CN111213245B - 用于光伏电池和热应用的集成微透镜 - Google Patents

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Abstract

关于微透镜(即，微米级的透镜)的设计并入了现有的纳米制造技术，并且可以被并入到高聚光光伏(HCPV)、太阳能集热器和传统的平板PV系统中。使用波动光学的理论，该设计能够实现高数值孔径，即，它可以接收更宽角度范围内的光。该设计还减小了焦点随着光源移动而移动的距离；这消除了在CPV和PV应用中对跟踪系统的需要。减小透镜尺寸还有助于更小的、重量轻的CPV系统，这使得CPV吸引另外的应用。最后，这些聚光器减小了典型的平板太阳能热系统接收热量的交换面积，这提高了整体系统的效率并且还允许其在严冬时间期间使用。

Description

用于光伏电池和热应用的集成微透镜
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年7月18日提交的美国发明专利申请第16/038567号的优先权，并且还要求于2017年7月19日提交的美国临时申请第62/534239号的权益。以上申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容涉及太阳能技术，以及更具体地，涉及用于聚光光伏电池和传统光伏电池两者以及热应用的集成微透镜。
背景技术
该部分提供与本公开内容有关的不一定是现有技术的背景信息。该部分还提供本公开内容的总体概要，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
传统上，太阳能面板采用从太阳光生成电力的光伏电池。当前的太阳能技术主要基于硅光伏技术，硅光伏技术在光子到传导电子的有效转换方面显现出了强大的局限性。该局限性主要源于量子物理学原因和经典光学考虑因素两者。
量子物理学通过将光子转换仅限制于AM1.5太阳光谱中入射光的特定频率并且具体地限制于与硅p-n结的价电子与传导电子之间的能带隙(1.1eV)相匹配的特定频率来影响电力生成。随着第三代光伏的出现和多结太阳能电池的使用，已经部分解决了太阳光谱的特定频率的局限性。然而，用于制造这些特殊的太阳能电池的稀有材料的过高成本使得需要大量减少其使用，并且因此大量降低了聚光光伏技术(CPV)的概念。
利用“余弦效应”的概念来最好地解释当前太阳能技术的光学局限性。即，与相对于入射光完美取向的太阳能模块相比，非最佳取向的太阳能模块接收较低量的太阳能辐射。因子是入射光的方向与太阳能模块的法线方向之间形成的角度的余弦。所生成的电力通过该因子被成比例地减小。这就是为什么固定的太阳能设备的日电力曲线类似于典型的高斯线形状，而不是双轴跟踪的光伏所显示的“类矩形”形状的原因。尽管根据本教导的原理的新型光学器件也减轻了次级效应如由于原子的太阳能电池结构的热搅动、太阳能模块表面的污染而导致的电子空穴重组和也影响捕获光的能力的反射效应，但是也不考虑次级效应和反射效应。
聚光光伏(CPV)使用透镜和曲面镜将太阳光聚焦在小但高效的太阳能电池上。在常规系统中，随着太阳移动，聚光器的焦点也移动，这减少电力收集或者需要使用复杂且昂贵的跟踪系统。此外，常规系统通常大且重，从而减少了它们的应用。常规的CPV很大程度上取决于总体辐射的DNI(直接法向入射)分量，并且在漫射辐射条件下简直不能工作。这严重限制了可以有效安装CPV的合适的地理位置(即，仅太阳带区域)，从而限制、抑制或以其他方式防止这种新兴技术渗透到全球太阳能市场。
通常，CPV应用包括使用透镜或镜子的太阳能聚光器、跟踪机制、太阳能电池和散热器。通常需要跟踪系统来允许对太阳的可调节跟踪以提高太阳能效率。然而，大部分设备在2013年通常提供小于5MW的输出，其中平均售价为每瓦特2.90美元。因此，常规的CPV系统的资本支出(CAPEX)和运营费用(OPEX)因此再次限制、抑制或以其他方式防止在全球太阳能市场的渗透。
通常，太阳能光伏(PV)市场驱动因素包括政府激励、太阳能PV模块价格下降、对碳排放的担忧、相对于风能和水力发电的低安装和维护成本。另一方面，太阳能PV市场限制包括气候限制的可行性区域、降低的上网电价和供大于求。
