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光ing銅蟲 (小有名氣)
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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
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摘要 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(chǎng)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(jiǎn)介 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。 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(chǎng)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： 3. 建模和原型系統(tǒng)結(jié)果 設(shè)計(jì)平面透射光柵使用物理光學(xué)軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值建模，以獲得AM1.5照明的光譜和角度性能數(shù)據(jù)。然后將光柵數(shù)值模型放入Photon Engineering FRED®Optimum光線追跡軟件中，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模，并考慮光學(xué)和追跡損耗。類似地，用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的光柵的衍射效率替代數(shù)值模型。 3.1 追跡和光學(xué)損耗 全息光柵的衍射效率性能的數(shù)值模擬包括AM1.5照明下的離軸入射角，偏離法線的角度最高達(dá)到±1.5°，以模擬追跡誤差。 追跡誤差分析總結(jié)在圖6中。對(duì)于通過光柵條紋和非垂直入射（達(dá)到+1.5°）的正方向的追跡誤差，衍射角和透鏡場(chǎng)曲耦合的變化產(chǎn)生最壞情況損耗（>1％凈效率下降）。當(dāng)追跡誤差朝向法線（-1.5°）時(shí)，發(fā)生相反的情況（衍射角變化補(bǔ)償透鏡場(chǎng)曲）。衍射和場(chǎng)曲的耦合/補(bǔ)償可以在上面的表1中的“Loss due to Tracking”值中看到。追跡誤差引起的損耗對(duì)于沿著光柵條紋方向的角度變化是類似的。 在圖6中，還可以看出不管追跡誤差如何，點(diǎn)列圖顯示出顯著的彗差圖案。由于大角度處較大的波長(zhǎng)衍射，因此隨著波長(zhǎng)增加，彗差的影響更明顯，如圖6中點(diǎn)列圖的“尾部”的增加寬度和圖1（c）中的原型的衍射圖案所示。 3.1.1 彗差和能隙位置補(bǔ)償 通過非平面構(gòu)造幾何形狀，可以實(shí)現(xiàn)彗差補(bǔ)償。在共軛方向上使用兩個(gè)球面波束（點(diǎn)光源），取代在（實(shí)）傳播方向上的兩個(gè)平面波前（如圖7的頂部所示）。參考點(diǎn)源位于透鏡的近軸焦點(diǎn)處，物光源位于所需的接收器位置，如圖7的底部所示。記錄幾何形狀的共軛還允許調(diào)整接收器的位置（如平面焦平面）。 圖8（a）和（c）的比較顯示出彗差的共軛結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，將光引向更緊密的焦點(diǎn)。對(duì)于單色和白光重建可以看到類似的結(jié)果。 4. 結(jié)論 在本文中，討論了光譜分裂作為用于多結(jié)PV系統(tǒng)的串聯(lián)電池的替代。提出了頻譜轉(zhuǎn)換效率（SCE）、整體系統(tǒng)效率、濾波器加權(quán)重疊（O）和對(duì)最佳能隙（IoBB）的改進(jìn)，并將其定義為光譜分裂系統(tǒng)的評(píng)估度量。描述了全息光柵-透鏡幾何結(jié)構(gòu)，并已經(jīng)給出模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于在可見光范圍（<0.9μm）中具有更多能隙的系統(tǒng)，IoBB顯示較大值。 光柵-透鏡幾何結(jié)構(gòu)的離軸衍射角導(dǎo)致彗差和顯著的系統(tǒng)損耗。提出并演示了使用共軛記錄幾何來補(bǔ)償這種損耗的方法。 正在進(jìn)行的工作包括使用系統(tǒng)度量結(jié)合已建立的用于全息光學(xué)元件中的最小化像差技術(shù)來增加總體光電轉(zhuǎn)換效率。 5. 致謝 作者想要感謝NSF / DOE ERC合作協(xié)議號(hào)EEC-1041895、NSF批準(zhǔn)號(hào)0925085、亞利桑那州TRIF（WEES）項(xiàng)目和研究公司的支持。 參考文獻(xiàn) [1] T. 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