反射式光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种反射式光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用。所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法基于用于对所述包含多个波长的入射光进行分色的反射光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的反射聚焦镜的深度来获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度。按照本发明的反射式光学元件的相位调制比透射式结构强，使得本发明的反射式光学元件的加工难度相比更低。并且本发明的反射式光学元件的材料选取范围广，且成本低，如各类金属均可。
【专利说明】反射式光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学领域，特别是涉及一种用于分色聚焦的反射式光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用。
【背景技术】
[0002]太阳能是一种无污染、取之不尽的可再生能源，对太阳能利用的一种重要方式就是采用太阳能电池把光能转化成电能。太阳能电池的主要原理，以半导体为例，是利用半导体材料的光伏效应去吸收太阳光的能量并转换成电能。当前制约太阳能广泛利用的两个主要因素就是低光电转换效率和高成本。目前，主要通过对太阳光进行聚焦以减少使用昂贵的太阳能电池材料的方式来降低成本。而在实际的使用中，由于不同半导体材料具有的带隙结构不同，能量低于带隙的光无法被吸收转换成电能，能量高于带隙的光虽然被吸收，但超过带隙的那部分能量将以热的形式被浪费掉，因此，采用单一带隙的半导体材料的太阳能电池转换效率较低。为此，还需采用分色方案，即采用不同带隙的半导体材料来分别吸收转换太阳光各个波段的能量，是实现高光电转换效率的重要途径。
[0003]基于以上思想，对太阳光进行分色和聚焦，是实现太阳能高效率、低成本的重要途径。就分色而言，目前世界上主要有两类研究方案，即串联(又称为“级联”)和并联(又称为“横向”)方式。在串联结构中，沿垂直方向自下往上依次生长不同的半导体材料，它们的带隙能量逐渐增加，这种方式在业界通常称为“串联多结电池”。同时，还需要再提供一个高倍聚焦的光学系统以降低成本。这种“串联”方案的缺点在于，不同半导体层之间需要考虑晶格匹配，不仅材料选择性降低，而且材料之间需要具有隧道结，这需要采用分子束外延等技术进行生长，对工艺要求很高；此外，由于不同带隙的半导体之间串联连接，在实际工作时还需要电流匹配，效率亦有所损失。并联结构能够克服上述缺点，因而得到了更多关注。并联结构是指采用光学系统对太阳光同时实现分色和聚焦，使不同波段的太阳光聚焦到不同的区域，然后在对应区域上放置对该波段能量转换效率最高的半导体材料，各半导体材料独立工作。
[0004]目前已知的并联结构实现方案主要有两种，第一种是利用二相色镜(Dichroicmirror)对太阳光进行分色，将太阳光分成长波和短波两个波段成分。为获得较高的分色效率，这种二相色镜通常需要镀膜达到十几层、甚至几十层，技术上很困难。第二种是用透镜加棱镜组合分光的方案，这种方案使得光学器件体积庞大。目前存在的并联结构缺点在于光学系统的成本会非常高。
[0005]本 申请人:在中国发明专利申请N0.201110351978.9的题为“一种衍射光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用”中公开了一种能够对包含多个波长的入射光同时进行分色和聚焦的衍射光学元件的设计方法，其中使用了所谓的“厚度优化算法”来提高所设计的衍射光学元件的衍射效率。在此也全文引入该申请作为参考。该设计方法包括:
[0006]步骤一:对于每一个波长计算衍射光学元件当前采样点处的针对该波长的调制厚度；由此对于多个波长相应地获得多个调制厚度；[0007]步骤_.:对于每个调制厚度获得一系列相互等效的备选调制厚度；
[0008]步骤三:从每个波长的备选调制厚度中选择一个调制厚度，根据所选的对应所述多个波长的多个调制厚度来确定衍射光学元件的当前采样点的设计调制厚度。
[0009]其中的步骤二和步骤三就是“厚度优化算法”，其实质上是扩展了调制厚度的可选范围，并在扩展的可选范围内选择一个能够更好地对多个波长进行折衷的设计调制厚度。
【发明内容】
[0010]本申请的发明人发现，尽管根据中国专利N0.201110351978.9提出的透射式结构的衍射光学元件对包含多波长的入射光已经有了很高衍射效率并且有较薄的器件厚度，但是在衍射效率和器件厚度方面还有进一步提高的空间。而且，本申请的发明人还发现，这样的透射式结构的衍射光学元件在分色聚焦后具有色差等问题。本发明人巧妙地发现，基于反射结构来设计分色聚焦的反射式光学元件并将现有技术中的厚度优化算法用来优化反射结构中的设计深度，这样可以很好地一次性地解决上述问题。
[0011]本发明的一个目的是要提供一种用于分色聚焦的反射式光学元件，提高分色聚焦的光学效率。本发明的另一个目的是提供一种反射式光学元件的设计方法。本发明的再一个目的在于提供一种应用反射式光学元件的太阳能电池。
[0012]按照本发明的一个方面，提供了一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法用于获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度，对于所述反射面的每个采样点，所述设计方法包括:
[0013]步骤一:对于所述多个波长中的每一个波长，采用相位恢复算法获得所述反射式光学元件的当前采样点处的针对该波长的调制深度；对于所述多个波长，相应地获得多个调制深度；
