CN108511551A - 一种集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池，由上往下依次包括：透明窗口导电层、有源层和背导电电极反射层；所述透明窗口导电层的衬底表面设置有相位型菲涅尔波带片。本发明的集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池，采用微型相位式菲涅尔波带片作为聚光器，所述相位式菲涅尔波带片的直径和厚度只有亚毫米量级，同时采用集成的方式，将波带片集成在太阳能电池芯片的衬底表面，大幅度减小了聚光太阳能电池的厚度，使得聚光太阳能电池更加轻薄，便于携带和运输。
Description
技术领域
本发明聚光太阳能电池技术领域，尤其涉及一种集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池。
背景技术
作为人类生存发展的重要物质基础，能源一直是当今国际政经的关注焦点，也是制约经济社会发展的重要因素之一。传统化石燃料的枯竭以及日益严重的环境污染，迫使人们调整原有的能源结构，而清洁环保的的绿色能源成为了最佳选择，太阳能作为取之不尽用之不竭的可再生能源，凭借其普遍长久、巨大及绿色无污染等优点，成为了人们研究的热点之一。
太阳能电池是将太阳能转换为电能最直接的器件。目前，太阳能电池市场份额最大的主要是晶体硅太阳能电池，但是由于其制备工艺复杂，原料成本高，因此在民用上受到了限制。为了降低制备太阳能电池的制备成本，其他新型太阳能电池也随之发展起来，包括非晶硅太阳能电池，化合物半导体太阳能电池，有机薄膜太阳能电池，燃料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等。尽管如此，如何能够进一步提升太阳能电池光电转换效率仍然是人们研究的重点。
聚光太阳能电池是提高电池光电转换效率同时降低整体成本的措施之一。它通过聚光器使较大面积的太阳光汇聚在一个较小的范围内，增加了单位面积太阳能电池的太阳辐射强度，克服了太阳辐射能留密度低的缺陷。目前聚光太阳能电池的聚光器种类很多，根据光学原理不同可以分为折射聚光器、反射聚光器、荧光聚光器、热光伏聚光器和全息聚光器等。应用最多的是菲涅尔聚光器，分为透射型、反射型、平板型、弧形、单焦点和多焦点等。
菲涅尔聚光光伏系统主要由聚光模组、跟踪系统、储能系统和控制系统组成，菲涅尔聚光光伏模组主要部分包括聚光透镜、多结太阳能电池芯片和固定框架。为了保证太阳能电池芯片位置在菲涅尔光学透镜的焦点附近，模组的厚度一般为30cm左右。如此的厚度使得这种菲涅尔聚光光伏模组体积非常庞大且笨重，不方便运输。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池，使得聚光太阳能电池更加轻薄，便于携带和运输。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池，由上往下依次包括：透明窗口导电层、有源层和背导电电极反射层；所述聚光太阳能电池还包括，设置在所述透明窗口导电层的衬底表面的菲涅尔波带片。
优选的，所述菲涅尔波带片为相位型菲涅尔波带片。
优选的，所述相位式菲涅尔波带片各圆环半径的计算方式如下：
其中，Rm表示第m个环的半径，m为正整数；f表示焦距，设置为所述透明窗口导电层的衬底的厚度；λ表示入射光波长，由所述有源层材料的吸收峰的峰位确定。
优选的，所述相位式菲涅尔波带片为阶数大于等于2的高阶相位式菲涅尔波带片。
优选的，所述相位式菲涅尔波带片的横截面由若干个按照预设规律排列的树脂胶组成。
优选的，所述相位式菲涅尔波带片第s阶树脂胶厚度的计算公式如下：
其中，s表示阶数，s大于等于2；n表示树脂胶的折射率；d表示对于某一阶数菲涅尔波带片的厚度；λ表示入射光波长，由所述有源层材料的吸收峰的峰位确定。
优选的，所述透明窗口导电层的材质包括导电玻璃、塑料或半导体材料。
