CN102866439A - 一种基于高分子聚合物的cpv技术用梯度折射率透镜及其制备方法 - Google Patents

一种基于高分子聚合物的cpv技术用梯度折射率透镜及其制备方法 Download PDF

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马立云
崔介东
彭寿
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Abstract

一种基于高分子聚合物的CPV技术用梯度折射率透镜，所述透镜是由多层不同折射率的聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜按折射率由大到小的顺序自下向上依次排列固化而成的上底面大，下底面小的圆台或棱台；本发明通过在高分子聚合物中填充纳米硅颗粒，可以控制复合物的折射率在较大的范围渐变，且复合膜层主要基于高可见光透过率的PDMS溶液组织，膜层光学透明度很高，接近100%，比基于玻璃材料的透镜透过率更高，由此可以形成一种较为理想的以高透射光有效会聚为目的的梯度折射率透镜，由本发明制备的梯度折射率透镜，可以替代目前CPV技术中较为昂贵的对日跟踪系统，实现非跟踪聚光并高效发电的目的。

Description

一种基于高分子聚合物的CPV技术用梯度折射率透镜及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚光光伏发电技术领域，即第三代太阳能技术---CPV（Concentrated Photovoltaics）技术，本发明涉及的一种基于高分子聚合物的CPV技术用梯度折射率透镜，可用于替代CPV技术中造价高昂的对日跟踪系统，并能实现把各个入射方向的光线会聚在面积较小的III-V族化合物半导体太阳能电池上，达到非跟踪聚光并能高效发电的目的。
背景技术
聚光光伏发电是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III-V族化合物半导体太阳能电池上，从而大幅度地降低成本及昂贵的太阳电池材料用量。这种高效的太阳能电池，需要透镜或镜面将接收到的太阳能放大成百上千倍，然后将放大的能量聚焦于其上。聚光倍数越高，所需太阳电池面积越小，从而有效减少系统占地面积和降低电池成本，减少生产所需能耗；也可与太阳能的热利用系统结合使用，大大提高了对太阳能的利用效率。但CPV技术的缺点也很突出，需要人们预先对当地的光照参数进行测定，同时由于聚光电池片面积小，为了更加充分地利用太阳光，聚光光伏发电系统必须辅以精确的对日跟踪装置。传统对日跟踪系统有一维跟踪和二维跟踪，都需要复杂的机电控制系统，这就增加了系统重量，不易安装且设计维护成本较高，跟踪设备和以后的维护费用在CPV系统中占据将近70%的成本。为达到高聚光比，跟踪精度通常要求在±1°，这极大地限制了光伏发电效果，并成为束缚聚光光伏发展的主要瓶颈。为了解决这一难题，我们需要探索一种非跟踪聚光技术，在降低成本的同时能够实现高效聚光发电的目的。
发明内容
针对现有跟踪聚光发电技术的缺陷，本发明提供一种基于高分子聚合物的CPV技术用梯度折射率透镜，替代目前CPV技术中较为昂贵的对日跟踪系统，实现非跟踪聚光高效发电。    
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于高分子聚合物的CPV技术用梯度折射率透镜，其特征在于，所述透镜是由多层不同折射率的聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜按折射率由大到小的顺序自下向上依次排列固化而成的上底面大，下底面小的圆台或棱台。
所述透镜包括5～15层厚度相同、折射率不同的聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜，聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜中纳米硅颗粒浓度和粒径自下向上依次逐层减小，每一层复合膜的厚度为100～1000微米。
所述聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜中纳米硅颗粒的直径范围为20～150纳米。
 
