CN102770788A - 用于会聚太阳能电池的菲涅耳蝇眼微透镜阵列 - Google Patents

Abstract

提出了光学元件、会聚光伏装置和形成光学元件的方法。光学元件包括：透明材料，包括第一表面和与第一表面相对的第二表面。第一表面具有菲涅耳透镜，第二表面具有与菲涅耳透镜相对应的多个微透镜。第一表面和第二表面之一配置用于接收光。光学元件配置为使得通过光学元件的光经由多个微透镜而被分离为多个子束。菲涅耳透镜具有高度，其中在菲涅耳透镜的高度下，使得通过光学元件的光的至少两个不同波长的衍射效率最大化。

Description

用于会聚太阳能电池的菲涅耳蝇眼微透镜阵列

相关申请的交叉引用

本申请涉及并且要求2010年12月1日递交的题为“用于会聚太阳能电池的菲涅耳蝇眼微透镜阵列(FRESNEL-FLY’S EYE MICROLENSARRAYS FOR CONCENTRATING SOLAR CELL)”的美国临时申请No.61/418,545的优先权，其内容合并在此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种会聚光伏(PV)装置，更具体地涉及一种用于PV电池的会聚光学器件，所述会聚光学器件具有菲涅耳透镜和微透镜阵列，被优化以为两个或更多波长的光提供低色散和均匀化。

背景技术

光伏(PV)电池(例如太阳能电池)是将光(例如太阳辐射)转换为电能的装置。通常，PV电池由为匹配光谱而选择的一种或多种光吸收材料构成。多结PV电池可以用多种材料形成，其中每一种材料配置用于吸收不同波长段的光，使得可以吸收几乎全部太阳光谱。例如，传统的三结光伏电池可以包括中心波长在0.5μm、0.8μm和1.3μm左右的三个波长段，并且可以覆盖太阳光谱的一大块区域(例如，从约300nm到约1600nm)。因为三结PV电池制造昂贵，希望在操作这种电池时将太阳辐射尽可能的集中。

已知将会聚光学器件用于PV电池，以进行光收集和会聚。会聚光学器件可以增加PV电池的能量转换效率。需要改进会聚光学器件，以实现高效率且紧凑的光会聚系统，且在太阳光谱上具有低色散。

发明内容

本发明涉及一种光学元件。光学元件包括透明材料，透明材料包括第一表面和与第一表面相对的第二表面。第一表面具有菲涅耳透镜，而第二表面具有与菲涅耳透镜相对应的多个微透镜。第一表面和第二表面之一配置用于接收光。该光学元件配置为使得通过光学元件的光经由多个微透镜而被分离为多个子束。菲涅耳透镜具有高度，在菲涅耳透镜的高度下，使得通过光学元件的光的至少两个不同波长的衍射效率最大化。

本发明还涉及一种会聚光伏(PV)装置。该会聚PV装置包括至少一个会聚透镜，所述会聚透镜配置用于接收光、并且将通过相应会聚透镜的光分离为多个子束。每一个会聚透镜包括具有菲涅耳透镜的第一表面和与第一表面相对的第二表面。第二表面具有多个微透镜。菲涅耳透镜具有高度，在菲涅耳透镜的高度下，使得通过会聚透镜的光的至少两个不同波长的衍射效率最大化。该会聚PV装置还包括与所述至少一个会聚透镜相对应的至少一个PV电池，配置用于接收相应的多个子束。

本发明还涉及一种形成光学元件的方法。该方法包括：在波长段内选择至少两个不同的波长；确定菲涅耳透镜高度以使得选定的不同波长的衍射效率最大化；以及在透明材料的表面上形成具有所述菲涅耳透镜高度的至少一个菲涅耳透镜。

附图说明

当结合附图阅读时，根据以下详细描述可以理解本发明。应该强调的是：根据一般惯例，附图中的各个特征不一定按比例绘制。相反，为清楚起见，各个特征的尺度可能任意放大或缩小。此外，在附图中，共同的参考数字用于表示类似的特征。附图包括以下各图：

