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太阳能电池中高效率分色聚焦衍射光学元件的设计

杨国桢  张岩  叶佳声  李冬梅  王进泽  黄庆礼  林冬风  许信  
【摘要】:太阳能电池的广泛应用目前面临着两个瓶颈:高效率和低成本。突破这两大瓶颈的方案就需要对太阳光进行分色和聚焦。在以往文献中,为实现分色功能,通常将不同半导体材料根据带隙由大到小的顺序自上往下排列(串联),或者采用二相色镜将太阳光分成长波和短波两个波段(并联)。以往方案的共同缺点是:成本很高且加工困难。我们提出了一种全新的解决方案,即通过设计单一衍射光学元件,同时实现对太阳光的分色和聚焦功能,如图1所示。首先,提出了厚度优化算法[1],并将其与杨??顾算法相结合,实现了任意厚度范围内衍射光学元件的设计[2,3]。其次,针对450,550,650nm入射波长,设计的32级量化衍射光学元件,其理论聚焦效率为67.81%再次,优化设计了连续相位和32级量化的衍射光学元件,连续相位元件的理论聚焦效率为:67.81%级量化元件的理论聚焦效率为:73.87%最后,利用该设计方法,设计了适用于全波段太阳光的分色聚焦衍射光学元件[4],采用四节电池并联结构,可望获得49.15%的光电转换效率。所设计的衍射光学元件可通过现代光刻技术加工模具,然后用纳米印刻方法批量复制生产,降低成本,从而突破太阳能电池广泛应用的两个瓶颈,为太阳能的广泛利用提供一种高效和廉价的途径。

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