專利名稱：一種非跟蹤式太陽能聚光電池用光耦合器及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能聚光光伏領域，尤其是非跟蹤式太陽能聚光光伏領域，特別涉及一種非跟蹤式太陽能聚光電池用光耦合器及其制備方法，替代現(xiàn)有太陽能聚光技術中所采用的對日跟蹤系統(tǒng)。
背景技術：
聚光光伏發(fā)電是通過采用廉價的聚光系統(tǒng)將太陽光會聚到面積很小的高性能III-V族化合物半導體太陽能電池上，從而大幅度地降低太陽能電池材料成本。這種高效的太陽能電池，需要透鏡或鏡面將接收到的太陽能放大成百上千倍，然后將放大的能量聚焦于其上；現(xiàn)有聚光光伏發(fā)電技術所存在的缺點是，需要人們預先對當?shù)氐墓庹諈?shù)進行測定，通常采用菲涅爾透鏡作為聚光器，這就要求入射光線為與聚光器垂直的平行光才能實現(xiàn)會聚的目的，為了更加充分地利用太陽光，聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)必須輔以精確的對日跟蹤 裝置，保持聚光器表面要始終與入射光線保持垂直，對日跟蹤裝置包括一維跟蹤和二維跟蹤，需要復雜的機電控制系統(tǒng)，由于聚光電池片面積小，為達到高聚光比，跟蹤精度通常要求在±1。，這不僅增加了系統(tǒng)重量和安裝難度，而且設計維護成本較高，跟蹤設備和以后的維護費用在CPV系統(tǒng)中占據(jù)將近70%的成本。這極大地限制了光伏發(fā)電效果，并成為束縛聚光光伏發(fā)展的主要瓶頸。為了解決這一難題，我們需要探索一種無跟蹤聚光技術，不需要采用精確的對日跟蹤裝置，入射光線與聚光器表面不垂直時，也能夠很好地將各個方向的入射光線會聚到一點或者一定的小區(qū)域內(nèi)達到聚光的目的，實現(xiàn)低成本的高效聚光發(fā)電。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種非跟蹤式太陽能聚光電池用光耦合器及其制備方法，替代傳統(tǒng)對日跟蹤系統(tǒng)，有效降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案一種非跟蹤式太陽能聚光電池用光耦合器，所述光耦合器的形狀為上底面大、下底面小的四棱臺，其中上底面為入射面，下底面為聚光面，軸向的中垂面折射率最大，軸向的兩個側面折射率最小，折射率自軸向的中垂面向軸向兩側面呈依次減小的梯度分布。所述入射面與聚光面的面積比為(10 50) :1。為使入射到內(nèi)壁的光線更好地反射并會聚于聚光面，所述光耦合器的四個側面覆有銀薄膜作為反射面。一種非跟蹤式太陽能聚光電池用光耦合器的制備方法，包括以下基本步驟
Ca)選取厚度相同、折射率和密度不同的方形含鉛燧石玻璃板，按照密度和折射率由小到大的順序自上而下依次疊層排列，形成底部玻璃板密度和折射率最大，頂部玻璃板密度和折射率最?。?br> (b)將上述疊層排列好的玻璃板放在鉬金模具中加熱至熔融，并保溫進行層與層之間的鉛離子擴散，擴散完成后自然冷卻至室溫，在重力及玻璃層不同密度的作用下，形成沿玻璃疊層軸向折射率呈梯度分布的透鏡，簡稱軸向梯度折射率透鏡，軸向梯度折射率透鏡的頂面折射率最小，底面折射率最大；
由于重力和各玻璃層之間不同密度的作用足以克服玻璃層之間的對流趨勢，并由于各層玻璃之間鉛濃度的差異而導致鉛的擴散，最終沿著玻璃層厚度即疊層的軸向形成折射率的梯度分布；
(C)將上述軸向梯度折射率透鏡沿軸向等分切割成兩個尺寸相同的透鏡，兩個透鏡的底面粘接在一起，形成雙面軸向梯度折射率透鏡，中間粘接面折射率最大，折射率自中間粘接面向軸向兩側呈依次減小的梯度分布；
(d)將上述雙面軸向梯度折射率透鏡的邊緣進行切割與磨平處理，形成頂部入射面大、底部聚光面小的四棱臺狀光耦合器，通過磁控濺射工藝，在光耦合器四個側面鍍一層銀薄膜作為反射面。步驟(a)所述方形含鉛燧石玻璃板的結構式為R2O-Pb-SiO2, R為堿金屬，其中玻璃 折射率、密度隨鉛含量的增加而上升，方形含鉛燧石玻璃板的折射率范圍為I. 5 I. 9，密度范圍為2. 7 4. 9g/cm3,厚度為O. 5 3mm,橫截面積為30 X 30 60 X 60mm2。步驟(b)所述玻璃板加熱至熔融的溫度為600 720°C，鉛離子擴散時間為50 100小時；