图1是作为太阳辐射波长的函数的示例辐射能(radiance)光谱；

图2是根据本发明示例实施例的会聚PV装置的截面图；

图3A是根据本发明示例实施例的、图2所示的会聚PV装置中使用的会聚透镜的顶部平面视图；

图3B是根据本发明示例实施例的、图3A所示的会聚透镜的底部平面视图；

图3C是根据本发明示例实施例的、图3A所示的会聚透镜的截面图；

图3D是根据本发明示例实施例的、图3C所示的会聚透镜的一部分的截面图，示出了该会聚透镜中所包括的菲涅耳透镜的高度；

图4是根据本发明另一示例实施例的会聚PV装置的截面图；

图5是示出了根据本发明示例实施例的形成光学元件的方法的流程图；

图6是针对各种太阳辐射波长的作为菲涅耳透镜高度函数的示例相位延迟；

图7是根据本发明示例实施例的、针对图6所示太阳辐射的三个波长的组合、作为菲涅耳透镜高度的函数的示例平方误差和相位延迟；

图8是根据本发明示例实施例的、针对优化了衍射效率的菲涅耳透镜高低以及针对没有优化的衍射效率的、作为波长函数的示例衍射效率；

图9A、9B和9C是示出了根据本发明实施例的、通过示例会聚透镜引导至目标区域的各种光波长的示例射线轨迹图；

图9D、9E、9F、9G、9H和9I是根据本发明实施例的示例光斑图，示出了分别在图9A、9B和9C中所示的各个光波长在目标区域上的分布；

图10A、10B和10C是根据本发明实施例的、针对分别在图9A、9B和9C中所示的各种光波长、作为目标区域上的坐标值的函数的示例辐照度等值线图；

图10D、10E和10F是根据本发明实施例的、分别在图10A、10B和10C中所示的辐照度等值线的二维示例截面图；

图11A是根据本发明另一示例实施例的会聚PV装置的顶部平面视图；

图11B是根据本发明示例实施例的、图11A所示的会聚PV装置的底部平面视图；

图11C是根据本发明示例实施例的、图11A所示的会聚PV装置的截面图；以及

图12是示出了根据本发明实施例的、通过示例会聚透镜引导至目标区域的多个光波长的示例射线轨迹图。

具体实施方式

如图1所示，太阳光谱横跨大范围的波长，从可见光到红外光(例如，从约350nm到约2350nm)。如上所述，传统的多结PV电池设计用于将太阳光谱的大部分转换为电能。多结PV电池可以与传统会聚光学器件一起使用，来改进PV电池的转换效率。然而，传统的光学器件(例如折射光学器件、反射光学器件和衍射光学器件)典型地是针对单色光(即单一波长)优化的。对于该单一波长附近小范围的波长，传统的会聚光学器件仍然可以操作而没有严重偏差。然而对于大范围的波长(例如太阳光谱)，传统的会聚光学器件可能经受色散(即，不同的波长具有不同的焦距)。

例如，传统衍射光学器件典型地具有负色散，其中较短的波长聚焦到较远的焦点，而较长的波长聚焦到较近的焦点(例如，红光可能比蓝光衍射地更多)。传统的折射光学器件典型地具有正色散，其中较长的波长聚焦到较远的焦点，而较短的波长聚焦到较近的焦点(例如，蓝光可能比红光衍射地更多)。相比于由折射光学器件造成的色散，由衍射光学器件造成的色散可能更成问题，这是因为传统衍射光学器件提供的光功率典型地比折射光学器件高出约10倍。

如图1所示，太阳辐射在光谱上具有非均匀的辐照度(irradiance)。为了改进PV电池的光电转换效率，典型地希望在PV电池上提供均匀的辐照度(即，均匀化)。然而，诸如传统菲涅耳透镜之类的传统会聚光学器件不能提供针对太阳光谱所有波长的均匀化。

光均匀化的一种传统方法是蝇眼(fly’s eye)系统，包括蝇眼透镜阵列和场镜(field lens)。在传统蝇眼系统中，阵列中每一个微透镜将准直的子束聚焦到场镜的表面上。场镜重新准直子束，使得将重新准直的子束在像平面上叠加。按照这种方式，可以获得平均和均匀化的光分布。然而，因为太阳辐射是非相干光，由于阵列和场镜之间所要求的距离，传统的蝇眼系统可能不适用于会聚PV装置。例如，对于非相干光，蝇眼透镜阵列和场镜之间的距离趋向于较长(例如，长度约20mm)。因此，利用传统的蝇眼系统可能难以形成紧凑的会聚PV电池。

