[发明专利]一种非跟踪式太阳能聚光电池用光耦合器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能聚光光伏领域，尤其是非跟踪式太阳能聚光光伏领域，特别涉及一种非跟踪式太阳能聚光电池用光耦合器及其制备方法，替代现有太阳能聚光技术中所采用的对日跟踪系统。

背景技术

聚光光伏发电是通过采用廉价的聚光系统将太阳光会聚到面积很小的高性能III-V族化合物半导体太阳能电池上，从而大幅度地降低太阳能电池材料成本。这种高效的太阳能电池，需要透镜或镜面将接收到的太阳能放大成百上千倍，然后将放大的能量聚焦于其上；现有聚光光伏发电技术所存在的缺点是，需要人们预先对当地的光照参数进行测定，通常采用菲涅尔透镜作为聚光器，这就要求入射光线为与聚光器垂直的平行光才能实现会聚的目的，为了更加充分地利用太阳光，聚光光伏发电系统必须辅以精确的对日跟踪装置，保持聚光器表面要始终与入射光线保持垂直，对日跟踪装置包括一维跟踪和二维跟踪，需要复杂的机电控制系统，由于聚光电池片面积小，为达到高聚光比，跟踪精度通常要求在±1^°，这不仅增加了系统重量和安装难度，而且设计维护成本较高，跟踪设备和以后的维护费用在CPV系统中占据将近70%的成本。这极大地限制了光伏发电效果，并成为束缚聚光光伏发展的主要瓶颈。为了解决这一难题，我们需要探索一种无跟踪聚光技术，不需要采用精确的对日跟踪装置，入射光线与聚光器表面不垂直时，也能够很好地将各个方向的入射光线会聚到一点或者一定的小区域内达到聚光的目的，实现低成本的高效聚光发电。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非跟踪式太阳能聚光电池用光耦合器及其制备方法，替代传统对日跟踪系统，有效降低光伏发电系统的成本。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种非跟踪式太阳能聚光电池用光耦合器，所述光耦合器的形状为上底面大、下底面小的四棱台，其中上底面为入射面，下底面为聚光面，轴向的中垂面折射率最大，轴向的两个侧面折射率最小，折射率自轴向的中垂面向轴向两侧面呈依次减小的梯度分布。

所述入射面与聚光面的面积比为（10～50）：1。

为使入射到内壁的光线更好地反射并会聚于聚光面，所述光耦合器的四个侧面覆有银薄膜作为反射面。

一种非跟踪式太阳能聚光电池用光耦合器的制备方法，包括以下基本步骤：

（a）选取厚度相同、折射率和密度不同的方形含铅燧石玻璃板，按照密度和折射率由小到大的顺序自上而下依次叠层排列，形成底部玻璃板密度和折射率最大，顶部玻璃板密度和折射率最小；

（b）将上述叠层排列好的玻璃板放在铂金模具中加热至熔融，并保温进行层与层之间的铅离子扩散，扩散完成后自然冷却至室温，在重力及玻璃层不同密度的作用下，形成沿玻璃叠层轴向折射率呈梯度分布的透镜，简称轴向梯度折射率透镜，轴向梯度折射率透镜的顶面折射率最小，底面折射率最大；

由于重力和各玻璃层之间不同密度的作用足以克服玻璃层之间的对流趋势，并由于各层玻璃之间铅浓度的差异而导致铅的扩散，最终沿着玻璃层厚度即叠层的轴向形成折射率的梯度分布；

（c）将上述轴向梯度折射率透镜沿轴向等分切割成两个尺寸相同的透镜，两个透镜的底面粘接在一起，形成双面轴向梯度折射率透镜，中间粘接面折射率最大，折射率自中间粘接面向轴向两侧呈依次减小的梯度分布；

（d）将上述双面轴向梯度折射率透镜的边缘进行切割与磨平处理，形成顶部入射面大、底部聚光面小的四棱台状光耦合器，通过磁控溅射工艺，在光耦合器四个侧面镀一层银薄膜作为反射面。

步骤（a）所述方形含铅燧石玻璃板的结构式为R₂O-Pb-SiO₂，R为碱金属，其中玻璃折射率、密度随铅含量的增加而上升，方形含铅燧石玻璃板的折射率范围为1.5～1.9，密度范围为2.7～4.9g/cm³，厚度为0.5～3mm，横截面积为30×30～60×60mm²。

步骤（b）所述玻璃板加热至熔融的温度为600～720℃，铅离子扩散时间为50～100小时；

步骤（c）所述两个轴向梯度折射率透镜底面粘结所用的粘接剂为光学粘接剂，其折射率与底面折射率相差±0.05以内，以达到折射率匹配的目的。

步骤（d）所述光耦合器四个侧面银薄膜的厚度为0.5～5mm。