專利名稱：分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種用于把輻射分成光譜分量的分束器。本發(fā)明具體涉及，但并不是僅僅涉及，可以用于太陽能反射器陣列以將收集的太陽輻射分成光譜分量的分束器。
背景技術(shù)：
在很多國家，對從可再生資源產(chǎn)生電能的需求正在不斷地增加。從太陽輻射產(chǎn)生電能，如利用光電電池把太陽輻射轉(zhuǎn)變成電能，已被認(rèn)為是效率比較低下，并且由光電電池產(chǎn)生能量的成本也較高。但是最近在把太陽光集中到太陽塔的太陽能反射器陣列領(lǐng)域取得了顯著的進步。當(dāng)太陽光被集中時，產(chǎn)生給定量的電力所需的光電電池的面積可以減小，這使得用太陽光產(chǎn)生電能更具吸引力，也更經(jīng)濟。
光電電池利用其中吸收光子且產(chǎn)生電子-空穴對的p-n結(jié)。這種p-n結(jié)需要最小的閾能來產(chǎn)生電子-空穴對以及由此產(chǎn)生電能。因此，能量在閾值以下的長波太陽光，如熱輻射，不能由光電電池轉(zhuǎn)變成電能。特別是，低能輻射使光電電池變熱并導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率下降，而該熱量的去除還需要冷卻裝置。對于在帶隙能量以上的光子，超過帶隙能量的那些能量不能被光電電池利用，并且也作為熱量耗散掉。為了把可以用于由光電電池產(chǎn)生電能的輻射與低能輻射分開，可以使用分束器，將分束器定位在太陽塔處并布置成把集中的太陽光分成兩個光譜分量。例如，這種分束器可以有以太陽塔為中心的盤狀結(jié)構(gòu)，并且光電電池可以位于分束器上方。另外，太陽塔可以包括用于吸收熱輻射的吸收器，吸收器可以位于分束器下方，使得不適于光電轉(zhuǎn)換的太陽光譜部分(即長波輻射和部分短波輻射)可以被利用。然后，分束器把集中的輻射分成兩個光譜分量。
例如，這種分束器可以包括布置成通過干涉把光束分成兩個分量的多層介電濾波器。但是，干涉條件以及因此的分束器操作依賴于太陽光束在分束器表面被接收時的入射角。由于太陽能反射器陣列通常覆蓋很大的地面，因此在分束器處接收的太陽輻射不是處在一個特定的入射角內(nèi)，而是在一個入射角范圍內(nèi)?？朔@個問題的一種辦法是將分束器選擇成有一個復(fù)雜的表面形狀，使得來自不同反射器的太陽光在分束器的各個表面部分處以基本上相同的入射角被接收。但是，具有這種表面形狀的分束器難以制造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在第一方面中提供了一種分束器，包括主體，其具有至少一個基本上平坦的表面，該表面具有布置成接收各個入射角范圍內(nèi)的輻射的表面區(qū)域，其特征在于，至少一些被各個表面區(qū)域接收的輻射的入射角范圍彼此不同，并且每個表面區(qū)域至少有一個各自的光學(xué)特性，使得各個入射角范圍對反射和/或透射的輻射的波長范圍的影響減小。
通常，選擇每個表面區(qū)域的各自光學(xué)特性，使得入射范圍對被每個區(qū)域透射和/或反射的輻射的波長范圍的影響在很大程度上得到補償。
在整個說明書中，“表面區(qū)域”一詞意在包括位于表面的區(qū)域以及與執(zhí)行分束功能的表面相鄰的(即，大部分主體之內(nèi))區(qū)域。另外，“介電”一詞用于描述至少有一些電介質(zhì)特性的任何材料，并且還包括能吸收一部分從其中透射的輻射的材料。
入射到主體表面的輻射可以包括具有第一波長范圍內(nèi)的一種或多種波長的第一輻射分量和具有第二波長范圍內(nèi)的一種或多種波長的第二輻射分量。通常，至少大部分第一輻射分量被反射，至少大部分第二輻射分量被透射。
因為每個表面區(qū)域至少有一個各自的光學(xué)特性，使得各自的入射角范圍對反射的輻射的波長范圍的影響減小，就可以避免復(fù)雜的表面形狀，復(fù)雜的表面形狀是為校正入射角范圍對反射特性的影響而設(shè)計的。
例如，分束器可以通過選擇性地反射和/或透射特定的波長范圍來把入射輻射分成多個波長范圍。
在特定的實施例中，分束器布置成位于太陽塔之上，以接收來自太陽輻射反射器陣列的太陽輻射。
分束器主體通常布置成至少大部分第二輻射分量被該主體透射。例如，分束器可以布置成當(dāng)位于太陽塔上方時，把輻射導(dǎo)向量子接收器，如光電吸收器、熱吸收器、化學(xué)吸收器或任何其他具有光譜依賴性的效率的吸收器。
在一個實施例中，至少大部分第二輻射分量被透射到第一吸收器，并且至少大部分第一輻射分量被反射到第二吸收器。第一和第二吸收器中的每一個都可以是任何類型的適合的量子接收器或光電吸收器。例如，第一和/或第二吸收器可以是化學(xué)或熱吸收器。在具體的實施例中，第一吸收器是光電吸收器，第二吸收器是熱或化學(xué)吸收器。表面區(qū)域通常布置成接收來自各個集中器的輻射，并把接收到的輻射導(dǎo)向收集器或光導(dǎo)的各個區(qū)域。
光電吸收器可以位于分束器上方，熱或化學(xué)吸收器可以位于分束器下方。但應(yīng)該理解，本發(fā)明的這種實施例不限于此特定的配置。例如，可以有一個或多個光電吸收器位于分束器下方，可以有一個或多個熱和/或化學(xué)吸收器位于分束器上方。另外，光電吸收器可以位于分束器上方和下方。在此情況下，位于分束器下方的每個光電吸收器通常吸收的輻射的波長范圍不同于位于分束器上方的每個光電吸收器所吸收的輻射的波長范圍。