参考图2，示出了根据本发明实施例的示例会聚PV装置200(这里也称作装置200)的截面图。装置200可以包括会聚透镜202和PV电池204(与会聚透镜202间隔开)。PV电池204可以包括能够将光210的太阳光谱的至少一部分转换为电能的任意合适PV电池，包括单结和多结型PV电池。如以下参考图3A-3D进一步所述，会聚透镜202可以配置用于针对太阳光谱内的多个光波长提供均匀化、聚焦和低色散。

在操作时，光210(例如，具有太阳光谱的太阳辐射)由会聚透镜202的第一表面206接收，并且经由第二表面208分为多个子束212。会聚透镜202可以配置用于将子束212叠加到PV电池204上。PV电池204可以将叠加的子束212转换为电能。

接下来参考图2和图3A-3D，进一步描述会聚透镜202。具体地，图3A是会聚透镜202的顶部平面视图，示出了第一表面206；图3B是会聚透镜202的底部平面视图，示出了第二表面208；图3C是会聚透镜202的截面图；以及图3D是第一表面206的一部分的截面图，示出了菲涅耳透镜302的优化菲涅耳透镜高度(d_OPT)。

会聚透镜202的第一表面206可以包括弯曲(球面或非球面)，使得可以将光210折射并且聚焦到PV电池204上。因此，第一表面206(即折射表面)的弯曲与在蝇眼系统中使用的场镜类似地起作用。第二表面208可以包括多个微透镜304，设置为蝇眼透镜阵列，配置用于将光210分为与微透镜304的个数相对应的多个子束212。(经由第一表面206的弯曲)将子束212叠加到PV电池204上。

通常，每一个微透镜304是一个小折射透镜(例如，具有小于约1.5mm的直径)，使得每一个微透镜304的直径小于会聚透镜202的直径。每一个微透镜304的凸面可以是球面或非球面的。在美国专利No.6,741,394中描述了微透镜的示例，其合并在此作为参考。

微透镜304配置用于提供光的均匀化。可以将子束212(通过第一表面206)聚焦到第二表面208和PV电池204之间的位置(即在PV电池204前面)，使得可以将来自子束212的反转图像叠加到PV电池204上。因为将每一个子束212聚焦到PV电池204的前面，每一个子束212发散，从而在PV电池204的表面上产生扩展的区域，而不是聚焦光斑。可以将子束212在PV电池204上近似相同的位置处叠加，以产生预定大小的均匀化辐射，使得(PV电池204上的)整个图像变成平均并且均匀化的照射(即均匀的强度分布)。

第一表面206也包括菲涅耳透镜302。菲涅耳透镜302是以菲涅耳透镜高度d_OPT配置的折射光学器件，以抵消来自太阳光谱内至少两个光波长的色散。如下面参考图5进一步所述，确定菲涅耳透镜高度d_OPT以使得太阳光谱内至少两个不同光波长的衍射效率最大化。因此，可以选择菲涅耳透镜高度d_OPT以在较宽范围的太阳光谱上补偿色散。

因为第一表面206包括弯曲，第一表面206(和微透镜304)用作折射透镜，并且可以包括正色散。相反，菲涅耳透镜302(衍射光学器件)包括负色散。利用菲涅耳透镜302的少量光学相位可以补偿来自(弯曲的)第一表面206以及(第二表面208上的)微透镜304的任意球面表面的正色散。

可以基于光栅方程来解释衍射光学器件的色散：

psin(θ)＝mλ                       (1)

其中p、θ、m和λ分别代表光栅周期、衍射角度、衍射级和波长。如方程(1)所示，衍射角度θ与波长λ近似成正比。衍射角度和波长之间的这种线性关系可以产生较大的色散。

相反，针对折射透镜(例如第一表面206)的折射角度由斯涅耳定律确定。波长与折射角度的相关性由透镜材料色散(即，折射率作为波长的函数)确定，透镜材料色散典型地是缓变函数(slowly varyingfunction)。因此，对于折射透镜，波长变化可能只产生折射角度的较小差别。因此，利用菲涅耳透镜302的少量光学相位可以补偿来自折射表面的正色散。然而，选择菲涅耳透镜高度d_OPT以便获得针对太阳光谱上选定波长的高衍射效率。