优选的，所述背导电电极反射层的材质为金属薄膜。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明一种集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池，采用微型相位式菲涅尔波带片作为聚光器，所述相位式菲涅尔波带片的直径和厚度只有亚毫米量级，同时采用集成的方式，将波带片集成在太阳能电池芯片的衬底表面，大幅度减小了聚光太阳能电池的厚度，使得聚光太阳能电池更加轻薄，便于携带和运输；
(2)本发明的波带片采用相位型菲涅尔波带片，聚光效率是振幅型菲涅尔波带片的四倍；
(3)本发明的光学树脂胶耐冲击强度高、相对密度小及光透过率高，在太阳光谱的0.3-2 微米范围内透光率达92％以上，光学性能优良，抗老化，成本低廉等优点，因此可以很好的跟太阳能电池芯片集成在一起；
(4)本发明的太阳能电池的透明窗口导电层采用导电玻璃为衬底，其衬底的厚度通常为1.1mm，因此通过设计菲涅尔波带片尺寸，使得菲涅波带片的焦距刚好满足衬底的厚度，使得菲涅尔波带片的焦点汇聚到电池的有源层内，从而增加单位面积太阳能电池的太阳光辐射强度，增加电池的光电装换效率；
(5)本发明采用阶数大于等于2的高阶相位式菲涅尔波带片；阶数s＝2，4和8时，菲涅尔波带片的衍射效应分别为40.5％、81％和95.1％；由此可见采用高阶菲涅尔波带片能够增加波带片的聚光效果，可以进一步增加单位面积太阳能电池的光吸收效率；
(6)本发明的集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池可以实现不同波长光在焦点前后汇聚，进而实现叠层电池内部不同子电池对不同波长入射光吸收。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池不局限于实施例。
附图说明
图1为太阳能电池的一般结构横截面示意图；
图2为本发明实施例的二阶相位式菲涅尔波带片集成在太阳能电池衬底表面的横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
菲涅尔波带片包含交替变化的透明和不透明区域，各半波带的次波到达焦点时所引起的光振动的相位差为2π的整数倍，形成了相长干涉，从而具有类似于透镜的聚焦和成像功能。菲涅尔波带片是菲涅尔衍射的一个应用，波带片与一般透镜相比，没有球差和慧差等相差，由于它与普通透镜类似和优于透镜的性质，在现代科技生活领域越来越得到广泛的应用。波带片的焦距随波长的增加而缩短，正好与玻璃透镜的焦距色差相反，两者配合应用有利于消除光学系统的色差。
由菲涅尔圆孔衍射公式知：
其中，Rk和Rk+1是相邻环带的半径。从上式可以看出，半波带的宽度从中心向边缘依次变窄，外圈半波带排布细密，波带片的分辨率由外圈环带宽度决定，环数越多，外环越窄，波带片分辨率越高。
波带片分为相位式和和振幅型两种，本发明实施例采用相位型菲涅尔波带片，相位型菲涅尔波带片聚光效率是振幅型的四倍。二阶菲涅尔波带片可以利用紫外光刻技术和飞秒激光三维直写技术在紫外树脂上制备，对于紫外光刻方法，其树脂胶的衬底可以是玻璃、塑料或半导体基片等。光学树脂具有耐冲击强度高，相对密度小，光透过率高，在太阳光谱的0.3-2 微米范围内透光率达92％以上，光学性能优良，抗老化，成本低廉等优点，因此可以很好的跟太阳能电池芯片集成在一起。
参见图1所示，为太阳能电池的一般结构横截面示意图，适用于非晶硅薄膜太阳能电池、无机化合物半导体薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等。所述太阳能电池由上往下依次包括太阳能电池的透明窗口导电层2、有源层3和太阳能电池背导电电极反射层4，太阳光通过入射方向1照射在所述透明窗口导电层2。