所述聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜的折射率在1.5～2.5之间。
所述透镜的侧面覆有铝或银或金反射膜。
一种基于高分子聚合物的CPV技术用梯度折射率透镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以P型(100)单面抛光的单晶硅片作为激光脉冲液相烧蚀的硅靶，硅片厚度为300～350微米，电阻率为3～5欧姆·厘米，然后将硅片切割为2cm×2cm见方的规整方块，并用丙酮和乙醇进行超声清洗以待用；
（2）将上述清洗好的硅片即硅靶分别置于5～15个盛有聚二甲基硅氧烷PDMS的烧杯中，硅靶完全置于溶液中，溶液深度为4～8毫米，然后用XeCl准分子激光器辐射硅靶，激光束的焦点大小为2～6mm2，激光束的能量密度为20～40MW/cm2，辐照时间为30～300分钟；然后取出硅靶，即得到纳米硅颗粒悬浮于聚二甲基硅氧烷PDMS组织中的聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合溶液；
（3）选择上底面大，下底面小的圆台形或棱台形模具，将上述5～15种经不同激光辐照强度和时间的聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合溶液按纳米硅颗粒浓度和粒径从大到小的顺序自模具底部向上依次涂膜，每一膜层的厚度保持一致，为100～1000微米，涂膜中纳米硅颗粒浓度和粒径自底层向顶层依次逐级减小，底层纳米硅颗粒浓度和粒径最大，顶层纳米硅颗粒浓度和粒径最小，从而底层折射率大，顶层折射率小，涂层完成后的模具放在真空干燥箱中，加热至80～120℃并调节压强为50～1000Pa，以使聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜固化成型；
（4）在固化好聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜的模具的外壁溅射一层铝膜或银膜或金膜，用以对光线的反射，铝膜或银膜或金膜的厚度为1～5微米。
PDMS，即聚二甲基硅氧烷 ，无色透明液体，透光率～100%，折射率1.4，化学式为CH3[Si(CH3)2O] n Si(CH3)3，与硅不发生反应，稳定性好。纳米硅颗粒，折射率为3.5，通过在PDMS溶液中填充特定浓度与尺寸的纳米硅颗粒，形成PDMS/nc-Si复合膜，并可以实现对折射率的控制，可达到1.5～2.5，由此制作一种折射率梯度渐变的透镜，可以实现对入射光线由小折射率区域向大折射率区域的偏转，达到对各个方向的入射光线都能较好地会聚的目的。
本发明的有益效果：
（1）本发明通过在高分子聚合物中填充纳米硅颗粒，可以较好地控制复合物的折射率在较大的范围渐变，复合膜层主要基于高可见光透过率的PDMS溶液组织，膜层光学透明度很高，接近100%，比基于玻璃材料的透镜透过率更高，由此可以形成一种较为理想的以高透射光有效会聚为目的的梯度折射率透镜；由本发明制备的梯度折射率透镜，可以替代目前CPV技术中较为昂贵的对日跟踪系统，实现非跟踪聚光并高效发电的目的。
（2）由高分子聚合物形成的梯度折射率透镜，可以免去传统玻璃基透镜繁琐的制备工序，无需研磨、抛光等过程，节约生产成本，是一种较为理想的梯度折射率透镜。
附图说明
图1 为本发明梯度折射率透镜的结构示意图；
图中：1-聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜，2-反射膜。
具体实施方式
如图1所示，一种基于高分子聚合物的CPV技术用梯度折射率透镜包括10层不同折射率的聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜1按折射率由大到小的顺序自下向上依次排列固化而成的上底面大，下底面小的圆台或棱台，聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜中纳米硅颗粒的直径范围为20～150纳米，聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜中纳米硅颗粒浓度和粒径自下向上依次逐层减小，每一层复合膜的厚度为100～1000微米，聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜的折射率在1.5～2.5之间，透镜的侧面覆有铝或银或金反射膜2。
本发明所提供基于高分子聚合物的CPV技术用梯度折射率透镜的制备步骤包括：
1、将2cm×2cm见方的硅片在2%浓度的氢氟酸水溶中浸泡60秒，用以去除表面氧化物，然后用丙酮和无水乙醇清洗硅片，再用去离子水冲洗，最后高纯氮气吹干，作为激光脉冲轰击的硅靶；
