[发明专利]用于会聚太阳能电池的菲涅耳蝇眼微透镜阵列

说明书

相关申请的交叉引用

本申请涉及并且要求2010年12月1日递交的题为“用于会聚太阳能电池的菲涅耳蝇眼微透镜阵列(FRESNEL-FLY’S EYE MICROLENS ARRAYS FOR CONCENTRATING SOLAR CELL)”的美国临时申请No.61/418,545的优先权，其内容合并在此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种会聚光伏(PV)装置，更具体地涉及一种用于PV电池的会聚光学器件，所述会聚光学器件具有菲涅耳透镜和微透镜阵列，被优化以为两个或更多波长的光提供低色散和均匀化。

背景技术

光伏(PV)电池(例如太阳能电池)是将光(例如太阳辐射)转换为电能的装置。通常，PV电池由为匹配光谱而选择的一种或多种光吸收材料构成。多结PV电池可以用多种材料形成，其中每一种材料配置用于吸收不同波长段的光，使得可以吸收几乎全部太阳光谱。例如，传统的三结光伏电池可以包括中心波长在0.5μm、0.8μm和1.3μm左右的三个波长段，并且可以覆盖太阳光谱的一大块区域(例如，从约300nm到约1600nm)。因为三结PV电池制造昂贵，希望在操作这种电池时将太阳辐射尽可能的集中。

已知将会聚光学器件用于PV电池，以进行光收集和会聚。会聚光学器件可以增加PV电池的能量转换效率。需要改进会聚光学器件，以实现高效率且紧凑的光会聚系统，且在太阳光谱上具有低色散。

发明内容

本发明涉及一种光学元件。光学元件包括透明材料，透明材料包括第一表面和与第一表面相对的第二表面。第一表面具有菲涅耳透镜，而第二表面具有与菲涅耳透镜相对应的多个微透镜。第一表面和第二表面之一配置用于接收光。该光学元件配置为使得通过光学元件的光经由多个微透镜而被分离为多个子束。菲涅耳透镜具有高度，在菲涅耳透镜的高度下，使得通过光学元件的光的至少两个不同波长的衍射效率最大化。

本发明还涉及一种会聚光伏(PV)装置。该会聚PV装置包括至少一个会聚透镜，所述会聚透镜配置用于接收光、并且将通过相应会聚透镜的光分离为多个子束。每一个会聚透镜包括具有菲涅耳透镜的第一表面和与第一表面相对的第二表面。第二表面具有多个微透镜。菲涅耳透镜具有高度，在菲涅耳透镜的高度下，使得通过会聚透镜的光的至少两个不同波长的衍射效率最大化。该会聚PV装置还包括与所述至少一个会聚透镜相对应的至少一个PV电池，配置用于接收相应的多个子束。

本发明还涉及一种形成光学元件的方法。该方法包括：在波长段内选择至少两个不同的波长；确定菲涅耳透镜高度以使得选定的不同波长的衍射效率最大化；以及在透明材料的表面上形成具有所述菲涅耳透镜高度的至少一个菲涅耳透镜。

附图说明

当结合附图阅读时，根据以下详细描述可以理解本发明。应该强调的是：根据一般惯例，附图中的各个特征不一定按比例绘制。相反，为清楚起见，各个特征的尺度可能任意放大或缩小。此外，在附图中，共同的参考数字用于表示类似的特征。附图包括以下各图：

图1是作为太阳辐射波长的函数的示例辐射能(radiance)光谱；

图2是根据本发明示例实施例的会聚PV装置的截面图；

图3A是根据本发明示例实施例的、图2所示的会聚PV装置中使用的会聚透镜的顶部平面视图；

图3B是根据本发明示例实施例的、图3A所示的会聚透镜的底部平面视图；

图3C是根据本发明示例实施例的、图3A所示的会聚透镜的截面图；

图3D是根据本发明示例实施例的、图3C所示的会聚透镜的一部分的截面图，示出了该会聚透镜中所包括的菲涅耳透镜的高度；

图4是根据本发明另一示例实施例的会聚PV装置的截面图；

图5是示出了根据本发明示例实施例的形成光学元件的方法的流程图；

图6是针对各种太阳辐射波长的作为菲涅耳透镜高度函数的示例相位延迟；

图7是根据本发明示例实施例的、针对图6所示太阳辐射的三个波长的组合、作为菲涅耳透镜高度的函数的示例平方误差和相位延迟；

图8是根据本发明示例实施例的、针对优化了衍射效率的菲涅耳透镜高低以及针对没有优化的衍射效率的、作为波长函数的示例衍射效率；

图9A、9B和9C是示出了根据本发明实施例的、通过示例会聚透镜引导至目标区域的各种光波长的示例射线轨迹图；

图9D、9E、9F、9G、9H和9I是根据本发明实施例的示例光斑图，示出了分别在图9A、9B和9C中所示的各个光波长在目标区域上的分布；