专利名称：一种基于微棱镜结构的平板式光伏电池光线增强器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光伏发电技术领域，具体涉及一种基于^^f菱镜结构的平板式光 伏电池光线增强器，将太阳光通过该增强器有效的汇聚到光伏电池表面，从而 提高光伏电池的效率。
背景技术：
在能源问题日益突出的今天，太阳能，作为一种取之不尽、用之不竭、清洁 无污染的绿色能源，对其有效开发利用已成为实现能源可持续发展的重中之重。 在太阳能的有效利用当中，太阳能发电技术是近年来发展最快、最具活力的研究 领域之一。
经过多年的努力，晶体硅太阳电池的实验室效率达到了24. 7% ,大规模生产 商用产品的效率为17°/。以上[1， 2]。尽管如此，由于受单晶硅材料价格及繁瑣的加 工工艺限制，致使单晶硅太阳电池成本居高不下。薄膜太阳电池也取得了令人瞩 目的成就，CuInSe2和CdTe等薄膜电池的实验室效率目前分别为16. 5%和 18. 5%[1]，虽然仍有望在效率上进一步突破，但前者稳定性差，后者又较难制作。 非晶硅及氢化非晶硅的来源较广，但是转换效率较低，且大面积薄膜制作也存在 价格高的问题。相比之下，GaAs基的太阳电池30y。乃至更高的效率独具优势[3]， 但是砷化镓的材料成本远高于硅电池的材料成本，而电池片的价才各是光伏系统 成本最主要的部分。因此，高额成本成为制约光伏发电大规模应用的主要障碍。
为了进一步降低光伏发电成本，减少太阳电池芯片的消耗，聚光才支术是一项 可行的措施，即通过采用廉价的聚光系统将太阳光会聚到面积很小的高性能光 伏电池上，从而大幅度地降低系统的成本及昂贵的太阳电池材料用量[4, 5]。
通过聚光来提高太阳电池效率并降低发电成本的概念是简单直接的。在聚 光条件下， 一方面，电池芯片单位面积接收的辐射功率密度大幅度地增力口，太阳 电池光电转换效率得以提高；另一方面，对于给定的输出功率，可以大幅度降低 太阳电池芯片的消耗，从而降低系统的成本。
在聚光情况下，太阳电池性能的提高主要得益于电池开路电压和光生电流 的提高[6,7]。首先，在非聚光条件下，太阳电池的电流-电压关系为
<formula>formula see original document page 3</formula>
其中4为开路电压，A为短路电流，/。为暗电流，m为考虑光生载流子各种复合 过程的理想因子，一^殳情况下，1 < m < 2。 太阳电池的光电转换效率 7为电池 的最大输出功率与入射太阳光功率仏的比值，可以表示为77 二-
《" (3)
其中/y为填充因子，它表示电池输出特性曲线的"方形"程度。
在聚光情况下，假设光生电流与太阳电池的聚光比成正比，与a)式和(2)式 对比可得到聚光太阳电池的电流-电压关系为
A:77
Fbcx 二 Fbc +附——In Z
e (4)
/.v=x/,t—/。(e^—1) (5)
转换效率可表示为
7 —"，
《 (6) 其中x为太阳电池的聚光比。
假定串联电阻较小，通过对太阳电池单指数模型进行数学处理，可得到聚光 条件下的最大转换效率为
7 ,=^>-乎][《〃。)+ M
e尸' 《 (7)
由(7)式可见，转换效率随着聚光比增加而呈对数型增加。 GreenM A， Emery K,KingD Let al。
Prog。
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App 1。
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发明内容
本专利中所涉及的是基于微棱镜结构的平板式光伏电池光线增强器，该结 构主要由光学透明平板材料(相对空气具有很高的折射率对比度)和微型反射 凹槽组成，太阳光照射在增强器的入光面上，通过在光学平板中的传播，最终 通过出光面处照射在光伏电池表面。
