專利名稱：一種基于微棱鏡結構的平板式光伏電池光線增強器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光伏發電技術領域，具體涉及一種基于^^f菱鏡結構的平板式光 伏電池光線增強器，將太陽光通過該增強器有效的匯聚到光伏電池表面，從而 提高光伏電池的效率。
背景技術：
在能源問題日益突出的今天，太陽能，作為一種取之不盡、用之不竭、清潔 無污染的綠色能源，對其有效開發利用已成為實現能源可持續發展的重中之重。 在太陽能的有效利用當中，太陽能發電技術是近年來發展最快、最具活力的研究 領域之一。
經過多年的努力，晶體硅太陽電池的實驗室效率達到了24. 7% ,大規模生產 商用產品的效率為17°/。以上[1， 2]。盡管如此，由于受單晶硅材料價格及繁瑣的加 工工藝限制，致使單晶硅太陽電池成本居高不下。薄膜太陽電池也取得了令人矚 目的成就，CuInSe2和CdTe等薄膜電池的實驗室效率目前分別為16. 5%和 18. 5%[1]，雖然仍有望在效率上進一步突破，但前者穩定性差，后者又較難制作。 非晶硅及氫化非晶硅的來源較廣，但是轉換效率較低，且大面積薄膜制作也存在 價格高的問題。相比之下，GaAs基的太陽電池30y。乃至更高的效率獨具優勢[3]， 但是砷化鎵的材料成本遠高于硅電池的材料成本，而電池片的價才各是光伏系統 成本最主要的部分。因此，高額成本成為制約光伏發電大規模應用的主要障礙。
為了進一步降低光伏發電成本，減少太陽電池芯片的消耗，聚光才支術是一項 可行的措施，即通過采用廉價的聚光系統將太陽光會聚到面積很小的高性能光 伏電池上，從而大幅度地降低系統的成本及昂貴的太陽電池材料用量[4, 5]。
通過聚光來提高太陽電池效率并降低發電成本的概念是簡單直接的。在聚 光條件下， 一方面，電池芯片單位面積接收的輻射功率密度大幅度地增力口，太陽 電池光電轉換效率得以提高；另一方面，對于給定的輸出功率，可以大幅度降低 太陽電池芯片的消耗，從而降低系統的成本。
在聚光情況下，太陽電池性能的提高主要得益于電池開路電壓和光生電流 的提高[6,7]。首先，在非聚光條件下，太陽電池的電流-電壓關系為
<formula>formula see original document page 3</formula>
其中4為開路電壓，A為短路電流，/。為暗電流，m為考慮光生載流子各種復合 過程的理想因子，一^殳情況下，1 < m < 2。 太陽電池的光電轉換效率 7為電池 的最大輸出功率與入射太陽光功率仏的比值，可以表示為77 二-
《" (3)
其中/y為填充因子，它表示電池輸出特性曲線的"方形"程度。
在聚光情況下，假設光生電流與太陽電池的聚光比成正比，與a)式和(2)式 對比可得到聚光太陽電池的電流-電壓關系為
A:77
Fbcx 二 Fbc +附——In Z
e (4)
/.v=x/,t—/。(e^—1) (5)
轉換效率可表示為
7 —"，
《 (6) 其中x為太陽電池的聚光比。
假定串聯電阻較小，通過對太陽電池單指數模型進行數學處理，可得到聚光 條件下的最大轉換效率為
7 ,=^>-乎][《〃。)+ M
e尸' 《 (7)
由(7)式可見，轉換效率隨著聚光比增加而呈對數型增加。 GreenM A， Emery K,KingD Let al。
Prog。
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發明內容
本專利中所涉及的是基于微棱鏡結構的平板式光伏電池光線增強器，該結 構主要由光學透明平板材料(相對空氣具有很高的折射率對比度)和微型反射 凹槽組成，太陽光照射在增強器的入光面上，通過在光學平板中的傳播，最終 通過出光面處照射在光伏電池表面。
