光子晶体聚光器及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种光子晶体聚光器及其制作方法，聚光器包括透明的玻璃箱体，所述玻璃箱体一侧面玻璃基板内表面凸设有至少两个晶体介质柱，所述至少两个晶体介质柱中每个晶体介质柱具有相同的预定折射率，且所述至少两个晶体介质柱只在所述玻璃基板内表面的第一区域和第二区域内按照预定规律分布，使得可见光无法在其中存在和/或传播，所述至少两个晶体介质柱在所述第一区域和第二区域之间的空间部分构成光通道，在所述光通道处打破所述至少两个晶体介质柱的预定规律分布使得可见光能够直接通过该光通道。本发明可避免不必要的太阳光直接入射到太阳能光伏电池，提高太阳能光伏电池光电转换效率。
【专利说明】光子晶体聚光器及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及聚光光伏发电领域，特别涉及用于控制太阳光传播路径使太阳光投射 到光伏电池上的光子晶体聚光器及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 太阳能具有清洁、无资源地域限制、对人类来说永无枯竭等优良特性，越来越受到 人们的青睐，其中太阳能光伏利用即太阳光通过光伏器件直接转换成电能的技术尤其引人 注目。
[0003] 目前，一个完整的聚光光伏发电系统主要包括聚光太阳能电池组件、太阳跟踪器、 电能存储或逆变设备等几部分。聚光太阳能电池组件作为光电转换部件，主要由透射式或 反射式聚光器和安装有光伏电池晶片的电路板所组成。使用时通过太阳跟踪器使聚光透镜 基本正对阳光照射方向，然后通过该些聚光透镜分别将太阳光汇聚并投射到电路板上与各 个聚光透镜相对应的光伏电池晶片的接收面上，从而使各个光伏电池晶片中产生电流，该 些电流通过电路板上的线路输出。现有技术中聚光时太阳光除了通过聚光透镜汇聚并投射 到电路板上与各个聚光透镜相对应的光伏电池晶片上外，太阳光还会从其他位置直接出射 到达光伏电池晶片上，使得太阳能光伏电池温度升高，进而使得光电转换效率降低。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种光子晶体聚光器 及其制作方法，W避免不必要的太阳光直接入射到太阳能光伏电池，提高太阳能光伏电池 光电转换效率。
[0005] 为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是；一种光子晶体聚光器，包括透 明的玻璃箱体，所述玻璃箱体一侧面玻璃基板内表面凸设有至少两个晶体介质柱；所述至 少两个晶体介质柱中每个晶体介质柱具有相同的预定折射率，且所述至少两个晶体介质柱 只在所述玻璃基板内表面的第一区域和第二区域内按照预定规律分布，使得可见光无法在 所述第一区域和第二区域中存在和/或传播；所述至少两个晶体介质柱在所述第一区域和 第二区域之间的空间部分构成光通道，在所述光通道处打破所述至少两个晶体介质柱的所 述预定规律分布使得可见光能够直接通过该光通道。
[0006] 优选的，所述第一区域和第二区域均为矩形区域，所述至少两个晶体介质柱只在 所述玻璃基板内表面的第一区域和第二区域按照预定规律分布具体为： 所述至少两个晶体介质柱在所述玻璃基板内表面的第一区域和第二区域内均呈阵列 式均匀间隔分布。
[0007] 优选的，所述第一区域和第二区域之间的部分构成截面为矩形的光通道，所述光 通道的宽度大于位于所述第一区域或第二区域中相邻晶体介质柱之间的距离。
[0008] 优选的，所述第一区域和第二区域中相邻晶体介质柱之间的距离均为 0. 436 + 0. 1 U m。
[0009] 优选的，所述至少两个晶体介质柱中每个晶体介质柱的半径与所述相邻晶体介质 柱之间的距离的比值为0. 4。
[0010] 优选的，所述至少两个晶体介质柱中每个晶体介质柱的所述预定折射率为 3. ：M±0. 15。
[0011] 优选的，所述至少两个晶体介质柱中每个晶体介质柱均为楓晶体介质柱。