由于采用了微结构设计，使得增强器的入光面面积要大于出光面的面积， 从而实现了对于大面积的入射光线的汇聚。
图1是这个光线增强器结构的侧视图；它阐述了这个平板式光线增强器的 组成结构，它由入光平面(部分l)、透明的光学平板材料(部分2)、微棱镜反 射凹槽(部分3)和出射面(部分4)组成。在具体的实现中，光学透明平板材
4料部分都矩形，厚度可以通过计算而改变，微反射凹槽部分是棱镜形，其边长 和角度也可以改变。微棱镜结构反射的光线角度应尽可能的满足其在平板上表 面出发生全反射所需要的条件。因此光学平板的厚度要和微棱镜结构的尺寸相
匹配，以保证光线在±20°范围内入射时达到全反射。出光面处放置太阳能光
伏电池板，用于接收增强器收集到的光线。入光平面(部分1)的面积和出光
平面(部分4)的面积决定了该增强器可以将多大面积上的太阳光收集到光伏 电池表面，也就是聚光度。而部分3的尺寸(边长和角度)与部分2的厚度会 影响光波在该结构中的传输角度，最终影响传播到出光面的光波数量，即收光 效率。
图2所示为增强器结构的放大示意图，现在结合图l说明太阳光在增强器 的光学平板中如何实现聚光传输及其原理。首先，太阳光从不同的角度i通过 入光平面(部分l)进入光学透明平板材料(部分二)，入射光经过折射后，以 入射角i，入射到该结构底面的微型反射凹槽(部分3),发生反射，反射后的 光波到达光学平板与空气的交界处(即入光平面)时，如果入射角6满足全反 射公式
sin""1
(8) 其中，n,为空气的折射率，112为光学透明平板材料的折射率 则在介质表面处发生全反射，继续向前进方向传播，并以新的入射角度入射到 平板底面的其他微型反射凹槽。如此循环，直至光线最终通过出光面(图中示 意为光学平板的侧面)，照射在光伏电池的表面。最后，通过下面的^^式，计算 出该增强器的光线汇聚度
汇聚度=&><;7.
& ( 9 )
其中，S!为入光面面积，S4为出光面面积，T7为收光效率
当出光平面(部分4)的宽度和入光平面(部分l)的宽度是相同时，上面
的公式(9)可以筒化为
汇聚度4" (10) 其中，Z为增强器的上表面的长度， 〃为增强器的厚度，/;为收光效率
分析得知，要增加光线的汇聚度，就要提高光波在结构中的传输效率以及 出光平面与入光平面面积的比值。在将来的实现中，光学平板(部分2)可以 使用其他不同的高折射率材料(折射率大于1.4)，以增大空气与光学平板之间 的折射率对比度，有利于增加光波导中发生的全反射，提高光波导中的传输效 率 7 ;同时，还要合理地设计微型反射凹槽(部分3)的尺寸和光学平板(部 分2)的厚度，使其互相匹配，从而增加收光;;。在工艺可以实现的水平上，可 以适当的增加增强器的长度，减少光波导的厚度，从而提高长度与厚度的比值， 实现更高的汇聚本发明具有以下优点
(1) 本发明所涉及的光线增强器具有很高的汇聚比。
(2) 本发明所涉及的光线增强器采用了平板式结构，其平板结构厚度很低，通 常在几个毫米甚至更轻薄。
(3) 本发明所涉及的光线增强器由于釆用了平板式结构，可以很容易的进行扩 展，从而可以通过调节收光面积，提高聚光比。
(4) 本发明所涉及的光线增强器的平板制作工艺成熟，成本低廉，易于实现。
(5) 本发明所涉及的光线增强器，应用范围广，由于其结构特殊，可以在航空 航天，空间探测器等设备上使用。
图1:光伏电池增强器的结构示意图，其中l为入光平面；2为光学透明平 板；3为基于微棱镜结构的反射凹槽；4为出光平面；5为条状光伏电池阵列 图2:太阳光在增强器的光学平板中传播 图3:增强器的外观尺寸(40mm X 30mm X 5腿) 图4:微棱镜反射结构的尺寸与角度 图5:收光效率;;与入射角度/的关系
具体实施例方式