在一個具體的實施例中，分束器包括表面區(qū)域，這些表面區(qū)域布置成接收來自各個集中器或是來自集中器各個區(qū)域的輻射，其中各個集中器或是集中器各個區(qū)域可以是太陽輻射反射器陣列的一部分。例如，集中器可以是球形或拋物線形的反射器、菲涅耳透鏡、袖珍線性菲涅耳反射器(CLFR)或任何其他類型的透鏡。
通常，分束器和把光束導(dǎo)向分束器的集中器布置成各個集中器或集中器區(qū)域與各個表面區(qū)域相關(guān)，使各部分第二輻射分量在分束器的各個表面區(qū)域被接收。
該表面可以包括多層介電結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)布置成影響所接收到的輻射的透射和/或反射。在多層結(jié)構(gòu)的每個界面，可以反射一部分輻射，并且輻射可以發(fā)生干涉。每個表面區(qū)域可以與介電結(jié)構(gòu)的一部分或一段相連，并且通常影響各自的反射干涉條件，該反射是在各自入射角范圍內(nèi)接收到的至少一部分輻射的反射。多層介電結(jié)構(gòu)通常布置成透射至少大部分第二輻射分量且反射至少大部分第一輻射分量。在此實施例中，選擇多層介電結(jié)構(gòu)在每個表面區(qū)域的層厚度和/或折射率，以減小入射角范圍對反射和/或透射的輻射的波長范圍的影響。
例如，分束器的表面可以有一個中心。第一表面區(qū)域可以比第二表面區(qū)域更接近該中心。分束器可以布置成在第一表面區(qū)域處接收來自接近太陽塔的光反射器的光，在第二表面區(qū)域處接收來自遠(yuǎn)離太陽塔的光反射器的光。在此情況下，在第二表面區(qū)域處接收的輻射的平均入射角大于(相對于表面法線)在第一表面區(qū)域處接收的輻射的平均入射角。在此實施例中，多層介電結(jié)構(gòu)的各層在第二表面區(qū)域中的厚度大于在第一表面區(qū)域中的厚度，從而補償不同的入射角范圍對干涉條件的影響。
在特定實例中，多層介電結(jié)構(gòu)的各層可以有遞減(形成錐形)的層厚度，從而很大程度地補償不同的入射角范圍對干涉條件的影響。例如，輻射的入射角可以作為分束器上徑向位置的函數(shù)而變化，并且介電結(jié)構(gòu)可以有沿徑向遞減的層厚度?；蛘呋蛄硗獾?，多層介電結(jié)構(gòu)的各層可以有遞減的折射率分布，選擇這種分布以補償不同的入射角范圍對干涉條件的影響。
在特定的實施例中，分束器包括具有遞減層厚度的多層介電結(jié)構(gòu)，并且該結(jié)構(gòu)布置成反射大于90％、通常基本上為100％的第一波長范圍內(nèi)的輻射。在此情況下，分束器通常布置成透射和/或反射在表面上具有諸如0-60°的較寬入射角范圍的輻射。
在另一具體實施例中，分束器包括具有遞減層厚度的多層介電結(jié)構(gòu)，并且該結(jié)構(gòu)布置成透射大于90％、通?；旧蠟?00％的第二波長范圍內(nèi)的輻射。例如，分束器可以包括一種抗反射涂層，如光電吸收器用的抗反射涂層。
但是，應(yīng)該理解，在本實施例的改型中，分束器可以不必有中心，而可以有任何其他合適的幾何形狀。還應(yīng)該理解，分束器的層厚度或折射率分布可以根據(jù)應(yīng)用所需的任何合適方式而改變。
第一和第二表面區(qū)域可以隔開和/或可以設(shè)置在相對于地面不同的高度。另外，第一和第二表面部分可以有相對于彼此的任何順序。例如，可以調(diào)節(jié)光集中器以將光束導(dǎo)向任何表面區(qū)域，在這種情況下，表面區(qū)域可以不依據(jù)入射角范圍來排序。
在本實施例的改型中，可以形成多層介電結(jié)構(gòu)，使得連續(xù)層之間的過渡基本上是連續(xù)的，從而形成皺波型濾波器。此吸收器具有的特殊優(yōu)點在于，它可以產(chǎn)生一種在反射和/或透射波長范圍之外具有可忽略的二級波瓣(“邊帶”)的分束器。然后，根據(jù)分束器表面上的位置調(diào)節(jié)皺波型濾波器的組成，從而補償不同的入射角范圍對分束器的影響。
每個表面區(qū)域可以包括各自的多層介電結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)布置成反射和/或透射在各自的入射角范圍內(nèi)接收到的輻射。例如，分束器表面區(qū)域可以附著到各個光電電池，這樣的優(yōu)點在于每種介電多層結(jié)構(gòu)可以較小，因此較易于制作。另外，此種改型具有提高的靈活性。例如，可以用不同的材料做不同的表面區(qū)域。光電接收器的任何非活性表面區(qū)域，如各個電池之間的區(qū)域，可以用高反射涂層覆蓋，以將未用的光重新導(dǎo)向熱接收器，并防止或減少光電電池過熱。
分束器還可以包括全息結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)布置成通過衍射和干涉來影響接收到的輻射的反射和/或透射，并且其中的每個表面區(qū)域都影響干涉條件，以重新導(dǎo)向和/或反射和/或透射在各自的入射角范圍內(nèi)接收到的輻射。全息結(jié)構(gòu)起衍射光柵的作用，并因此能夠?qū)б蕴囟ㄈ肷浣潜唤邮盏奶囟úㄩL的光。分束器可以包括幾種全息結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)疊置或分布在不同的層中，每種結(jié)構(gòu)布置成重新導(dǎo)向和/或反射和/或透射在各自的入射角范圍和/或波長范圍內(nèi)接收到的輻射。
