專利名稱：一種用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，更具體而言，涉及一種用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，全球范圍內(nèi)的能源緊缺和生態(tài)環(huán)境問題讓人們把更多的目光轉(zhuǎn)移到潔凈、可再生能源的開發(fā)和利用上。太陽能是一種儲(chǔ)量豐富且可持續(xù)利用的潔凈能源，因而如何高效利用太陽能成為各國政府和科學(xué)家熱切關(guān)注的問題。目前人們利用太陽能的方式主要有太陽能發(fā)電、光熱利用、光化學(xué)和光生物利用等，其中，利用半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)而產(chǎn)生電能的太陽能光伏電池是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界討論的熱點(diǎn)，被認(rèn)為是解決能源問題的最有前景的途徑之一。從太陽能光伏電池的發(fā)展歷程來看，太陽能利用效率的提高主要?dú)w功于半導(dǎo)體工藝的改進(jìn)和聚光光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。聚光光學(xué)系統(tǒng)決定了太陽光的收集效率和光電池所接受的有效光能。根據(jù)光伏電池的空間排列方式，聚光系統(tǒng)分為兩種:電池橫向排列所對(duì)應(yīng)的光譜分束的聚光系統(tǒng)，即利用聚光器件的色散將不同譜段的光聚焦在吸收波段與之相匹配的電池上，以提高吸收效率；電池縱向排列所對(duì)應(yīng)的單純聚焦的聚光系統(tǒng)。電池縱向排列的聚光系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮因電池串聯(lián)而產(chǎn)生的電流匹配問題(極大地限制了電池的效率)，而橫向排列的電池卻不必考慮這種問題，只要將太能光譜高效地分束就能提高太陽能利用率，所以本發(fā)明所針對(duì)的就是光譜分束的聚光系統(tǒng)。目前，已報(bào)道的光譜分束聚光光學(xué)系統(tǒng)大多基于折、反射原理對(duì)太陽光譜中的不同譜段的光進(jìn)行分束，然后由不同的光伏電池對(duì)各個(gè)譜段的光分別加以吸收。這樣的光學(xué)系統(tǒng)往往造價(jià)昂貴、分束效果差、體積大而難以集成且受天氣變化的影響很大，極大地制約了太陽能的商業(yè)推廣。針對(duì)上述問題，我們在本發(fā)明中，提出利用衍射光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)高效率利用太陽能的方法。由于衍射光學(xué)元件獨(dú)特的色散特性和靈活設(shè)計(jì)自由度，用它代替折、反射光學(xué)元件對(duì)太陽光進(jìn)行分光譜，在太陽能利用率、分束效果、經(jīng)濟(jì)效益等方面均有很大的改善和提聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要目的是提供一種基于衍射光學(xué)元件、針對(duì)非單色光的聚光光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)⒉煌ㄩL的光在目標(biāo)面上會(huì)聚到不同位置處，并且會(huì)聚的光斑形狀可以根據(jù)實(shí)際需要而加以控制。所述光學(xué)系統(tǒng)能夠用于太陽能聚焦系統(tǒng)，在很大程度上提高太陽能利用率。為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供了一種用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，包括:一衍射光學(xué)元件和一聚焦透鏡；所述衍射光學(xué)元件用于光譜分束和能量探測面上光斑形狀控制，所述聚焦透鏡用于會(huì)聚光束和提供相應(yīng)的色散；太陽光照射該分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，不同譜段的光將被會(huì)聚到能量探測面的不同位置，而且光斑形態(tài)能夠根據(jù)實(shí)際需要而加以任意控制。其中，所述分光譜衍射光學(xué)元件是純位相型的衍射光學(xué)元件，且該衍射光學(xué)元件具有兩臺(tái)階分布的位相(即二元型位相)、多臺(tái)階分布的位相或者連續(xù)型分布的位相。
其中，所述分光譜衍射光學(xué)元件的照明光源是太陽光、輻射白光的發(fā)光二極管或其他非單色光源。其中，所述分光譜衍射光學(xué)元件能夠?qū)⒉煌V段的光會(huì)聚到所述能量探測面上的不同位置，且在能量探測面上每個(gè)譜段的光斑形態(tài)可以是線形、矩形、正方形、圓形、正多邊形、星形以及其他不規(guī)則形狀。其中，所述分光譜衍射光學(xué)元件的材料選自:冕牌玻璃、火石玻璃、石英、甲基丙烯酸酯樹脂、丙烯酸酯樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚碳酸酯樹脂、甲基丙烯酸甲酯苯乙烯共聚物、丙烯腈一苯乙烯共聚物及聚對(duì)苯二甲酸乙二酯。其中，所述聚焦透鏡是凸透鏡，且該凸透鏡是雙凸型透鏡或平凸型透鏡。其中，所述聚焦透鏡的后表面與所述能量探測面之間的間距是所述聚焦透鏡的焦距的0.5^1.5倍；所述衍射光學(xué)元件和所述聚焦透鏡前表面之間的距離為0.Γ50毫米。