由于采用了微結構設計，使得增強器的入光面面積要大于出光面的面積， 從而實現了對于大面積的入射光線的匯聚。
圖1是這個光線增強器結構的側視圖；它闡述了這個平板式光線增強器的 組成結構，它由入光平面(部分l)、透明的光學平板材料(部分2)、微棱鏡反 射凹槽(部分3)和出射面(部分4)組成。在具體的實現中，光學透明平板材
4料部分都矩形，厚度可以通過計算而改變，微反射凹槽部分是棱鏡形，其邊長 和角度也可以改變。微棱鏡結構反射的光線角度應盡可能的滿足其在平板上表 面出發生全反射所需要的條件。因此光學平板的厚度要和微棱鏡結構的尺寸相
匹配，以保證光線在±20°范圍內入射時達到全反射。出光面處放置太陽能光
伏電池板，用于接收增強器收集到的光線。入光平面(部分1)的面積和出光
平面(部分4)的面積決定了該增強器可以將多大面積上的太陽光收集到光伏 電池表面，也就是聚光度。而部分3的尺寸(邊長和角度)與部分2的厚度會 影響光波在該結構中的傳輸角度，最終影響傳播到出光面的光波數量，即收光 效率。
圖2所示為增強器結構的放大示意圖，現在結合圖l說明太陽光在增強器 的光學平板中如何實現聚光傳輸及其原理。首先，太陽光從不同的角度i通過 入光平面(部分l)進入光學透明平板材料(部分二)，入射光經過折射后，以 入射角i，入射到該結構底面的微型反射凹槽(部分3),發生反射，反射后的 光波到達光學平板與空氣的交界處(即入光平面)時，如果入射角6滿足全反 射公式
sin""1
(8) 其中，n,為空氣的折射率，112為光學透明平板材料的折射率 則在介質表面處發生全反射，繼續向前進方向傳播，并以新的入射角度入射到 平板底面的其他微型反射凹槽。如此循環，直至光線最終通過出光面(圖中示 意為光學平板的側面)，照射在光伏電池的表面。最后，通過下面的^^式，計算 出該增強器的光線匯聚度
匯聚度=&><;7.
& ( 9 )
其中，S!為入光面面積，S4為出光面面積，T7為收光效率
當出光平面(部分4)的寬度和入光平面(部分l)的寬度是相同時，上面
的公式(9)可以筒化為
匯聚度4" (10) 其中，Z為增強器的上表面的長度， 〃為增強器的厚度，/;為收光效率
分析得知，要增加光線的匯聚度，就要提高光波在結構中的傳輸效率以及 出光平面與入光平面面積的比值。在將來的實現中，光學平板(部分2)可以 使用其他不同的高折射率材料(折射率大于1.4)，以增大空氣與光學平板之間 的折射率對比度，有利于增加光波導中發生的全反射，提高光波導中的傳輸效 率 7 ;同時，還要合理地設計微型反射凹槽(部分3)的尺寸和光學平板(部 分2)的厚度，使其互相匹配，從而增加收光;;。在工藝可以實現的水平上，可 以適當的增加增強器的長度，減少光波導的厚度，從而提高長度與厚度的比值， 實現更高的匯聚本發明具有以下優點
(1) 本發明所涉及的光線增強器具有很高的匯聚比。
(2) 本發明所涉及的光線增強器采用了平板式結構，其平板結構厚度很低，通 常在幾個毫米甚至更輕薄。
(3) 本發明所涉及的光線增強器由于釆用了平板式結構，可以很容易的進行擴 展，從而可以通過調節收光面積，提高聚光比。
(4) 本發明所涉及的光線增強器的平板制作工藝成熟，成本低廉，易于實現。
(5) 本發明所涉及的光線增強器，應用范圍廣，由于其結構特殊，可以在航空 航天，空間探測器等設備上使用。
圖1:光伏電池增強器的結構示意圖，其中l為入光平面；2為光學透明平 板；3為基于微棱鏡結構的反射凹槽；4為出光平面；5為條狀光伏電池陣列 圖2:太陽光在增強器的光學平板中傳播 圖3:增強器的外觀尺寸(40mm X 30mm X 5腿) 圖4:微棱鏡反射結構的尺寸與角度 圖5:收光效率;;與入射角度/的關系
具體實施例方式