在特定的實施例中，分束器包括具有全息結(jié)構(gòu)的同心表面區(qū)域，每種全息結(jié)構(gòu)布置成反射在各自的入射角范圍內(nèi)接收到的輻射。全息結(jié)構(gòu)可以利用適當(dāng)?shù)能浖a(chǎn)生，所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)可以利用照相或光刻技術(shù)及蝕刻而轉(zhuǎn)移到載體材料上。
在本實施例的改型中，分束器包括一種全息結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)布置成把接收到的輻射分成多于一個的波長范圍。這種具體實施例的優(yōu)點在于，可以將波長范圍選擇得更適合幾個吸收器和/或光電電池的最佳工作波長范圍，從而提高輻射能量轉(zhuǎn)換成電能的效率。
另外，全息結(jié)構(gòu)可以布置成使得不同波長范圍的輻射投射到遠(yuǎn)離太陽塔和/或位于太陽塔下方的各個位置，因而太陽塔可以只須承載分束器，因此可以是較輕且不昂貴的結(jié)構(gòu)。
分束器的主體還可以包括多層介電結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)布置成通過干涉來影響接收到的輻射的透射和/或反射，并且其中每個表面區(qū)域影響各自的反射干涉條件，該反射是在各自的入射角范圍內(nèi)接收到的至少一部分輻射的反射。
本發(fā)明的第二方面提供了一種制造分束器的方法，該分束器具有用于在各個入射角范圍內(nèi)接收輻射的表面區(qū)域，至少有一些入射角范圍彼此不同，并且每個表面區(qū)域布置成反射至少一些輻射，該方法包括以下步驟賦予每個表面區(qū)域至少一個各自的光學(xué)特性，使得入射角范圍對反射的輻射的波長范圍的影響減小。
本發(fā)明的第三方面提供了一種通過上述方法制造的分束器。
本發(fā)明的第四方面提供了一種分束器，包括具有表面區(qū)域的主體，這些表面區(qū)域布置成接收各自入射角范圍內(nèi)的輻射并反射至少一些輻射，其特征在于，至少一些被各個表面區(qū)域接收的輻射的入射角范圍彼此不同，并且每個表面區(qū)域至少有一個各自的光學(xué)特性，使得各個入射角范圍對反射的輻射的波長范圍的影響減小。
例如，輻射可以包括具有處于第一波長范圍內(nèi)的一種或多種波長的第一輻射分量和具有處于第二波長范圍內(nèi)的一種或多種波長的第二輻射分量。通常，具有第一波長范圍以外的波長的輻射分量不被反射而被透射。
例如，分束器可以布置成在從輻射反射器的各個表面區(qū)域接收到的輻射中分出第一輻射分量，并把第一輻射分量導(dǎo)向收集器的各個表面區(qū)域。主體可以包括至少一個光學(xué)引導(dǎo)介質(zhì)，如光纖，該介質(zhì)布置成用于導(dǎo)引第一輻射分量并使具有第一波長范圍之外的波長的輻射穿過導(dǎo)引介質(zhì)壁而照射出去。在具體的實施例中，第一輻射分量被導(dǎo)向光電電池，透過導(dǎo)引介質(zhì)壁的輻射被熱吸收器或化學(xué)吸收器接收。
通過下面對本發(fā)明具體實施例的描述，對本發(fā)明將有更全面地理解。下面參考附圖進行描述。


圖1表示一個具體實施例的太陽輻射收集系統(tǒng)的示意圖；圖2(a)-(d)表示計算的通量分布的二維圖；圖3表示在本發(fā)明實施例的環(huán)狀接收器內(nèi)的能量計算值的一維圖；圖4表示經(jīng)過三個接收器表面的截面的輻射的角分布圖；圖5表示本發(fā)明另一具體實施例的分束器的示意性截面圖；圖6表示對于本發(fā)明實施例的分束器濾波器所計算出的反射率分布，(a)表示根據(jù)作為分束器濾波器上位置的函數(shù)的入射角適當(dāng)調(diào)節(jié)了薄膜厚度分布，(b)表示沒有適當(dāng)調(diào)節(jié)薄膜厚度分布；圖7表示本發(fā)明又一具體實施例的分束器的示意圖；和圖8表示本發(fā)明再一具體實施例的分束器的示意性截面圖。
具體實施例方式
首先參見圖1，下面描述根據(jù)具體實施例的太陽輻射收集系統(tǒng)。系統(tǒng)10包括布置成接收太陽光并把太陽光反射到分束器14的定日鏡12區(qū)。分束器14位于太陽塔16上。在此實施例中，布置這些定日鏡使得每個定日鏡反射太陽光，并集中太陽光到分束器14的各個表面區(qū)域，以使分束器14的各個區(qū)域與各個反射器相關(guān)聯(lián)。
分束器14布置成把接收到的輻射分成具有第一光譜范圍內(nèi)的波長的第一輻射分量和具有第一波長范圍以外的波長的第二輻射分量。第二輻射分量被分束器14透射，而部分第一輻射分量被分束器14反射。第二輻射分量被導(dǎo)向光電吸收器18，在此實施例中該光電吸收器位于分束器14上方，第一輻射分量被導(dǎo)向熱吸收器20，在此實施例中該熱吸收器位于分束器14下方。
為了在光電吸收器18中產(chǎn)生電子-空穴對并因此產(chǎn)生電能，被吸收的光子必須具有最小的閾能。在長短通濾波器(edge filter)的設(shè)計中，分束器14的布置使得透射到光電吸收器18的光子具有遠(yuǎn)大于閾值的能量，并且能量低于閾值的大部分光子被導(dǎo)向熱吸收器20?；蛘撸梢圆捎脦ㄔO(shè)計，這也允許不能被光電接收器完全利用并可能破壞光電接收器的高能光子被導(dǎo)向熱吸收器。這兩種配置具有的優(yōu)點在于光電吸收器18的發(fā)熱可以降為最小，并且，借助于熱吸收器20可以用熱輻射等低能輻射來產(chǎn)生電能。
