CN208521950U - 一种集成分形环的聚光太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种集成分形环的聚光太阳能电池，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分形环；所述分形环为将总环数为(2N‑1)^s的波带片去掉一部分环所形成的衍射型光学元件。本实用新型一种集成分形环的聚光太阳能电池，利用分形环衍射型光学元件的聚光效果，将分形环集成到薄膜太阳能电池芯片的玻璃衬底表面，从而大幅度减小聚光太阳能电池的厚度，使得聚光太阳能电池更加轻薄，便于运输。

Description

一种集成分形环的聚光太阳能电池

技术领域

本实用新型聚光太阳能电池技术领域，尤其涉及一种集成分形环的聚光太阳能电池。

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，染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，克服了太阳辐射能流密度低的缺陷。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。

分形环是一种按照Cantor分形规则划分的同心圆环，如何将分形环应用到太阳能电池从而克服上述问题是一个待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种集成分形环的聚光太阳能电池，利用分形环衍射型光学元件的聚光效果，将分形环集成到薄膜太阳能电池芯片的玻璃衬底表面，从而大幅度减小聚光太阳能电池的厚度，使得聚光太阳能电池更加轻薄，便于运输。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种集成分形环的聚光太阳能电池，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分形环；所述分形环为将总环数为(2N-1)^s的圆环分割掉一部分环所形成的衍射型光学元件；其中，S是分形水平，表示重复分割的次数；N表示S＝1时，所保留的奇数环的个数。

优选的，当s＝2，N＝2时，波带片的总环数为9个，去掉第m＝2，4，5，6，8的对应环即形成所述分形环。

优选的，当s＝2，N＝3时，波带片的总环数为25个，去m＝2，4，6，7，8，9，10，12， 14，16，17，18，19，20，22，24的环即形成所述分形环。

优选的，所述分形环为相位式分形环。

优选的，所述相位式分形环各圆环半径的计算方式如下：

其中，R_m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，所述相位式分形环为阶数大于等于2的高阶相位式分形环。

优选的，二阶相位式分形环通过光刻法在紫外树脂胶上制备；二阶以上的相位式分形环通过激光三维直写技术在紫外树脂胶上制备。

优选的，所述相位式分形环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，所述树脂胶的衬底包括玻璃、塑料或半导体基片。

优选的，所述高阶相位式分形环第p阶树脂胶厚度的计算公式如下：

其中，p大于等于2；n表示树脂胶的折射率；d表示第p阶分形环的厚度；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。

本实用新型的有益效果如下：

(1)本实用新型一种集成分形环的聚光太阳能电池，采用微型相位式分形环作为聚光器，分形环的直径和厚度只有亚毫米量级，同时采用集成的方式，将分形环集成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)本实用新型的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；

(4)本实用新型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，因此通过设计分形环的尺寸，使得分形环的焦距刚好满足衬底的厚度，让分形环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，增加电池的光电转换效率；

(5)本实用新型的集成分形环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；

(6)本实用新型分形环具有很好的聚焦特性，且焦点的色散小，同时分形环具有多焦点特性；利用高阶分形环取代二阶分形环可以进一步提高衍射效率，二阶分形环的理论衍射效率为18.7％，四阶分形环的理论衍射效率为49％；

(7)本实用新型的分形环的分割方法为，当s＝1时，在一个板上分割(2N-1)份，去掉偶数环；当s＝2时，再在奇数环上分割(2N-1)份，去掉偶数环，以此类推，随着s参数的增加，结构缺失部分增多，与现有的菲涅尔波带片相比，分形环在白光下色差更低，并且具有多焦点和深视场特性，以应用于叠层太阳能电池。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型的一种集成分形环的聚光太阳能电池不局限于实施例。

附图说明

图1为现有太阳能电池的一般结构横截面示意图；

图2为本实用新型实施例的二阶相位式分形环集成在太阳能电池衬底表面的器件结构横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的技术方案进行具体说明。

本实用新型所述的分形环是在Cantor分形规则上设计的一种同心圆环。分形环具有类似透镜的聚焦和成像功能，每个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，mλ＜＜f)

其中，R_m是指第m个环的半径，f是焦距，λ是入射光波长。

本实用新型实施例的分形环的分割方法为，当s＝1时，在一个板上分割(2N-1)份，去掉偶数环；当s＝2时，再在奇数环上分割(2N-1)份，去掉偶数环，以此类推。随着s参数的增加，结构缺失部分增多，多焦点性更显著。其中，S是分形水平，表示重复分割的次数； N表示S＝1时，所保留的奇数环的个数。所述的板也可以理解为一个区域，在该区域上按照Cantor分形规则进行分块。

