斜設置的半透半反鏡；

其中，雷射從雷射入射端入射首先經過窗口組件；然後到達前一個光透反鏡組件，前一個光透反鏡組件將部分雷射反射至與其對應的單色光電池組件，將部分雷射透射至下一個光透反鏡組件。

本發明還提供了一種大功率單色光電池裝置，包括多個依次排列的上述的大功率單色光電池器件，相鄰的兩個大功率單色光電池器件通過引腳相互連接。

本發明實施方式的有益效果是：

本發明的大功率單色光電池器件通過對輸入光斑準直擴束和對單色光電池合理面積調節來保證單色光電池上光斑能量和整個器件的散熱性在安全範圍內。本發明的單色光電池器件還能夠通過改變光路結構，來實現更多電池組件的內部級連或者通過更多的器件外部級連來實現更大功率能量的輸出。

附圖說明

圖1是現有技術的單色光電池器件結構示意圖；

圖2是本發明實施例1的單色光電池器件的外觀圖；

圖3是本發明實施例1的單色光電池器件的結構示意圖；

圖4是本發明實施例1的單色光電池器件的正視圖；

圖5是本發明實施例1的單色光電池器件的爆炸圖；

圖6是本發明實施例1的單色光電池器件中電池組件的結構示意圖；

圖7是本發明實施例1的單色光電池器件中單色光電池的結構示意圖；

圖8是本發明實施例1的單色光電池器件中的另外一種單色光電池的結構示意圖；

圖9是本發明實施例1的單色光電池器件中的窗口支架的結構示意圖；

圖10是本發明實施例1的單色光電池器件中的透鏡支架的結構示意圖；

圖11是本發明實施例1的單色光電池器件中的反射鏡支架的結構示意圖；

圖12是本發明實施例1的單色光電池器件中的擋光板的結構示意圖；

圖13是本發明實施例2的一種單色光電池器件中的結構示意圖；

圖14是本發明實施例3的一種單色光電池器件中的結構示意圖；

圖15是本發明實施例5的一種單色光電池器件中的結構示意圖；

圖16是本發明實施例6的一種單色光電池器件中的結構示意圖；

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

在下文中，將參考附圖來更好地理解本發明的許多方面。附圖中的部件未必按照比例繪製。替代地，重點在於清楚地說明本發明的部件。此外，在附圖中的若干視圖中，相同的附圖標記指示相對應零件。

如本文所用的詞語「示例性」或「說明性」表示用作示例、例子或說明。在本文中描述為「示例性」或「說明性」的任何實施方式未必理解為相對於其它實施方式是優選的或有利的。下文所描述的所有實施方式是示例性實施方式，提供這些示例性實施方式是為了使得本領域技術人員做出和使用本公開的實施例並且預期並不限制本公開的範圍，本公開的範圍由權利要求限定。在其它實施方式中，詳細地描述了熟知的特徵和方法以便不混淆本發明。出於本文描述的目的，術語「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」、「豎直」、「水平」和其衍生詞將與如圖3定向的發明有關。而且，並無意圖受到前文的技術領域、背景技術、發明內容或下文的詳細描述中給出的任何明示或暗示的理論限制。還應了解在附圖中示出和在下文的說明書中描述的具體裝置和過程是在所附權利要求中限定的發明構思的簡單示例性實施例。因此，與本文所公開的實施例相關的具體尺寸和其他物理特徵不應被理解為限制性的，除非權利要求書另作明確地陳述。

本發明實施例提供了一種能夠提供非接觸式大功率電力能量的單色光電池器件，包括針對高單色光(雷射)能量設計的大功率單色光電池組件，便於安裝固定的殼體和在殼體結構內的包括整形組件和反射組件的透反射光路結構。其中：所述的大功率單色光電池組件是指由大功率單色光電池，高散熱基板，防反二極體，溫度探測元件等構成的單色光電池組件；所述的大功率單色光電池是指能夠承受高單位能量密度(通常在300W/cm2以內)的多結電池，該多結電池不但能夠承受高的能量密度而且還可以通過改變串聯的結數來直接提供不同的電壓輸出，如5V，12V,24V等；所述的外腔體可以根據應用環境需要設計成蝶形，雙列直插或者表面貼裝等不同形式的器件結構，主要目的是提供對內部光路的支撐和良好的散熱通道作用；所述的外腔體還應該包含有和整個器件相互絕緣的輸出引腳，並且包含能夠不同接頭類型(SMA,FC,ST，LC)的傳能光纖連接頭，也可以包含位於不同位置的溫度探測元件；所述的透反射光路結構包含有保護窗口，擴束透鏡，光束整形透鏡，半透半反窗口，全反射鏡面，擋光保護板等基本光學元件，其主要目的是對入射光斑進行擴束和整形，保證光斑垂直入射到電池表面，並且通過合理的光路轉角設計來保證大功率單色光電池充分和外腔體緊密接觸，從而提高大功率單色光電池的散熱能力。

