一种微透镜调控叠层太阳能电池及其设计方法技术

本发明专利技术属于太阳能电池的技术领域，公开了一种微透镜调控叠层太阳能电池及其设计方法，包括太阳能电池的器件结构和集成于器件结构上的平凸非球面微透镜；器件结构包括顶层子电池和底层子电池，平凸非球面微透镜包括一非球面曲面的前表面和一平面的后表面，后表面与器件结构靠近顶层子电池一侧的表面相接，前表面为太阳光入射面，将透镜边缘光束汇聚到底层子电池。本发明专利技术采用微型非球面平凸透镜光学元件作为叠层太阳能电池的光束调控器，实现光束整形，实现叠层太阳能电池各子电池内有源层光的均匀吸收。均匀吸收。均匀吸收。

【技术实现步骤摘要】
一种微透镜调控叠层太阳能电池及其设计方法


[0001]本专利技术属于太阳能电池的
，具体涉及一种微透镜调控叠层太阳能电池及其设计方法。

技术介绍

[0002]以石油为代表的化石能源面临着日益枯竭的问题，而太阳能是取之不尽的新能源，可使用的地域范围广泛且清洁、安全，每年辐射到地球表面的能量十分巨大，太阳能电池是人们利用太阳能重要的一种方式。
[0003]太阳能电池是将资源无限、清洁干净的太阳辐射转换为电能，而不会产生二氧化碳排放。近年来，单晶硅、多晶硅和非晶硅无机半导体太阳能电池仍占市场主导地位，但由于无机太阳能电池一直存在成本高、能耗高、污染大、柔韧性差、制备加工过程复杂和设备昂贵等的问题。限制了硅基系列电池更为广泛的应用。而有机太阳能电池(OSCs)和钙钛矿太阳能电池具有成本低廉、可大面积制造、柔性和环境友好等优点受到人们的广泛关注。近些年，随着新型光伏材料的不断发展和器件的优化，单结太阳能电池的能量转换效率(PCE)已经超过18%。尽管如此，由于单层太阳能电池使用单层活性层，导致活性层的吸收光谱通常不够宽，不能实现对太阳光谱的充分利用，使得至今仍无法与硅晶半导体太阳能电池相媲美。因此，如何进一步提升太阳能电池光电转换效率仍然是人们研究的重点。
[0004]叠层结构太阳能电池是解决以上问题的一种有效方法。叠层太阳能电池是将两个或两个以上的子电池用中间连接层连接起来而形成串联或并联结构的电池。与单层电池相比，叠层太阳能电池能够利用不同子电池的活性层体系实现光谱的互补吸收来提高入射光的利用率。同时可以通过增加叠层电池中串联的子电池的数目来实现较高的开路电压，从而提高电池的能量转换效率的目的。然而，由于叠层太阳能电池中存在上下子电池吸收不均匀的问题，串联叠层太阳能电池中，叠层太阳能电池的电流受到电流最小的子电池电流限制，因此使得太阳能电池的最大输出电流受到影响。
[0005]针对叠层太阳能电池中各子电池吸收不均匀的问题，现有技术有通过对中间层以及界面修饰层的优化来实现光能量的均匀分布，这些解决方案一方面对材料的选择具有较高要求以及制备过程较为繁琐且复杂；另一方面需要对原本器件的内部结构进行改变，容易对有源层造成破坏且影响器件性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术存在的不足，提供一种微透镜调控叠层太阳能电池，采用微型非球面平凸透镜光学元件作为叠层太阳能电池的光束调控器，并且是以集成形式集成在叠层太阳能电池的顶电池表面，将透镜边缘光束汇聚到底层子电池中来实现两个子电池光子均匀吸收。
[0007]为了实现以上目的，本专利技术的技术方案为：一种微透镜调控叠层太阳能电池，包括太阳能电池的器件结构和集成于器件结构
上的平凸非球面微透镜；所述器件结构包括按序叠设的透明电极、第一有源层、中间层、第二有源层和背电极；所述平凸非球面微透镜包括一非球面曲面的前表面和一平面的后表面，所述后表面与所述器件结构靠近透明电极一侧的表面相接，所述前表面为太阳光入射面，入射所述平凸非球面微透镜的边缘光束于所述器件结构的聚焦点位于所述第二有源层。
[0008]可选的，所述非球面曲面的表达式为：其中，c为顶点曲率，R表示顶点曲率半径；k表示圆锥系数常数；r为垂直于光轴方向的坐标。
[0009]可选的，所述器件结构的厚度H为0.2μm
‑
2μm，长度L为0.06μm
ꢀ‑
1μm；所述平凸非球面微透镜的顶点曲率半径和厚度为亚毫米量级，例如10~500微米。
[0010]可选的，所述平凸非球面微透镜的材料为聚合物，所述聚合物在太阳光谱的0.3
‑
2微米范围内透光率≥92%。
[0011]可选的，所述平凸非球面微透镜通过光刻技术、纳米压印技术或飞秒激光微加工技术制备。
[0012]可选的，所述太阳能电池是薄膜型太阳能电池，包括有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。
