摘要
在光柵-透鏡光譜分裂設計中，平面透射光柵設置在平凸透鏡的入口處。入射太陽(yáng)光譜的一部分在偏離透鏡法線(xiàn)15-30°處衍射。衍射光譜區域在離軸點(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(lái)補償。通過(guò)修改在構造全息圖中使用的離軸波前來(lái)校正彗差。在本文中，我們分析了通過(guò)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(yáng)能集中器的入口孔處。調整軸上光源，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離軸衍射受限點(diǎn)。本文介紹了光線(xiàn)追跡和耦合波理論仿真，用于量化通過(guò)像差校正實(shí)現的損失減少。
關(guān)鍵詞：光譜分裂；全息；太陽(yáng)能；聚焦光伏；像差補償；光管理；損耗減少
1. 簡(jiǎn)介
圖1.多能隙結構（a）串聯(lián)（堆�；虼怪保┖蜋M向：（b）色散（c）反射
在單光伏（PV）結器件中，低于能隙的光子能量不能被吸收。相反，超過(guò)能隙的光子能量被部分地轉換成電功率，其余能量在PV器件內被熱化。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）單結系統的效率[1]。頻譜分裂技術(shù)可以根據光譜匹配能隙將入射光子分配到多個(gè)結來(lái)達到更高的效率[2]。使用光譜分裂系統（SSS），光學(xué)系統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。
多結系統通常利用能隙的串聯(lián)或堆棧（單片）布置來(lái)實(shí)現，如圖1（a）[3]所示。以能隙能量降低的順序堆疊結，在頂部具有最高的能隙（第一個(gè)入射）。上層結作為下層單元的紅色通帶濾波器。由于結之間的物理接觸，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，將結構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雜性。
橫向SSS在物理上分離了結（如圖1（b）和（c）所示），并避免串聯(lián)結構的限制。光學(xué)系統將入射的太陽(yáng)光分成不同的光譜帶來(lái)優(yōu)化每個(gè)能隙單元的光譜響應。沒(méi)有晶格匹配限制，可以使用更廣泛類(lèi)型的PV材料（包括有機物），以便更有效地利用太陽(yáng)光譜。 此外，結優(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幾何結構。原理圖（a）、臺面和室外（可見(jiàn)光范圍）演示原型（分別為b和c）
光柵-透鏡光譜分離結構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（對應透鏡的場(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(lái)實(shí)現，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，但是它們具有以下缺點(diǎn)：
反射方法需要至少N-1個(gè)N結濾波器[5,6]，增加了系統復雜性，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構的性能隨著(zhù)非垂直入射光束而降低[8]。
使用圖2（a）中所示的光柵-透鏡幾何結構可以避免這些問(wèn)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
在本節中，定義了評估整個(gè)系統及其各個(gè)組件的頻譜性能的度量。
2.1 光譜轉換效率
每個(gè)能隙的效率用光譜轉換效率（SCE）定義：
 （1）
其中有光譜響應（SR）、開(kāi)路電壓（VOC）和填充因子（FF）（電池參數）[12]。SCE在A(yíng)M1.5太陽(yáng)光譜的所有波長(cháng)上的積分，可得到給定電池總的光-電轉換效率：
 （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(zhù)入射光譜被濾波器過(guò)濾，SCE可以計算出來(lái)和并根據以下公式計算指定能隙的效率：
 (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)系統的效率和改進(jìn)
對于具有N個(gè)能隙的系統，系統總效率由以下表達式給出：
 （4）
其中ηsystem是整個(gè)頻譜分裂系統的效率，ηi在表達式（3）中定義。
根據表達式1至4，顯然與全光譜的單結性能相比，光譜分裂將降低單個(gè)能隙的效率。由于SSS的目標是使總效率ηsystem大于系統中的最有效能隙，因此有必要定義一個(gè)參數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的效率與其最佳（最大全光譜效率）能隙的比率，用以下表達式所描述：
 （5）
其中η1*，η2* ...ηi*是在全光譜AM1.5照明下系統中各個(gè)能隙的效率。
2.3 濾波器光譜重疊
在小節2.1的分析中的透射率項（T）僅考慮帶內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)驗濾波器，有必要定義頻帶內和帶外性能（與其他系統能隙的串擾）的評估度量。對于本文，使用了實(shí)驗和理想（方形）濾波器之間的加權SCE頻譜重疊。該加權重疊度量隨著(zhù)來(lái)自系統中其他光譜濾波器的串擾而減小。對于雙能隙系統，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是導致串擾的濾波器的透射率。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(cháng)范圍。
圖3.光譜分裂的全息光柵-透鏡CPV幾何結構
3. 建模和原型系統結果
設計平面透射光柵使用物理光學(xué)軟件對其進(jìn)行數值建模，以獲得AM1.5照明的光譜和角度性能數據。然后將光柵數值模型放入Photon Engineering FRED®Optimum光線(xiàn)追跡軟件中，對整個(gè)系統進(jìn)行建模，并考慮光學(xué)和追跡損耗。類(lèi)似地，用實(shí)驗測試的光柵的衍射效率替代數值模型。
圖4.在可見(jiàn)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電池數據[3,5,6,13,14]和遵循表達式1至6，具有在可見(jiàn)光（<0.9μm）中一個(gè)能隙和在NIR中兩個(gè)能隙的結構（系統1）。另外一個(gè)結構是在可見(jiàn)光范圍內兩個(gè)能隙和在NIR中一個(gè)能隙（系統2）。
經(jīng)計算，系統1的總效率為33％�？紤]菲涅耳反射、衍射、串擾和CPC（復合拋物面聚光器）的損耗，轉換效率降低到29％。 如果還考慮±1.5°追跡誤差，則會(huì )產(chǎn)生額外的1％的損耗。對于系統1，發(fā)現最差情況IoBB為17％。
圖5.太陽(yáng)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(yáng)輻射，約80％的可用太陽(yáng)能波長(cháng)范圍低于硅的能隙（>1.1μm）。光譜分裂系統在此波長(cháng)范圍中IoBB比率大于NIR。通過(guò)比較表1中系統1和系統2的結果，表明具有較大可見(jiàn)光譜覆蓋的系統的最壞情況IoBB為47％，超過(guò)系統1的IoBB的2.5倍。
表1 （左）NIR光譜分裂系統（右）可見(jiàn)光光譜分裂系統分析
若要獲得表1的模擬值，實(shí)驗濾波器需要O = 0.55（系統1）和O = 0.76（系統2）的權重疊值。已經(jīng)獲得具有O = 0.35的原型濾波器（系統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值模擬包括AM1.5照明下的離軸入射角，偏離法線(xiàn)的角度最高達到±1.5°，以模擬追跡誤差。
追跡誤差分析總結在圖6中。對于通過(guò)光柵條紋和非垂直入射（達到+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）。當追跡誤差朝向法線(xiàn)（-1.5°）時(shí)，發(fā)生相反的情況（衍射角變化補償透鏡場(chǎng)曲）。衍射和場(chǎng)曲的耦合/補償可以在上面的表1中的“Loss due to Tracking”值中看到。追跡誤差引起的損耗對于沿著(zhù)光柵條紋方向的角度變化是類(lèi)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(zhù)的彗差圖案。由于大角度處較大的波長(cháng)衍射，因此隨著(zhù)波長(cháng)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 彗差和能隙位置補償
通過(guò)非平面構造幾何形狀，可以實(shí)現彗差補償。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整接收器的位置（如平面焦平面）。 |
