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. 簡介
圖1.多能隙結(jié)構(gòu)（a）串聯(lián)（堆棧或垂直）和橫向：（b）色散（c）反射
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。
圖2.用于光譜分裂的全息光柵-透鏡CPV幾何結(jié)構(gòu)。原理圖（a）、臺面和室外（可見光范圍）演示原型（分別為b和c）
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（對應(yīng)透鏡的場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. 光譜分裂評價(jià)函數(shù)
在本節(jié)中，定義了評估整個(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：
 （1）
其中有光譜響應(yīng)（SR）、開路電壓（VOC）和填充因子（FF）（電池參數(shù)）[12]。SCE在AM1.5太陽光譜的所有波長上的積分，可得到給定電池總的光-電轉(zhuǎn)換效率：
 （2）
其中ηi*是全光譜（未濾光）照明EAM1.5下的電池的效率[3]。隨著入射光譜被濾波器過濾，SCE可以計(jì)算出來和并根據(jù)以下公式計(jì)算指定能隙的效率：
 (3)
其中Ti(λ)是濾波器的透射率，ηi是系統(tǒng)的第i個(gè)能隙的能隙/濾波器組合得到的效率。
2.2 最佳單能隙上整個(gè)系統(tǒng)的效率和改進(jìn)
對于具有N個(gè)能隙的系統(tǒng)，系統(tǒng)總效率由以下表達(dá)式給出：
 （4）
其中ηsystem是整個(gè)頻譜分裂系統(tǒng)的效率，ηi在表達(dá)式（3）中定義。
根據(jù)表達(dá)式1至4，顯然與全光譜的單結(jié)性能相比，光譜分裂將降低單個(gè)能隙的效率。由于SSS的目標(biāo)是使總效率ηsystem大于系統(tǒng)中的最有效能隙，因此有必要定義一個(gè)參數(shù)以評估對全光譜單能隙電池性能的改進(jìn)。在本文中，對最佳能隙（IoBB）的改進(jìn)定義為光譜分裂系統(tǒng)的效率與其最佳（最大全光譜效率）能隙的比率，用以下表達(dá)式所描述：
 （5）
其中η1*，η2* ...ηi*是在全光譜AM1.5照明下系統(tǒng)中各個(gè)能隙的效率。
2.3 濾波器光譜重疊
在小節(jié)2.1的分析中的透射率項(xiàng)（T）僅考慮帶內(nèi)理想濾波器的透射率（在關(guān)注的能隙光譜范圍中的濾波器效率）。比較下面圖3中的理想濾波器和實(shí)驗(yàn)濾波器，有必要定義頻帶內(nèi)和帶外性能（與其他系統(tǒng)能隙的串?dāng)_）的評估度量。對于本文，使用了實(shí)驗(yàn)和理想（方形）濾波器之間的加權(quán)SCE頻譜重疊。該加權(quán)重疊度量隨著來自系統(tǒng)中其他光譜濾波器的串?dāng)_而減小。對于雙能隙系統(tǒng)，該度量描述如下：
 （6）
其中O是上述重疊度量，T1是濾波器對于感興趣的能隙（SCE1）的透射率，T2是導(dǎo)致串?dāng)_的濾波器的透射率。在感興趣的能隙兩個(gè)濾波器的透射率評估使用同樣的Δλ1波長范圍。
圖3.光譜分裂的全息光柵-透鏡CPV幾何結(jié)構(gòu)
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)測試的光柵的衍射效率替代數(shù)值模型。
圖4.在可見光中的一個(gè)能隙和在近紅外中的兩個(gè)能隙的SSS的模擬。插入記錄顯示追跡誤差分析。
使用高性能PV電池?cái)?shù)據(jù)[3,5,6,13,14]和遵循表達(dá)式1至6，具有在可見光（<0.9μm）中一個(gè)能隙和在NIR中兩個(gè)能隙的結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)1）。另外一個(gè)結(jié)構(gòu)是在可見光范圍內(nèi)兩個(gè)能隙和在NIR中一個(gè)能隙（系統(tǒng)2）。
經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)1的總效率為33％�？紤]菲涅耳反射、衍射、串?dāng)_和CPC（復(fù)合拋物面聚光器）的損耗，轉(zhuǎn)換效率降低到29％。 如果還考慮±1.5°追跡誤差，則會產(chǎn)生額外的1％的損耗。對于系統(tǒng)1，發(fā)現(xiàn)最差情況IoBB為17％。
圖5.太陽的光譜輻照度，累積輻照度（∞能量）已經(jīng)歸一化為1kW / m2。
在圖5（紅色）中檢查累積光譜太陽輻射，約80％的可用太陽能波長范圍低于硅的能隙（>1.1μm）。光譜分裂系統(tǒng)在此波長范圍中IoBB比率大于NIR。通過比較表1中系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的結(jié)果，表明具有較大可見光譜覆蓋的系統(tǒng)的最壞情況IoBB為47％，超過系統(tǒng)1的IoBB的2.5倍。
表1 （左）NIR光譜分裂系統(tǒng)（右）可見光光譜分裂系統(tǒng)分析
若要獲得表1的模擬值，實(shí)驗(yàn)濾波器需要O = 0.55（系統(tǒng)1）和O = 0.76（系統(tǒng)2）的權(quán)重疊值。已經(jīng)獲得具有O = 0.35的原型濾波器（系統(tǒng)2），產(chǎn)生的IoBB > 10％。
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)償透鏡場曲）。衍射和場曲的耦合/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衍射，因此隨著波長增加，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。
圖6.在圖4的焦平面處的追跡誤差（±1.5°）
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）。 |