[0014]步骤二:将所述调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定所述反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度。
[0015]本发明提供了又一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法基于用于对所述包含多个波长的入射光进行分色的反射光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的反射聚焦镜的深度来获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度；
[0016]对于所述反射面的每个采样点，所述设计方法包括:
[0017]步骤一:将当前采样点处所述反射光栅的深度与所述反射聚焦镜的深度之和作为所述反射式光学元件的初始深度；
[0018]步骤二:对于所述多个波长中的每一个波长，根据当前采样点处所述反射式光学元件的所述初始深度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制深度；所述等效调制深度在衍射光学元件尺度范围内；由此，对于所述多个波长，对应地获得多个等效调制深度；
[0019]步骤三:将所述等效调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定所述反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度。
[0020]本发明还提供了再一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法基于用于对所述包含多个波长的入射光进行分色的反射光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的反射聚焦镜的深度来获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度；
[0021]对于所述反射面的每个采样点，所述设计方法包括:
[0022]步骤一:对于所述多个波长中的每一个波长，根据当前采样点处所述反射聚焦镜的深度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制深度，所述等效调制深度在衍射光学元件尺度范围内；由此，对于所述多个波长，对应地获得多个等效调制深度；
[0023]步骤二:将所述等效调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定所述反射聚焦镜的对应采样点处的设计调制深度；
[0024]步骤三:将所述反射聚焦镜的设计调制深度加上当前采样点处所述反射光栅的深度以获得所述反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度。
[0025]本发明也还提供了另一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法基于用于对所述包含多个波长的入射光进行分色的反射光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的反射聚焦镜的深度来获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度；
[0026]对于所述反射面的每个采样点，所述设计方法包括:
[0027]步骤一:对于所述多个波长中的每一个波长，根据当前采样点处所述反射聚焦镜的深度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制深度，所述等效调制深度在衍射光学元件尺度范围内；由此，对于所述多个波长，对应地获得多个等效调制深度；
[0028]步骤二:将所述多个等效调制深度分别加上当前采样点处所述反射光栅的深度，以对应地获得当前采样点处的多个初始调制深度；
[0029]步骤三:将所述初始调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定所述反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度。
[0030]在上述的设计方法中，可以根据所述调制深度或根据所述等效调制深度针对对应波长的调制相位的范围为[0,2π )。
[0031]所述厚度优化算法可以包括根据所述调制深度、或根据所述等效调制深度、或根据所述初始调制深度获得一系列备选调制深度；所述一系列备选调制深度对应的一系列调制相位相互之间相差2 π的整数倍；其中，所述备选调制深度被限制在预定的深度范围内。所述预定的深度范围可以根据微加工工艺水平来选择。
[0032]在一种实施方式中，所述反射光栅可以为反射式闪耀光栅，其将所述多个波长中的各个波长的入射光分别集中在预定的单个衍射级上。
[0033]按照本发明的又一个方面，提供了一种上述设计方法设计的反射式光学元件。作为优选，所述反射式光学元件是用微加工方法制成的。这里的微加工方法例如可以是直接用微加工技术制成，可以是通过现代微加工技术加工母版，然后应用压印技术进行大批量生产。[0034]本发明还提供了另一种反射式光学元件，用于对包含有多个波长的入射光进行分色聚焦，所述反射式光学元件由在反射聚焦镜的反射面上沿深度方向刻蚀出一反射式闪耀光栅形成。
[0035]按照本发明的再一个方面，提供了一种太阳能电池，包括:前述的反射式光学元件，用于将太阳光按照选定的多个波长分色且聚焦到一输出面上；