分形环从外形上，相当于将总环数为(2N-1)^s的波带片一部分环去掉，每一个环的半径仍然满足上面公式，当s＝2，N＝2时，波带片的总环数为9个，去掉第m＝2，4，5，6，8 的对应环；当s＝2，N＝3时，波带片的总环数为25个，去掉m＝2，4，6，7，8，9，10，12， 14，16，17，18，19，20，22，24的环。

分形环分为相位式和振幅型两种，由于相位式分形环的衍射效率要远高于振幅型分形环，因此本实用新型实施例采用相位式分形环，二阶相位式分形环可以用光刻的办法在紫外树脂胶上制备，二阶以上的相位式分形环可以利用激光三维直写技术在紫外树脂胶上制备。其树脂胶的衬底可以是玻璃、塑料、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。

分形环具有很好的聚焦特性，且焦点的色散小，同时分形环具有多焦点特性。利用高阶分形环取代二阶分形环可以进一步提高衍射效率，二阶分形环的理论衍射效率为18.7％。四阶分形环的理论衍射效率为49％。

参见图1所示，为现有技术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s＝2，N＝2时，二阶相位式分形环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、塑料或半导体材料，背导电电极反射层的材质为金属薄膜。分形环5设置在所述透明窗口导电层的衬底表面，具体的，所述波带片5为二阶相位式分形环，所述二阶相位式分形环的横截面由若干个按照预设规律排列的树脂胶组成。图2中，箭头6为第一个圆环的半径R₁，箭头7为第二个圆环的半径R₂，箭头8为第三个圆环的半径R₃，箭头9为第6个圆环的半径。

二阶相位式分形环(s＝2，N＝2)相当于把波带片的m＝2，4，5，6，8的圆环去掉。以此类推。分形环是按照Cantor分形规则划分的圆环，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，mλ＜＜f)

其中，R_m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10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。当结构4中的有源层材料确定以后，材料系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，二阶相位式分形环(s＝2，N＝2)各圆环的半径也随之被确定。

为了提高衍射效率，可以用高阶相位式分形环替换二阶相位式分形环。

对于高阶相位式分形环第p阶树脂胶厚度由下面公式确定

其中，p大于等于2；n表示树脂胶的折射率；d表示第p阶分形环的厚度；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。二阶分形环的理论衍射效率为18.7％。四阶分形环的理论衍射效率为49％。因此采用高阶分形环可增加聚光效果，可以进一步增加单位面积太阳能电池的光吸收效率。

以上仅为本实用新型实例中一个较佳的实施方案。但是，本实用新型并不限于上述实施方案，凡按本实用新型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，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种集成分形环的聚光太阳能电池，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分形环；所述分形环为将总环数为(2N-1)^s的波带片分割掉一部分环所形成的衍射型光学元件；其中，S是分形水平，表示重复分割的次数；N表示S＝1时，所保留的奇数环的个数。

2.根据权利要求1所述的集成分形环的聚光太阳能电池，其特征在于，当s＝2，N＝2时，波带片的总环数为9个，去掉第m＝2，4，5，6，8的对应环即形成所述分形环。

3.根据权利要求1所述的集成分形环的聚光太阳能电池，其特征在于，当s＝2，N＝3时，波带片的总环数为25个，去m＝2，4，6，7，8，9，10，12，14，16，17，18，19，20，22，24的环即形成所述分形环。

4.根据权利要求1所述的集成分形环的聚光太阳能电池，其特征在于，所述分形环为相位式分形环。

5.根据权利要求4所述的集成分形环的聚光太阳能电池，其特征在于，所述相位式分形环各圆环半径的计算方式如下：

其中，R_m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。

6.根据权利要求4所述的集成分形环的聚光太阳能电池，其特征在于，所述相位式分形环为阶数大于等于2的高阶相位式分形环。

7.根据权利要求6所述的集成分形环的聚光太阳能电池，其特征在于，二阶相位式分形环通过光刻法在紫外树脂胶上制备；二阶以上的相位式分形环通过激光三维直写技术在紫外树脂胶上制备。

8.根据权利要求7所述的集成分形环的聚光太阳能电池，其特征在于，所述相位式分形环的横截面由若干个按照预设规律排列的树脂胶组成。

9.根据权利要求8所述的集成分形环的聚光太阳能电池，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。

10.根据权利要求8所述的集成分形环的聚光太阳能电池，其特征在于，所述高阶相位式分形环第p阶树脂胶厚度的计算公式如下：

其中，p大于等于2；n表示树脂胶的折射率；d表示第p阶分形环的厚度；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。