分束器14也可以設(shè)計成起帶阻濾波器的作用，或是設(shè)計成同時反射和/或透射多個光譜帶的光譜選擇性濾光器。
下面更詳細(xì)地描述分束器14之類的分束器的設(shè)計。圖2表示諸如圖1所示且在上面說明過的單塔中心接收器系統(tǒng)的焦點區(qū)域的通量分布。通量分布是2000年1月1日下午1:06在澳大利亞的悉尼計算的。對于此計算，假設(shè)系統(tǒng)10包括閉合的、環(huán)形、拋物面截面的定日鏡環(huán)形區(qū)，公共瞄準(zhǔn)點在10m高的塔的頂部。利用表1中列出的參數(shù)計算通量分布。
為了計算通量分布，利用了Buie D.和Imenes A.G.在2003年的“Asolar and vector class for the optical simulation of solar concentratingsystem”(In Proc.ISES Solar World Congress，June 14-19，Gothenburg，Sweden，P6 76)中描述的射線跟蹤程序。
借助于天空中太陽的位置、其光譜和空間能量分布以及其在非理想鏡面反射之后的空間能量分布的展寬，來定義地表的太陽光束。重要的參數(shù)是環(huán)日比(circumsolar ratio，CSR)，其定義為由包含在天空中環(huán)日區(qū)域內(nèi)的輻射通量除以來自直射光束和光環(huán)的輻射通量所得的值。如果用CSR表示太陽光的空間能量分布，那么對于地理位置的變化，其平均值將是一個恒量。在此選擇了標(biāo)準(zhǔn)的太陽形狀分布，CSR的典型值為5％。同等重要的是反射模塊的光學(xué)特性。此處，假設(shè)定日鏡的反射鏡具有表面誤差為3.5mrad的標(biāo)準(zhǔn)偏差，并有一個理想的跟蹤方案。
圖2表示了計算出的通量分布21、22、23和24作為離開接收器中心的位移的函數(shù)，其中接收器放置在定日鏡區(qū)的焦平面下方、距離為(a)1.0m，(b)0.6m，(c)0.4m和(d)0.2m處，接收器表面為2×2m2。
表1.

由放置在焦點下方0.2m(25)、0.4m(26)、0.6m(27)和1.0m(28)水平面上的環(huán)形接收器攔截的能量計算值示于圖3中。放置在焦點下方0.4m處、直徑為1.5m的環(huán)形接收器將收集大約97％的被反射鏡區(qū)攔截并反射的能量。在此情況下對應(yīng)的峰值集光度為500suns。
接下來，應(yīng)該考慮在圖1所示系統(tǒng)10的焦點區(qū)域中分束器14上入射的輻射的角能量分布。由于太陽的形狀和鏡面誤差，光線會存在一定的重疊，因此需要確定由焦點區(qū)域中的平板接收器攔截的能量的平均角分布和標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖4中的曲線29、30和31表示輻射的角分布，對應(yīng)于通過放置在焦點下方0.2m、0.4m和1.0m處的接收器的中心的截面。平均加權(quán)角μ及其標(biāo)準(zhǔn)偏差σ定義如下μ=ΣinθiωiΣinωi]]>方程(1)σ=Σin(θi-μ)2ωiΣinωi]]>方程(2)在方程(1)和方程(2)中，ωi表示以角θi入射的光線i的能量。對于接收器上的給定位置，通過讓光線i的角度與能量之積對所有n條光線進行求和，然后除以所有n條光線的總能量，來得到平均加權(quán)角。標(biāo)準(zhǔn)偏差是該平均值的方差的平方根。
從圖4中可以看出，對于放置在焦點下方0.4m處的分束器，平均加權(quán)角遵從一條從大約10°到大約54°范圍內(nèi)的曲線，對于較小的入射角，標(biāo)準(zhǔn)偏差約為8°，對于較大的入射角，標(biāo)準(zhǔn)偏差約為3°。對于令人滿意的分束器性能而言，這些偏差處于可以接受的限度內(nèi)。相對于遠(yuǎn)離焦平面的接收器位置而言，更接近焦平面的接收器位置處的標(biāo)準(zhǔn)偏差更大。越接近焦平面時標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，是由來自于定日鏡區(qū)不同方向的射線的重疊較大所致。在此情況下，平均加權(quán)角的分布很大程度地受到來自于定日鏡區(qū)外側(cè)區(qū)域的大量能量的影響。
當(dāng)接收器在焦平面下方進一步下移時，來自定日鏡區(qū)不同部分的射線的重疊減少，標(biāo)準(zhǔn)偏差也減小。在吸收器上的任何指定點，大部分能量此時來自于相當(dāng)窄的角錐內(nèi)。在此情況下，平均加權(quán)角的分布表現(xiàn)為在吸收器平面上有較大的變化吸收器的中心區(qū)從塔附近的定日鏡接收大部分能量，因此平均加權(quán)角將達(dá)到一個小的值。吸收器的外側(cè)區(qū)域從位置遠(yuǎn)離的定日鏡接收能量，并且平均加權(quán)角相應(yīng)地增大。
圖5表示根據(jù)另一具體實施例的分束器20。在此情況下，分束器20布置成將從太陽反射器陣列(未示出)接收到的輻射32進行分束，將第二輻射分量34透射到光電吸收器(未示出)，并將其余的輻射36導(dǎo)向熱吸收器(未示出)。分束器20包括透明的盤狀光學(xué)透射基底38，在該基底上沉積著多層厚度遞減的介電結(jié)構(gòu)40。另一種可選結(jié)構(gòu)包括盤狀光學(xué)透射基底38，在該基底的前側(cè)上沉積多層厚度遞減的介電結(jié)構(gòu)40，在該基底的后側(cè)上額外沉積多層厚度遞減的介電結(jié)構(gòu)以提高光學(xué)性能(未示出)。
