CN115579415A - 一种微透镜调控叠层太阳能电池及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能电池的技术领域，公开了一种微透镜调控叠层太阳能电池及其设计方法，包括太阳能电池的器件结构和集成于器件结构上的平凸非球面微透镜；器件结构包括顶层子电池和底层子电池，平凸非球面微透镜包括一非球面曲面的前表面和一平面的后表面，后表面与器件结构靠近顶层子电池一侧的表面相接，前表面为太阳光入射面，将透镜边缘光束汇聚到底层子电池。本发明采用微型非球面平凸透镜光学元件作为叠层太阳能电池的光束调控器，实现光束整形，实现叠层太阳能电池各子电池内有源层光的均匀吸收。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池的技术领域，具体涉及一种微透镜调控叠层太阳能电池及其设计方法。
背景技术
以石油为代表的化石能源面临着日益枯竭的问题，而太阳能是取之不尽的新能源，可使用的地域范围广泛且清洁、安全，每年辐射到地球表面的能量十分巨大，太阳能电池是人们利用太阳能重要的一种方式。
太阳能电池是将资源无限、清洁干净的太阳辐射转换为电能，而不会产生二氧化碳排放。近年来，单晶硅、多晶硅和非晶硅无机半导体太阳能电池仍占市场主导地位，但由于无机太阳能电池一直存在成本高、能耗高、污染大、柔韧性差、制备加工过程复杂和设备昂贵等的问题。限制了硅基系列电池更为广泛的应用。而有机太阳能电池(OSCs)和钙钛矿太阳能电池具有成本低廉、可大面积制造、柔性和环境友好等优点受到人们的广泛关注。近些年，随着新型光伏材料的不断发展和器件的优化，单结太阳能电池的能量转换效率(PCE)已经超过18%。尽管如此，由于单层太阳能电池使用单层活性层，导致活性层的吸收光谱通常不够宽，不能实现对太阳光谱的充分利用，使得至今仍无法与硅晶半导体太阳能电池相媲美。因此，如何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。
叠层结构太阳能电池是解决以上问题的一种有效方法。叠层太阳能电池是将两个或两个以上的子电池用中间连接层连接起来而形成串联或并联结构的电池。与单层电池相比，叠层太阳能电池能够利用不同子电池的活性层体系实现光谱的互补吸收来提高入射光的利用率。同时可以通过增加叠层电池中串联的子电池的数目来实现较高的开路电压，从而提高电池的能量转换效率的目的。然而，由于叠层太阳能电池中存在上下子电池吸收不均匀的问题，串联叠层太阳能电池中，叠层太阳能电池的电流受到电流最小的子电池电流限制，因此使得太阳能电池的最大输出电流受到影响。
针对叠层太阳能电池中各子电池吸收不均匀的问题，现有技术有通过对中间层以及界面修饰层的优化来实现光能量的均匀分布，这些解决方案一方面对材料的选择具有较高要求以及制备过程较为繁琐且复杂；另一方面需要对原本器件的内部结构进行改变，容易对有源层造成破坏且影响器件性能。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种微透镜调控叠层太阳能电池，采用微型非球面平凸透镜光学元件作为叠层太阳能电池的光束调控器，并且是以集成形式集成在叠层太阳能电池的顶电池表面，将透镜边缘光束汇聚到底层子电池中来实现两个子电池光子均匀吸收。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种微透镜调控叠层太阳能电池，包括太阳能电池的器件结构和集成于器件结构上的平凸非球面微透镜；所述器件结构包括按序叠设的透明电极、第一有源层、中间层、第二有源层和背电极；所述平凸非球面微透镜包括一非球面曲面的前表面和一平面的后表面，所述后表面与所述器件结构靠近透明电极一侧的表面相接，所述前表面为太阳光入射面，入射所述平凸非球面微透镜的边缘光束于所述器件结构的聚焦点位于所述第二有源层。
可选的，所述非球面曲面的表达式为：