另外本發(fā)明提供一種用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，即一折衍射光學(xué)元件，所述折衍射光學(xué)元件是由一個(gè)平面表面帶有衍射光學(xué)元件的平凸透鏡；太陽光照射該分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，不同譜段的光將被會(huì)聚到能量探測面的不同位置，而且光斑形態(tài)能夠根據(jù)實(shí)際需要而加以任意控制。其中，所述折衍射光學(xué)元件是直接在平凸透鏡上加工的。其中，所述折衍射光學(xué)元件的浮雕結(jié)構(gòu)是兩臺(tái)階分布的、多臺(tái)階分布的或連續(xù)分布的。其中，照明所述折衍射光學(xué)元件的光源是太陽光、輻射白光的發(fā)光二極管或非單色光源。其中，所述折衍射光學(xué)元件能夠?qū)⒉煌V段的光會(huì)聚到所述能量探測面上的不同位置，且在能量探測面上每個(gè)譜段的光斑形態(tài)是線形、矩形、正方形、圓形、正多邊形、星形以及其他不規(guī)則形狀。其中，所述折衍射光學(xué)元件的材料選自:冕牌玻璃、火石玻璃、石英、甲基丙烯酸酯樹脂、丙烯酸酯樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚碳酸酯樹脂、甲基丙烯酸甲酯一苯乙烯共聚物、丙烯腈一苯乙烯共聚物及聚對(duì)苯二甲酸乙二酯。其中，所述平凸透鏡后表面與所述能量探測面之間的間距是所述平凸透鏡的焦距的0.5 1.5倍。根據(jù)上述方案，本發(fā)明所提供的分光譜聚光器的效果是顯著的。所述分光譜聚光器能夠?qū)⒉煌淖V段的光高效地會(huì)聚到不同位置，在相應(yīng)位置橫向放置吸收該光譜的電池，避免了電池縱向排列時(shí)會(huì)出現(xiàn)的串聯(lián)電流效應(yīng)，這為有效地提高太陽能利用率提供了一個(gè)重要手段。


圖1為本發(fā)明提出的分光譜聚光器實(shí)例的光路示意圖(以入射光含有三個(gè)波長為例);
圖2為本發(fā)明提出的衍射光學(xué)元件的位相分布示意圖；圖3為本發(fā)明中涉及的兩種凸透鏡；圖4為本發(fā)明提出的分光譜聚光器在能量探測面上的不同譜段的光斑形狀示意圖；圖5為本發(fā)明提出的基于折衍射光學(xué)元件的分光譜聚光器實(shí)例的光路示意圖；圖6為圖5中所述的折衍射光學(xué)兀件前表面上的位相分布不意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明更加明了，茲配合附圖實(shí)例，詳細(xì)說明如下:請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提出的用于太陽能的分光譜聚光器包括:一個(gè)衍射光學(xué)元件I和一個(gè)聚焦透鏡2，3為能量探測面。當(dāng)非單色光(比如太陽光、輻射白光的發(fā)光二極管或其他多波長復(fù)合光源)正入射照明衍射光學(xué)元件I時(shí)，該衍射光學(xué)元件I利用其表面的浮雕結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位相對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制，由于衍射光學(xué)元件I本身具有很好的色散特性，因此，能對(duì)非單色光的各個(gè)波長進(jìn)行位相調(diào)制。被衍射光學(xué)元件I調(diào)制后的非單色光，經(jīng)過聚焦透鏡2的會(huì)聚，能夠在能量探測面3上的不同位置處形成聚焦斑點(diǎn)，并且每個(gè)聚焦斑點(diǎn)的光譜范圍都是不同的。對(duì)于含有三個(gè)波長成分的非單色光，如圖4所示的實(shí)例，在能量探測面3上會(huì)形成聚焦光斑4、聚焦光斑5和聚焦光斑6 ;對(duì)于連續(xù)光照明的情況，將形成一條聚焦彩帶。該分光譜聚光器的照明光 源是太陽光，或輻射白光的發(fā)光二極管，或其他多波長復(fù)合光源。該分光譜聚光器的衍射光學(xué)元件I的位相是二元型位相、多臺(tái)階型位相和連續(xù)型位相的一種，并且該衍射光學(xué)元件I的材料是冕牌玻璃、火石玻璃、石英、甲基丙烯酸酯樹脂、丙烯酸酯樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚碳酸酯樹脂、甲基丙烯酸甲酯一苯乙烯共聚物、丙烯腈一苯乙烯共聚物及聚對(duì)苯二甲酸乙二酯的一種。該衍射光學(xué)元件的加工可以選用離子束刻蝕、化學(xué)腐蝕、壓模法等。該分光譜聚光器的聚焦透鏡2可以是雙凸型透鏡21或平凸型透鏡22，如圖3所
/Jn ο該分光譜聚光器的能量探測面3的位置不是隨意選取的，我們在本發(fā)明中指出，能量探測面3與聚焦透鏡2的后表面之間的間距是聚焦透鏡2的焦距的0.5^1.5倍。圖1中分光譜聚光器的衍射光學(xué)元件I和聚焦透鏡2可被一個(gè)折衍射光學(xué)元件替代，如圖5所示。在圖5中，折衍射光學(xué)元件具有一個(gè)衍射表面I和一個(gè)凸面2，即所設(shè)計(jì)的衍射光學(xué)元件的位相被刻蝕在一個(gè)平凸透鏡的平面表面上，位相分布如圖6所示。這種折衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)節(jié)省了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的工作距離，并且能實(shí)現(xiàn)圖1中分光譜聚光器的所有功能。