会聚透镜202可以由具有折射率(n)的透明材料构成。这里所使用的词语“透明”意思是在太阳辐射光谱内的波长处基本上光学透射。会聚透镜202可以由任意合适的透明材料构成，例如石英、BK7、蓝宝石和其他光学级玻璃(optical grade glass)以及诸如丙烯酸和聚碳酸酯之类的透明塑料材料。例如，在耐久性方面，(ZEON化学制造的)

是一种适用于紫外(UV)和紫外-蓝光波长的塑料材料

会聚透镜202可以包括任意合适个数的微透镜304用于均匀化。根据示例实施例，微透镜304的个数可以包括每行约10至约100个之间(以形成约10x 10微透镜304到约100x100微透镜304之间的相应阵列)。微透镜304的直径可以包括用于形成子束212的任意合适直径。根据示例实施例，微透镜304的直径范围可以在约0.15mm至约1.5mm之间。会聚透镜202的总厚度(即第一表面206和第二表面208之间的厚度)可以包括任意合适的厚度。根据示例实施例，会聚透镜202的厚度可以包括在约1mm至约10mm之间。第一表面206的弯曲可以包括任意合适的弯曲，以聚焦到PV电池204上。应该理解的是，第一表面206的弯曲、菲涅耳透镜302和微透镜304可以配置用于考虑入射光210的发散角和会聚角(典型地约0.3°)。

尽管图2图示了配置有第一表面206的会聚透镜202，其中第一表面206定位用于接收光210，但是会聚透镜202不局限于这种结构。参考图4，示出了根据本发明另一示例实施例的会聚PV装置200’的截面图。装置200’与装置200(图2)类似，不同之处在于将会聚透镜202定位为在第二表面208处接收光210，并且(经由微透镜304)从第一表面206提供子束212。第一表面206可以包括弯曲，使得子束212会聚并且叠加到PV电池204上。

接下来参考图5，示出了形成光学元件(例如图2的会聚透镜202)的示例方法。图5中所示的步骤表示本发明的示例实施例。应该理解的是，可以按照与所示不同的顺序执行某些步骤。

在步骤500，选择太阳光谱内的至少两个光波长。例如，可以基于太阳辐射的大气吸收(即如图1所示)和/或能够由PV电池204(图2)吸收并转换为电能的光波长段(或者多个波长段)，来确定选定的波长。例如，如果PV电池204(图2)是三结PV电池，可以选择三个波长(例如，0.5μm、0.8μm和1.3μm)，与三结PV电池吸收的波长段相对应。

在步骤502-506，确定针对所选择的波长而最大化的衍射效率

对于单独的波长，当相位延迟(phase retardation)(φ)是2π时(即最大相位延迟)，可以使得衍射效率最大化。针对非优化菲涅耳透镜高度(d)和波长λ处第m级衍射的相位延迟φ如下给出：

$\mathrm{\φ}(d,\mathrm{\λ})=\frac{2\mathrm{\πd}(n\left(\mathrm{\λ}\right)-1)}{\mathrm{m\λ}}---\left(2\right)$

相位延迟φ表示展开的相位延迟。褶合的相位延迟(φ_F)(即折叠到2π的范围内)由下式给出：

${\mathrm{\φ}}_F(d,\mathrm{\λ})=\mathrm{mod}(\frac{2\mathrm{\πd}(n\left(\mathrm{\λ}\right)-1)}{\mathrm{m\λ}},2\mathrm{\π})---\left(3\right)$

其中mod(*)表示模数(即提取余数的函数)。

参考图6，示出了针对波长602、604和606的相位延迟(以弧度为单位)相对于非优化菲涅耳透镜高度d变化的示例。在该示例中，菲涅耳透镜由

构成，并且波长602、604和606分别表示选定的波长0.5μm、0.8μm和1.3μm。通常，当相位延迟φ(或者φ_F)是2π的整数倍时(等式(2))(或者在等式(3)中是0或2π时)，传统菲涅耳透镜的衍射效率得以最大化。如图6所示，对于单独的波长(例如波长602)，存在提供最大衍射效率的多个非优化菲涅耳透镜高度d。然而，使针对波长602的衍射效率最大化的非优化菲涅耳透镜高度不同于使针对波长604和606中每一个的衍射效率最大化的非优化菲涅耳透镜高度。因此，针对波长602、604、606之一选择非优化菲涅耳透镜高度不能提供针对所有选定波长602、604、606的最大衍射效率。