[0012] 本发明还提供一种光子晶体聚光器的制造方法，该方法包括步骤： 在玻璃基板表面结晶连接晶体介质柱的步骤： 在已形成晶体介质柱的所述玻璃基板的四周及上部连接玻璃面板，形成一个透明的玻 璃箱体的步骤； 其中，所述在玻璃基板表面结晶连接晶体介质柱的步骤包括： 在所述玻璃基板表面结晶凸设连接至少两个晶体介质柱，所述至少两个晶体介质柱中 每个晶体介质柱具有相同的预定折射率，且所述至少两个晶体介质柱只在所述玻璃基板内 表面的第一区域和第二区域内按照预定规律分布，使得可见光无法在所述第一区域和第二 区域中存在和/或传播；所述至少两个晶体介质柱在所述第一区域和第二区域之间的空间 部分构成光通道，在所述光通道处打破所述至少两个晶体介质柱的所述预定规律分布使得 可见光能够直接通过该光通道。
[0013] 优选的，所述第一区域和第二区域均为矩形区域，所述至少两个晶体介质柱只在 所述玻璃基板表面的第一区域和第二区域按照预定规律分布具体为： 使所述至少两个晶体介质柱在所述玻璃基板表面的第一区域和第二区域内均呈阵列 式均匀间隔分布； 所述第一区域和第二区域之间的空间部分构成截面为矩形的光通道，所述光通道的宽 度大于位于所述第一区域或第二区域中相邻晶体介质柱之间的距离。
[0014] 优选的，所述第一区域和第二区域中相邻晶体介质柱之间的距离均为 0. 436 + 0. 1 y m ;所述至少两个晶体介质柱中每个晶体介质柱的半径与所述相邻晶体介质 柱之间的距离的比值为0. 4 ;所述至少两个晶体介质柱中每个晶体介质柱的所述预定折射 率为3. 34 + 0. 15 ;所述至少两个晶体介质柱中每个晶体介质柱均为楓晶体介质柱。
[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明光子晶体聚光器的玻璃箱体一侧 面玻璃基板内表面凸设有至少两个晶体介质柱；所述至少两个晶体介质柱中每个晶体介质 柱具有相同的预定折射率，且所述至少两个晶体介质柱只在所述玻璃基板内表面的第一区 域和第二区域内按照预定规律分布，使得可见光无法在所述第一区域和第二区域中存在和 /或传播；所述至少两个晶体介质柱在所述第一区域和第二区域之间的空间部分构成光通 道，在所述光通道处打破所述至少两个晶体介质柱的所述预定规律分布使得可见光能够直 接通过该光通道。使用时在箱体内的光通道一端设置太阳能电池，光从上表面入射进入本 聚光器时，可见光能够从打破晶体介质柱规律排列的缺陷处，即光通道处到达太阳能电池， 同时可见光不会从其他位置出射到达太阳能电池，避免不必要的太阳光直接入射到太阳能 光伏电池，从而使得太阳能电池温度相对于传统的聚光方式有所降低，进而使得光电转换 效率提高，其能够实现全天候非跟踪聚光，简单方便成本低。
[001引【专利附图】
【附图说明】： 图1是本发明实施例中的光子晶体聚光器的箱体整体示意图； 图2是本发明实施例中的光子晶体聚光器的内部结构示意图； 图3是图1沿BB线的剖视图； 图4是本发明实施例中的光子晶体聚光器的禁带范围光曲线示意图； 图5是本发明实施例中的光子晶体聚光器的制造方法流程图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明 上述主题的范围仅限于W下的实施例，凡基于本
【发明内容】
所实现的技术均属于本发明的范 围。
[0018] 本发明的光子晶体聚光器，包括透明的玻璃箱体，所述玻璃箱体一侧面玻璃基板 内表面凸设有至少两个晶体介质柱；所述至少两个晶体介质柱中每个晶体介质柱具有相同 的预定折射率，且所述至少两个晶体介质柱只在所述玻璃基板内表面的第一区域和第二区 域内按照预定规律分布，使得可见光无法在所述第一区域和第二区域中存在和/或传播； 所述至少两个晶体介质柱在所述第一区域和第二区域之间的空间部分构成光通道，在所述 光通道处打破所述至少两个晶体介质柱的所述预定规律分布使得可见光能够直接通过该 光通道。
[0019] 该光子晶体聚光器使用时在箱体内的光通道一端设置太阳能电池，光通道宽度可 根据需要具体设定，与太阳能电池尺寸适配即可，光从上表面入射进入本聚光器时，可见光 能够从打破晶体介质柱预定规律分布排列的缺陷处，即光通道处到达太阳能电池，同时可 见光不会从其他位置出射到达太阳能电池，避免不必要的太阳光直接入射到太阳能光伏电 池，从而使得太阳能电池温度相对于传统的聚光方式有所降低，进而使得光电转换效率提 高，其能够实现全天候非跟踪聚光，简单方便成本低。下面具体说明本发明。