单独地但相关的是，当前的太阳能热技术(例如，太阳能集热器)遭受显著地影响了操作规模容量和效率的太阳能热相关的问题，即，在防止利用太阳能系统来生产热水的寒冬季节期间的低能量生产，或者相反地，在能量需求低于由太阳提供的潜在能量生产的热夏季节时的过热问题。这两个方面显著地影响每个太阳能热项目的正确的规模确定。
更具体地，太阳能集热器的规模确定通常是系统热接收能力相对于散热需求的平衡。即，参照图1，表面A暴露于来自左侧上的源(例如，太阳)的入射辐射。从太阳接收的能量与表面A的表面面积成比例。相对于同一表面A，根据维恩定律，被加热的主体由于不同的过程诸如重新照射、常规和传导(即，热传递)而损失能量。能量损失的量遵循傅里叶定律：
Figure GDA0003980773220000031
其中，Q是能量损失、k来自材料的导热能力的测量结果、A是暴露于周围环境的面积、Thot是热主体的温度、Tcold是冷主体(例如，周围环境)的温度、t是暴露于周围环境的时间，以及d是材料厚度。
即，该公式考虑了有助于在处于不同温度的两个主体之间的热平衡的因素。热量从暖主体到较冷主体的传递继续，直到两者的温度变为相同为止。能量损失与交换表面A成比例。
对于太阳能集热器，这是个简单的结论——所有太阳能集热器制造商都希望具有更大的面积A接收太阳光，但同时他们也将旨在具有较小的面积A以减少相关的热损失。
发明内容
因此，根据本发明的原理的教导基于纳米级制造方法和零对比度光栅设计采用了关于微透镜(即，微米或更小级的透镜)的新设计，以改善PV和CPV应用的操作。在一些实施方式中，与常规的系统相比本教导提供了许多益处，包括但不限于，提高的角效率(即，由于光的焦点移动而造成的较少的电力损失)；更轻、更小、更紧凑的电池；太阳能热应用中减少的热损失；以及消除了对跟踪系统的需要。
此外，这些教导通过微透镜组件的光学性能显著地减轻使接收太阳光的面积A最大化与使减少相关热损失的面积A最小化之间的上述权衡提供了本光学器件的容易可实现的应用，以生成创新的性能(与此相关被描述为热二极管)。
根据本文中提供的描述，其他应用领域将变得明显。该概要中的描述和具体示例仅旨在用于说明的目的并且不旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
本文中描述的附图仅用于所选实施方式而不是所有可能的实现的说明性目的，并且不旨在限制本公开内容的范围。
图1示出了暴露于入射辐射的表面的热传递响应；
图2示出了根据本发明的各种实施方式的太阳能组件；
图3示出了与聚光光伏热系统和聚光太阳能热系统相关联的微透镜层；
图4示出了根据本发明的原理的太阳能热系统的侧视图；
图5示出了根据本发明的原理的太阳能热系统的分解侧视图；以及
图6示出了根据本发明的原理的可逆太阳能热系统。
贯穿附图的若干视图，相应的附图标记指示相应的部分。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述示例实施方式。提供示例实施方式使得本公开内容将是透彻的，并且将范围充分地传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，例如特定部件、装置和方法的示例，以提供对本公开内容的实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员将明显的是，不需要采用具体细节，示例实施方式可以以许多不同的形式来实施，并且都不应当被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例实施方式中，没有详细描述公知的处理、公知的装置结构和公知的技术。