步驟(C)所述兩個軸向梯度折射率透鏡底面粘結所用的粘接劑為光學粘接劑，其折射率與底面折射率相差±0. 05以內(nèi)，以達到折射率匹配的目的。步驟(d)所述光I禹合器四個側面銀薄膜的厚度為O. 5 5mm。本發(fā)明通過將若干層具有不同折射率和密度的方形含鉛玻璃按照密度和折射率由小到大的順序依次將這些玻璃板疊層排列，并將密度和折射率小的置于密度大和折射率大的之上，然后于鉬金模具中加熱至熔融，通過層與層之間的鉛離子擴散，形成梯度分布的折射率，將制成的梯度折射率透鏡沿軸向一切為二，沿高折射率面將兩個透鏡粘接在一塊，形成一個雙面軸向梯度折射率透鏡，利用光線由折射率小的介質(zhì)向折射率大的介質(zhì)偏轉(zhuǎn)的原理，實現(xiàn)對各個方向入射的太陽光都能較好地會聚到折射率較大的透鏡中心部位，并耦合到太陽能電池片的表面，達到理想的聚光發(fā)電的效果，替代傳統(tǒng)的對日跟蹤裝置，有效地降低系統(tǒng)成本。本發(fā)明的有益效果
(a)本發(fā)明的光耦合器利用光線由折射率小的介質(zhì)向折射率大的介質(zhì)偏轉(zhuǎn)的原理，對各個方向的入射光線都能較好的偏轉(zhuǎn)并會聚于聚光面，替代傳統(tǒng)聚光光伏領域的對日跟蹤系統(tǒng)，有效地降低系統(tǒng)成本；
(b)由于光耦合器采用入射面積大、聚光面積小的棱臺形狀，且側面鍍有反射光線的銀薄膜，可以使入射光線最大程度地會聚于聚光面，并照射在光伏電池上，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。


圖I為本發(fā)明光耦合器的結構示意 圖2為制備雙面軸向梯度折射率光耦合器的流程 圖3為雙面軸向梯度折射率光耦合器折射率隨橫向(軸向)的變化圖；圖4為雙面軸向梯度折射率光耦合器聚光效果 圖5為光線軌跡三維圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述
本發(fā)明所提供的一種非跟蹤式太陽能聚光電池用光耦合器，如圖I所示，光耦合器的形狀為上底面大、下底面小的四棱臺,其中上底面為入射面1，下底面為聚光面2，入射面與聚光面的面積比為(10 50) 軸向的中垂面折射率最大,軸向的兩個側面折射率最小·，折射率自軸向的中垂面向軸向兩側面呈依次減小的梯度分布，為使入射到內(nèi)壁的光線更好地反射并會聚于聚光面，光耦合器的四個側面覆有銀薄膜作為反射面3。制備方法包括以下基本步驟
1、選取厚度均為2mm的方形燧石玻璃片6片，玻璃片截面積為50X50mm2，折射率分別為 I. 50,1. 58,1. 66,1. 74,1. 82,1. 90 ;密度分別為 3. 01,3. 25,3. 64,4. 07,4. 30,4. 82g/cm3，如圖2 —(I)所示，6層玻璃片按照折射率由低到高自上而下疊層排列，其中折射率小的玻璃片放在折射率大的玻璃片之上，即最底層玻璃片的折射率為I. 90，密度為4. 82 g/cm3，最頂層玻璃片的折射率為I. 50，密度為3. 01 g/cm3 ；
2、將上述疊層排好的玻璃片放在鉬金模具中，鉬金模具尺寸為50X 50 X 20mm3,加熱至700°C熔融，并保溫80小時以進行層與層之間的鉛離子擴散，然后自然冷卻至室溫，沿著玻璃層厚度即軸向，形成折射率梯度分布的透鏡，頂面折射率最小，底面折射率最大；
3、如圖2—(2)所示，將上述熔為一體的梯度折射率透鏡沿軸向切割成兩片相同的小片，即兩個小片均是頂部折射率最小、底部最大；然后將兩個梯度折射率透鏡沿著折射率最大的一面，即原先的底面粘接在一起，形成雙面軸向梯度折射率透鏡，如圖2 —(3)所示，其中粘接在一起的原底面為該透鏡折射率最大的中垂面，向軸向兩個側折射率依次減小，粘接為一體的雙面梯度折射率透鏡的折射率隨橫向位置(軸向)分布如圖3所示；其中粘接劑為光學粘合劑，其折射率與底部接近，為I. 90，以達到較好的折射率匹配；如此形成的中間折射率大、兩邊折射率小的結構，可以實現(xiàn)入射線由小折射率區(qū)域向大折射率區(qū)域偏轉(zhuǎn)，即使不同入射角，光線經(jīng)上面的入射面?zhèn)鞑?，會偏轉(zhuǎn)到中間折射率大的區(qū)域范圍，通過對透鏡厚度的控制，使偏轉(zhuǎn)到中間折射率大區(qū)域的光線會聚于聚光面。4、最后將所形成的雙面梯度折射率透鏡邊緣切割并磨平，形成頂部入射面大、底部聚光面小的四棱臺狀聚光電池用光耦合器，其中頂部面積為24X24mm2、底部面積為5X5mm2，采用磁控濺射工藝在光耦合器的四個側面鍍上一層厚度2mm的銀薄膜作為反射面，使入射到內(nèi)壁的光線更好地反射并會聚于聚光面，如圖2 —(4)所示。雙面軸向梯度折射率光耦合器聚光效果如圖4所示。如圖5所不,將III-V化合物半導體光伏電池(如GaAs)與上述光稱合器有聚光面通過光學粘接劑粘接為一體，光學粘接劑透過率90%，折射率為I. 90，應用于非跟蹤式太陽能聚光電池發(fā)電領域，可以實現(xiàn)400倍左右的聚光效果。