專利名稱：一種基于周期性微結(jié)構(gòu)的太陽能聚光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及太陽能聚光器，特別涉及一種基于周期性微結(jié)構(gòu)的太陽能聚光
O
背景技術(shù)：
近年來，隨著世界能源的日益枯竭和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，太陽能光伏發(fā)電作為最有希望取代傳統(tǒng)石化燃料的綠色能源技術(shù)而受到世界各國的高度重視。太陽能具有取之不盡、用之不竭、清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，然而到達(dá)地表的太陽能密度很低，單位面積的太陽能電池的發(fā)電量非常有限。由于目前所使用的太陽能電池材料昂貴，直接用電池片接收太陽光的光伏系統(tǒng)成本高昂，難以推廣應(yīng)用。為了降低成本，人們開始了對聚光光伏技術(shù)的研究。聚光光伏系統(tǒng)(見文獻(xiàn)1林海浩，張雪梅，鐘英杰.太陽能光伏聚光器技術(shù)進(jìn)展.太陽能，2008，(008) :34-39)使用聚光器把大面積的太陽光匯聚到面積較小的太陽能電池上面，從而用比較便宜的聚光系統(tǒng)來部分代替昂貴的電池，以提高電池轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)低成本發(fā)電的目的。按照光學(xué)原理，可以把聚光器分為基于光線折射、衍射和反射原理的聚光器和基于二次發(fā)射原理的聚光器?；诠饩€折射、衍射和反射原理的聚光器包括折射聚光器、反射聚光器、混合聚光器和全息聚光器幾種類型。這一類聚光器通常使用菲涅爾透鏡、拋物面反射鏡或者全息會聚元件將太陽光聚集到電池上面，其優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)較高的聚光比。其中全息聚光器的色散功能還可將不同波段的光線匯聚到各自匹配的電池上面，最大程度地將光能轉(zhuǎn)換為電能。這一類聚光器的普遍缺點(diǎn)在于聚光不夠均勻、占地面積大以及需要專門的太陽跟蹤裝置。目前存在的這些聚光形式在實(shí)現(xiàn)光能量均勻分布的這一方面都存在著一定的困難，而聚光不夠均勻會導(dǎo)致電池的轉(zhuǎn)換效率降低，對電池的性能造成很大的影響。此外，由于這些聚光形式對光線的接收角度有比較嚴(yán)格的限制，因此它們往往都配備有一維的或二維的跟蹤裝置。而光伏系統(tǒng)一股工作在室外，環(huán)境條件比較惡劣，容易引發(fā)跟蹤系統(tǒng)的故障，經(jīng)常需要對其進(jìn)行檢修和維護(hù)。因此對跟蹤系統(tǒng)的安裝和維護(hù)的支出將在整個光伏系統(tǒng)的總成本中占據(jù)相當(dāng)大的比例。另外，這些聚光系統(tǒng)都需要有專門的場地和空間，在當(dāng)今土地資源非常珍貴的環(huán)境下，需要專門為其開辟一片空間也是一項(xiàng)需要加以考慮的的成本，并且限制了可以使用的場合?；诙伟l(fā)射原理的聚光器包括熱光伏聚光器(見文獻(xiàn)2AndreeV，V.， V.Grilikhes, et al. (2004). “ Concentrator PV modules and solar cells for TPV systems. “ Solar Energy Materials andSolar Cells 84(1-4) :3-17.)和熒光聚光器(見文獻(xiàn)3Van Sark, W. , K. Barnham, et al. (2008). “ Luminescent Solar Concentrators-Α review of recent results. " Optics Express 16(26) :21773-21792.)。在熱光伏聚光器中，會聚后的太陽光把一個輻射器加熱到高溫，然后輻射器再發(fā)出輻射到太陽電池上，電池不能利用的長波輻射重新回到輻射器，理論上可以達(dá)到很高的效率。熱光伏聚光器由于需要會聚太陽光，同樣需要專門的太陽跟蹤裝置。而熒光聚光器是一種添加熒光色素的透明板(一股為有機(jī)玻璃)，利用色素的熒光效應(yīng)將吸收的入射太陽光二次發(fā)射，并傳導(dǎo)到電池上面。熒光聚光器的優(yōu)點(diǎn)在于不需要跟蹤太陽，對不同方向的入射光都能吸收，也能吸收散射光，且其聚光比取決于平板面積和邊緣面積之比，很容易達(dá)到10 100，此外由于其表面積較大，容易散熱，從而避免了因光學(xué)聚焦而使電池過熱導(dǎo)致效率下降的問題。但是熒光聚光器受限于色素材料的性質(zhì)，在陽光的照射下，色素很容易發(fā)生降解，導(dǎo)致熒光效率下降，聚光器壽命縮短。此外有機(jī)玻璃相比普通玻璃價格較貴，硬度較差，表面容易劃傷。