2、将上述处理好的共10个相同的硅靶分别放置于10个含相同PDMS溶液的烧杯中，其中PDMS溶液的硅树脂和固化剂按质量比10：1混合并搅拌均匀。然后调整XeCl准分子激光器的激光参数和聚焦透镜的聚焦位置，使光束准确地聚焦于硅靶表面，其中硅靶完全浸到溶液中，且烧杯放置于XY水平平台之上，使其可以相对于激光束水平移动，以使得激光束可以在硅靶上进行扫描，对于10个硅靶，激光束的能量密度分别为30、31、32、33、34、35、36、37、38、39MW/cm2线性增加，且控制激光束的辐照时间依次增加，分别为30分钟、60分钟、90分钟、120分钟、150分钟、180分钟、210分钟、240分钟、270分钟、300分钟，激光烧蚀完成后，取出硅靶，得到10种含不同浓度和不同粒径的纳米硅颗粒的PDMS溶液；其中辐照时间最长、激光束能量最高对应的烧蚀溶液，其所含纳米硅颗粒的浓度和粒径最大，复合膜层的折射率也最高；
3、将上述10种PDMS溶液依次涂抹在上底面大，下底面小的圆台形或棱台形模具中，每一层的厚度保持一致，为0.5毫米，且由底部到顶部分别为上述硅靶材激光辐照能量密度和时间依次降低的PDMS溶液，保持底部的纳米硅颗粒浓度和粒径最大，顶部的浓度和粒径最小，从而底部折射率大，顶部折射率小；将涂抹好PDMS的模板放在真空干燥箱中，加热至100℃并调节压强为80Pa，以使PDMS固化成型。
4、在模具的外壁溅射一层铝膜，用以对光线的反射，铝膜的厚度为2微米。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种基于高分子聚合物的CPV技术用梯度折射率透镜，其特征在于，所述透镜是由多层不同折射率的聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜按折射率由大到小的顺序自下向上依次排列固化而成的上底面大，下底面小的圆台或棱台。
2.根据权利要求1所述的一种基于高分子聚合物的CPV技术用梯度折射率透镜，其特征在于，所述透镜包括5～15层厚度相同、折射率不同的聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜，聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜中纳米硅颗粒浓度和粒径自下向上依次逐层减小，每一层复合膜的厚度为100～1000微米。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于高分子聚合物的CPV技术用梯度折射率透镜，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜中纳米硅颗粒的直径范围为20～150纳米。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于高分子聚合物的CPV技术用梯度折射率透镜，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜的折射率在1.5～2.5之间。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于高分子聚合物的CPV技术用梯度折射率透镜，其特征在于，所述透镜的侧面覆有铝或银或金反射膜。
6.权利要求1～5任一所述的一种基于高分子聚合物的CPV技术用梯度折射率透镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以P型(100)单面抛光的单晶硅片作为激光脉冲液相烧蚀的硅靶，硅片厚度为300～350微米，电阻率为3～5欧姆·厘米，然后将硅片切割为2cm×2cm见方的规整方块，并用丙酮和乙醇进行超声清洗以待用；
（2）将上述清洗好的硅片即硅靶置于盛有聚二甲基硅氧烷PDMS的烧杯中，硅靶完全置于溶液中，溶液深度为4～8毫米，然后用XeCl准分子激光器辐射硅靶，激光束的焦点大小为2～6mm2，激光束的能量密度为20～40MW/cm2，辐照时间为30～300分钟；然后取出硅靶，即得到纳米硅颗粒悬浮于聚二甲基硅氧烷PDMS组织中的聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合溶液；
（3）选择上底面大，下底面小的圆台形或棱台形模具，将上述5～15种经不同激光辐照强度和时间的聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合溶液按纳米硅颗粒浓度和粒径从大到小的顺序自模具底部向上依次涂膜，每一膜层的厚度保持一致，为100～1000微米，涂膜中纳米硅颗粒浓度和粒径自底层向顶层依次逐级减小，底层纳米硅颗粒浓度和粒径最大，顶层纳米硅颗粒浓度和粒径最小，从而底层折射率大，顶层折射率小，涂层完成后的模具放在真空干燥箱中，加热至80～120℃并调节压强为50～1000Pa，以使聚二甲基硅氧烷/纳米硅PDMS/nc-Si复合膜固化成型；
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