一種基於高分子聚合物的cpv技術用梯度折射率透鏡及其製備方法
2023-07-14 12:29:51
專利名稱：一種基於高分子聚合物的cpv技術用梯度折射率透鏡及其製備方法
技術領域：
本發明涉及聚光光伏發電技術領域，即第三代太陽能技術---CPV (Concentrated
Photovoltaics)技術,本發明涉及的一種基於高分子聚合物的CPV技術用梯度折射率透鏡，可用於替代CPV技術中造價高昂的對日跟蹤系統，並能實現把各個入射方向的光線會聚在面積較小的III-V族化合物半導體太陽能電池上，達到非跟蹤聚光並能高效發電的目的。
背景技術：
聚光光伏發電是通過採用廉價的聚光系統將太陽光會聚到面積很小的高性能III-V族化合物半導體太陽能電池上，從而大幅度地降低成本及昂貴的太陽電池材料用量。這種高效的太陽能電池，需要透鏡或鏡面將接收到的太陽能放大成百上千倍，然後將放大的能量聚焦於其上。聚光倍數越高，所需太陽電池面積越小，從而有效減少系統佔地面積和降低電池成本，減少生產所需能耗；也可與太陽能的熱利用系統結合使用，大大提高了對太陽能的利用效率。但CPV技術的缺點也很突出，需要人們預先對當地的光照參數進行測定，同時由於聚光電池片面積小，為了更加充分地利用太陽光，聚光光伏發電系統必須輔以精確的對日跟蹤裝置。傳統對日跟蹤系統有一維跟蹤和二維跟蹤，都需要複雜的機電控制系統，這就增加了系統重量，不易安裝且設計維護成本較高，跟蹤設備和以後的維護費用在CPV系統中佔據將近70%的成本。為達到高聚光比，跟蹤精度通常要求在±1。，這極大地限制了光伏發電效果，並成為束縛聚光光伏發展的主要瓶頸。為了解決這一難題，我們需要探索一種非跟蹤聚光技術，在降低成本的同時能夠實現高效聚光發電的目的。
發明內容
針對現有跟蹤聚光發電技術的缺陷，本發明提供一種基於高分子聚合物的CPV技術用梯度折射率透鏡，替代目前CPV技術中較為昂貴的對日跟蹤系統，實現非跟蹤聚光高效發電。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種基於高分子聚合物的CPV技術用梯度折射率透鏡，其特徵在於，所述透鏡是由多層不同折射率的聚二甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜按折射率由大到小的順序自下向上依次排列固化而成的上底面大，下底面小的圓臺或稜台。所述透鏡包括5 15層厚度相同、折射率不同的聚二甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜,聚二甲基娃氧燒/納米娃PDMS/nc-Si複合膜中納米娃顆粒濃度和粒逕自下向上依次逐層減小，每一層複合膜的厚度為100 1000微米。所述聚二甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜中納米矽顆粒的直徑範圍為20 150納米。所述聚二甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜的折射率在I. 5 2. 5之間。所述透鏡的側面覆有鋁或銀或金反射膜。一種基於高分子聚合物的CPV技術用梯度折射率透鏡的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟
(1)以P型(100)單面拋光的單晶矽片作為雷射脈衝液相燒蝕的矽靶，矽片厚度為300 350微米，電阻率為3 5歐姆·釐米，然後將矽片切割為2cmX2cm見方的規整方塊，並用丙酮和乙醇進行超聲清洗以待用；
(2)將上述清洗好的矽片即矽靶分別置於5 15個盛有聚二甲基矽氧烷PDMS的燒杯中，矽靶完全置於溶液中，溶液深度為4 8毫米，然後用XeCl準分子雷射器輻射矽靶，雷射束的焦點大小為2 6mm2，雷射束的能量密度為20 40MW/cm2，輻照時間為30 300分鐘；然後取出矽靶，即得到納米矽顆粒懸浮於聚二甲基矽氧烷PDMS組織中的聚二甲基矽氧 烷/納米矽PDMS/nc-Si複合溶液；
(3)選擇上底面大，下底面小的圓臺形或稜台形模具，將上述5 15種經不同雷射輻照強度和時間的聚二甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合溶液按納米矽顆粒濃度和粒徑從大到小的順序自模具底部向上依次塗膜，每一膜層的厚度保持一致，為100 1000微米，塗膜中納米矽顆粒濃度和粒逕自底層向頂層依次逐級減小，底層納米矽顆粒濃度和粒徑最大，頂層納米矽顆粒濃度和粒徑最小，從而底層折射率大，頂層折射率小，塗層完成後的模具放在真空乾燥箱中，加熱至80 120°C並調節壓強為50 lOOOPa，以使聚二甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜固化成型；
