CN101493542A - 一种基于微棱镜结构的平板式光伏电池光线增强器 - Google Patents

Abstract

一种基于微棱镜结构的平板式光伏电池光线增强器，该光线增强器由一个透明的光学平板构成，其上表面为一个平面，作为入光平面(部分1)，底面由若干个连续的微型棱镜结构(部分3)构成，并镀有高反射膜。从而将从不同角度入射到该结构入光平面的光线通过光学平板(部分2)收集并传播到出光平面(部分4)，照射在光伏电池(部分5)表面，实现光伏电池接收光线的增强。该结构能够有效的提高光伏电池的效率。

Description

一种基于微棱镜结构的平板式光伏电池光线增强器

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，具体涉及一种基于微棱镜结构的平板式光伏电池光线增强器，将太阳光通过该增强器有效的汇聚到光伏电池表面，从而提高光伏电池的效率。

背景技术

在能源问题日益突出的今天，太阳能，作为一种取之不尽、用之不竭、清洁无污染的绿色能源，对其有效开发利用已成为实现能源可持续发展的重中之重。在太阳能的有效利用当中，太阳能发电技术是近年来发展最快、最具活力的研究领域之一。

经过多年的努力，晶体硅太阳电池的实验室效率达到了24.7％，大规模生产商用产品的效率为17％以上[1，2]。尽管如此，由于受单晶硅材料价格及繁琐的加工工艺限制，致使单晶硅太阳电池成本居高不下。薄膜太阳电池也取得了令人瞩目的成就，CuInSe2和CdTe等薄膜电池的实验室效率目前分别为16.5％和18.5％[1]，虽然仍有望在效率上进一步突破，但前者稳定性差，后者又较难制作。非晶硅及氢化非晶硅的来源较广，但是转换效率较低，且大面积薄膜制作也存在价格高的问题。相比之下，GaAs基的太阳电池30％乃至更高的效率独具优势[3]，但是砷化镓的材料成本远高于硅电池的材料成本，而电池片的价格是光伏系统成本最主要的部分。因此，高额成本成为制约光伏发电大规模应用的主要障碍。

为了进一步降低光伏发电成本，减少太阳电池芯片的消耗，聚光技术是一项可行的措施，即通过采用廉价的聚光系统将太阳光会聚到面积很小的高性能光伏电池上，从而大幅度地降低系统的成本及昂贵的太阳电池材料用量[4，5]。

通过聚光来提高太阳电池效率并降低发电成本的概念是简单直接的。在聚光条件下，一方面，电池芯片单位面积接收的辐射功率密度大幅度地增加，太阳电池光电转换效率得以提高；另一方面，对于给定的输出功率，可以大幅度降低太阳电池芯片的消耗，从而降低系统的成本。

在聚光情况下，太阳电池性能的提高主要得益于电池开路电压和光生电流的提高[6，7]。首先，在非聚光条件下，太阳电池的电流-电压关系为

$V_{\mathrm{oc}}=m\frac{\mathrm{kT}}{e}\ln (\frac{I_{\mathrm{sc}}}{I_0}+1)---\left(1\right)$

或

$I=I_{\mathrm{sc}}-I_0(e^{\frac{\mathrm{meV}}{\mathrm{Kt}}}-1)---\left(2\right)$

其中V_OC为开路电压，I_SC为短路电流，I₀为暗电流，m为考虑光生载流子各种复合过程的理想因子，一般情况下，1＜m＜2。太阳电池的光电转换效率η为电池的最大输出功率与入射太阳光功率p_m的比值，可以表示为

$\mathrm{\η}=\frac{V_{\mathrm{oc}}{I}_{\mathrm{sc}}\mathrm{FF}}{P_m}---\left(3\right)$

其中FF为填充因子，它表示电池输出特性曲线的“方形”程度。

在聚光情况下，假设光生电流与太阳电池的聚光比成正比，与(1)式和(2)式对比可得到聚光太阳电池的电流-电压关系为

$\mathrm{Vocx}=\mathrm{Voc}+m\frac{\mathrm{kT}}{e}\ln X---\left(4\right)$

$I_x=x{I}_{\mathrm{sc}}-I_0(e^{\frac{\mathrm{meV}}{\mathrm{kT}}}-1)---\left(5\right)$

转换效率可表示为

$\mathrm{\η}=\frac{V_{\mathrm{oc}}{I}_{\mathrm{scx}}\mathrm{FF}}{x{P}_m}---\left(6\right)$