本文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而不是旨在限制。如本文中所使用的，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一个(a)”、“一种(an)”和“该(the)”也可以旨在包括复数形式。术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含”和“具有”是包含的，并且因此指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。除非具体标识为执行顺序，否则本文中所述的方法步骤、处理和操作不被解释为必须以所讨论或示出的特定顺序来执行。还应理解，可以采用另外的或可替选的步骤。
当元件或层被称为“在另一元件或层上”、“接合至”、“连接至”或“耦接至”另一元件或层时，它可以直接在另一元件或层上，直接接合至、连接至或耦接至另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦接至”另一元件或层时，可能不存在中间元件或层。应当以类似的方式来解释用于描述元件之间的关系的其他词(例如，“在...之间”与“直接在...之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和所有组合。
如先前所提供的，常规的CPV通常大、重且消耗空间，并且焦点的显著改变会极大地影响系统的效率。因此，这些因素(即，重量、空间要求和光偏转)极大地阻碍了CPV的应用。根据本发明的教导，现代的纳米制造技术使得能够以亚波长级制造结构。通过利用波动光学的理论，聚光透镜以纳米级被设计成具有高数值孔径(NA)以供在PV和CPV应用中使用，并且与常规的系统相比提供了许多益处，包括但不限于，提高的角效率(即，由于光的焦点移动而造成的较少的电力损失)；更轻、更小、更紧凑的电池；太阳能热应用中减少的热损失；以及消除了对跟踪系统的需要。
具体参照图2至图6，提供了根据本教导的原理的具有有利构造的太阳能组件10。在一些实施方式中，太阳能组件10可以包括具有微透镜层12、太阳能电池层14(例如，单晶硅太阳能电池)和被配置成管理由太阳能电池层14生成的电力的电子控制系统的聚光太阳能面板。在一些实施方式中，太阳能电池层14可以包括聚光光伏(CPV)系统。此外，在一些实施方式中，太阳能组件10可以包括具有微透镜层12、热绝缘层16和穿过热绝缘层16延伸的多个波导18的聚光太阳能热组件。
在一些实施方式中，微透镜层12包括以预定的沉积速率沉积并且限定预定的光栅厚度的基板。微透镜层12包括多个微透镜20。在一些实施方式中，多个微透镜20中的每一个具有小于约10微米的半径，并且在一些实施方式中，基于应用，多个微透镜20中的每一个具有范围从微米到毫米的半径。微透镜层12被配置成接收辐射能量并且将辐射能量沿着朝向太阳能电池层14和/或多个波导18的分立路径聚焦在聚焦区域处。在一些实施方式中，所示范的微透镜20可以具有3mm的焦距(3mm×tan15°＝0.000803m(0.803mm)。如果我们假定常规的CPV具有1m的焦距(1m×tan15°＝0.26m)，则PV或CPV中的光偏转从0.26m减小至0.803mm——小于1毫米的偏转几乎不能由眼睛观察。当使用纳米CPV(NCPV)时，焦距可以是10μm至1μm。NCPV层将光聚集至设计点的网格，设计点的网格则与可以是硅、GaAs和钙钛矿的PV材料的网格匹配。
在一些实施方式中，微透镜20的特征尺寸(例如，最小的光栅或纳米柱)可以是数十纳米至数百纳米，这基于目标波长。目标波长的范围从深紫外线到射频，这取决于具体的环境和应用。微透镜20的材料的范围从包括TiO2、SiO2、硅氮化物、富硅氮化物和聚合物的透明介电材料到包括硅和GaN的半导体。
微太阳能电池
随着这些系统的性能、成本和功能的改善——范围从用于光捕获的结构到先进的掺杂技术、创新的球形、矩形和超薄电池设计以及先进的制造技术，本技术使人能够创建和操纵更薄(低至约100nm，或仅受结深限制)和更小(低至几微米)的单晶硅太阳能电池。这样的超薄和超小的设计引起太阳能模块尺寸小和重量轻，这因此增加了将它们集成到任何表面的灵活性。此外，亚波长结构使它们能够用于透明工程中。
也就是说，纳米微透镜系统具有超小型、重量轻和抗偏转的优点，因此能够在无需担忧重量和空间(建筑物壁、可穿戴装置等)的情况下将CPV集成在大部分表面上，这是期望的。更进一步，随着微透镜的应用，太阳能热装置可以实现单向热绝缘。