再参考图5，在步骤502时，在菲涅耳透镜高度范围上，针对每一个选定的波长，确定与最大相位延迟的偏差。在步骤504，针对所有选定的波长，确定所述偏差(步骤502)的平方误差(square error)之和。这里称为平方误差(SE)函数的平方误差之和如下给出：

$\mathrm{SE}\left(d\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\min ({\mathrm{\φ}}_F(d,{\mathrm{\λ}}_i),2\mathrm{\π}-{\mathrm{\φ}}_F(d,{\mathrm{\λ}}_i))\right)}^2---\left(4\right)$

其中，N表示选定波长的个数，以及函数MIN(A，B)表示为：

$\min (a,b)=\left\{\begin{array}{cc}a,& a\≤b\\ b,& a>b\end{array}\right.---\left(5\right)$

在等式(4)中，项(2π-φ_F(d，λ_i))表示针对每一个选定波长λ_i、与最大相位延迟的偏差(步骤502)，以及项

表示针对所有选定波长的偏差的平方误差之和(步骤504)。在步骤506，从SE函数(步骤504)中选择最小值作为优化的菲涅耳透镜高度d_OPT。

发明人已经发现：当选择来自SE函数的最小值作为优化的菲涅耳透镜高度d_OPT时，获得了令人惊讶的结果。即，具有d_OPT的菲涅耳透镜针对太阳光谱的所有选定波长具有高衍射效率。相反，如果在不考虑针对所有选定波长的相位延迟的情况下选择菲涅耳透镜高度，则菲涅耳透镜具有低衍射效率。参考图7，示出了示例SE函数相对于菲涅耳透镜高度的变化。在图7中，示例菲涅耳透镜由

构成，并且选定的波长是图6的那些波长(0.5μm、0.8μm和1.3μm)。如图7所示，SE函数包括多个局部最小值和全局最小值。这些最小值中的每一个均表示针对所有选定的波长与最大相位延迟(即2π)的最小均方偏差。例如，局部最小值702和704分别表示3.0μm和4.9μm的菲涅耳透镜高度。全局最小值706表示7.9μm的菲涅耳透镜高度。

因此，可以选择SE函数的任一最小值，以使得所有选定波长的衍射效率最大化。菲涅耳透镜的最高衍射级的衍射效率(DE)相对于波长的函数可以表示为：

$\mathrm{DE}(d,\mathrm{\λ})=\sin c^2\mathrm{\π}(\frac{d(n\left(\mathrm{\λ}\right)-1)}{\mathrm{\λ}}-m)---\left(6\right)$

等式(6)中的衍射效率(DE)可以用于(在等式(4)的SE函数的最小值当中)选择优化菲涅耳透镜高度d_OPT，优化菲涅耳透镜高度d_OPT在保持实际可行菲涅耳透镜高度的同时，提供针对所有选定波长的合适衍射效率。

参考图8，示出了针对优化菲涅耳透镜高度(曲线802、804、806)和非优化菲涅耳透镜高度(曲线808)的示例衍射效率(使用等式(6))。曲线802、804和806表示3.0μm、4.9μm和7.9μm的相应优化菲涅耳透镜高度(如以上参考图7所确定的)。曲线808表示3.6μm的非优化菲涅耳透镜高度。(与相应的选定波长0.5μm、0.8μm和1.3μm相关联的)区域810、812和814表明(针对优化菲涅耳透镜高度的)曲线802、804和806提供与(针对非优化菲涅耳透镜高度的)曲线808相比较高的衍射效率。以下所示的表1进一步总结了针对示例的三种选定波长的衍射效率(DE)、衍射级数(级数)和优化菲涅耳透镜高度。

表1

因此，如表1所示，最小值(局部最小值和全局最小值)提供针对多个规定波长的高衍射效率。高衍射效率意味着可以将选定波长的大部分衍射光限制到所设计的目标区域，以便在PV电池204上提供均匀的照明(图2)。

如表1所示，全局最小值(即该示例中的7.9μm)提供最高的衍射效率。然而，应该理解的是，可以选择局部最小值(即，如果全局最小值产生不切实际的高度)。例如，如果菲涅耳透镜高度太高，菲涅耳透镜可能产生遮蔽效应，这可能产生不希望的杂散光。另外，不同的最小值可以提供针对具体带宽的较优衍射效率。例如，对于3μm的菲涅耳透镜高度，0.5μm-0.56μm、0.66μm-0.86μm和1.2μm-1.3μm的波长范围产生大于80％的衍射效率，其实质上可以匹配由PV电池204(图2)的吸收段(或者多个吸收段)修改的有效太阳光谱。