介電結(jié)構(gòu)40的形狀設(shè)置考慮到了薄膜的光準(zhǔn)入的變化，該變化在入射角增大時出現(xiàn)并影響光程，正如傳播的光線所示，且因此影響薄膜的干涉特性(為了清楚起見，圖5放大了介電結(jié)構(gòu)的內(nèi)外區(qū)域之間的厚度差)。對于指定的薄膜厚度d，光程發(fā)生變化使得角度增大時入射波能夠有效地到達(dá)(see)更薄的層。為了補償光程的這種變化，根據(jù)方程(3)，相對于法向入射時的膜厚度d而言，在非法向入射角θ時，薄膜的厚度應(yīng)該增大。
dc=d(1-(n1n2)2sin2θ)-0.5]]>方程(3)在方程(3)中，n1是入射介質(zhì)或入射層的折射率，n2是要被調(diào)節(jié)的薄膜層的折射率。用于沉積和制造多層濾波器的合適介電材料包括但不限于高折射率材料，如折射率大約在1.8-2.4范圍內(nèi)的Si3N4、Y2O3、Ta2O5、ZnS或TiO2，和低折射率材料，如折射率大約在1.4-1.7范圍內(nèi)的MgF2、LiF、CaF2、SiO2或Al2O3。
對于由單晶硅電池組成的光電接收器，可以給出上述多層結(jié)構(gòu)的典型帶通窗的一個例子，其中的光子閾值為1.1eV，對應(yīng)于波長為1.1微米的入射光子。帶通濾波器的透射區(qū)的上邊緣接近1.1微米，從而所有波長長于1.1微米的輻射都將被反射到熱接收器。通常，根據(jù)復(fù)合接收器的電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)化來確定下邊緣，例如通過比較熱接收器的(光譜)效率與光電接收器的光譜效率，并且在典型的結(jié)構(gòu)中可以選擇下邊緣為0.5-0.7微米，例如0.6微米。所有波長短于0.6微米的光子將被反射到熱接收器。在此實例中，帶通濾波器將波長在0.6微米與1.1微米之間的至少大部分輻射透射到光電接收器。光電接收器和熱接收器的不同選擇會導(dǎo)致不同的最佳帶通區(qū)域。
多層結(jié)構(gòu)40包括大量的層，相對于參考波長λ，每層的光學(xué)厚度接近一個或多個四分之一波長，但由于為了滿足復(fù)雜的長短通濾波器或帶通設(shè)計而進行的優(yōu)化計算的原因，通常可以包含的層厚度在幾納米到幾百納米的范圍內(nèi)。在多層結(jié)構(gòu)的每個界面處，部分輻射被反射，并且如果在各個界面處被反射的輻射彼此相消干涉，則多層結(jié)構(gòu)的透射最大化。選擇層厚度，使得實現(xiàn)長短通濾波器或帶通透射濾波器分布。因此，對于相應(yīng)于長短通濾波器或帶通濾波器的預(yù)定波長范圍，分束器將輻射透射到光電電池，而在其他的波長范圍內(nèi)，透射到光電電池的陽光減少。
每層中光的有效光程依賴于入射角。在此實施例中，太陽輻射收集系統(tǒng)10布置成接近分束器中心的表面區(qū)域從接近于太陽塔16的定日鏡接收輻射，而遠(yuǎn)離中心的表面區(qū)域從遠(yuǎn)離太陽塔16的定日鏡接收輻射。為了確保任何入射角的輻射具有由分束器20實現(xiàn)的同樣的光譜分束特性，層40的厚度從分束器20的內(nèi)表面區(qū)域到外表面區(qū)域增加。
多層介電結(jié)構(gòu)40可以利用2004年2月20日提交的共同未決的澳大利亞臨時專利申請“等離子處理裝置(Apparatus for Plasma Treatment)”中公開的方法和裝置進行沉積。此臨時專利申請公開了一種具有中空陰極的裝置，其對基底以預(yù)定的方式掃描，從而以預(yù)定的方式涂敷基底。
在本實施例的改型中，可以把多層介電結(jié)構(gòu)40布置成在相鄰層之間有連續(xù)的過渡并形成皺波型濾波器。這種皺波型濾波器的優(yōu)點在于可以減小在最大透射或反射的理想波長范圍之外的二級透射或反射波瓣，并且還可以減少與應(yīng)力、破裂及由結(jié)構(gòu)連續(xù)性質(zhì)所致的粘滯有關(guān)的制造和耐用性問題。
下面進一步描述在制造分束器(如圖5中的分束器20)時的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。本實施例中，多層結(jié)構(gòu)(如多層結(jié)構(gòu)40)的優(yōu)化是基于所謂的“優(yōu)質(zhì)函數(shù)”的計算，該優(yōu)質(zhì)函數(shù)是設(shè)計的實際光譜特性與理想光譜特性之間對應(yīng)關(guān)系的數(shù)字測量。優(yōu)質(zhì)函數(shù)越小，目標(biāo)與實際設(shè)計特性之間的對應(yīng)關(guān)系越接近。此處采用的實例中，目標(biāo)函數(shù)由高濃度單晶硅PV接收器和并行工作的熱機的最佳電輸出來定義。理想的(“目標(biāo)”)光譜通帶分布采取簡單的方形(square)分布形狀。目標(biāo)函數(shù)的公差由入射空氣團1.5(即，太陽入射角48°)直射太陽光譜與設(shè)計點處的接收器的光譜效率的乘積來定義，這產(chǎn)生一個對優(yōu)質(zhì)函數(shù)的加權(quán)程序。