[0020] 参看图1-2,本实施例的光子晶体聚光器包括透明的玻璃箱体1，所述玻璃箱体1 一侧面玻璃基板2内表面凸设有至少两个晶体介质柱3,本实施例优选楓晶体介质柱。所述 至少两个晶体介质柱3中每个晶体介质柱具有相同的预定折射率，且所述至少两个晶体介 质柱3只在所述玻璃基板2内表面的第一区域201和第二区域202内按照预定规律分布， 使得可见光无法在所述第一区域201和第二区域202空间中存在和/或传播；所述至少两 个晶体介质柱3在所述第一区域201和第二区域202之间的空间部分构成光通道4,在所述 光通道4处打破所述至少两个晶体介质柱3的所述预定规律分布使得可见光能够直接通过 该光通道4。
[0021] 本发明通过使用具有预定折射率的晶体介质柱，按照预定规律分布排列规则来控 制光线的传播。其原理在于当满足一定条件的存在周期规律分布结构的晶体介质柱中，光 子将形成能带结构，能带与能带之间存在能隙，称为"禁带"，频率为禁带范围的光不能在其 中存在和传播。本发明利用该一原理，引入缺陷通道，即所述光通道，也就是打破晶体介 质柱的周期排布规律的通道，频率为禁带范围的光就能通过该缺陷（即光通道）射出。本发 明通过设置晶体介质柱的折射率及晶体介质柱的空间排布，使禁带范围的光为可见光范围 内，该样该光子晶体聚光器对于太阳能电池有效的光通过缺陷（即所述光通道）出射，太阳 能电池在光通道端部接收，而其他的光则不会到达太阳电池，从而实现聚光。由于排除掉了 无用的光，可W降低太阳能电池的温度，使得太阳能电池的转换效率进一步提升。
[0022] 具体的，在一个示例中，结合参看图1-3,所述第一区201和第二区域202均为矩 形区域，两个区域大小完全相同，所述至少两个晶体介质柱3只在所述玻璃基板2内表面的 第一区域201和第二区域202按照预定规律分布具体为；所述至少两个晶体介质柱3在所 述玻璃基板2内表面的第一区域201和第二区域202内均呈阵列式均匀间隔分布，晶体介 质柱3在第一区域和201和第二区域202中按照相同的方式分布，每行每列所有晶体介质 柱3的中也在一条直线上，第一区域201和第二区域202中相邻晶体介质柱3之间的距离 相等。所述按照预定规律分布当然也可W按照其他规律排列分布，如H角形周期分布。所 述第一区域201和第二区域202之间的部分构成截面为矩形的光通道4,所述光通道4的宽 度大于位于所述第一区域201或第二区域202中相邻晶体介质柱3之间的距离。所述第一 区域201和第二区域202中相邻晶体介质柱3之间的距离均为0. 436 + 0. 1 y m。所述至少 两个晶体介质柱3中每个晶体介质柱的半径与所述相邻晶体介质柱之间的距离的比值（即 归一化半径）为0. 4。所述至少两个晶体介质柱3中每个晶体介质柱的所述预定折射率为 3. ：M±0. 15。
[0023] 在所述第一区域201和第二区域202晶体介质柱3按照预定规律分布排列（即阵 列式均匀间隔分布)，而在光通道4区域打破预定规律分布排列，在光通道4处晶体介质柱 排列结构方式与第一区域201和第二区域202的不一样，即光通道4的宽度大于位于所述 第一区域201或第二区域202中相邻晶体介质柱3之间的距离。光通道4区域边沿两侧为 位于第一区域201和第二区域202边沿位置的晶体介质柱，其两侧的晶体介质柱之间的间 隔距离明显宽于第一区域201和第二区域202中相邻晶体介质柱之间的距离，也就是第一 区域201和第二区域202中相邻晶体介质柱排列分布的周期性在该个地方不存在，周期被 打破。
[0024] 本发明通过设置晶体介质柱的折射率及晶体介质柱的空间排布，使禁带范围的光 为可见光范围内，该样该光子晶体聚光器对于太阳能电池有效的光通过缺陷（即所述光通 道）出射，太阳能电池在光通道端部接收，而其他的光则不会到达太阳电池，从而实现聚光。 由于排除掉了无用的光，可W降低太阳能电池的温度，使得太阳能电池的转换效率进一步 提升。