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制；任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內(nèi)容對本發(fā)明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同替換、等效變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案 保護的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種非跟蹤式太陽能聚光電池用光耦合器，其特征在于所述光耦合器的形狀為上底面大、下底面小的四棱臺，其中上底面為入射面，下底面為聚光面，軸向的中垂面折射率最大，軸向的兩個側面折射率最小，折射率自軸向的中垂面向軸向兩側面呈依次減小的梯度分布。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種非跟蹤式太陽能聚光電池用光耦合器，其特征在于所述入射面與聚光面的面積比為(10 50) :1。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種非跟蹤式太陽能聚光電池用光耦合器，其特征在于所述光耦合器的四個側面覆有銀薄膜作為反射面。
4.一種權利要求1、2或3所述的非跟蹤式太陽能聚光電池用光耦合器的制備方法，其特征在于，包括以下基本步驟 Ca)選取厚度相同、折射率和密度不同的方形含鉛燧石玻璃板，按照密度和折射率由小到大的順序自上而下依次疊層排列，形成底部玻璃板密度和折射率最大，頂部玻璃板密度和折射率最小； (b)將上述疊層排列好的玻璃板放在鉬金模具中加熱至熔融，并保溫進行層與層之間的鉛離子擴散，擴散完成后自然冷卻至室溫，在重力及玻璃層不同密度的作用下，形成沿玻璃疊層軸向折射率呈梯度分布的透鏡，簡稱軸向梯度折射率透鏡，軸向梯度折射率透鏡的頂面折射率最小，底面折射率最大； (C)將上述軸向梯度折射率透鏡沿軸向等分切割成兩個尺寸相同的透鏡，兩個透鏡的底面粘接在一起，形成雙面軸向梯度折射率透鏡，中間粘接面折射率最大，折射率自中間粘接面向軸向兩側呈依次減小的梯度分布； (d)將上述雙面軸向梯度折射率透鏡的邊緣進行切割與磨平處理，形成頂部入射面大、底部聚光面小的四棱臺狀光耦合器，通過磁控濺射工藝，在光耦合器四個側面鍍一層銀薄膜作為反射面。
5.根據(jù)權利要求4所述一種非跟蹤式太陽能聚光電池用光耦合器的制備方法，其特征在于，所述方形含鉛燧石玻璃板的折射率范圍為I. 5 I. 9，密度范圍為2. 7 4. 9g/cm3,厚度為O. 5 3mm,橫截面積為30X30 60 X 60mm2。
6.根據(jù)權利要求4所述的一種非跟蹤式太陽能聚光電池用光耦合器的制備方法，其特征在于，步驟(b)所述玻璃板加熱至熔融的溫度為600 720°C，鉛離子擴散時間為50 100小時。
7.根據(jù)權利要求4所述的一種非跟蹤式太陽能聚光電池用光耦合器的制備方法，其特征在于，步驟(C)所述兩個軸向梯度折射率透鏡底面粘結所用的粘接劑為光學粘接劑，其折射率與底面折射率相差±0. 05以內(nèi)。
8.根據(jù)權利要求4所述的一種非跟蹤式太陽能聚光電池用光耦合器的制備方法，其特征在于，所述光耦合器四個側面銀薄膜的厚度為O. 5 5mm。
全文摘要
本發(fā)明公開一種非跟蹤式太陽能聚光電池用光耦合器，采用入射面大、聚光面小的四棱臺，軸向的中垂面折射率最大，軸向的兩個側面折射率最小，折射率自軸向的中垂面向軸向兩側面呈依次減小的梯度分布，所述光耦合器的四個側面覆有銀薄膜作為反射面，本發(fā)明的光耦合器利用光線由折射率小的介質(zhì)向折射率大的介質(zhì)偏轉(zhuǎn)的原理，對各個方向的入射光線都能較好的偏轉(zhuǎn)并會聚于聚光面，替代傳統(tǒng)聚光光伏領域的對日跟蹤系統(tǒng)，有效地降低系統(tǒng)成本；由于采用入射面大、聚光面小的棱臺形狀，且側面鍍有反射光線的銀薄膜，可以使入射光線最大程度地會聚于聚光面，并照射在光伏電池上，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/18GK102903779SQ20121035243
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權日2012年9月21日
發(fā)明者馬立云, 彭壽, 崔介東, 王蕓, 石麗芬 申請人:蚌埠玻璃工業(yè)設計研究院, 中國建材國際工程集團有限公司