再参考图5，在步骤508，透明材料的第一表面(例如，图2所示的第一表面206)形成为具有弯曲，用于所需的聚焦。在步骤510，在第一表面上形成菲涅耳透镜，具有优化菲涅耳透镜高度d_OPT(步骤506)。例如，将菲涅耳透镜302形成到第一表面206(图2)上。在步骤512，在材料的第二表面(例如，图2所示的第二表面208)上形成多个微透镜，以形成光学元件(例如图2所示的会聚透镜202)。例如，微透镜304可以形成到第二表面208(图2)上。例如，可以通过喷射成形(injection molding)、玻璃成形(glass molding)或光刻来执行步骤508-512。

根据另一实施例，可以在不执行步骤508和512的情况下，通过执行步骤500-506和510来形成包括菲涅耳透镜的光学元件，所述菲涅耳透镜具有优化菲涅耳透镜高度d_OPT。根据另一实施例，也可以在不执行步骤512的情况下通过执行步骤500-510来形成包括菲涅耳透镜且具有聚焦功能的光学元件，所述菲涅耳透镜具有优化菲涅耳透镜高度d_OPT。尽管图5示出了基于太阳光谱的波长选择，应该理解的是图5表示示例实施例，可以在任意合适的波长段上选择波长。

发明人对通过会聚透镜202(图2)的各种光波长的射线轨迹进行了仿真，并且检查了衍射效率和目标区域(例如PV电池204)上的照明分布。发明人发现获得了令人惊讶的结果。即，甚至对于略微会聚性的光(例如与典型太阳辐射相对应的0.3°会聚角)，会聚透镜202包括针对所有选定波长的高衍射效率，同时向目标区域提供实质上均匀的照明分布

参考图9A-10F，针对经由会聚透镜202引导到目标区域902的各种光波长，图示了示例射线轨迹仿真结果。会聚透镜202如图2所示设置，具有配置用于接收光的第一表面206和定位用于将子束引导至目标区域902的第二表面208。为了方便起见，在图9A-9C中，未示出第一表面206上的菲涅耳透镜302(图3C)和第二表面208上的微透镜304(图3C)。

在图9A-10F所示的示例中，会聚透镜202由

构成，并且具有15mm的直径。目标区域902是0.5mm*0.5mm。第二表面208上的每一个透镜304(图3C)具有1mm的直径，阵列中总共有15个微透镜304。针对选定的波长0.5μm、0.8μm和1.3μm来选择2.9μm的最优菲涅耳透镜高度d_OPT(如以上参考图5所述)。利用这种选定的最优菲涅耳透镜高度，第五级、第三级和第二级衍射光分别对于0.5μm、0.8μm和1.3μm波长占支配地位。对于2.9μm的d_OPT，针对0.5μm、0.8μm和1.3μm波长的计算衍射效率(等式(6))分别是97％、89％和96％。

图9A-9C分别是针对0.5μm、0.8μm和1.3μm波长的示例射线轨迹图。图9D、9F和9H分别是示出了针对完美准直光(即具有0°的发散角)的0.5μm、0.8μm和1.3μm波长在目标区域902上的分布的示例光斑图。图9E、9G和9I分别是示出了针对略微会聚的光(即具有0.3°发散角，与太阳辐射相对应)的0.5μm、0.8μm和1.3μm波长在目标区域902上的分布的示例光斑图。图9D-9I表明了目标区域902上照明分布的均匀性，并且照明被限制到目标区域902中。在图9A-9I中，尽管考虑了衍射角度，没有考虑辐照和衍射效率。射线轨迹结果基于几何光学产生。

图10A-10C分别是在考虑辐照时针对0.5μm、0.8μm和1.3μm波长的辐照度等值线的示例曲线。图10D、10E和10F分别示出了图10A、10B和10C中所示辐照度等值线的二维示例截面图。在图10A-10F中，没有考虑衍射效率。图10A-10F中所示的结果基于蒙特卡洛方法产生。图10A-10C也表明了目标区域902上照明分布的均匀性，并且照明被限制在目标区域902中。

