[发明专利]基于纳米结构的全光谱广角聚光器的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种全光谱广角增透聚光器的制备方法，属于微纳光子技术领域。

背景技术

太阳能高效发电技术作为可持续发展的战略性新能源技术，已被列为重点支持和优先发展的方向，然而制约太阳电池大规模应用的主要瓶颈是提高效率和降低成本。基于太阳光谱空间上的分散性，以低成本的光学系统代替高成本的电池芯片成为有效降低太阳电池成本的方式，非成像式透射式聚光器是实现高倍聚光的主要方式之一，高的透过率是该透射式聚光器获得高效的必要条件。

为了获得高透过率，通常在聚光器的上下两个表面镀增透膜。然而，基于太阳光的频谱分散性(波长范围从300nm-2700nm)，为了获得宽广谱范围内的高透过率，通常需设计蒸镀70-100层的光学膜，而且光学膜材料不尽唯一。如此复杂的膜系结构不仅使得镀膜本身工艺要求提高，成功率降低；即使对于成功蒸镀增透膜的聚光器而言，在野外使用过程中不可避免地也要经受温度、湿度变化甚至机械冲击，由多层不同材料的光学膜蒸镀在聚光器介质上，由于不同材料之间的热膨胀系数、湿度系数以及弹性模量的不同，不可避免地会造成膜层材料折射率、厚度的变化，甚至恶劣地导致部分光学膜脱落，任何一种变化，都会导致基于相干原理的光学膜透过率的下降甚至于彻底破坏，从而极大地影响聚光器的聚光效率。

此外，尽管太阳光可以近似地认为是平行光，在太阳跟踪器的导引下，垂直入射进入聚光器，但是普遍认为，依然有大约10％的杂散光，随机入射进入聚光器。对于基于多层镀膜获得增透效果的聚光器而言，由于其透射效果与特定波长的光在进入聚光器的光程密切相关，因此，聚光器对太阳光的入射角度非常敏感，斜角入射的光几乎不会被聚光器收集，在AM1.5G的太阳下，其聚光器的收集效率必然小于90％。

亚波长光栅结构是周期小于入射光波长的表面浮雕光栅结构(如图1所示)，两种介质和相应亚波长光栅结构的折射率分别为n₁、n₂、n₃，光栅周期为Λ，光栅矢量G=2πΛ,]]>入射光的入射角和光波在真空中的波矢量分别为θ₁和k，发生零级衍射的条件可表示如下：|n₁ksinθ₁+mG|＞n_ik，i＝1，2，3 and m＝±1，±2，±3，......(1)，由该式可知，特定波长的入射光发生零级衍射的条件不仅依赖于入射光的入射角，而且取决于材料的折射率和光栅的周期。当光栅的周期足够小时，光栅矢量值足够大，使得上述不等式不再依赖于入射光的波矢和入射角的大小，也就是说，在宽波长和大角度范围内都可以获得零级衍射，即获得高的增透效果。此外，鉴于亚波长结构只是在原有介质上通过刻蚀等办法形成的结构，与蒸镀增透膜的方式相比，不受温度、湿度和机械变化的影响，结构更加稳固，因此，亚波长光栅结构成为一种广角范围内增加界面透过率的解决办法，成为应用研究的热点。因此，基于亚波长结构的聚光器也必将在广角宽广谱范围内增加聚光器的透射率，提高聚光器的收集效率。

但是，与传统的镀增透膜相比，该亚波长光栅结构由于需要形成纳米量级的图形，给低成本大面积应用带来制作上的困难。到目前为止，形成减反亚波长光栅结构图形的方法大多采用电子束曝光或者全息光刻，实验获得了较好的效果。但是基于电子束曝光的方式是逐点扫描，难以实现大面积加工，且电子束设备非常昂贵，也不满足低成本制作要求；基于He-Ne激光器的全息光刻尽管可以实现大面积制作，但是通常基于菲涅耳透镜的聚光器有多个不同形状的曲面，难以通过全息曝光的方式实现整个聚光器表面的图形生成，因此，如何在聚光器上低成本大面积形成增透亚波长结构还是一个问题。