其中x为太阳电池的聚光比。

假定串联电阻较小，通过对太阳电池单指数模型进行数学处理，可得到聚光条件下的最大转换效率为

${\mathrm{\η}}_m=\frac{\mathrm{mK}}{e}\frac{I_{\mathrm{sc}}}{P_m}[1-\frac{\mathrm{mkT}}{{\mathrm{eV}}_{\mathrm{oc}}}][\ln (I_{\mathrm{sc}}/I_0)+\ln x]---\left(7\right)$

由(7)式可见，转换效率随着聚光比增加而呈对数型增加。

[1]GreenM A，Emery K，KingD L et al。Prog。Photovolt，2002，10：355

[2]Zhao J，WangA，Green M et al。App l。Phys。Lett。，1998，73，1991

[3]YamaguchiM。Solar EnergyMaterial & Solar Cells，2003，75：261

[4]AntonioM，Antonio L。Next Generation Photovoltaics High Efficiency through Full Spectrum Utilization。Bristol and Philadelphia：Institute of Physics Publ ishing，2002。64

[5]Rumyantsev V D et al。21th European Photovoltaic Solar Energy Conference。Dresden，2006

[6]Luque A。Solar cells and op tics for photovoltaic concentration。England：IOP Publilshing Ltd，1989。103-111

[7]MartiA，Luque A。Next Generation Photovoltaics，High Efficiency through Full Spectrum Utilization。Institute of Physics Publishing，2002，108-112

发明内容

本专利中所涉及的是基于微棱镜结构的平板式光伏电池光线增强器，该结构主要由光学透明平板材料(相对空气具有很高的折射率对比度)和微型反射凹槽组成，太阳光照射在增强器的入光面上，通过在光学平板中的传播，最终通过出光面处照射在光伏电池表面。

由于采用了微结构设计，使得增强器的入光面面积要大于出光面的面积，从而实现了对于大面积的入射光线的汇聚。

图1是这个光线增强器结构的侧视图；它阐述了这个平板式光线增强器的组成结构，它由入光平面(部分1)、透明的光学平板材料(部分2)、微棱镜反射凹槽(部分3)和出射面(部分4)组成。在具体的实现中，光学透明平板材料部分都矩形，厚度可以通过计算而改变，微反射凹槽部分是棱镜形，其边长和角度也可以改变。微棱镜结构反射的光线角度应尽可能的满足其在平板上表面出发生全反射所需要的条件。因此光学平板的厚度要和微棱镜结构的尺寸相匹配，以保证光线在±20°范围内入射时达到全反射。出光面处放置太阳能光伏电池板，用于接收增强器收集到的光线。入光平面(部分1)的面积和出光平面(部分4)的面积决定了该增强器可以将多大面积上的太阳光收集到光伏电池表面，也就是聚光度。而部分3的尺寸(边长和角度)与部分2的厚度会影响光波在该结构中的传输角度，最终影响传播到出光面的光波数量，即收光效率。

图2所示为增强器结构的放大示意图，现在结合图1说明太阳光在增强器的光学平板中如何实现聚光传输及其原理。首先，太阳光从不同的角度i通过入光平面(部分1)进入光学透明平板材料(部分二)，入射光经过折射后，以入射角i’入射到该结构底面的微型反射凹槽(部分3)，发生反射，反射后的光波到达光学平板与空气的交界处(即入光平面)时，如果入射角θ满足全反射公式

$\sin \mathrm{\θ}\≥\frac{n_1}{n_2}---\left(8\right)$

其中，n₁为空气的折射率，n₂为光学透明平板材料的折射率则在介质表面处发生全反射，继续向前进方向传播，并以新的入射角度入射到平板底面的其他微型反射凹槽。如此循环，直至光线最终通过出光面(图中示意为光学平板的侧面)，照射在光伏电池的表面。最后，通过下面的公式，计算出该增强器的光线汇聚度：

其中，S₁为入光面面积，S₄为出光面面积，η为收光效率

当出光平面(部分4)的宽度和入光平面(部分1)的宽度是相同时，上面的公式(9)可以简化为：

其中，L为增强器的上表面的长度，H为增强器的厚度，η为收光效率

分析得知，要增加光线的汇聚度，就要提高光波在结构中的传输效率以及出光平面与入光平面面积的比值。在将来的实现中，光学平板(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)，以增大空气与光学平板之间的折射率对比度，有利于增加光波导中发生的全反射，提高光波导中的传输效率η；同时，还要合理地设计微型反射凹槽(部分3)的尺寸和光学平板(部分2)的厚度，使其互相匹配，从而增加收光η。在工艺可以实现的水平上，可以适当的增加增强器的长度，减少光波导的厚度，从而提高长度与厚度的比值，实现更高的汇聚