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、免跟蹤、接收角大、聚光均勻等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合在任何有玻璃窗戶的建筑和車輛上使用，并且不改變窗戶的外觀，亦不必專門占用額外的空間的基于周期性微結(jié)構(gòu)的太陽能聚光器。本實(shí)用新型設(shè)有透明介質(zhì)基底和太陽能電池，在透明介質(zhì)基底的上表面覆蓋有透明薄膜，所述透明薄膜上制備具有周期性微結(jié)構(gòu)，太陽能電池設(shè)在透明介質(zhì)基底與透明薄膜上的光柵槽線方向平行的兩個側(cè)面上。所述周期性微結(jié)構(gòu)可為一維光柵結(jié)構(gòu)、正交光柵結(jié)構(gòu)或六角晶格結(jié)構(gòu)等，所述一維光柵結(jié)構(gòu)的周期可為400nm，所述正交光柵結(jié)構(gòu)的周期可為600nm，所述六角晶格結(jié)構(gòu)的周期可為600nm。以下給出采用本實(shí)用新型進(jìn)行太陽能聚光的具體方法將太陽能光線入射到本實(shí)用新型的透明薄膜上，其衍射角超過介質(zhì)基底全反射角的衍射級將會在介質(zhì)基底內(nèi)部傳播，最終到達(dá)置于介質(zhì)基底側(cè)壁上的太陽能電池上；未在介質(zhì)基底內(nèi)形成全反射的衍射級以及入射光的零級將會透過透明介質(zhì)基底，提供照明的作用。本實(shí)用新型具有以下突出優(yōu)點(diǎn)(1)本實(shí)用新型類似于熒光聚光器的形式，具有一些熒光聚光器所具有的優(yōu)點(diǎn)， 如易散熱、無需冷卻、安裝簡單、容易維護(hù)等。同時，由于以周期性微結(jié)構(gòu)薄膜替代了熒光色素，因此避免了色素不穩(wěn)定導(dǎo)致聚光器壽命縮短的問題。(2)成本低廉，工藝成熟。使用模壓法制備微結(jié)構(gòu)薄膜成本極低，裝置的透明基底可選用普通的玻璃，制作裝置的材料價格低廉，容易獲取。(3)聚光均勻。對所收集的任意波長的光線，位于側(cè)壁之處的太陽能電池均被均勻照射，從而解決了由于聚光不均勻引起的電池性能下降的問題。(4)透明薄膜上的周期性結(jié)構(gòu)一股為微米量級，肉眼不可分辨。太陽能電池置于透明介質(zhì)基底側(cè)壁，整塊聚光器外觀與普通玻璃無異。薄膜透光性好，有部分光線透過整個裝置，可提供照明的作用。如利用普通玻璃作為透明介質(zhì)基底，可廣泛應(yīng)用于任何有玻璃窗戶的建筑和車輛上，且不改變玻璃窗戶的傳統(tǒng)外觀，不必專門占用額外的空間。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1中，1為透明介質(zhì)基底，2為具有周期性微結(jié)構(gòu)的透明薄膜，3為入射光線，4為經(jīng)微結(jié)構(gòu)薄膜衍射的衍射光線，5為太陽能電池，6為入射光線的直透光線。
具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。參見圖1，本實(shí)用新型實(shí)施例設(shè)有透明介質(zhì)基底1和太陽能電池5，在透明介質(zhì)基底1的上表面覆蓋有透明薄膜2，所述透明薄膜2上制備具有周期性微結(jié)構(gòu)，太陽能電池5 設(shè)在透明介質(zhì)基底1與透明薄膜2上的光柵槽線方向平行的兩個側(cè)面上。所述周期性微結(jié)構(gòu)可為一維光柵結(jié)構(gòu)、正交光柵結(jié)構(gòu)或六角晶格結(jié)構(gòu)等，所述一維光柵結(jié)構(gòu)的周期可為400nm，所述正交光柵結(jié)構(gòu)的周期可為600nm，所述六角晶格結(jié)構(gòu)的周期可為600nm。使用全息法或者刻劃法制備周期性微結(jié)構(gòu)，例如一維或者二維的光柵、六角晶格結(jié)構(gòu)等，然后使用模壓技術(shù)將這種周期性微結(jié)構(gòu)壓制到透明薄膜上，再將這種具有周期性微結(jié)構(gòu)的透明薄膜覆蓋在高透明度的介質(zhì)基底的表面，太陽能電池片置于介質(zhì)基底的側(cè)壁。如圖1所示，當(dāng)入射光線3入射到透明薄膜2上時，其衍射角超過介質(zhì)基底全反射角 θ c的衍射級將會在介質(zhì)基底內(nèi)部傳播，最終到達(dá)置于介質(zhì)基底側(cè)壁上的太陽能電池5上。 未在介質(zhì)基底內(nèi)形成全反射的衍射級以及入射光的零級將會透過透明介質(zhì)基底，提供照明的作用。本聚光器利用了面積等于介質(zhì)基底側(cè)壁面積的太陽能電池收集基底表面面積上的入射光線的衍射光線，大大節(jié)約了電池材料的使用量。