其中，c为顶点曲率
，R表示顶点曲率半径；k表示圆锥系数常数；r为垂直于光
轴方向的坐标。
可选的，所述器件结构的厚度H为0.2μm-2μm，长度L为0.06μm -1μm；所述平凸非球面微透镜的顶点曲率半径和厚度为亚毫米量级，例如10~500微米。
可选的，所述平凸非球面微透镜的材料为聚合物，所述聚合物在太阳光谱的0.3-2微米范围内透光率≥92%。
可选的，所述平凸非球面微透镜通过光刻技术、纳米压印技术或飞秒激光微加工技术制备。
可选的，所述太阳能电池是薄膜型太阳能电池，包括有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。
一种上述微透镜调控叠层太阳能电池的设计方法，其步骤为：
1）设定器件结构，根据器件结构的厚度H和等效折射率
得到轴向位移
；
2）设定一平凸球面透镜的曲率半径R，求得实际焦距（
），调节平凸球面透镜
的厚度d得到像方主点到透镜后表面的距离
，将实际焦距 (
)减去(
)得到器
件结构后表面到实际焦点的距离
；
3）使第二有源层到器件结构后表面的厚度值+器件结构后表面到实际焦点的距离
=轴向位移
，实现从透镜边缘出射光束落在第二有源层；
4）对平凸球面透镜的圆锥系数进行优化后相应得到圆锥系数k，从而得到平凸非球面微透镜，其中平凸非球面微透镜的顶点曲率半径等于平凸球面透镜的曲率半径。
可选的，步骤2）中，
可选的，步骤2）中，
n为透镜材料的折射率，厚度d为所述平凸球面透镜的前表面顶点和后表面的距离。
可选的，步骤1）中，根据所述第一有源层和第二有源层的吸收峰的峰位确定入射
波长，在中心波长下得到各材料层相对应的折射率，通过计算得到电池器件平板材料的折
射率为等效折射率
。
本发明的有益效果为：
1）利用光束整形透镜对入射光光束的调控作用，对入射光束进行重新分配，使得边缘光束入射到底层子电池内部，中心光束入射到顶层子电池后再入射底层子电池，实现叠层太阳能电池底层子电池的光吸收增强，进而实现叠层太阳能电池中上下子电池的光能量均匀分布，提升了电池效率；
2）不改变器件原本内部结构，避免了对有源层造成破坏及影响器件性能；
3）对材料要求低，工艺易于实现，降低了成本，适于实际生产应用。
附图说明
图1为双层叠层太阳能电池的器件结构横截面示意图；
图2为平凸球面透镜横截面示意图；
图3为太阳能电池器件结构平板的等效作用结构横截面示意图；
图4为平凸非球面微透镜集成在叠层太阳能电池表面的器件结构光束聚焦横截面示意图；
图5为实施例1的平凸非球面微透镜作为微透镜集成在叠层有机太阳能电池表面的光束聚焦横截面示意图；
图6为实施例1中利用严格耦合波法（RCWA）计算出波长710nm时无光束整形透镜下叠层有机太阳能电池中各材料的吸收强度百分比（称为参考器件）；
图7为实施例1中利用严格耦合波法（RCWA）计算出波长710nm时有光束整形透镜下叠层有机太阳能电池中各材料的吸收强度百分比；
图8为实施例1中利用严格耦合波法（RCWA）计算出在可见光波段在光束整形透镜下叠层有机太阳能电池中各材料的吸收光谱图；
图9为实施例1中利用时域有限差分法（FDTD）计算出的在光束整形透镜下叠层有机太阳能电池中顶层和底层子电池有源层吸收光谱；
图10为实施例1中利用时域有限差分法（FDTD）计算出的无透镜下叠层有机太阳能电池中顶层和底层子电池有源层吸收光谱。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
图1为双层叠层太阳能电池的一般结构横截面示意图，适用于有机薄膜太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等薄膜型太阳能电池。所设计的叠层太阳能电池总的厚度H在0.2μm-2μm左右，而对于叠层太阳能电池尺寸长L需要根据透镜汇聚效果在0.06μm -1μm范围内选取。叠层太阳能电池由两个子电池串联，其器件结构上至下包括阳极（透明电极2）、顶层子电池的有源层为第一有源层3、中间连接层简称中间层4、底层子电池的有源层为第二有源层5、以及阴极（背电极6），太阳光1由透明电极2入射，图中箭头表示太阳光1的入射方向。背电极6一般为金属薄膜。