[0036]与所述选定的多个波长对应的多种半导体材料，每一种半导体用于吸收对应波长附近的太阳光，所述多种半导体材料分别设置在所述输出面的对应波长的聚焦区域处。
[0037]本发明具有如下有益效果:
[0038]1)本发明的反射式光学元件可以基于反射聚焦镜与反射光栅获得，能够很好地对入射光实现分色聚焦，避免了采用两个独立的光学元件而使得整个光学系统过于复杂、操作不便。
[0039]2 )由于按照本发明的反射式光学元件能够进一步地提高分色聚焦的光学效率，从而进一步提升了其在太阳能电池中应用的实际意义。
[0040]3)按照本发明的反射式光学元件的反射式结构比现有的透射式结构的相位调制能力更强，使得本发明的反射式光学元件的加工难度相比透射式结构更低。并且本发明的反射式光学元件的材料选取范围广，且成本低，如各类金属均可使用。
[0041]根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中:
[0043]图1 (a)和图1 (b)分别示出了透射式结构和反射式结构对相位调制的光程示意图。
[0044]图2示出了反射聚焦镜将平行入射光聚焦到焦点的示意图。
[0045]图3示出了入射的平行光经反射式闪耀光栅反射后相干，某一波长的主要能量将集中某单一衍射级上，从而不同的波长会分开到不同方向上。
[0046]图4不出了按照本发明一个实施例的方法获得的反射式光学兀件对入射光同时实现分色和聚焦功能的示意图。
[0047]图5示出了按照本发明另一个实施例的方法获得的反射式光学元件的剖面示意图。
[0048]图6示出了利用本发明又一个实施例的方法获得的反射式光学元件的反射面的形貌图。
[0049]图7示出了三个波长经图6所示的反射式光学元件的反射面反射后在出射面板上的光强分布图。
[0050]图8示出了三个波长经图4所示的反射式光学元件反射后在出射面板上的光强分布图。【具体实施方式】
[0051]图1 (a)和图1 (b)分别示出了透射式结构和反射式结构对相位调制的光程示意图。对于厚度为h的透射式结构，其对波长为λα的入射光的相位调制为ΛΦ=2 3?(ηα-1)h/λ α，而对于深度(从基准面到反射面的距离)为h的反射式结构，其对波长为λ α的入射光的相位调制为ΛΦ=2π.21ι/λ α，对于相同的厚度或深度，反射式结构调制的相位为透射式结构的2/(ηα-1)倍。例如透射式结构基体通常采用1=1.46的石英透明材料，那么反射式结构相位调制能力为透射式结构的4.35倍。如果在图1 (b)所示的反射式结构深度的表面，例如在反射面与基准面之间，沉积上折射率为η2(>1)的保护层，则反射式结构的调制能力为透射式结构的2η2.2/(ηα-1)倍。例如透射式结构基体采用ηα=1.46的透明材料，保护层采用η2=1.65的透明材料，那么反射式结构相位调制能力为透射式结构的7.18倍。由于光学元件的光学效率正相关于光学元件对光波波前的相位调制能力，因此，反射式结构相比于透射式结构具有更高的衍射效率。并且，采用光刻或压印制备工艺制备时，为了达到相同的相位调制能力，反射式结构比透射式结构需要的刻蚀深度更浅，这样有利于减少光刻或压印的工序，降低加工难度。此外，对于透射式结构，入射光在传播过程中会经过光学元件的前入射面和后出射面两个界面，并在该两个界面处不可避免地发生所不希望有的部分反射，使得最终从该透射式结构出射的出射光具有较多的能量损失，例如通常透射式结构的透光率为93%甚至更低。而对于反射式结构，由于入射光在传播过程中只在光学元件的一个反射面发生所希望的反射，该反射式结构的反射面反射的反射光具有较少的能量损失，例如采用金属材料作为反射面的话，反射率可以达到95%以上。因此，相比于透射式结构，反射式结构从理论上和实践上都具有更高的分色聚焦光学效率。
[0052]在本发明中，反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长λα (α=1，2，3，...，Νλ，Νλ表示不同波长的数量)的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，该反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面。本发明的目的在于获得反射面的多个采样点处的深度分布。这里的深度分布是在采用光刻或是压印技术制备反射式光学元件时，反射式光学元件的反射面上的每一个采样点基于基准面向深度方向凹入的距离。
[0053]为了便于表述光学元件的深度分布，考虑一维情况下，可以建立这样的坐标系:光学元件的长度方向设为X方向，与光学元件的长度方向垂直的深度方向设为y方向，入射光沿1方向入射。
[0054]图2示出了常规的反射聚焦镜聚焦的原理，入射平行光经反射聚焦镜聚焦到一个焦点上。反射聚焦镜可以根据等光程原理给出，设其焦距为f，口径为D，对于波长为λ α的光，考虑一维情形下反射聚焦镜的深度分布
[0055]
【权利要求】
1.一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法用于获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度，对于所述反射面的每个采样点，所述设计方法包括:步骤一:对于所述多个波长中的每一个波长，采用相位恢复算法获得所述反射式光学元件的当前采样点处的针对该波长的调制深度；对于所述多个波长，相应地获得多个调制深度；步骤二:将所述调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定所述反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度。
