太阳能电池中高效率分色聚焦衍射光学元件的设计和制作

Increasing light-to-electricity conversion efficiency and decreasing the cost are the two basic topics for wide applications of solar cells. Using new concept solar cells and developing spectrum splitting and concentrating optical systems are two important ways to promote solving the above problems. In this application, we are devoted to developing a new spectrum splitting and concentrating system. The applicant has proposed a new algorithm for designing diffractive optical elements (DOEs)，which earned him the Second Class Prize of National Natural Science Award in 2003. In this application, we intend to further develop and improve the original algorithm, so that it can be used to design spectrum splitting and concentrating DOEs for solar cells. Then, we will use photolithographic technology to fabricate the designed DOEs, and measure the spectrum splitting and concentrating performances quantitatively in experiments. The main features of the designed DOEs: theoretical and experimental light-to-light transform efficiencies are more than 80% and 60%, respectively; concentration ratio of light is more than 100 times..Since the template of the designed DOEs can be fabricated by using modern photolithographic technology and more copies can be produced by nanoimprint technology, therefore, our proposal provides a cheap way for wide applications of high-efficiency solar cells. Especially, the spectrum splitting and concentrating optical system can also be designed in corporation with new concept solar cells, so as to increase the light-to-electricity conversion efficiency.

提高太阳能电池的转化效率和降低成本是太阳能电池得到广泛应用中两个基本课题，采用新型太阳能电池和发展分色聚焦的光学系统是推动上述问题解决的两个重要途径。本申请重点是发展新型的分色聚焦系统，我们曾提出过一种新的衍射光学元件设计方法（获2003年国家自然科学二等奖）。本申请拟发展和改进原有方法，使其能运用到太阳能电池的分色聚焦系统中，并运用光刻技术对所设计的衍射光学元件进行加工，在实验中定量表征其分色和聚焦功能。衍射光学元件主要性能指标为：理论光——光转换效率大于80%，实验光——光转换效率大于60%，聚焦倍数大于100倍。由于所设计的衍射光学元件可通过现代光刻技术加工模板，然后用压印技术批量复制生产，这种系统可用于任何种类的太阳能电池，从而为高效率太阳能电池的广泛应用提供一种廉价的途径。特别是分色聚焦光学系统可以和新型太阳能电池协同优化设计，从而有效地提高新型太阳能电池的转换效率。

太阳能电池的广泛应用面临着两个基本问题：提高效率和降低成本。在本项目中，我们提出了一种全新的解决方案，即通过设计单一衍射光学元件，同时实现对太阳光的分色和聚焦功能，既可提高电池的转换效率又可降低成本。.首先，我们提出了厚度优化算法，并将其与杨——顾算法相结合，称之为改进的杨——顾算法。由于该方法突破了最大相位的限制，大大提高了所设计的衍射光学元件的分色聚焦效率，使其可实际应用于太阳能电池中。利用改进的杨——顾算法，在可见光波段设计了高效率分色聚焦衍射光学元件。理论模拟表明，连续相位元件的分色聚焦效率超过85%，32级量化元件的效率为72.25%，理论聚焦能力超过7500倍。接着，在可见光波段和近红外波段设计了宽光谱太阳能分色聚焦器件，理论分色聚焦效率为74.22%..其次，利用微光刻技术，在石英基底上发展了深度刻蚀和多次套刻的成熟工艺，加工了分色聚焦衍射光学元件。搭建了衍射光学元件的光学性能测试平台，可在实验上快速、定量、准确地测量其分色聚焦效率。对可见光波段的分色聚焦衍射光学元件，其实验分色聚焦效率为60.07%，实验聚焦能力超过2500倍；对32级量化宽光谱太阳能分色聚焦衍射光学元件，其实验分色聚焦效率为58%. .最后，搭建了太阳能电池光电转换效率实验表征系统，并实现了太阳能分色聚焦器件与太阳能电池的连接，在有无分色聚焦衍射光学元件两种情况下，测量了太阳能电池的光电转换效率。实验结果表明，在有无分色聚焦器件两种情况下，太阳能电池的光电转换效率分别为12.86%和15.64%，相对比例提高了21.62%. .总之，我们提出了改进的杨——顾算法，设计了宽光谱太阳能分色聚焦衍射光学元件；利用微光刻技术制备了高效率分色聚焦衍射光学元件；证明了通过在太阳能系统中加入高效率分色聚焦衍射光学元件可大幅提高太阳能电池的光电转换效率。由于所设计的衍射光学元件可通过现代光刻和压印技术大批量生产，成本大大降低，可望为太阳能的广泛利用提供一种高效和廉价的途径。特别是，本项目所提出的分色聚焦器件亦可与任何新型的太阳能电池相结合，进一步提高太阳能电池的效率。