图2为平凸球面透镜横截面示意图，透镜周围介质均为空气；F为入射光线平行于
光轴经透镜后形成的焦点；H、
分别表示物方和像方主点，分别过该点作垂直于光轴的平
面，称为物方主平面和像方主平面；透镜焦距
等于像方主点
到焦点F之间的距离；
表示
透镜后表面到焦点的距离（称为后焦距）；
表示像方主点到透镜后表面的距离。透镜前表
面为球面，后表面为平面，根据入射光线及平凸透镜的性质，公式
和
为：
R为前表面的曲率半径，d为两透镜面顶点距离，n为透镜材料折射率。
图3为太阳能电池器件结构平板的等效作用结构横截面示意图，箭头8为透镜，箭
头9为太阳能电池器件结构平板。光线经过透镜后入射到器件平板，在器件平板两表面折射
后，出射光线交光轴于点
,图中虚线表示为在没有器件平板时光线从透镜出射后交光轴于
点
。引入等效空气平板的作用在于，当光学系统的汇聚光路中有器件平板，当光线经过平
板，可将其等效为空气平板，这样在计算透镜汇聚路线时光线所经过的器件平板，只需计算
出无器件平板时的像方焦点位置，在沿光轴移动一个轴向位移
，就可以得到实际有电池
器件结构平板的实际焦点位置，近轴区轴向位移为公式如下：
其中，H为电池器件结构平板厚度，
为电池器件平板材料折射率。
图4为平凸非球面微透镜7集成在叠层太阳能电池表面器件结构的光束聚焦横截面示意图，太阳光1为顶入射方式入射，将平凸非球面微透镜7集成在顶层子电池的透明电极2表面，当光线入射到平凸非球面微透镜7后，在平凸非球面微透镜7的作用下，通过相关参数的设定使得透镜边缘光束落在底电池中的第二有源层5处附近。
非球面曲面的表达式为：
其中，c为顶点曲率
，R表示顶点曲率半径；k表示圆锥系数常数；r为垂直于光
轴方向的坐标。
平凸非球面微透镜7可以利用光刻技术、纳米压印技术和飞秒激光微加工等技术在聚合物或树脂上制备，光敏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。
在建模仿真时，首先使用平凸球面透镜进行仿真，当第一有源层3和第二有源层5
的材料确定以后，材料吸收范围也随之确定，根据有源层的吸收峰的峰位确定入射波长λ，
在中心波长下得到各材料相对应的折射率，通过计算得到电池材料等效折射率（电池器件
平板材料折射率）
；根据所设定的叠层太阳能电池厚度，将其等效为空气平板处理，最终
得到一个轴向位移
；随后设定一个亚毫米量级的曲率半径R，根据上面公式计算得到的
透镜焦距在加上轴向位移
最终可求得平凸球面微透镜的像方焦点位置（实际焦点）；得
到实际的焦点位置后，接着通过调节平凸球面微透镜的厚度（前表面和后表面的顶点距离）
d得到合适的
值（因为透镜厚度影响像方主点位置）；随后将实际的焦距大小(
)减
去(
)求得
（沿+Z方向也就是光线入射方向自左向右为正，反之为负），
表示电池
器件后表面到实际焦点的距离。求得
作用：因为中心光束经过透镜后在进入电池器件随
后从电池器件一端出射，而边缘光束光线则是未经过电池器件光束，两个焦点位置差值前
面已求得（轴向位移），接着根据所设定的电池器件结构得到底层子电池的有源层即第二有
源层5（约中间位置）到电池器件后表面的厚度值，将
+底层子电池的有源层（约中间位置）
到电池器件后表面的厚度=轴向位移
（两个焦点差值），从而实现边缘光束光线从透镜一
端出射后的光束落在底层子电池约有源层中心位置。最后、因为球面透镜存在较大的球差，
为了降低透镜的球差实现透镜汇聚光束汇聚光轴于同一位置，对球面透镜圆锥系数的进行
优化（在ZEMAX软件上把k设定为一个变量，随后通过软件进行优化)优化后相应得到一个圆
锥系数k，从而得到一个非球面曲线；而电池器件的尺寸选择也较为重要，电池尺寸的选择
