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太阳能电池中高效分色聚焦光学元件的设计和制作

林冬风  叶佳声  全保刚  许信  王进泽  黄庆礼  张秋琳  张东香  李冬梅  张岩  孟庆波  杨国桢  
【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。为突破这两大瓶颈,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(DOE),同时实现对太阳光的分色和聚焦功能,如图1所示。在理论上,提出了厚度优化算法[1,2],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]。在400-700nm可见光波段,采用450,550,650nm三个设计波长,设计得衍射光学元件,理论聚焦效率为82.20%;在400-900nm波段设计得元件效率为73.68%。在实验上,我们发展了一套在石英基片上多次套刻、深度刻蚀的成熟工艺,制备了多个高性能的分色聚焦衍射光学元件,实验测得上述两个元件的平均光光转化效率分别为60.1%和58.0%.[4]最后,搭建了模拟太阳光光电性能测试平台,用于表征分色聚焦太阳能电池系统的光电性能。电池系统选用染料敏化太阳能电池和砷化镓太阳能电池组合,在有无衍射光学元件两种情况下,分别测量了电池的光电转化效率。测量结果表明,通过在太阳能电池系统中加入衍射光学元件,电池的光电转化效率提高了20%以上。通过分色聚焦衍射光学元件的设计和制作,应用于太阳能电池中,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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1 张巍,张晓波,舒方杰,李永平;采用分步迭代算法设计制作衍射光学元件[J];强激光与粒子束;2005年11期
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