[0013]一种上述微透镜调控叠层太阳能电池的设计方法，其步骤为：1）设定器件结构，根据器件结构的厚度H和等效折射率得到轴向位移；2）设定一平凸球面透镜的曲率半径R，求得实际焦距（），调节平凸球面透镜的厚度d得到像方主点到透镜后表面的距离，将实际焦距 ()减去()得到器件结构后表面到实际焦点的距离；3）使第二有源层到器件结构后表面的厚度值+器件结构后表面到实际焦点的距离 =轴向位移，实现从透镜边缘出射光束落在第二有源层；4）对平凸球面透镜的圆锥系数进行优化后相应得到圆锥系数k，从而得到平凸非球面微透镜，其中平凸非球面微透镜的顶点曲率半径等于平凸球面透镜的曲率半径。
[0014]可选的，步骤2）中，步骤2）中，为所述平凸球面透镜的曲率半径，n为透镜材料的折射率。
[0015]可选的，步骤2）中，
n为透镜材料的折射率，厚度d为所述平凸球面透镜的前表面顶点和后表面的距离。
[0016]可选的，步骤1）中，根据所述第一有源层和第二有源层的吸收峰的峰位确定入射波长，在中心波长下得到各材料层相对应的折射率，通过计算得到电池器件平板材料的折射率为等效折射率。
[0017]本专利技术的有益效果为：1）利用光束整形透镜对入射光光束的调控作用，对入射光束进行重新分配，使得边缘光束入射到底层子电池内部，中心光束入射到顶层子电池后再入射底层子电池，实现叠层太阳能电池底层子电池的光吸收增强，进而实现叠层太阳能电池中上下子电池的光能量均匀分布，提升了电池效率；2）不改变器件原本内部结构，避免了对有源层造成破坏及影响器件性能；3）对材料要求低，工艺易于实现，降低了成本，适于实际生产应用。
附图说明
[0018]图1为双层叠层太阳能电池的器件结构横截面示意图；图2为平凸球面透镜横截面示意图；图3为太阳能电池器件结构平板的等效作用结构横截面示意图；图4为平凸非球面微透镜集成在叠层太阳能电池表面的器件结构光束聚焦横截面示意图；图5为实施例1的平凸非球面微透镜作为微透镜集成在叠层有机太阳能电池表面的光束聚焦横截面示意图；图6为实施例1中利用严格耦合波法（RCWA）计算出波长710nm时无光束整形透镜下叠层有机太阳能电池中各材料的吸收强度百分比（称为参考器件）；图7为实施例1中利用严格耦合波法（RCWA）计算出波长710nm时有光束整形透镜下叠层有机太阳能电池中各材料的吸收强度百分比；图8为实施例1中利用严格耦合波法（RCWA）计算出在可见光波段在光束整形透镜下叠层有机太阳能电池中各材料的吸收光谱图；图9为实施例1中利用时域有限差分法（FDTD）计算出的在光束整形透镜下叠层有机太阳能电池中顶层和底层子电池有源层吸收光谱；图10为实施例1中利用时域有限差分法（FDTD）计算出的无透镜下叠层有机太阳能电池中顶层和底层子电池有源层吸收光谱。
具体实施方式
[0019]以下结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步解释。本专利技术的各附图仅为示意以更容易了解本专利技术，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系，在本领域技术人员应能理解是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微透镜调控叠层太阳能电池，其特征在于：包括太阳能电池的器件结构和集成于器件结构上的平凸非球面微透镜；所述器件结构包括按序叠设的透明电极、第一有源层、中间层、第二有源层和背电极；所述平凸非球面微透镜包括一非球面曲面的前表面和一平面的后表面，所述后表面与所述器件结构靠近透明电极一侧的表面相接，所述前表面为太阳光入射面，入射所述平凸非球面微透镜的边缘光束于所述器件结构的聚焦点位于所述第二有源层。2.根据权利要求1所述的微透镜调控叠层太阳能电池，其特征在于：所述非球面曲面的表达式为：其中，c为顶点曲率，R表示顶点曲率半径；k表示圆锥系数常数；r为垂直于光轴方向的坐标。3.根据权利要求1所述的微透镜调控叠层太阳能电池，其特征在于：所述器件结构的厚度H为0.2μm
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2μm，长度L为0.06μm
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1μm；所述平凸非球面微透镜的顶点曲率半径和厚度为亚毫米量级。4.根据权利要求1所述的微透镜调控叠层太阳能电池，其特征在于：所述平凸非球面微透镜的材料为聚合物，所述聚合物在太阳光谱的0.3
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2微米范围内透光率≥92%。5.根据权利要求1所述的微透镜调控叠层太阳能电池，其特征在于：所述平凸非球面微透镜通过光刻技术、纳米压印技术或飞秒激光微加工技术制备。6.根据权利要求1所述的微透镜调控叠层太...

【专利技术属性】
技术研发人员：金玉，黄忠深，蒋静娴，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：