(4)在固化好聚二甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜的模具的外壁濺射一層鋁膜或銀膜或金膜，用以對光線的反射，鋁膜或銀膜或金膜的厚度為I 5微米。PDMS,即聚二甲基矽氧烷，無色透明液體,透光率 100%，折射率I. 4，化學式為CH3[Si (CH3)2OLSi (CH3)3，與矽不發生反應，穩定性好。納米矽顆粒，折射率為3. 5，通過在PDMS溶液中填充特定濃度與尺寸的納米娃顆粒,形成PDMS/nc-Si複合膜,並可以實現對摺射率的控制，可達到I. 5 2. 5，由此製作一種折射率梯度漸變的透鏡,可以實現對入射光線由小折射率區域向大折射率區域的偏轉，達到對各個方向的入射光線都能較好地會聚的目的。本發明的有益效果
(I)本發明通過在高分子聚合物中填充納米矽顆粒，可以較好地控制複合物的折射率在較大的範圍漸變，複合膜層主要基於高可見光透過率的PDMS溶液組織，膜層光學透明度很高，接近100%，比基於玻璃材料的透鏡透過率更高，由此可以形成一種較為理想的以高透射光有效會聚為目的的梯度折射率透鏡；由本發明製備的梯度折射率透鏡，可以替代目前CPV技術中較為昂貴的對日跟蹤系統，實現非跟蹤聚光並高效發電的目的。(2)由高分子聚合物形成的梯度折射率透鏡，可以免去傳統玻璃基透鏡繁瑣的製備工序，無需研磨、拋光等過程，節約生產成本，是一種較為理想的梯度折射率透鏡。
圖I為本發明梯度折射率透鏡的結構示意 圖中1_聚二甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜，2-反射膜。
具體實施例方式如圖I所示，一種基於高分子聚合物的CPV技術用梯度折射率透鏡包括10層不同折射率的聚二甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜I按折射率由大到小的順序自下向上依次排列固化而成的上底面大，下底面小的圓臺或稜台，聚二甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜中納米矽顆粒的直徑範圍為20 150納米，聚二甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜中納米矽顆粒濃度和粒逕自下向上依次逐層減小，每一層複合膜的厚度為100 1000微米，聚二甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜的折射率在I. 5 2. 5之間，透鏡的側面覆有鋁或銀或金反射膜2。本發明所提供基於高分子聚合物 的CPV技術用梯度折射率透鏡的製備步驟包括
1、將2cmX2cm見方的矽片在2%濃度的氫氟酸水溶中浸泡60秒，用以去除表面氧化物，然後用丙酮和無水乙醇清洗矽片，再用去離子水衝洗，最後高純氮氣吹乾，作為雷射脈衝轟擊的娃革巴;
2、將上述處理好的共10個相同的娃祀分別放置於10個含相同PDMS溶液的燒杯中，其中PDMS溶液的矽樹脂和固化劑按質量比10 1混合併攪拌均勻。然後調整XeCl準分子雷射器的雷射參數和聚焦透鏡的聚焦位置，使光束準確地聚焦於矽靶表面，其中矽靶完全浸到溶液中，且燒杯放置於XY水平平臺之上，使其可以相對於雷射束水平移動，以使得雷射束可以在矽靶上進行掃描，對於10個矽靶，雷射束的能量密度分別為30、31、32、33、34、35、36、37、38、39MW/cm2線性增加，且控制雷射束的輻照時間依次增加，分別為30分鐘、60分鐘、90分鐘、120分鐘、150分鐘、180分鐘、210分鐘、240分鐘、270分鐘、300分鐘，雷射燒蝕完成後，取出矽靶，得到10種含不同濃度和不同粒徑的納米矽顆粒的PDMS溶液；其中輻照時間最長、雷射束能量最高對應的燒蝕溶液，其所含納米矽顆粒的濃度和粒徑最大，複合膜層的折射率也最聞;
3、將上述10種PDMS溶液依次塗抹在上底面大，下底面小的圓臺形或稜台形模具中，每一層的厚度保持一致，為O. 5毫米，且由底部到頂部分別為上述矽靶材雷射輻照能量密度和時間依次降低的PDMS溶液，保持底部的納米矽顆粒濃度和粒徑最大，頂部的濃度和粒徑最小，從而底部折射率大，頂部折射率小；將塗抹好PDMS的模板放在真空乾燥箱中，加熱至100°C並調節壓強為80Pa，以使PDMS固化成型。4、在模具的外壁濺射一層鋁膜，用以對光線的反射，鋁膜的厚度為2微米。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制；任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同替換、等效變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