本发明具有以下优点：

(1)本发明所涉及的光线增强器具有很高的汇聚比。

(2)本发明所涉及的光线增强器采用了平板式结构，其平板结构厚度很低，通常在几个毫米甚至更轻薄。

(3)本发明所涉及的光线增强器由于采用了平板式结构，可以很容易的进行扩展，从而可以通过调节收光面积，提高聚光比。

(4)本发明所涉及的光线增强器的平板制作工艺成熟，成本低廉，易于实现。

(5)本发明所涉及的光线增强器，应用范围广，由于其结构特殊，可以在航空航天，空间探测器等设备上使用。

附图说明

图1：光伏电池增强器的结构示意图，其中1为入光平面；2为光学透明平板；3为基于微棱镜结构的反射凹槽；4为出光平面；5为条状光伏电池阵列

图2：太阳光在增强器的光学平板中传播

图3：增强器的外观尺寸(40mm×30mm×5mm)

图4：微棱镜反射结构的尺寸与角度

图5：收光效率η与入射角度i的关系

具体实施方式

图3表示了上层入光平面(部分1)和光学透明平板材料(部分2)及下层出光平面(部分4)和平板底面微棱镜反射结构(部分3)组成的一个光伏电池光线增强器。其外型尺寸为40mm长，30mm宽，5mm厚，外部介质为空气(R.I.＝1.00λ＝570nm)，内部介质由BK7玻璃材料的光学平板组成(R.I.＝1.52λ＝570nm)。光波的输入传播方向是z轴，输出传播方向为y轴。

这个平板式光线增强器的工作过程已经通过微棱镜结构进行说明。首先，光波经过入光平面(部分1)进入光学透明平板材料(部分2)，在平板底面的微棱镜凹槽结构(部分3)处发生反射，反射的光线又在光学平板与空气的交界面处发生全反射，最后经过出光平面(部分4)照射在光伏电池表面，实现光线的增强。

由图2可以看到，光波由入射平面入射后除了会经过平板底面发生反射外，还要在光学平板中发生全反射实现传播，为了使平板底面反射的光波在传播过程中尽可能的满足全反射条件，这里采用光学系统仿真软件，对上述结构进行了仿真设计与计算，设计出微型凹槽的尺寸与角度，如图4所示。

经研究发现，由于微型凹槽的边长不等，所以对于不同角度入射的光线，其反射角度也不尽相同，从而使得光的传输效率产生差异。从图5中可以看出，对于该结构，在光波入射角不大于0°的方向上，该增强器的收光效率要略高于入射角为正方向上的收光效率。这就说明增强器的收光效率与入射光线的角度有着密切的关系。

图5所示为：太阳光从不同的角度入射时增强器收光效率的分布图，其中角度的方向参考图2

在实验数据的基础上，结合公式可以计算出这个增强器对于光线的汇聚程度，例如，入射光角度为0°(即光波为垂直入射)时，光线的汇聚程度为：(40mm/5mm)×52.7％＝4.216倍。

Claims (6)

1.一个基于微棱镜结构的平板式光伏电池光线增强器，太阳光线照射在平板结构的上表面(即入光平面)进入平板结构，在结构底面的微棱镜反射结构处发生反射，经平板内部传播至上表面，满足全反射条件的光线将继续在平板内部传播，直至光线最终到达位于平板结构侧面的出光平面，并照射在光伏电池表面，从而使光线得到增强。

2.权利要求1中所述的光线增强器结构中，入光面是位于平板结构上表面的一个平面，光线在结构内传播过程中会在改表面出发生全反射，有效的将光线控制在波导内部。

3.权利要求1中所述的光线增强器结构中，底面由若干个连续的微棱镜结构反射面构成。该结构可以改变入射光的传播方向，使其更加趋于水平，并通过在两侧的出光面照射在光伏电池的表面。

4.权利要求1中所述的光线增强器结构中，光学平板材料为高折射率材料(折射率大于1.4)，材料光学透明，且与空气具有折射率的高对比度，从而确保了光波在平板内部的全反射传播。

5.权利要求1中所述的光线增强器结构中，出光面是位于平板结构侧面的平面，其面积应当远小于入光平面面积，从而保证很高的几何压缩比。

6.权利要求1中所述的光线增强器结构中，微棱镜结构反射的光线角度应尽可能的满足其在平板上表面出发生全反射所需要的条件。因此光学平板的厚度要和微棱镜结构的尺寸相匹配，以保证光线在±20°范围内入射时达到全反射。

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