图3表示了上层入光平面(部分1)和光学透明平板材料(部分2)及下 层出光平面(部分4)和平板底面微棱镜反射结构(部分3)组成的一个光伏电 池光线增强器。其外型尺寸为40咖长，30mm宽，5mm厚，外部介质为空气 (R.I.=1.00入-570nm)，内部介质由BK7玻璃材津十的光学平板组成(R. I. =1. 52 入-570nm)。光波的输入传播方向是z轴，输出传播方向为y轴。
这个平板式光线增强器的工作过程已经通过微棱镜结构进行说明。首先， 光波经过入光平面(部分1)进入光学透明平板材料(部分2)，在平板底面的 微棱镜凹槽结构(部分3)处发生反射，反射的光线又在光学平板与空气的交 界面处发生全反射，最后经过出光平面(部分4)照射在光伏电池表面，实现 光线的增强: " 、" _、'"、、 、
还要在光学平板中发生全反射实现传播，为了使平板底面反射的光波在传播过 程中尽可能的满足全反射条件，这里采用光学系统仿真软件，对上述结构进行
了仿真设计与计算，设计出微型凹槽的尺寸与角度，如图4所示。
经研究发现，由于微型凹槽的边长不等，所以对于不同角度入射的光线， 其反射角度也不尽相同，从而使得光的传输效率产生差异。从图5中可以看出， 对于该结构，在光波入射角不大于0°的方向上，该增强器的收光效率要略高 于入射角为正方向上的收光效率。这就说明增强器的收光效率与入射光线的角
6度有着密切的关系。
图5所示为太阳光从不同的角度入射时增强器收光效率的分布图，其中 角度的方向参考图2
在实验数据的基础上，结合公式可以计算出这个增强器对于光线的汇聚程 度，例如，入射光角度为0° (即光波为垂直入射)时，光线的汇聚程度为 (40mm/5咖)x52. 7% = 4. 216倍。
权利要求
1.一个基于微棱镜结构的平板式光伏电池光线增强器，太阳光线照射在平板结构的上表面(即入光平面)进入平板结构，在结构底面的微棱镜反射结构处发生反射，经平板内部传播至上表面，满足全反射条件的光线将继续在平板内部传播，直至光线最终到达位于平板结构侧面的出光平面，并照射在光伏电池表面，从而使光线得到增强。
2. 权利要求l中所述的光线增强器结构中，入光面是位于平板结构上表面 的一个平面，光线在结构内传播过程中会在改表面出发生全反射，有效的将光 线控制在波导内部。
3. 权利要求l中所述的光线增强器结构中，底面由若干个连续的微棱镜结 构反射面构成。该结构可以改变入射光的传播方向，使其更加趋于水平，并通 过在两侧的出光面照射在光伏电池的表面。
4. 权利要求1中所述的光线增强器结构中，光学平板材料为高折射率材料 (折射率大于1.4)，材料光学透明，且与空气具有折射率的高对比度，从而确保了光波在平板内部的全反射传播。
5. 权利要求1中所述的光线增强器结构中，出光面是位于平板结构侧面的 平面，其面积应当远小于入光平面面积，从而保证很高的几何压缩比。
6. 权利要求l中所述的光线增强器结构中，微棱镜结构反射的光线角度应 尽可能的满足其在平板上表面出发生全反射所需要的条件。因此光学平板的厚 度要和微棱镜结构的尺寸相匹配，以保证光线在±20°范围内入射时达到全反 射。
全文摘要
一种基于微棱镜结构的平板式光伏电池光线增强器，该光线增强器由一个透明的光学平板构成，其上表面为一个平面，作为入光平面(部分1)，底面由若干个连续的微型棱镜结构(部分3)构成，并镀有高反射膜。从而将从不同角度入射到该结构入光平面的光线通过光学平板(部分2)收集并传播到出光平面(部分4)，照射在光伏电池(部分5)表面，实现光伏电池接收光线的增强。该结构能够有效的提高光伏电池的效率。
文档编号G02B6/00GK101493542SQ20081005686
公开日2009年7月29日 申请日期2008年1月25日 优先权日2008年1月25日
发明者刘建胜, 扬 张, 徐晓萍, 昕 李, 樊惠隆, 谭钧戈, 铮 郑 申请人:北京航空航天大学