當(dāng)定義濾波器的目標(biāo)函數(shù)時，應(yīng)該仔細(xì)考慮濾波器在其上有效的光譜帶寬，因為較窄的帶寬將改善通過數(shù)字優(yōu)化程序產(chǎn)生的最終層結(jié)構(gòu)。累積的積分法向直射輻射的規(guī)一化光譜分布表現(xiàn)為在該日的主要時段、即空氣團1～3(太陽入射角范圍0～70°)期間所經(jīng)歷的入射角范圍內(nèi)的變化極小。只有稍大于1％的陽光在2500nm以上的IR區(qū)域入射，因此，此波長可以設(shè)為光譜目標(biāo)函數(shù)的方便的上限。類似地，只有大約1％的陽光在350nm以下入射，這可以選作目標(biāo)函數(shù)的下限。但是，因為暴露于UV光會導(dǎo)致對PV電池的損壞，所以分束器可以設(shè)計成將有害的光反射離開電池。在此情況下，目標(biāo)函數(shù)的下限可以向下移到～300nm，作為此時的處理方法。
在此實施例中，“探針(needle)”數(shù)字優(yōu)化技術(shù)被用于計算出產(chǎn)生帶通濾波器功能的涂層40的薄膜折射率分布。關(guān)于探針技術(shù)的進一步信息，可以參考Tikhonravov A.V.、Trubetskov M.K.和DeBell G.W.在1997年的文章“Design of coatings for wide angular range applications”(In OpticalThin Films VNew Developments，Proc.SPIE 3133，30July-1 August，SanDiego，California，pp.16-24)。
根據(jù)圖4中的曲線30，采用TFCalc薄膜軟件來優(yōu)化用于錐形入射太陽輻射的濾波器，假設(shè)平均入射角為μ，標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ，并且以54°的最大平均加權(quán)角入射。關(guān)于TFCalc軟件，請參考TFCalc thin film designsoftware，Software Spectra，Inc.，Portland。
探針優(yōu)化起始于基底前表面上厚度為10μm的單層高折射率材料TiO2(在1000nm時，nH＝2.3)，且基底的后表面上有1μm厚的TiO2層。低折射率材料為SiO2(在1000nm時，nL＝1.43)，基底為3mm厚的玻璃(在1000nm時，nS＝1.51)，空氣作為包圍介質(zhì)。假設(shè)這些材料是色散性的無吸收材料。
對于平均加權(quán)角在最大預(yù)測值處進行優(yōu)化。如圖6所示，當(dāng)根據(jù)方程(3)調(diào)節(jié)膜厚度時，最終的優(yōu)化設(shè)計在平均加權(quán)角的較小值處具有改善的性能。對于在14～54°范圍內(nèi)、增幅為10°的平均加權(quán)角時入射的光束錐，最終設(shè)計的反射率分布如圖6(a)所示。根據(jù)方程(3)，當(dāng)入射角變化時，調(diào)節(jié)所有各個層的厚度?？梢钥吹剑S著入射角從54°度的設(shè)計角減小，濾波器的整體性能得以改善。在此實施例中，最終的設(shè)計有162層(正面149層，背面13層)，濾波器中心處的總厚度為～13μm，邊緣處的總厚度為～15μm。圖6(b)表示出沒有根據(jù)方程(3)調(diào)節(jié)層厚度的對應(yīng)結(jié)果。
圖7表示一種分束器50，該分束器包括第一表面區(qū)域52和第二表面區(qū)域54。每個表面區(qū)域具有針對圖5所示分束器20討論過的那種多層介電結(jié)構(gòu)，但考慮到不同的入射角范圍，此實施例中不包括厚度沿徑向逐漸變薄(形成錐形)的層。在此實施例中，第一表面區(qū)域52中的層厚度選擇適合于0°～40°的入射角范圍(相對于表面法線)，第二表面區(qū)域54具有適合于40°～60°的入射角范圍的稍厚的層。應(yīng)該理解，本發(fā)明不是僅限于兩個表面區(qū)域，也不限于此實例給出的入射角范圍。
圖8表示另一實施例的系統(tǒng)60，該系統(tǒng)中分束器包括全息結(jié)構(gòu)62，如體積全息圖，其配置成將第一波長范圍的輻射導(dǎo)向在本實施例中與光電吸收器64的表面重合的第一區(qū)。在此實施例中，波長在第二波長范圍之外的大部分輻射被導(dǎo)向熱吸收器66。
全息結(jié)構(gòu)的功能類似于衍射光柵，并因此可以引導(dǎo)以特定的入射角接收到的特定波長范圍的輻射。例如，可以利用公知的激光干涉或蝕刻技術(shù)在光敏材料中形成全息結(jié)構(gòu)。
通常，以彼此略微不同的波長記錄的大量全息圖相互疊加，使得全息圖的整體響應(yīng)接近于帶通濾波器的響應(yīng)。在此實施例中，考慮到輻射被接收時的入射角來記錄全息結(jié)構(gòu)，該入射角從分束器的內(nèi)表面到外表面區(qū)域增大(相對于表面法線)。
太陽全息圖的制作可以通過把激光源分成兩個相干光束來完成。利用由透鏡和反射鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)，將其中一束光準(zhǔn)直成平行光線入射到記錄片上。另一束光作為球形波以給定的入射角發(fā)散到記錄片上，這必須由最終全息濾波器的理想特性來確定。兩光束在記錄片上有近似相同的強度。對角度和全息圖厚度的選擇使太陽光譜的指定部分被有效地衍射。通過在彼此的頂部疊置幾個全息圖，可以延伸太陽光譜的衍射部分。對于照明波的固定方向，每個全息圖把入射波譜的不同部分衍射到相同的方向，由此建立透射帶或反射帶。全息圖的排列順序?qū)τ诒苊獠煌D之間的耦合很重要，該耦合將會降低衍射效率。