也是通过在ZEMAX软件上观察得到，观察优化后光束从透镜端出射后光线进入电池器件时
两侧长度，最后选择合适的尺寸。通过相应调节汇聚焦点到我们所需要的子电池内部，从而
实现器件性能的提升。
实施例1
以下提供一种微透镜调控叠层有机太阳能电池的实施例，但本专利不限于此案例，本专利适用于所有叠层太阳能电池。
图5为平凸非球面微透镜集成在叠层有机太阳能电池表面光束聚焦横截面示意图。叠层有机太阳能电池的器件结构为：玻璃/Ag(200nm)/ZnO（35nm）/PTB7-Th:PC71BM
(90nm)/PEDOT:PSS(80nm)/ZnO(35nm)/PTB7-Th:PC71BM(90nm)/PEDOT:PSS(120nm)。本实施例的作为光束整形透镜的平凸非球面微透镜的直径和厚度只有亚毫米量级，电池的尺寸只有亚微米大小。本案例具体参数：中心波长710 nm；透镜顶点曲率半径为10μm、经过ZEMAX优化后得到圆锥系数k=-0.403、入瞳直径15μm、透镜折射率n=1.575、实际焦距f=17.58μm，透镜厚度d=26.968μm；电池尺寸长L=260 nm、电池器件总厚度H=650 nm。
将透镜聚焦点设计在底层子电池有源层（PTB7-Th:PC71BM）附近的ZnO层，主要原因是光束经过透镜后，中心光束的实际焦点会比边缘光束焦点长，因此边缘光束从透镜出射后直接入射到底层子电池有源层处，从而实现了叠层有机太阳能电池中各子电池有源层的均匀吸收。
图6为利用严格耦合波法（RCWA）计算出波长710nm时无光束整形透镜下叠层有机太阳能电池中各材料的吸收强度百分比（称为参考器件）。图7为利用严格耦合波法（RCWA）计算出波长710nm时有光束整形透镜下叠层有机太阳能电池中各材料的吸收强度百分比。可见加入光束整形透镜后的电池整体器件吸收都有一个明显的增加，这是由于整形透镜的聚焦效果有效提升了叠层有机太阳能电池的整体吸收。此外，顶层和底层子电池中的有源层吸收强度差距相比于参考器件有源层吸收差距明显降低。
图8为利用严格耦合波法（RCWA）计算出在可见光波段在光束整形透镜下叠层有机太阳能电池中各材料的吸收光谱图。从图中可以看到在可见光波段下底层子电池的有源层吸收与顶层吸收几乎达到接近，甚至在500nm-650nm波段下底层吸收高于顶层子电池，说明了在光束整形透镜作用下实现了将边缘光束入射到了底层子电池，实现了叠层太阳能电池中顶层和底层子电池的均匀吸收。
为了详细的观察顶层和底层子电池有源层的吸收情况，分别做了各有源层的吸收光谱曲线，如图9、10所示。图9为利用时域有限差分法（FDTD）计算出的在光束整形透镜下叠层有机太阳能电池中顶层和底层子电池有源层吸收光谱。图10为利用时域有限差分法（FDTD）计算出的无透镜下叠层有机太阳能电池中顶层和底层子电池有源层吸收光谱。从图10中可以看到在没有透镜时，底层子电池有源层的吸收在可见光波段都低于顶层有源层的吸收，且在波长400nm-500nm及600nm-750nm处较为明显。将光束整形透镜集成在电池表面后，从图9中可以观察到在光束整形透镜的作用下两个子电池的有源层吸收及整体器件的吸收都有一个明显的提升，其中观察两条有源层吸收曲线可以得到，与无透镜下子电池子有源层吸收相比，将光束整形透镜集成在电池表面后，叠层太阳能电池中顶层和底层子电池的有源层吸收曲线大小达到相近，且在波长500nm-680nm处底层子电池有源层吸收略高于顶层有源层。说明了在光束整形透镜作用下实现了将边缘光束入射到了底层子电池，验证了所设计方案的可行性，实现了叠层有机太阳能电池中顶层和底层个子电池的均匀吸收。