参见图2所示，为本发明实施例中二阶相位式菲涅尔波带片集成在太阳能电池衬底表面的器件结构横截面示意图，所述太阳能电池由上往下依次包括太阳能电池的透明窗口导电层 2、有源层3和太阳能电池背导电电极反射层4，太阳光通过入射方向1照射在所述透明窗口导电层2。本实施例中，透明窗口导电层2的材质为导电玻璃，背导电电极反射层的材质为金属薄膜。菲涅尔波带片5设置在所述透明窗口导电层的衬底表面，具体的，所述菲涅尔波带片5为二阶相位式菲涅尔波带片，所述二阶相位式菲涅尔波带片的横截面由若干个按照预设规律排列的树脂胶组成(菲涅尔波带片由若干个按照预设规律排列的树脂胶环组成)。图2 中，箭头6为菲涅尔波带片的第一个圆环的半径R1，箭头7为菲涅尔波带片的第二个圆环的半径R2，箭头8为菲涅尔波带片的第三个圆环的半径R3，以此类推。每个圆环的半径由波长和所设计的焦距决定，由如下公式计算，
由此推出：
其中，Rm是指第m个环的半径，f是焦距，λ是入射光波长。图2中箭头9为太阳能电池透明衬底的厚度，因此根据上面的公式可以将焦距f设置为衬底的厚度。当所述有源层3的材料确定以后，材料的吸收范围也随之确定，根据有源层的吸收峰的峰位确定波长λ，这样对于具体的某种太阳能电池来说，二阶相位式菲涅尔波带片的各圆环的半径也随之被确定。
为了提高衍射效率，也可以用其他阶相位式菲涅尔波带片替换二阶相位式菲涅尔波带片。对于高阶(大于等于2阶)相位式菲涅尔波带片对应第s阶的树脂胶的厚度由下面公式确定：
其中，s为阶数，n为树脂胶的折射率，d为多阶菲涅尔波带片的对应第s阶的厚度，λ是入射光波长。当s＝2时，菲涅尔波带片的衍射效应为40.5％；当s＝4时，菲涅尔波带片的衍射效应为81％；当s＝8时，菲涅尔波带片的衍射效应为95.1％。因此采用高阶菲涅尔波带片增加波带片的聚光效果，可以进一步增加单位面积太阳能电池的光吸收效率。
以上仅为本发明实例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池，由上往下依次包括：透明窗口导电层、有源层和背导电电极反射层；其特征在于，所述透明窗口导电层的衬底表面设置有菲涅尔波带片。
2.根据权利要求1所述的集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池，其特征在于，
所述菲涅尔波带片为相位型菲涅尔波带片。
3.根据权利要求2所述的集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池，其特征在于，
所述相位式菲涅尔波带片各圆环半径的计算方式如下：
其中，Rm表示第m个环的半径，m为正整数；f表示焦距，设置为所述透明窗口导电层的衬底的厚度；λ表示入射光波长，由所述有源层材料的吸收峰的峰位确定。
4.根据权利要求2所述的集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池，其特征在于，
所述相位式菲涅尔波带片为阶数大于等于2的高阶相位式菲涅尔波带片。
5.根据权利要求2所述的集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池，其特征在于，
所述相位式菲涅尔波带片的横截面由若干个按照预设规律排列的树脂胶组成。
6.根据权利要求5所述的集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池，其特征在于，
所述树脂胶的衬底包括玻璃、塑料或半导体基片。
7.根据权利要求5所述的集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池，其特征在于，所述相位式菲涅尔波带片第s阶树脂胶厚度的计算公式如下：
其中，s表示阶数，s大于等于2；n表示树脂胶的折射率；d表示第s阶菲涅尔波带片的厚度；λ表示入射光波长，由所述有源层材料的吸收峰的峰位确定。
8.根据权利要求1所述的集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池，其特征在于，
所述透明窗口导电层的材质包括导电玻璃、塑料或半导体材料。
9.根据权利要求1所述的集成菲涅尔波带片的聚光太阳能电池，其特征在于，
所述背导电电极反射层的材质为金属薄膜。
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