制造全息光學(xué)濾波器的一種方法是把一層或多層光敏重鉻酸鹽明膠放置到玻璃或塑料膜基底上。全息膜可以植入在玻璃片之間以提供剛性、強度和防潮。例如，可以用波長為488nm的氬激光器在通常為幾微米厚的重鉻酸鹽明膠層中記錄衍射圖案，這將導(dǎo)致可見光區(qū)域的光的過濾。對于每次記錄改變兩個相干激光束的入射角，使得記錄的衍射圖案覆蓋波長范圍。同樣，對于給定波長的光，入射角將會決定光子將被反射或透射的光路，如同由記錄的幾何形狀所設(shè)置的一樣。
雖然以上結(jié)合特定實施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以以多種其他的形式實施本發(fā)明。例如，分束器可以不設(shè)置成用于太陽輻射收集系統(tǒng)中，而是可以適于其他的應(yīng)用。
本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員還應(yīng)理解，分束器既可以采取長短通濾波器、帶通濾波器的形式，也可以采取帶阻濾波器的形式，并且還可以把光束分成兩個以上的光譜分量。
根據(jù)輻射收集系統(tǒng)的幾何形狀，分束器可以不是環(huán)狀，而可以采取其他合適的形狀(包括非對稱和不規(guī)則形狀)，如矩形或橢圓形，而且表面區(qū)域可以有任何合適的順序。
另外，本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員應(yīng)該理解，分束器的主體可以不必是平的，而可以包括彼此之間有任何空間關(guān)系的基本上平坦的部分。例如，基本上平坦的表面部分可以隔開，并且也可以在垂直于一個表面部分的方向上偏置。
本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員還應(yīng)理解，入射光束可以分成適合于除前述光電接收器和熱接收器以外的其他接收器的光譜分量，例如，可以將低帶隙光電接收器用于入射太陽光譜的低能部分，各種熱接收器或化學(xué)接收器可以用于入射太陽光譜的高能部分。例如，化學(xué)接收器可以布置成當(dāng)吸收各個波長范圍的輻射時會引發(fā)各自的化學(xué)反應(yīng)。
另外應(yīng)該理解，考慮到分束器上不同的入射角范圍，可以按連續(xù)或間歇的方式使層狀濾波器的厚度和/或材料組成逐漸減小。另外還應(yīng)該理解，層狀介電結(jié)構(gòu)既可以獨立采用，也可以與全息結(jié)構(gòu)結(jié)合采用，以便理想地分裂入射太陽光譜。
分束器可以布置成接收來自任何類型集中器的輻射，該類集中器包括反射器(例如球形或拋物線形反射器)、菲涅耳透鏡或任何其他類型的透鏡。
權(quán)利要求
1.一種分束器，包括主體，其具有至少一個基本上平坦的表面，該表面具有布置成接收各個入射角范圍內(nèi)的輻射的表面區(qū)域，其特征在于，至少一些被各個表面區(qū)域接收的輻射的入射角范圍彼此不同，并且每個表面區(qū)域有至少一個各自的光學(xué)特性，使得各個入射角范圍對反射和/或透射的輻射的波長范圍的影響減小。
2.如權(quán)利要求1所述的分束器，其特征在于選擇每個表面區(qū)域的各自光學(xué)特性，使得入射范圍對每個表面區(qū)域透射/或反射的輻射的波長范圍的影響在很大程度上得到補償。
3.如權(quán)利要求1或2所述的分束器，其特征在于該輻射包括具有第一波長范圍內(nèi)的一種或多種波長的第一輻射分量和具有第二波長范圍內(nèi)的一種或多種波長的第二輻射分量，并且至少大部分第一輻射分量被反射，至少大部分第二輻射分量被透射。
4.如前述任一權(quán)利要求所述的分束器，其特征在于分束器布置成位于太陽塔之上，從太陽輻射反射器陣列接收太陽輻射。
5.如權(quán)利要求4所述的分束器，其特征在于分束器布置成當(dāng)位于太陽塔之上時，至少大部分第一輻射分量被反射到第一吸收器，至少大部分第二輻射分量被透射到第二吸收器。
6.如權(quán)利要求5所述的分束器，其特征在于第一和第二吸收器中的至少一個為熱吸收器。
7.如權(quán)利要求5所述的分束器，其特征在于第一和第二吸收器中的至少一個為化學(xué)吸收器。
8.如權(quán)利要求5所述的分束器，其特征在于第一和第二吸收器中的至少一個為光電吸收器。
9.如前述任一權(quán)利要求所述的分束器，其特征在于主體布置成至少大部分第二輻射分量被該主體透射。
10.如前述任一權(quán)利要求所述的分束器，其特征在于分束器和把光束導(dǎo)向分束器的集中器布置成各個集中器或集中器區(qū)域與各個表面區(qū)域相關(guān)，使第二輻射分量部分在分束器的各個表面區(qū)域被接收。
11.如權(quán)利要求10所述的分束器，包括表面區(qū)域，這些表面區(qū)域布置成接收來自各個集中器的輻射，并把接收到的輻射導(dǎo)向收集器或光導(dǎo)的各個區(qū)域。
12.如權(quán)利要求11所述的分束器，其特征在于每個集中器是太陽能反射器陣列中的一個反射器。
13.如權(quán)利要求10～11中任一項所述的分束器，其特征在于收集器是光電吸收器。
14.如前述任一權(quán)利要求所述的分束器，其特征在于主體包括多層介電結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)布置成通過干涉來影響接收到的輻射的透射和/或反射，并且每個表面區(qū)域影響各自的反射干涉條件，該反射是在各自的入射角范圍內(nèi)接收到的至少一部分輻射的反射。