在本發明實施例中優選的殼體結構可以採用蝶形，雙列直插和SMT表貼等形式；所優選的殼體至少包括器件輸出引腳，且輸出引腳和殼體本身絕緣，並且能夠提供足夠大功率電流/電壓通道；所優選的殼體結構也應該至少包括能夠和傳能多模光纖直接連接的法蘭盤或者連接頭，用來引導大功率單色光能量入射進殼體內；所優選的殼體結構還應該包括允許各個光學元件精確定位的凸臺/凹槽，同時也包括對各個溫度探測器的探測位置所設立的探測點。

在本發明實施例中優選的透反射光路，能夠將入射的高能量單色光斑通過更為合理的擴束和整形後，垂直且均勻的入射到電池表面，入射角度的垂直化和均勻化可以使光電轉換效率進一步提升；所優選的透反射光路還能夠對光路進行轉角變換，能夠保證大功率單色光電池組件能夠和外界散熱裝置有最短的導熱通道，從而能夠保證電池組件具有最佳的散熱特性。

實施例1

圖2、圖3和圖4示出了一種大功率單色光電池器件，該單色光電池器件包括：殼體10、單色光電池組件20、窗口組件30、光整形組件40、光反射組件50和擋光板60，其中，單色光電池組件20、窗口組件30、光整形組件40和光反射組件50均封裝於殼體10內部。

其中，殼體10的第一端10a為雷射入射端，殼體10外側雷射入射端所在一側設有光輸入法蘭70，殼體10內具有沿其長度方向延伸的光路腔室101，光路腔室101的底部被構造為臺階狀，臺階狀底部具有靠近雷射入射端的高階部1011、和遠離雷射入射端的低階部1012，低階部1012的階面與光路腔室101之間區域形成電池腔室102。

其中，窗口組件30封裝於殼體10內，所述窗口組件30位於光路腔室101靠近雷射入射端的一側。單色光電池組件20封裝於所述電池腔室102內，電池腔室102的開口處設有用於保護單色光電池組件20的擋光板60。光整形組件40封裝於光路腔室101內，光整形組件40位於光路腔室101中高階部1011所在一側。光反射組件50封裝於光路腔室101內，所述光反射組件50位於光路腔室101中低階部1012所在一側。雷射從雷射入射端入射依次經過窗口組件30、光整形組件40和光反射組件50最終投射至單色光電池組件20。