在一些实施方式中，微透镜层12可以包括被布置为相长干涉光学器件的多个微透镜20的阵列。在一些实施方式中，该组件可以被布置成包括可以直接放置在例如太阳能电池层14的太阳能玻璃上的多功能抗反射涂层(ARC)。为平板PV应用而特别设计制造的创新的抗反射涂层通过其光弯曲性能证明了所捕获的光的密度与其在涂层的下面的表面上的出处的绝对独立性，下面的表面与接收表面正交地重组。这允许平板PV太阳能模块的下面的太阳能电池层14在一天的任何时刻沿着始终正交的方向接收来自太阳的光。
然而当然，击中太阳能电池层14的辐射的总体强度将仍然等于辐射密度乘以暴露于辐射的几何表面——因此辐射将随光与太阳能面板的法向轴之间的角度的余弦而减小——将击中抗反射涂层(亦称为微透镜层12)的所有可用的太阳光始终法向地重定向至p-n结的可能性在减少内部的微反射方面带来了重要的益处，微反射使通过表征太阳能电池的外表面的纹理化而发生的，纹理化会造成可能将光转化为电能的能量的重要损失。
此外，通过改变多个微透镜20的纳米结构的几何形状来选择光的入射频率的经证实的能力还将给太阳能电池层14的性能带来额外的益处。利用我们的纳米结构的特定几何形状和周期，已经证明太阳光谱的红外频率的透射率显著减小。因此，减少了相对于标准条件使太阳能电池的性能每摄氏度劣化至少0.3％的热传递。在这种情况下，涂层充当散热器，从而增强整体系统的光转换系统性能。
最后，在始终正交的方向上重组入射光的能力在“传统”CPV和HCPV(高聚光光伏)工业中找到了直接应用。具有微透镜20的周期网格阵列的微透镜层12确保透射至传统菲涅耳聚焦透镜的下面的表面的辐射始终正交。这导致消除了使用昂贵的跟踪系统来全天精确地取向太阳能组件10的需要。此外，微透镜层12还通过消除防止该技术在太阳带区域以外工作的当前限制来甚至使现有的(H)CPV系统能够在任何气候条件下工作。配备有微透镜层12的现有的HCPV技术产生了高成本竞争力的太阳能技术。
在制造中，CPV可能会节省75％的PV材料，而NCPV技术使人能够将层的尺寸最小化至小于1mm并且将重量最小化至仅几克。通过显著地减小CPV系统的尺寸和重量，纳米CPV可以将其应用扩展到生活的几乎各个方面。
总之，本教导的微透镜层12可以形成太阳能电池的顶层，从而提供新的微网格接触层，以进一步改善微透镜-太阳能电池系统的性能。微网格由覆盖透镜阵列中的各个透镜的边缘的传导材料形成，该传导材料形成传导网格接触层。与传统的接触层相比，微网格层的覆盖范围更加完整，并且因此保证更高的效率。
此外，本教导提供了用于平板PV应用的由微透镜层构建的抗反射涂层，微透镜层具有以预定的沉积速率沉积并且限定预定的光栅厚度的基板，微透镜层具有多个微透镜，每个微透镜具有小于约10微米的半径。这些微透镜的相长干涉使得能够捕获-30度与+30度之间的任何角度的光，并且使得能够在选择性过滤太阳光谱的红外成分的情况下沿着层平面的正交方向向下透射至下玻璃。涂层可以被制造为柔性基板上的粘性膜(即，PEN、PET或Kapton或任何其他方便的材料)，粘性膜将允许对现有模块上或者直接对将在太阳能工厂处安装在新的PV太阳能模块上的太阳能玻璃进行本发明的后市场改造安装。预期的保质期超过10年。大规模制造技术将符合当前的CMOS标准。
更进一步，本教导提供了在热交换表面之前具有热绝缘层的太阳能集热器，热交换表面可操作地耦接至微透镜层和/或毫透镜层以限定层的可变组合厚度组件。这允许减小当前的平板太阳能收集器的热交换面积，同时保留接收面积，因此在冬季期间也允许操作太阳能集热器。在一些实施方式中，本发明将代替在下面的热交换器的顶部上的太阳能热模块的现有太阳能玻璃，并且将包括由以下不同技术构建的组件：
光学层——接收太阳光——被构建为微毫透镜的阵列，微毫透镜中的每一个将总的击中辐射中的一部分聚焦到特定的光路径中。热聚集是在50个太阳至200个太阳之间。
可变厚度绝缘层，防止热沿着由内至外方向逸出，与光学层机械地耦接。该层的材料和厚度将取决于可达到的绝缘水平。