2.一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法基于用于对所述包含多个波长的入射光进行分色的反射光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的反射聚焦镜的深度来获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度； 对于所述反射面的每个采样点，所述设计方法包括:步骤一:将当前采样点处所述反射光栅的深度与所述反射聚焦镜的深度之和作为所述反射式光学元件的初始深度；步骤二:对于所述多个波长中的每一个波长，根据当前采样点处所述反射式光学元件的所述初始深度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制深度；所述等效调制深度在衍射光学元件尺度范围内；由此，对于所述多个波长，对应地获得多个等效调制深度；步骤三:将所述等效调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定所述反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度。
3.一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法基于用于对所述包含多个波长的入射光进行分色的反射光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的反射聚焦镜的深度来获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度；对于所述反射面的每个采样点，所述设计方法包括:步骤一:对于所述多个波长中的每一个波长，根据当前采样点处所述反射聚焦镜的深度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制深度，所述等效调制深度在衍射光学元件尺度范围内；由此，对于所述多个波长，对应地获得多个等效调制深度；步骤二:将所述等效调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定所述反射聚焦镜的对应采样点处的设计调制深度；步骤三:将所述反射聚焦镜的设计调制深度加上当前采样点处所述反射光栅的深度以获得所述反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度。
4.一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法基于用于对所述包含多个波长的入射光进行分色的反射光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的反射聚焦镜的深度来获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度；对于所述反射面的每个采样点，所述设计方法包括:步骤一:对于所述多个波长中的每一个波长，根据当前采样点处所述反射聚焦镜的深度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制深度，所述等效调制深度在衍射光学元件尺度范围内；由此，对于所述多个波长，对应地获得多个等效调制深度；步骤二:将所述多个等效调制深度分别加上当前采样点处所述反射光栅的深度，以对应地获得当前采样点处的多个初始调制深度；步骤三:将所述初始调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定所述反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的设计方法，其特征在于，根据权利要求1中的所述调制深度或根据权利要求2-4中的所述等效调制深度针对对应波长的调制相位的范围为[0, 2 31 )。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的设计方法，其特征在于，所述厚度优化算法包括根据权利要求1中的所述调制深度、或根据权利要求2和3中的所述等效调制深度、或根据权利要求4中的所述初始调制深度获得一系列备选调制深度；所述一系列备选调制深度对应的一系列调制相位相互之间相差2 π的整数倍；其中，所述备选调制深度被限制在预定的深度范围内。
7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述预定的深度范围根据微加工工艺水平来选择。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的设计方法，其特征在于，所述反射光栅为反射式闪耀光栅，其将所述多个波长中的各个波长的入射光分别集中在预定的单个衍射级上。
9.一种按照权利要求1-8中任一项所述的设计方法设计的反射式光学元件。
10.根据权利要求9所述的反射式光学元件，其特征在于，所述反射式光学元件是用微加工方法制成的。
11.一种反射式光学元件，用于对包含有多个波长的入射光进行分色聚焦，所述反射式光学元件由在反射聚焦镜的反射面上沿深度方向刻蚀出一反射式闪耀光栅形成。
12.—种太阳能电池，包括:如权利要求9-11中任一项所述的反射式光学兀件，用于将太阳光按照选定的多个波长分色且聚焦到一输出面上；与所述选定的多个波长对应的多种半导体材料，每一种半导体用于吸收对应波长附近的太阳光，所述多种半导体材料分别设置在所述输出面的对应波长的聚焦区域处。
【文档编号】H02S40/22GK103645530SQ201310546100
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月6日 优先权日:2013年11月6日
【发明者】王进泽, 孟庆波, 杨国桢, 李冬梅, 全保刚, 黄庆礼, 许信 申请人:中国科学院物理研究所