請參閱圖5至圖12所示，單色光電池組件20位於殼體10長度方向的兩側分別設有多根貫穿殼體10延伸的引腳90。

單色光電池組件20包括單色光電池201、高散熱基板202、蝕刻於高散熱基板202上的隔離槽203、和設於所述高散熱基板202上的防反二極體204，高散熱基板202上設置有熱敏電阻。所述的單色光電池201可以採用圖7和圖8中的平面微串聯電池結構201』或者垂直隧穿結串聯電池結構201」，和傳統電池不同，所優選的大功率單色光電池可以根據輸出電壓的需要進行多個微電池串聯而成，優選的結構可以採用平面串聯或者垂直串聯，平面串聯特點是需要有橫向的高參雜電子空穴遷移區，垂直串聯特點是需要有低阻抗的隧穿結，(可以參考第2個專利)。在本實施例中優選的大功率單色光電池可以通過增加電池和入射光斑面積，降低有源層間的體電阻，增加電池吸收區的厚度等方式來獲得；優選的增加電池和入射光斑大小能夠降低電池表面上的單位能流密度；優選的降低有源層間的體電阻能夠使得更多電子空穴漂移或者擴散到各個電極從而能夠接收更大光能量；優選的增加電池吸收區的厚度能夠保證大功率的光能量能夠被電池PN結充分吸收。在本實施例中優選的單色光電池201形狀不再局限於圓形，也可以是諸如方形，六邊形等不同形狀；單色光電池組件20還應該包含一個防反二極體和一個溫度探測元件。所述的單色光電池201可以採用三五族材料，也可以採用諸如Si，Ge等傳統光伏電池材料；所述的單色光電池201可以通過增加電池和入射光斑面積，降低有源層間的體電阻，增加電池吸收區的厚度等方式來獲得。為了滿足更大功率的單色光能量注入，在所能承受的單位最大光功率密度的條件和光束擴束條件下，增加電池表面接收面積是比較好的方式，本發明中所設計的最大單位光功率密度不應超過200W/cm2。舉例來說，如果要接收200W的注入單色光能量，則電池有源區面積不應該小於1cm2，且此時入射的能量光斑面積也應該保證大於1cm2，從而確保PN結上的能量密度在允許的安全範圍之內；降低有源層間的體電阻是通過對電池結構的串聯電阻降低來實現，例如，可以通過調整外延結構厚度和摻雜濃度來降低電池體電阻，而通過調整電極厚度和歐姆接觸特性來降低金屬半導體接觸電阻，而通過對隧穿結摻雜更多微量元素(例如銻，碳，矽等微量元素)來降低隧穿結的體電阻，並通過合適的退火工藝來增大其材料活化特性；增加電池吸收區的厚度可以保證大功率單色光能量能夠被有源區充分吸收，本發明中所優選的吸收區厚度在3微米到8微米左右。通過上述措施，最終可以得到適合本發明中的單色光電池201。所述的高散熱基板202，為了更好的形成低熱阻通道，在與電池材料膨脹率係數類似的條件下，可以優先選擇高導熱的絕緣/半絕緣材料。本發明中優先選擇的是碳化矽，氮化鋁等熱層材料，通過在過渡熱層202上的圖形化設計，可以保證單色光電池201能夠在過渡熱層202上傳遞大電流；單色光電池201可以通過高導熱銀膠或者高溫焊料和過渡熱層進行接觸；旁路二極體204可安置在過渡熱層202上，從而保證多個組件相互能夠串聯起來形成陣列來獲得更大輸出功率；過渡熱層202上還可以通過刻蝕形成隔離槽203，從而能夠防止電池晶片焊接時的焊料溢出導致的正負電極短路，並且能夠保證電池晶片所產生的熱能被限制在局部位置上，而不影響其它區域。

光輸入法蘭70可以是SMA接口，FC接口，ST接口等光接口，通過更換不同類型的光輸入法蘭70，可以保證不同類型的光接口輸入。

窗口組件30包括傾斜設置的窗口玻璃301、固定於殼體10內用於放置窗口玻璃的窗口支架302，所述窗口支架302包括與殼體10連接的連接部3021、用於容納窗口玻璃301的窗口部3022。可以通過高溫焊料將連接部3021和殼體10焊接，且窗口玻璃301可以通過金錫焊料與窗口部3022燒結；所述的窗口玻璃301與窗口部3022之間可以呈一定傾角進行燒結，窗口玻璃301傾斜設置是為了防止反射光回來損壞雷射器。

光整形組件40包括光整形透鏡401、固定於殼體10內用於放置光整形透鏡401的透鏡支架402，所述透鏡支架402的底部被構造為板狀部403，透鏡支架402上開設有透鏡容納部404。所述的透鏡支架402可以通過螺絲調節固定孔402A和402B將透鏡支架402和殼體10連接；光整形透鏡401可以通過高溫紫外膠與透鏡支架402固定；所述的透鏡支架402可以通過螺絲固定孔402A和402B在殼體10內移動不同位置來調整輸出光斑的大小；所述的透鏡支架402還可以包括溫度探測孔402C，可以對透鏡支架402溫度進行監測。

光反射組件50包括傾斜設置的反射鏡501和用於放置反射鏡501的反射鏡支架502，所述反射鏡支架502包括呈倒直角梯形的主體5021、位於所述主體5021底部用于于殼體10固定的固定板5022，所述主體5021朝向雷射入射端的一側形成有用於固定反射鏡501的傾斜卡槽5023，傾斜卡槽5023位於直角梯形斜邊所在一側。所述的反射鏡支架502可以通過螺絲孔502B和殼體10連接，反射鏡支架502中傾斜卡槽5023的傾斜角度可以略大於45度。