一组波长引导件，光学地耦接至每个聚焦微透镜和/或毫透镜，穿过绝缘层并且因此确保辐射沿着由外至内方向的流动。穿过这些光学引导件的聚焦光将直接到达下面的热交换器。
在一些实施方式中，提供了用于现有的(H)CPV应用的由微透镜层构建的新抗反射涂层，微透镜层具有以预定的沉积速率沉积并且限定预定的光栅厚度的基板。微透镜层具有多个微透镜，每个微透镜具有小于约10微米的半径。这些微透镜的相长干涉将允许捕获-30度与+30度之间的任何角度的光，并且允许沿着正交方向向下透射至下面的菲涅耳聚焦元件。在现有的和/或新的(H)CPV系统上的这种实现将允许人在任何气候条件下利用聚光光伏，利用漫射辐射并且消除了在昂贵的跟踪系统上安装CPV模块的需要。涂层可以被制造为柔性基板上的粘性膜(即，PEN或PET或Kapton)，粘性膜将允许对现有模块或者直接对将在太阳能工厂处安装在新(H)CPV太阳能模块上的太阳能玻璃进行本发明的后市场改造安装。保质期超过10年。大规模制造技术将符合当前的CMOS标准。
根据这些教导，单个的微透镜可以基于其设计制造将不同波长的光沿其中心轴聚集到具有不同焦距的焦点。当与微多结太阳能电池集成时，微透镜可以被设计成对于该层的最高效率的波长在(微多结太阳能电池的)所选层上创建聚焦。例如，存在具有两层的微多结太阳能电池。上层在约685nm的波长处具有最高的量子效率，以及下层在约420nm的波长处具有最高的量子效率。由于微透镜设计制造在该太阳能电池的顶部上，685nm的部分光将聚焦在顶层上，以及420nm的部分光将聚焦在下层上，因此极大地增加了微多结太阳能电池的整体量子效率。
为了说明和描述的目的，已经提供了实施方式的前述描述。这不旨在详尽或限制本公开内容。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换，并且即使没有具体示出或描述也可以在所选实施方式中使用。同样也可以以许多方式变化。这样的变化不应被认为是背离本公开内容的，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开内容的范围内。

Claims (6)

1.一种聚光光伏系统，包括：
平坦微透镜层，所述平坦微透镜层具有平坦入射功能表面和基板，所述平坦微透镜层具有多个微聚光器透镜，每个微聚光器透镜具有范围从微米到毫米的半径，所述平坦微透镜层被配置成接收波长范围从深紫外线到射频的辐射能量，并且基于所述辐射能量的波长将所述辐射能量沿着分立路径聚焦在聚焦区域内的两个或更多个焦距处，所述多个微聚光器透镜由透明介电材料或半导体制成；
微多结太阳能电池，所述微多结太阳能电池具有与所述聚焦区域内的两个或更多个焦距匹配的两个或更多个层，所述微多结太阳能电池被配置成响应于所述辐射能量输出电力；
电子系统，所述电子系统被配置成管理由所述微多结太阳能电池生成的输出电力；以及
热绝缘组件，所述热绝缘组件包括将所述辐射能量沿着分立路径聚焦在所述聚焦区域处的所述平坦微透镜层以及与所述平坦微透镜层相邻布置的绝缘层，所述绝缘层抑制沿着从所述微多结太阳能电池到所述平坦微透镜层的方向的热传递，所述绝缘层具有穿过所述绝缘层延伸的多个波导，所述多个波导中的每个波导光学地耦接至所述多个微聚光器透镜中的相应一个微聚光器透镜，允许所述辐射能量穿过该波导流向所述微多结太阳能电池，
其中，所述多个微聚光器透镜被配置成捕获相对于延伸至所述微多结太阳能电池的正交轴在-30度至+30度之间的角度的光。
2.根据权利要求1所述的聚光光伏系统，其中，所述平坦微透镜层粘附式地耦接至所述微多结太阳能电池。
3.根据权利要求1所述的聚光光伏系统，其中，所述平坦微透镜层与所述微多结太阳能电池一体地形成。
4.根据权利要求1所述的聚光光伏系统，其中，所述多个微聚光器透镜中的每一个具有小于10微米的半径。
5.根据权利要求1所述的聚光光伏系统，其中，所述透明介电材料选自由TiO2、SiO2、硅氮化物、富硅氮化物和聚合物组成的组。
6.根据权利要求1所述的聚光光伏系统，其中，所述半导体的材料选自由硅和GaN组成的组。
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