權利要求
1.一種基於高分子聚合物的CPV技術用梯度折射率透鏡，其特徵在於，所述透鏡是由多層不同折射率的聚ニ甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜按折射率由大到小的順序自下向上依次排列固化而成的上底面大，下底面小的圓臺或稜台。
2.根據權利要求I所述的ー種基於高分子聚合物的CPV技術用梯度折射率透鏡，其特徵在於，所述透鏡包括5 15層厚度相同、折射率不同的聚ニ甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜,聚ニ甲基娃氧燒/納米娃PDMS/nc-Si複合膜中納米娃顆粒濃度和粒逕自下向上依次逐層減小，每ー層複合膜的厚度為100 1000微米。
3.根據權利要求I或2所述的ー種基於高分子聚合物的CPV技術用梯度折射率透鏡，其特徵在於，所述聚ニ甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜中納米矽顆粒的直徑範圍為20 150納米。
4.根據權利要求I或2所述的ー種基於高分子聚合物的CPV技術用梯度折射率透鏡，其特徵在於，所述聚ニ甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜的折射率在I. 5 2. 5之間。
5.根據權利要求I或2所述的ー種基於高分子聚合物的CPV技術用梯度折射率透鏡，其特徵在於，所述透鏡的側面覆有鋁或銀或金反射膜。
6.權利要求I 5任一所述的ー種基於高分子聚合物的CPV技術用梯度折射率透鏡的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟 (1)以P型(100)單面拋光的單晶矽片作為雷射脈衝液相燒蝕的矽靶，矽片厚度為300 350微米，電阻率為3 5歐姆·釐米，然後將矽片切割為2cmX2cm見方的規整方塊，並用丙酮和こ醇進行超聲清洗以待用； (2)將上述清洗好的矽片即矽靶置於盛有聚ニ甲基矽氧烷PDMS的燒杯中，矽靶完全置於溶液中，溶液深度為4 8毫米，然後用XeCl準分子雷射器輻射矽靶，雷射束的焦點大小為2 6mm2，雷射束的能量密度為20 40MW/cm2，輻照時間為30 300分鐘；然後取出矽靶，即得到納米矽顆粒懸浮於聚ニ甲基矽氧烷PDMS組織中的聚ニ甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合溶液； (3)選擇上底面大，下底面小的圓臺形或稜台形模具，將上述5 15種經不同雷射輻照強度和時間的聚ニ甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合溶液按納米矽顆粒濃度和粒徑從大到小的順序自模具底部向上依次塗膜，每ー膜層的厚度保持一致，為100 1000微米，塗膜中納米矽顆粒濃度和粒逕自底層向頂層依次逐級減小，底層納米矽顆粒濃度和粒徑最大，頂層納米矽顆粒濃度和粒徑最小，從而底層折射率大，頂層折射率小，塗層完成後的模具放在真空乾燥箱中，加熱至80 120°C並調節壓強為50 lOOOPa，以使聚ニ甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜固化成型； (4)在固化好聚ニ甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜的模具的外壁濺射ー層鋁膜或銀膜或金膜，用以對光線的反射，鋁膜或銀膜或金膜的厚度為I 5微米。
全文摘要
一種基於高分子聚合物的CPV技術用梯度折射率透鏡，所述透鏡是由多層不同折射率的聚二甲基矽氧烷/納米矽PDMS/nc-Si複合膜按折射率由大到小的順序自下向上依次排列固化而成的上底面大，下底面小的圓臺或稜台；本發明通過在高分子聚合物中填充納米矽顆粒，可以控制複合物的折射率在較大的範圍漸變，且複合膜層主要基於高可見光透過率的PDMS溶液組織，膜層光學透明度很高，接近100%，比基於玻璃材料的透鏡透過率更高，由此可以形成一種較為理想的以高透射光有效會聚為目的的梯度折射率透鏡，由本發明製備的梯度折射率透鏡，可以替代目前CPV技術中較為昂貴的對日跟蹤系統，實現非跟蹤聚光並高效發電的目的。
文檔編號H01L31/052GK102866439SQ201210352449
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者王芸, 馬立雲, 崔介東, 彭壽, 石麗芬, 沈洪雪 申請人:蚌埠玻璃工業設計研究院, 中國建材國際工程集團有限公司