再参考图2，会聚透镜202表示能够在PV电池204上产生均匀照明且针对多个选定波长产生最小色散的单片透镜，选定波长可以与PV电池204的一个或多个吸收段相关联。会聚透镜202可以具有减小的生产成本，并且可以紧凑地形成，同时仍然提供在PV电池204上聚焦的均匀强度分布。

尽管图2-5描述了单独的会聚透镜202，但是也可以形成会聚透镜202的阵列。接下来参考图11A-11C，示出了会聚PV装置1100(这里称作装置1100)。具体地，图11A是装置1100的顶部平面视图，示出了会聚透镜阵列1102(这里称作阵列1102)的第一表面1104；图11B是装置1100的底部平面视图，示出了阵列1102的第二表面1106和相应的PV电池204；以及图11C是装置1100的截面图。

阵列1102包括多个会聚透镜202。PV电池204可以与相应的会聚透镜202相关联。每一个会聚透镜202可以包括阵列1102的第一表面1104上的菲涅耳透镜302和阵列1102的第二表面1106上的多个微透镜304。可以如以上参考图5所述形成阵列1102，使得每一个菲涅耳透镜302具有优化菲涅耳透镜高度d_OPT。

接下来参考图12，描述会聚透镜202的设计示例。图12是示出了通过会聚透镜202引导至目标区域1202的波长0.5μm、0.8μm和1.3μm的示例射线轨迹图。会聚透镜202如图2所示设置，第一表面206配置用于接收光，而第二表面208定位用于将子束引导至目标区域1202。为了方便起见，在图12中，未示出第一表面206上的菲涅耳透镜302(图3C)和第二表面208上的微透镜304(图3C)。

在图12所示的示例中，会聚透镜202由BK7构成，并且具有4.9μm的最优菲涅耳透镜高度d_OPT。对于4.9μm的d_OPT，针对0.5μm、0.8μm和1.3μm波长的计算衍射效率(等式(6))分别是100％、99％和97％。

在以下等式(7)中示出了作为瞳孔(pupil)坐标(r)函数的非球面表面公式：

$\begin{array}{c}S\left(r\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+A_2{r}^2+A_4{r}^4+A_6{r}^6+A_8{r}^8+A_{10}{r}^{10}+\\ +A_{12}{r}^{12}+A_{14}{r}^{14}+A_{16}{r}^{16}\end{array}---\left(7\right)$

在等式(7)中，r表示第一表面206的折射表面的表面垂度(surface sag)。可以将表面垂度r定义为透镜位置相距基准点(例如球面曲线)的高度。项c表示曲率，其等于曲率半径R的倒数(即，c＝1/R)。项k表示二次曲线常数。等式(7)中的其余项表示高阶多项式非球面项，其中A表示针对每一高阶项的系数。

下面所示的表2A和2B总结了针对会聚透镜202的示例设计的等式(7)的系数。在表2A和2B中，第一行表示第一表面206的基础曲率的系数。第二行表示第一表面206上菲涅耳透镜302(图3C)的相位函数(即相位延迟φ)的系数。以上参考等式(2)和(3)描述了相位延迟和菲涅耳透镜高度之间的关系。第三行表示第二表面208上的单一微透镜(图3C)的系数。因为微透镜304在平面表面上制造，所以第二表面208上不存在基础曲率。

表2A

表2B

尽管这里参考具体的实施例说明和描述了本发明，本发明并非意欲局限于所示的细节。相反，可以在权利要求的范围及其等价范围之内并且不脱离本发明的情况下进行细节上的各种修改。

Claims (24)

1.一种光学元件，包括：

透明材料，所述透明材料包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面具有菲涅耳透镜，所述第二表面具有与所述菲涅耳透镜相对应的多个微透镜；

所述第一表面和所述第二表面之一配置用于接收光，所述光学元件配置为使得通过光学元件的光经由所述多个微透镜而被分离为多个子束；以及

所述菲涅耳透镜具有高度，其中在所述菲涅耳透镜的高度下，使得通过光学元件的光的至少两个不同波长的衍射效率最大化。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述菲涅耳透镜的高度配置为针对所述至少两个不同波长同时使得与最大相位延迟的偏差的误差最小化。

3.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述菲涅耳透镜配置为补偿所述第一表面或所述第二表面的至少一个导致的色散。