以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，包括:一衍射光學(xué)元件和一聚焦透鏡；所述衍射光學(xué)元件用于光譜分束和能量探測面上光斑形狀控制，所述聚焦透鏡用于會(huì)聚光束和提供相應(yīng)的色散；太陽光照射該分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，不同譜段的光將被會(huì)聚到能量探測面的不同位置，而且光斑形態(tài)能夠根據(jù)實(shí)際需要而加以任意控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述分光譜衍射光學(xué)元件是純位相型的衍射光學(xué)元件，且該衍射光學(xué)元件具有兩臺(tái)階分布的位相(即二元型位相)、多臺(tái)階分布的位相或者連續(xù)型分布的位相。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述分光譜衍射光學(xué)元件的照明光源是太陽光、輻射白光的發(fā)光二極管或其他非單色光源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述分光譜衍射光學(xué)元件能夠?qū)⒉煌V段的光會(huì)聚到所述能量探測面上的不同位置，且在能量探測面上每個(gè)譜段的光斑形態(tài)可以是線形、矩形、正方形、圓形、正多邊形、星形以及其他不規(guī)則形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述分光譜衍射光學(xué)元件的材料選自:冕牌玻璃、火石玻璃、石英、甲基丙烯酸酯樹脂、丙烯酸酯樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚碳酸酯樹脂、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物及聚對(duì)苯二甲酸乙二酯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦透鏡是凸透鏡，且該凸透鏡是雙凸型透鏡或平凸型透鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦透鏡的后表面與所述能量探測面之間的間距是所述聚焦透鏡的焦距的0.5^1.5倍；所述衍射光學(xué)元件和所述聚焦 透鏡前表面之間的距離為0.Γ50毫米。
8.一種用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，即一折衍射光學(xué)元件，其特征在于，所述折衍射光學(xué)元件是由一個(gè)平面表面帶有衍射光學(xué)元件的平凸透鏡；太陽光照射該分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，不同譜段的光將被會(huì)聚到能量探測面的不同位置，而且光斑形態(tài)能夠根據(jù)實(shí)際需要而加以任意控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述折衍射光學(xué)元件是直接在平凸透鏡上加工的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述折衍射光學(xué)元件的浮雕結(jié)構(gòu)是兩臺(tái)階分布的、多臺(tái)階分布的或連續(xù)分布的。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，照明所述折衍射光學(xué)元件的光源是太陽光、輻射白光的發(fā)光二極管或非單色光源。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述折衍射光學(xué)元件能夠?qū)⒉煌V段的光會(huì)聚到所述能量探測面上的不同位置，且在能量探測面上每個(gè)譜段的光斑形態(tài)是線形、矩形、正方形、圓形、正多邊形、星形以及其他不規(guī)則形狀。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述折衍射光學(xué)元件的材料選自:冕牌玻璃、火石玻璃、石英、甲基丙烯酸酯樹脂、丙烯酸酯樹月旨、聚苯乙烯樹脂、聚碳酸酯樹脂、甲基丙烯酸甲酯一苯乙烯共聚物、丙烯腈一苯乙烯共聚物及聚對(duì)苯二甲酸乙二酯。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述平凸透鏡后表面與所述能 量探測面之間的間距是所述平凸透鏡的焦距的0.5^1.5倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于太陽能聚光的分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)，所述分光譜衍射光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)衍射光學(xué)元件和一個(gè)聚焦透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)或者一個(gè)折衍射光學(xué)元件。本發(fā)明提及的光學(xué)系統(tǒng)中，衍射光學(xué)元件用來實(shí)現(xiàn)光譜分束和焦斑整形的效果，而聚焦透鏡提供會(huì)聚光的功能。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光的高效率分光譜和會(huì)聚，同時(shí)還能對(duì)聚焦光斑形狀根據(jù)需要而進(jìn)行任意控制，從而提高光電池的太陽能利用率。
文檔編號(hào)H01L31/052GK103199139SQ201310038949
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月31日
發(fā)明者黃坤, 康學(xué)亮, 丁立, 張曉波, 李永平 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)