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[技術(shù)]基于體全息光學(xué)元件可聚焦光伏光譜分裂系統(tǒng)的光柵-透鏡 [復(fù)制鏈接]

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在光柵-透鏡光譜分裂設(shè)計(jì)中，平面透射光柵設(shè)置在平凸透鏡的入口處。入射太陽光譜的一部分在偏離透鏡法線15-30°處衍射。衍射光譜區(qū)域在離軸點(diǎn)處聚焦，而未衍射光譜在透鏡的光軸上聚焦。由于衍射波是平面的和離軸的，離軸焦點(diǎn)受像差影響，增加了系統(tǒng)損耗。場曲、色差和球差使用散焦和彎曲焦平面（用每個(gè)光伏接收器近似）來補(bǔ)償。通過修改在構(gòu)造全息圖中使用的離軸波前來校正彗差。在本文中，我們分析了通過共軛對(duì)象光束修正離軸波前記錄的非平面透射光柵的使用。發(fā)散源用作共軛對(duì)象和參考光束。球面波入射在透鏡處，并且光柵被記錄在太陽能集中器的入口孔處。調(diào)整軸上光源，在全息圖平面上產(chǎn)生軸上平面波前。離軸光源近似為在全息圖平面上產(chǎn)生非平面離軸波前的衍射受限光斑�；谄矫鍭M1.5光譜的照明在焦平面上再現(xiàn)離軸衍射受限點(diǎn)。本文介紹了光線追跡和耦合波理論仿真，用于量化通過像差校正實(shí)現(xiàn)的損失減少。
關(guān)鍵詞：光譜分裂；全息；太陽能；聚焦光伏；像差補(bǔ)償；光管理；損耗減少

1. 簡介

圖1.多能隙結(jié)構(gòu)（a）串聯(lián)（堆�；虼怪保┖蜋M向：（b）色散（c）反射

在單光伏（PV）結(jié)器件中，低于能隙的光子能量不能被吸收。相反，超過能隙的光子能量被部分地轉(zhuǎn)換成電功率，其余能量在PV器件內(nèi)被熱化。入射到能隙能量的不匹配從根本上限制了（Shockley-Queisser單個(gè)能隙極限）單結(jié)系統(tǒng)的效率[1]。頻譜分裂技術(shù)可以根據(jù)光譜匹配能隙將入射光子分配到多個(gè)結(jié)來達(dá)到更高的效率[2]。使用光譜分裂系統(tǒng)（SSS），光學(xué)系統(tǒng)將入射光子空間上分布到光譜匹配的能隙，以減少入射到能隙能量失配損失。

多結(jié)系統(tǒng)通常利用能隙的串聯(lián)或堆棧（單片）布置來實(shí)現(xiàn)，如圖1（a）[3]所示。以能隙能量降低的順序堆疊結(jié)，在頂部具有最高的能隙（第一個(gè)入射）。上層結(jié)作為下層單元的紅色通帶濾波器。由于結(jié)之間的物理接觸，串聯(lián)方法需要子單元的晶格匹配。此外，串聯(lián)方法具有串聯(lián)連接的結(jié)，將結(jié)構(gòu)限制為具有最低短路電流的能隙。這些約束限制了功率輸出并增加了制造的復(fù)雜性。

橫向SSS在物理上分離了結(jié)（如圖1（b）和（c）所示），并避免串聯(lián)結(jié)構(gòu)的限制。光學(xué)系統(tǒng)將入射的太陽光分成不同的光譜帶來優(yōu)化每個(gè)能隙單元的光譜響應(yīng)。沒有晶格匹配限制，可以使用更廣泛類型的PV材料（包括有機(jī)物），以便更有效地利用太陽光譜。此外，結(jié)優(yōu)化可以集中于光譜帶的完全吸收而不是晶格匹配條件。

圖2.用于光譜分裂的全息光柵-透鏡CPV幾何結(jié)構(gòu)。原理圖（a）、臺(tái)面和室外（可見光范圍）演示原型（分別為b和c）

光柵-透鏡光譜分離結(jié)構(gòu)由位于平凸透鏡的入口孔徑處的平面透射光柵組成。入射光譜的一部分離軸（在15-30°）衍射到透鏡中。未被全息衍射的光在軸上進(jìn)入透鏡，并在近軸焦點(diǎn)處會(huì)聚。衍射光譜分量進(jìn)入透鏡離軸并且分散在這樣一個(gè)表面（對(duì)應(yīng)透鏡的場曲和全息圖的色散特性的表面上）[4]。

光譜分裂系統(tǒng)可以使用具有高光學(xué)效率以及良好的反射和透射光譜特性的反射濾波器來實(shí)現(xiàn)，如圖1（a）所示。盡管已經(jīng)展示了具有二向色性[5,6]和全息反射濾波器[7]的系統(tǒng)，但是它們具有以下缺點(diǎn)：
 反射方法需要至少N-1個(gè)N結(jié)濾波器[5,6]，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，追跡靈敏度降低了可靠性。
 反射方法需要頻譜分裂濾波器在集中照明下操作，以最小化濾波器的所需面積和成本。
 二向色濾波器用于聚光結(jié)構(gòu)的性能隨著非垂直入射光束而降低[8]。

使用圖2（a）中所示的光柵-透鏡幾何結(jié)構(gòu)可以避免這些問題，用單個(gè)寬帶濾波器進(jìn)行聚光之前分離光譜，從而減小了濾波器上的入射角和功率密度。此外，大型全息光學(xué)元件可以使用廉價(jià)的材料制造，例如重鉻酸鹽明膠（DCG）[9,10]和光聚合物[11]。

2. 光譜分裂評(píng)價(jià)函數(shù)

在本節(jié)中，定義了評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)及其各個(gè)組件的頻譜性能的度量。
2.1 光譜轉(zhuǎn)換效率
每個(gè)能隙的效率用光譜轉(zhuǎn)換效率（SCE）定義：

（1）
其中有光譜響應(yīng)（SR）、開路電壓（VOC）和填充因子（FF）（電池參數(shù)）[12]。SCE在AM1.5太陽光譜的所有波長上的積分，可得到給定電池總的光-電轉(zhuǎn)換效率：

（2）
其中ηi*是全光譜（未濾光）照明EAM1.5下的電池的效率[3]。隨著入射光譜被濾波器過濾，SCE可以計(jì)算出來和并根據(jù)以下公式計(jì)算指定能隙的效率：

(3)
其中Ti(λ)是濾波器的透射率，ηi是系統(tǒng)的第i個(gè)能隙的能隙/濾波器組合得到的效率。

2.2 最佳單能隙上整個(gè)系統(tǒng)的效率和改進(jìn)

對(duì)于具有N個(gè)能隙的系統(tǒng)，系統(tǒng)總效率由以下表達(dá)式給出：

（4）
其中ηsystem是整個(gè)頻譜分裂系統(tǒng)的效率，ηi在表達(dá)式（3）中定義。

根據(jù)表達(dá)式1至4，顯然與全光譜的單結(jié)性能相比，光譜分裂將降低單個(gè)能隙的效率。由于SSS的目標(biāo)是使總效率ηsystem大于系統(tǒng)中的最有效能隙，因此有必要定義一個(gè)參數(shù)以評(píng)估對(duì)全光譜單能隙電池性能的改進(jìn)。在本文中，對(duì)最佳能隙（IoBB）的改進(jìn)定義為光譜分裂系統(tǒng)的效率與其最佳（最大全光譜效率）能隙的比率，用以下表達(dá)式所描述：

（5）

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