15.如權(quán)利要求14所述的分束器，其特征在于多層介電結(jié)構(gòu)布置成透射至少大部分第二輻射分量且反射至少大部分第一輻射分量。
16.如權(quán)利要求14或15所述的分束器，其特征在于選擇多層介電結(jié)構(gòu)在每個表面區(qū)域的層厚度，以減小入射角范圍對反射和/或透射的輻射的波長范圍的影響。
17.如前述任一權(quán)利要求所述的分束器，其特征在于分束器布置成位于太陽輻射反射器陣列的太陽塔之上，該分束器的表面有一個中心，第一表面區(qū)域比第二表面區(qū)域更接近該中心，并且第一表面區(qū)域布置成接收來自更接近于太陽塔的反射器的光，第二表面區(qū)域布置成接收來自更遠(yuǎn)離太陽塔的反射器的光。
18.如依據(jù)于權(quán)利要求14～16中任一項的權(quán)利要求17所述的分束器，其特征在于多層介電結(jié)構(gòu)的各層在第二表面區(qū)域處的厚度大于在第一表面區(qū)域處的厚度。
19.如權(quán)利要求18所述的分束器，其特征在于多層介電結(jié)構(gòu)的各層具有遞減厚度，該遞減厚度作為分束器表面上的位置的函數(shù)。
20.如權(quán)利要求16所述的分束器，其特征在于多層介電結(jié)構(gòu)的各層的厚度可以作為接收表面上的位置的函數(shù)而改變。
21.如權(quán)利要求16所述的分束器，其特征在于多層介電結(jié)構(gòu)具有遞減的層厚度，并且布置成反射大于90％的第一波長范圍內(nèi)的輻射。
22.如權(quán)利要求16所述的分束器，其特征在于多層介電結(jié)構(gòu)具有遞減的層厚度，并且布置成透射大于90％的第二波長范圍內(nèi)的輻射。
23.如權(quán)利要求14～18中任一項所述的分束器，其特征在于形成多層介電結(jié)構(gòu)，使得連續(xù)層之間的過渡基本上是連續(xù)的，從而形成皺波型濾波器。
24.如權(quán)利要求14～22中任一項所述的分束器，其特征在于每個表面區(qū)域包括各自的多層介電結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)布置成反射在各自的入射角范圍內(nèi)接收到的輻射。
25.如權(quán)利要求24所述的分束器，其特征在于表面區(qū)域附著到各個光電電池。
26.如權(quán)利要求1～13中任一項所述的分束器，其特征在于主體包括全息結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)影響各自的衍射和干涉條件，用于反射和/或透射在各自的入射角范圍內(nèi)接收到的輻射。
27.如權(quán)利要求26所述的分束器，包括各具有全息結(jié)構(gòu)的同心表面區(qū)域，該全息結(jié)構(gòu)布置成反射和/或透射至少大部分在各自的入射角范圍內(nèi)接收到的輻射。
28.如權(quán)利要求26或27所述的分束器，其特征在于每種全息結(jié)構(gòu)布置成將在各自的入射角范圍內(nèi)接收到的輻射中多于一個的波長范圍反射和/或透射。
29.如權(quán)利要求28所述的分束器，其特征在于全息結(jié)構(gòu)布置成使得不同波長范圍的輻射被導(dǎo)向不同的位置。
30.如權(quán)利要求26～28中任一項所述的分束器，其特征在于主體還包括多層介電結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)布置成通過干涉來影響接收到的輻射的透射和/或反射，并且每個表面區(qū)域影響各自的反射干涉條件，該反射是在各自的入射角范圍內(nèi)接收到的至少一部分輻射的反射。
31.一種制造分束器的方法，該分束器具有用于在各自的入射角范圍內(nèi)接收輻射的表面區(qū)域，至少有一些入射角范圍彼此不同，并且每個表面區(qū)域布置成反射至少一些輻射，該方法包括如下步驟賦予每個表面區(qū)域至少一個各自的光學(xué)特性，使得各個入射角范圍對反射和/或透射的輻射的波長范圍的影響減小。
32.一種通過權(quán)利要求31所述方法制造的分束器。
33.一種分束器，包括具有表面區(qū)域的主體，該表面區(qū)域布置成接收各自的入射角范圍內(nèi)的輻射，其特征在于，至少一些被各個表面區(qū)域接收的輻射的入射角范圍彼此不同，并且每個表面區(qū)域有至少一個各自的光學(xué)特性，使得各個入射角范圍對反射和/或透射的輻射的波長范圍的影響減小。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種包括主體的分束器，該主體具有至少一個基本上平坦的表面。該表面具有布置成接收各個入射角范圍內(nèi)的輻射的表面區(qū)域。至少一些被各個表面區(qū)域接收的輻射的入射角范圍彼此不同，并且每個表面區(qū)域有各自的光學(xué)特性，使得各個入射角范圍對反射和/或透射的輻射的波長范圍的影響減小。
文檔編號G02B27/10GK1906772SQ200480040790
公開日2007年1月31日 申請日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月18日
發(fā)明者大衛(wèi)·米爾斯, 菲利普·施拉米克, 斯蒂芬·G·博西, 安妮·格爾德·伊梅里斯 申請人:悉尼大學(xué)