圖3表示了上層入光平面(部分1)和光學透明平板材料(部分2)及下 層出光平面(部分4)和平板底面微棱鏡反射結構(部分3)組成的一個光伏電 池光線增強器。其外型尺寸為40咖長，30mm寬，5mm厚，外部介質為空氣 (R.I.=1.00入-570nm)，內部介質由BK7玻璃材津十的光學平板組成(R. I. =1. 52 入-570nm)。光波的輸入傳播方向是z軸，輸出傳播方向為y軸。
這個平板式光線增強器的工作過程已經通過微棱鏡結構進行說明。首先， 光波經過入光平面(部分1)進入光學透明平板材料(部分2)，在平板底面的 微棱鏡凹槽結構(部分3)處發生反射，反射的光線又在光學平板與空氣的交 界面處發生全反射，最后經過出光平面(部分4)照射在光伏電池表面，實現 光線的增強: " 、" _、'"、、 、
還要在光學平板中發生全反射實現傳播，為了使平板底面反射的光波在傳播過 程中盡可能的滿足全反射條件，這里采用光學系統仿真軟件，對上述結構進行
了仿真設計與計算，設計出微型凹槽的尺寸與角度，如圖4所示。
經研究發現，由于微型凹槽的邊長不等，所以對于不同角度入射的光線， 其反射角度也不盡相同，從而使得光的傳輸效率產生差異。從圖5中可以看出， 對于該結構，在光波入射角不大于0°的方向上，該增強器的收光效率要略高 于入射角為正方向上的收光效率。這就說明增強器的收光效率與入射光線的角
6度有著密切的關系。
圖5所示為太陽光從不同的角度入射時增強器收光效率的分布圖，其中 角度的方向參考圖2
在實驗數據的基礎上，結合公式可以計算出這個增強器對于光線的匯聚程 度，例如，入射光角度為0° (即光波為垂直入射)時，光線的匯聚程度為 (40mm/5咖)x52. 7% = 4. 216倍。
權利要求
1.一個基于微棱鏡結構的平板式光伏電池光線增強器，太陽光線照射在平板結構的上表面(即入光平面)進入平板結構，在結構底面的微棱鏡反射結構處發生反射，經平板內部傳播至上表面，滿足全反射條件的光線將繼續在平板內部傳播，直至光線最終到達位于平板結構側面的出光平面，并照射在光伏電池表面，從而使光線得到增強。
2. 權利要求l中所述的光線增強器結構中，入光面是位于平板結構上表面 的一個平面，光線在結構內傳播過程中會在改表面出發生全反射，有效的將光 線控制在波導內部。
3. 權利要求l中所述的光線增強器結構中，底面由若干個連續的微棱鏡結 構反射面構成。該結構可以改變入射光的傳播方向，使其更加趨于水平，并通 過在兩側的出光面照射在光伏電池的表面。
4. 權利要求1中所述的光線增強器結構中，光學平板材料為高折射率材料 (折射率大于1.4)，材料光學透明，且與空氣具有折射率的高對比度，從而確保了光波在平板內部的全反射傳播。
5. 權利要求1中所述的光線增強器結構中，出光面是位于平板結構側面的 平面，其面積應當遠小于入光平面面積，從而保證很高的幾何壓縮比。
6. 權利要求l中所述的光線增強器結構中，微棱鏡結構反射的光線角度應 盡可能的滿足其在平板上表面出發生全反射所需要的條件。因此光學平板的厚 度要和微棱鏡結構的尺寸相匹配，以保證光線在±20°范圍內入射時達到全反 射。
全文摘要
一種基于微棱鏡結構的平板式光伏電池光線增強器，該光線增強器由一個透明的光學平板構成，其上表面為一個平面，作為入光平面(部分1)，底面由若干個連續的微型棱鏡結構(部分3)構成，并鍍有高反射膜。從而將從不同角度入射到該結構入光平面的光線通過光學平板(部分2)收集并傳播到出光平面(部分4)，照射在光伏電池(部分5)表面，實現光伏電池接收光線的增強。該結構能夠有效的提高光伏電池的效率。
文檔編號G02B6/00GK101493542SQ20081005686
公開日2009年7月29日 申請日期2008年1月25日 優先權日2008年1月25日
發明者劉建勝, 揚 張, 徐曉萍, 昕 李, 樊惠隆, 譚鈞戈, 錚 鄭 申請人:北京航空航天大學