本聚光器的周期性微結(jié)構(gòu)的周期由所需衍射的光線的波長決定，本聚光器的聚光比C的上限可由下式定義C 彡 η*Ν(1)其中η為衍射角超過介質(zhì)基底全反射角θ c的所有衍射級的總衍射效率，N為基底覆蓋了薄膜的表面面積與放置太陽能電池的側(cè)壁面積之比。實(shí)際使用過程中由于衍射光在覆蓋有微結(jié)構(gòu)薄膜的表面反射時會有部分光線衍射出介質(zhì)基底，因此實(shí)際的聚光比將會低于式(1)的值。微結(jié)構(gòu)的周期固定時，若要增大電池收集到的光線的波長范圍，可以選擇折射率比較高的材料作為基底。本實(shí)用新型所涉及的基于周期性微結(jié)構(gòu)可根據(jù)經(jīng)典的相干光干涉理論和衍射理論，采用激光全息技術(shù)進(jìn)行制備。其方法是在基底表面涂覆一層記錄材料，例如光刻膠，然后用兩束相干平面波以一定的角度對稱入射進(jìn)行干涉，從而形成高頻光柵，使用二次或者多次曝光法實(shí)現(xiàn)二維光柵或者六角晶格等結(jié)構(gòu)。制備出周期性微結(jié)構(gòu)以后，使用模壓技術(shù)將這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到高透明度的薄膜上。以下給出具體實(shí)施例。實(shí)施例1使用模壓技術(shù)制備出周期為400nm的具有一維光柵結(jié)構(gòu)的透明薄膜，將透明薄膜覆蓋在折射率為1.5，尺寸為50CmX20CmX0.2Cm的透明介質(zhì)基底(玻璃)的表面 (50CmX20Cm)，太陽能電池片置于透明介質(zhì)基底(玻璃)上與光柵槽線方向平行的2個側(cè)面(20cmX0. 2cm)上。實(shí)施例2CN 202034395 U_說明 書_4/4 頁與實(shí)施例1相同，所不同的是透明薄膜上的周期性微結(jié)構(gòu)是正交光柵結(jié)構(gòu)，周期為600nm，太陽能電池置于玻璃的4個側(cè)壁上。實(shí)施例3與實(shí)施例2相同，所不同的是透明薄膜上的周期性微結(jié)構(gòu)為六角晶格結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求1.一種基于周期性微結(jié)構(gòu)的太陽能聚光器，其特征在于設(shè)有透明介質(zhì)基底和太陽能電池，在透明介質(zhì)基底的上表面覆蓋有透明薄膜，所述透明薄膜上制備具有周期性微結(jié)構(gòu)，太陽能電池設(shè)在透明介質(zhì)基底與透明薄膜上的光柵槽線方向平行的兩個側(cè)面上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于周期性微結(jié)構(gòu)的太陽能聚光器，其特征在于所述周期性微結(jié)構(gòu)為一維光柵結(jié)構(gòu)、正交光柵結(jié)構(gòu)或六角晶格結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于周期性微結(jié)構(gòu)的太陽能聚光器，其特征在于所述一維光柵結(jié)構(gòu)的周期為400nm。
4.如權(quán)利要求2所述的一種基于周期性微結(jié)構(gòu)的太陽能聚光器，其特征在于所述正交光柵結(jié)構(gòu)的周期為600nm。
5.如權(quán)利要求2所述的一種基于周期性微結(jié)構(gòu)的太陽能聚光器，其特征在于所述六角晶格結(jié)構(gòu)的周期為600nm。
專利摘要一種基于周期性微結(jié)構(gòu)的太陽能聚光器，涉及太陽能聚光器。裝置設(shè)有透明介質(zhì)基底和太陽能電池，在透明介質(zhì)基底上表面覆蓋有透明薄膜，透明薄膜上制備具有周期性微結(jié)構(gòu)，太陽能電池設(shè)在透明介質(zhì)基底與透明薄膜上的光柵槽線方向平行的兩個側(cè)面上。將太陽能光線入射到所述基于周期性微結(jié)構(gòu)的太陽能聚光裝置的透明薄膜上，其衍射角超過介質(zhì)基底全反射角的衍射級將會在介質(zhì)基底內(nèi)部傳播，最終到達(dá)置于介質(zhì)基底側(cè)壁上的太陽能電池上；未在介質(zhì)基底內(nèi)形成全反射的衍射級以及入射光的零級將會透過透明介質(zhì)基底，提供照明的作用。具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、免跟蹤、接收角大、聚光均勻等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合在任何有玻璃窗戶的建筑和車輛使用。
文檔編號E04D13/18GK202034395SQ201120152070
公開日2011年11月9日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者任雪暢, 劉國華, 劉守, 張向蘇, 王燦輝 申請人:廈門大學(xué)