4.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述光包括太阳辐射。

5.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述菲涅耳透镜包括多个菲涅耳透镜。

6.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述第一表面包括折射表面。

7.根据权利要求6所述的光学元件，其中所述折射表面配置用于在预定的位置处叠加所述多个子束。

8.根据权利要求7所述的光学元件，其中所述多个微透镜配置为在所述预定的位置处产生均匀的光分布。

9.一种会聚光伏PV装置，包括：

至少一个会聚透镜，所述会聚透镜配置用于接收光、并且将通过相应会聚透镜的光分离为多个子束，每一个会聚透镜包括：

第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面具有菲涅耳透镜，所述第二表面具有多个微透镜；

所述菲涅耳透镜具有高度，其中在所述菲涅耳透镜的高度下，使得通过所述会聚透镜的光的至少两个不同波长的衍射效率最大化；以及

与所述至少一个会聚透镜相对应的至少一个PV电池，所述至少一个PV电池配置用于接收相应的多个子束。

10.根据权利要求9所述的会聚PV装置，其中对于每一个会聚透镜，所述菲涅耳透镜的高度配置为针对所述至少两个不同波长同时使得与最大相位延迟的偏差的误差最小化。

11.根据权利要求9所述的会聚PV装置，其中对于每一个会聚透镜，所述至少两个不同的波长与相应PV电池的一个或多个波长吸收段相对应。

12.根据权利要求9所述的会聚PV装置，其中每一个会聚透镜配置为经由所述第一表面接收光。

13.根据权利要求9所述的会聚PV装置，其中每一个会聚透镜配置为经由所述第二表面接收光。

14.根据权利要求9所述的会聚PV装置，其中所述至少一个会聚透镜包括多个会聚透镜，并且所述至少一个PV电池包括多个PV电池。

15.根据权利要求9所述的会聚PV装置，其中对于每一个会聚透镜，所述菲涅耳透镜配置用于补偿由所述第一表面或所述第二表面的至少一个导致的色散。

16.根据权利要求9所述的会聚PV装置，其中对于每一个会聚透镜，所述第一表面配置用于将相应的多个子束叠加到相应的PV电池上。

17.根据权利要求16所述的会聚PV装置，其中对于每一个会聚透镜，所述第一表面配置用于将相应的多个子束聚焦到所述会聚透镜和所述相应的PV电池之间的位置。

18.根据权利要求16所述的会聚PV装置，其中对于每一个会聚透镜，所述多个微透镜配置用于在相应的PV电池上产生叠加的多个子束的均匀分布。

19.一种形成光学元件的方法，所述方法包括：

在波长段内选择至少两个不同的波长；

确定菲涅耳透镜高度以使得选定的不同波长的衍射效率最大化；以及

在透明材料的表面上形成具有所述菲涅耳透镜高度的至少一个菲涅耳透镜。

20.根据权利要求19所述的方法，确定所述菲涅耳透镜高度包括：

针对每一个选定的波长，确定与最大相位延迟的偏差；

针对所有选定波长，使得偏差的误差最小化；以及

从最小化的误差中选择最小值作为所述菲涅耳透镜高度。

21.根据权利要求19所述的方法，其中确定所述菲涅耳透镜高度包括：

对平方误差函数SE建模，所述平方误差函数表示针对所有选定波长与最大相位延迟的偏差的平方误差之和，所述平方误差函数SE是：

$\mathrm{SE}\left(d\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\min ({\mathrm{\φ}}_F(d,{\mathrm{\λ}}_i),2\mathrm{\π}-{\mathrm{\φ}}_F(d,{\mathrm{\λ}}_i))\right)}^2$

其中λ_i表示选定波长之一，d表示非优化的菲涅耳透镜高度，N表示选定波长的总数，min表示最小值，以及φ_F表示相应选定波长的相位延迟；

向所述平方误差SE函数应用所有选定的波长以产生至少一个最小值；以及

从所述至少一个最小值中选择所述菲涅耳透镜高度。

22.根据权利要求19所述的方法，还包括：

在所述透明材料的与包括菲涅耳透镜的表面相对的另一个表面上形成针对每一个菲涅耳透镜的多个微透镜。

23.根据权利要求19所述的方法，还包括：

针对每一个菲涅耳透镜，将所述表面形成为折射表面。

24.根据权利要求19所述的方法，其中选择所述至少两个不同波长以与光伏PV电池的一个或多个波长吸收段相对应。

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