[0025] 下面对本发明的光子晶体聚光器性能作出测试，用平面波展开法求解麦克斯韦方 程即可得到一组本征值方程，即；
【权利要求】
1. 一种光子晶体聚光器，其特征在于，包括透明的玻璃箱体，所述玻璃箱体一侧面玻璃 基板内表面凸设有至少两个晶体介质柱；所述至少两个晶体介质柱中每个晶体介质柱具有 相同的预定折射率，且所述至少两个晶体介质柱只在所述玻璃基板内表面的第一区域和第 二区域内按照预定规律分布，使得可见光无法在所述第一区域和第二区域中存在和/或传 播；所述至少两个晶体介质柱在所述第一区域和第二区域之间的空间部分构成光通道，在 所述光通道处打破所述至少两个晶体介质柱的所述预定规律分布使得可见光能够直接通 过该光通道。
2. 根据权利要求1所述的光子晶体聚光器，其特征在于，所述第一区域和第二区域均 为矩形区域，所述至少两个晶体介质柱只在所述玻璃基板内表面的第一区域和第二区域按 照预定规律分布具体为： 所述至少两个晶体介质柱在所述玻璃基板内表面的第一区域和第二区域内均呈阵列 式均匀间隔分布。
3. 根据权利要求2所述的光子晶体聚光器，其特征在于，所述第一区域和第二区域之 间的部分构成截面为矩形的光通道，所述光通道的宽度大于位于所述第一区域或第二区域 中相邻晶体介质柱之间的距离。
4. 根据权利要求3所述的光子晶体聚光器，其特征在于，所述第一区域和第二区域中 相邻晶体介质柱之间的距离均为〇. 436±0. 1 ii m。
5. 根据权利要求4所述的光子晶体聚光器，其特征在于，所述至少两个晶体介质柱中 每个晶体介质柱的半径与所述相邻晶体介质柱之间的距离的比值为〇. 4。
6. 根据权利要求4或5所述的光子晶体聚光器，其特征在于，所述至少两个晶体介质柱 中每个晶体介质柱的所述预定折射率为3. 34±0. 15。
7. 根据权利要求6所述的光子晶体聚光器，其特征在于，所述至少两个晶体介质柱中 每个晶体介质柱均为碘晶体介质柱。
8. -种光子晶体聚光器的制造方法，其特征在于，该方法包括步骤： 在玻璃基板表面结晶连接晶体介质柱的步骤： 在已形成晶体介质柱的所述玻璃基板的四周及上部连接玻璃面板，形成一个透明的玻 璃箱体的步骤； 其中，所述在玻璃基板表面结晶连接晶体介质柱的步骤包括： 在所述玻璃基板表面结晶凸设连接至少两个晶体介质柱，所述至少两个晶体介质柱中 每个晶体介质柱具有相同的预定折射率，且所述至少两个晶体介质柱只在所述玻璃基板内 表面的第一区域和第二区域内按照预定规律分布，使得可见光无法在所述第一区域和第二 区域中存在和/或传播；所述至少两个晶体介质柱在所述第一区域和第二区域之间的空间 部分构成光通道，在所述光通道处打破所述至少两个晶体介质柱的所述预定规律分布使得 可见光能够直接通过该光通道。
9. 根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述第一区域和第二区域均为矩形 区域，所述至少两个晶体介质柱只在所述玻璃基板表面的第一区域和第二区域按照预定规 律分布具体为： 使所述至少两个晶体介质柱在所述玻璃基板表面的第一区域和第二区域内均呈阵列 式均勻间隔分布； 所述第一区域和第二区域之间的空间部分构成截面为矩形的光通道，所述光通道的宽 度大于位于所述第一区域或第二区域中相邻晶体介质柱之间的距离。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述第一区域和第二区域中相邻晶 体介质柱之间的距离均为〇. 436±0. 1 ii m ;所述至少两个晶体介质柱中每个晶体介质柱的 半径与所述相邻晶体介质柱之间的距离的比值为〇. 4 ;所述至少两个晶体介质柱中每个晶 体介质柱的所述预定折射率为3. 34±0. 15 ;所述至少两个晶体介质柱中每个晶体介质柱 均为碘晶体介质柱。
【文档编号】H02S40/22GK104485880SQ201410742323
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】黄忠, 黄饶, 帅麒, 罗敏 申请人:四川钟顺太阳能开发有限公司