擋光板60上與單色光電池201對應位置處開設有開口601。擋光板60放置在單色光電池組件20上，所開口601面積應該略大於電池有源區面積，為了保證入射到擋光板60邊沿的光線能夠被二次反射到電池表面，保護擋光板60的開口601的邊601A可以沿呈45度倒角。

殼體10可以採用平行封焊方式將整個光路完全密封且充氮氣；外殼體10可以採用十號鋼或者可伐材料；殼體10的固定部103可以通過螺絲固定在外接散熱片上。

實施例2

如圖13所示，本實施例提供了一種大功率單色光電池器件，包括：殼體10』、單色光電池組件20』、一個窗口組件(圖未示出)和光透反鏡組件80。

其中，所述殼體10』的第一端10a』為雷射入射端，所述殼體10內具有沿其長度方向延伸的光路腔室101』，光路腔室101』的底部延長度方向均勻排列有多個電池腔室102』。窗口組件(圖未示出)封裝於殼體10』內，窗口組件位於光路腔室101』靠近雷射入射端的一側。單色光電池組件20』封裝於每個電池腔室102』內。多個光透反鏡組件80封裝於光路腔室101』內，在光路腔室101』內沿著長度方向均勻排列並位於單色光電池組件20』的上方，所述光透反鏡組件80包括傾斜設置的半透半反鏡。

其中，雷射從雷射入射端入射首先經過窗口組件；然後到達前一個光透反鏡組件，前一個光透反鏡組件將部分雷射反射至與其對應的單色光電池組件，將部分雷射透射至下一個光透反鏡組件。

具體地，透反射光路可以選擇實施例1中的一次反射光路結構實現單個電池功率的輸出，也可以採用本實施例圖13的三次反射光路結構實現三個電池功率的串並聯輸出。

實施例3

如圖14所示，本實施例提供了另一種大功率單色光電池器件，包括：輸入光準直器801、單色光電池組件20』，勻光透鏡802和光透反鏡組件80。

其中，所述光準直器801起到光束擴束和準直作用，輸入光依次通過各個光透反鏡組件80，平均分布在6個電池組件上，為了實現光斑均勻化，採用勻光透鏡802在電池表面，對於所列舉的具體實施例，所選擇的6個光透反鏡的反射率分別為17％，20％，25％，33％，50％，100％，按照這樣的分布，可以使各個單色光電池組件20』的光能量分布均勻化，各個電池組件進行合理的串並聯也可以得到更大的功率輸出。

實施例4

圖14所列舉的是6個電池組成陣列的情況，以此類推，可以擴展到採用光透反鏡組件80實現n個電池形成大功率陣列的情況。如圖16所示，採用n個透反射鏡實現n個電池串並聯輸出的情況,在此不進行一一贅述,利用這樣的結構可以組合成陣列來構成更大功率的器件輸出。

因此應該認識到，根據本發明的思想,可以擴展成各種不同的透反射光路結構。應該認識到，所選擇的透反射光路目的只要不脫離本發明中所闡述的擴束整形和便於散熱目的，都應該屬於本發明所保護的範圍內。

實施例5

本實施例提供了一種大功率單色光電池裝置，請參閱圖16所示，包括多個依次排列的實施例1所述的大功率單色光電池器件，相鄰的兩個大功率單色光電池器件通過引腳相互連接。

大功率單色光電池器件的具體結構參見實施例1，在此不進行一一贅述，利用實施例1的結構可以組合成陣列構成更大功率的器件輸出，由於單色光電池組件20上有二極體，因此可以直接串聯構成陣列輸出，以形成更大功率輸出的器件。

實施例6

本實施例還提供一種大功率單色光電池裝置，該單色光電池裝置包括多個並排設置的實施例2所述的大功率單色光電池器件，所述大功率單色光電池器件沿殼體長度方向相互平行，所述大功率單色光電池器件的單色光電池組件位於殼體長度方向的兩側分別設有多根貫穿殼體延伸的引腳，相鄰的兩個大功率單色光電池器件通過引腳相互連接。

以上所述僅為本發明的實施方式，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。