本发明优势在于采用一种具有光束整形作用的微型非球面透镜作为光束调控器，微透镜的直径和厚度只有亚毫米量级，电池的尺寸只有亚微米大小。在不改变器件原本内部结构的基础之下，避免了对有源层造成破坏及影响器件性能。采用顶入射方式入射，以集成的方式将透镜集成到叠层太阳能电池顶层子电池上表面，体积小，易集成。同时使透镜边缘光束汇聚在底层子电池内部，中心光束入射到顶层子电池，实现了叠层太阳能电池中各子电池的有源层光吸收达到均匀分布，从而使得电池效率的提升。微型非球面透镜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有源层材料对不同波长入射光吸收。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种微透镜调控叠层太阳能电池及其设计方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种微透镜调控叠层太阳能电池，其特征在于：包括太阳能电池的器件结构和集成于器件结构上的平凸非球面微透镜；所述器件结构包括按序叠设的透明电极、第一有源层、中间层、第二有源层和背电极；所述平凸非球面微透镜包括一非球面曲面的前表面和一平面的后表面，所述后表面与所述器件结构靠近透明电极一侧的表面相接，所述前表面为太阳光入射面，入射所述平凸非球面微透镜的边缘光束于所述器件结构的聚焦点位于所述第二有源层。
2.根据权利要求1所述的微透镜调控叠层太阳能电池，其特征在于：所述非球面曲面的表达式为：
其中，c为顶点曲率
，R表示顶点曲率半径；k表示圆锥系数常数；r为垂直于光轴方
向的坐标。
3.根据权利要求1所述的微透镜调控叠层太阳能电池，其特征在于：所述器件结构的厚度H为0.2μm-2μm，长度L为0.06μm -1μm；所述平凸非球面微透镜的顶点曲率半径和厚度为亚毫米量级。
4.根据权利要求1所述的微透镜调控叠层太阳能电池，其特征在于：所述平凸非球面微透镜的材料为聚合物，所述聚合物在太阳光谱的0.3-2微米范围内透光率≥92%。
5.根据权利要求1所述的微透镜调控叠层太阳能电池，其特征在于：所述平凸非球面微透镜通过光刻技术、纳米压印技术或飞秒激光微加工技术制备。
6.根据权利要求1所述的微透镜调控叠层太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池是薄膜型太阳能电池，包括有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。
7.一种权利要求1~6任一项所述的微透镜调控叠层太阳能电池的设计方法，其特征在于：
步骤1） 设定器件结构，根据器件结构的厚度H和等效折射率
得到轴向位移
；
步骤2） 设定一平凸球面透镜的曲率半径R，求得实际焦距（
），调节平凸球面透
镜的厚度d得到像方主点到透镜后表面的距离
，将实际焦距(
)减去(
)得到
器件结构后表面到实际焦点的距离
；
步骤3） 使第二有源层到器件结构后表面的厚度值+器件结构后表面到实际焦点的距
离
=轴向位移
，实现从透镜边缘出射光束落在第二有源层；
步骤4） 对平凸球面透镜的圆锥系数进行优化后相应得到圆锥系数k，从而得到平凸非球面微透镜，其中平凸非球面微透镜的顶点曲率半径等于平凸球面透镜的曲率半径。
8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于：步骤2）中，
R为所述平凸球面透镜的曲率半径，n为透镜材料的折射率。
9.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于：步骤2）中，
n为透镜材料的折射率，厚度d为所述平凸球面透镜的前表面顶点和后表面的距离。
10.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于：步骤1）中，根据所述第一有源层和第
二有源层的吸收峰的峰位确定入射波长，在中心波长下得到各材料层相对应的折射率，通
过计算得到电池器件平板材料的折射率为等效折射率
。
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