[发明专利]反射式光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及光学领域，特别是涉及一种用于分色聚焦的反射式光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用。

背景技术

太阳能是一种无污染、取之不尽的可再生能源，对太阳能利用的一种重要方式就是采用太阳能电池把光能转化成电能。太阳能电池的主要原理，以半导体为例，是利用半导体材料的光伏效应去吸收太阳光的能量并转换成电能。当前制约太阳能广泛利用的两个主要因素就是低光电转换效率和高成本。目前，主要通过对太阳光进行聚焦以减少使用昂贵的太阳能电池材料的方式来降低成本。而在实际的使用中，由于不同半导体材料具有的带隙结构不同，能量低于带隙的光无法被吸收转换成电能，能量高于带隙的光虽然被吸收，但超过带隙的那部分能量将以热的形式被浪费掉，因此，采用单一带隙的半导体材料的太阳能电池转换效率较低。为此，还需采用分色方案，即采用不同带隙的半导体材料来分别吸收转换太阳光各个波段的能量，是实现高光电转换效率的重要途径。

基于以上思想，对太阳光进行分色和聚焦，是实现太阳能高效率、低成本的重要途径。就分色而言，目前世界上主要有两类研究方案，即串联（又称为“级联”）和并联（又称为“横向”）方式。在串联结构中，沿垂直方向自下往上依次生长不同的半导体材料，它们的带隙能量逐渐增加，这种方式在业界通常称为“串联多结电池”。同时，还需要再提供一个高倍聚焦的光学系统以降低成本。这种“串联”方案的缺点在于，不同半导体层之间需要考虑晶格匹配，不仅材料选择性降低，而且材料之间需要具有隧道结，这需要采用分子束外延等技术进行生长，对工艺要求很高；此外，由于不同带隙的半导体之间串联连接，在实际工作时还需要电流匹配，效率亦有所损失。并联结构能够克服上述缺点，因而得到了更多关注。并联结构是指采用光学系统对太阳光同时实现分色和聚焦，使不同波段的太阳光聚焦到不同的区域，然后在对应区域上放置对该波段能量转换效率最高的半导体材料，各半导体材料独立工作。

目前已知的并联结构实现方案主要有两种，第一种是利用二相色镜（Dichroicmirror）对太阳光进行分色，将太阳光分成长波和短波两个波段成分。为获得较高的分色效率，这种二相色镜通常需要镀膜达到十几层、甚至几十层，技术上很困难。第二种是用透镜加棱镜组合分光的方案，这种方案使得光学器件体积庞大。目前存在的并联结构缺点在于光学系统的成本会非常高。

本申请人在中国发明专利申请No.201110351978.9的题为“一种衍射光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用”中公开了一种能够对包含多个波长的入射光同时进行分色和聚焦的衍射光学元件的设计方法，其中使用了所谓的“厚度优化算法”来提高所设计的衍射光学元件的衍射效率。在此也全文引入该申请作为参考。该设计方法包括：

步骤一：对于每一个波长计算衍射光学元件当前采样点处的针对该波长的调制厚度；由此对于多个波长相应地获得多个调制厚度；

步骤二：对于每个调制厚度获得一系列相互等效的备选调制厚度；

步骤三：从每个波长的备选调制厚度中选择一个调制厚度，根据所选的对应所述多个波长的多个调制厚度来确定衍射光学元件的当前采样点的设计调制厚度。

其中的步骤二和步骤三就是“厚度优化算法”，其实质上是扩展了调制厚度的可选范围，并在扩展的可选范围内选择一个能够更好地对多个波长进行折衷的设计调制厚度。

发明内容

本申请的发明人发现，尽管根据中国专利No.201110351978.9提出的透射式结构的衍射光学元件对包含多波长的入射光已经有了很高衍射效率并且有较薄的器件厚度，但是在衍射效率和器件厚度方面还有进一步提高的空间。而且，本申请的发明人还发现，这样的透射式结构的衍射光学元件在分色聚焦后具有色差等问题。本发明人巧妙地发现，基于反射结构来设计分色聚焦的反射式光学元件并将现有技术中的厚度优化算法用来优化反射结构中的设计深度，这样可以很好地一次性地解决上述问题。

本发明的一个目的是要提供一种用于分色聚焦的反射式光学元件，提高分色聚焦的光学效率。本发明的另一个目的是提供一种反射式光学元件的设计方法。本发明的再一个目的在于提供一种应用反射式光学元件的太阳能电池。

按照本发明的一个方面，提供了一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法用于获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度，对于所述反射面的每个采样点，所述设计方法包括：