專利名稱：一種衍射光學元件及其設計方法和在太陽能電池中的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學領域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種衍射光學元件及其設計方法和在太陽能電池中的應用。
背景技術：
衍射光學元件(DOE)是利用光學衍射原理起聚焦、分色、折射、反射及成像等光學作用的光學元件。典型的衍射光學元件的表面分布有微起伏構造，這些微起伏構造使得經(jīng)過衍射光學元件的入射光的相位發(fā)生變化(即，相位調制)，從而獲得所需的或指定的輸出光分布。衍射光學元件表面上的微起伏對入射光相位的調制量與其厚度或者說調制厚度相關，因此，衍射光學元件設計的一個核心問題是確定其表面各個部位(采樣點)處的調制厚度。已有多篇文獻研究了衍射光學元件的設計問題，例如可參考1 G. Z. Yang, B. Y. Gu, et al. “ Iterative optimization approach for the design of diffractive phase elements simultaneously implementing several optical functions，” J. Opt. Soc.Am.A Vol. 11，1632-1640 (1994).2Β· Z. Dong,G. Q. Zhang,G. Z. Yang,B. Y. Gu,et al. "Design and fabrication of a diffractive phase element for wavelength demultiplexing and spatial focusing simultaneously, ” Appl. Opt. Vol. 35,6859-6864(1996).3B. Z.Dong, G.Z.Yang, B. Y. Gu, et al. "Diffractive phase elements that implement wavelength demultiplexing and spatial annular focusing simultaneously,，，J. Opt. Soc. Am. A Vol. 14，44-48 (1997).4B. Z. Dong, R. Liu, G. Z. Yang and B. Y. Gu, "Design of diffractive phase elements that generate monochromatic or color point ad ring patterns," J. Opt. Soc. Am. A Vol. 15，480-486(1998).5B. Y. Gu, G. Z. Yang, B. Z. Dong, et al. "Diffractive-phase-element design that implements several optical functions, " Appl. Opt. 34, 2564-2570 (1995).[6]G. Z.Yang, B. Z. Dong, B. Y. Gu, et al. " Gerchberg-Saxton and Yang-Gu algorithms for phase retrieval in a nonunitary transform system :a comparison, ” Appl. Opt. 32,209-218(1994).在上面列出的以及其他一些未列出的相關文獻中，采用了楊顧算法來求解對入射光的相位調制量或衍射光學元件的調制厚度，并且實現(xiàn)了用同一片衍射光學元件實現(xiàn)對含有多個波長的入射光同時進行分色和聚焦的功能。但是，按照目前的方法設計的衍射光學元件，其衍射效率只有10% -20%，這就限制了衍射光學元件在某些場合的應用。需要注意的是，在這里衍射光學元件的衍射效率是指輸出光在聚焦區(qū)域內的能量占入射光能量的比重。本申請中涉及的另一個方面是太陽能電池。能源問題是當今世界各國共同關注的重要課題，無污染的太陽能更是各國爭相利用的戰(zhàn)略資源。太陽能電池則是將太陽能轉換為電能的器件。太陽能電池的基本原理是當太陽光照射到太陽能電池中的光伏材料上時，就半導體而言，經(jīng)過半導體材料吸收后產(chǎn)生光生伏特效應，從而將光能轉換成電能。由于不同的半導體材料具有不同的帶隙結構，一種半導體只能對其帶隙能量所對應波長附近的入射光有較高的光電轉換效率。假如能夠用不同帶隙的半導體去吸收各自帶隙能量所對應的波長附近的光將會極大地提高太陽能的光電轉化效率。研究還表明如果能夠將太陽光聚焦，太陽能的轉化效率并不會因光強的增加而變差，反而會有所提高。聚焦的情況下還可以大量節(jié)省昂貴的材料，用很小的電池面積去轉化更多的光能。針對上述利用太陽能的思想，目前世界上對于太陽能電池主要有兩類研究方案， 即串聯(lián)(又稱為“級聯(lián)”)和并聯(lián)(又稱為“橫向”)方式。在串聯(lián)結構中，沿垂直方向自下往上依次生長不同的半導體材料，它們的帶隙能量逐漸增加，入射光經(jīng)過光學系統(tǒng)聚焦后通過各層材料，波長最小的入射光(能量最高)被最上層半導體吸收，隨著波長的增加，依次被下層的半導體材料吸收，從而能獲得較高的轉換效率。這種方案的缺點在于，不同半導體層之間的界面需要通過分子束外延等技術進行生長，想達到精確控制非常困難，材料的選擇也有很大的局限性，從而使制造成本變得很高。而并聯(lián)結構是指對太陽光在聚焦的同時進行分色處理，使不同波長的太陽光聚焦到不同的位置，然后放置上帶隙能量與該波長光子能量相近的半導體材料，將會極大地提高太陽能的光電轉換效率。目前已知的并聯(lián)結構實現(xiàn)方案主要有兩種，第一種是利用二相色鏡(Dichroic mirror)對太陽光進行分色，將太陽光分成長波和短波兩個波段成分。為獲得較高的分色效率，這種二相色鏡通常需要鍍膜達到十幾層、甚至幾十層，技術上很困難。第二種是用透鏡加棱鏡組合分光的方案，這種方案使得光學器件體積龐大。目前存在的并聯(lián)結構缺點在于光學系統(tǒng)的成本會非常高。若能將衍射光學元件的厚度控制在一定的范圍之內，就可以運用現(xiàn)代光刻技術進行加工和批量復制，使光學系統(tǒng)的成本大大降低；如果衍射光學元件可以實現(xiàn)分色聚焦的功能，那么將會使整個分色聚焦光伏系統(tǒng)的成本得到極大的降低。但是，如前面對衍射光學元件的描述中所述，目前的實現(xiàn)分色聚焦的衍射光學元件的衍射效率只有10% -20%，這樣的衍射效率使得對于太陽能的利用來說顯然是不利的，這就阻礙了分色聚焦衍射光學元件在太陽能電池中的應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的在于優(yōu)化衍射光學元件的設計，使得衍射光學元件的調制厚度的選擇更具靈活性。本發(fā)明的另一個目的是在于優(yōu)化衍射光學元件的設計，以提高衍射光學元件的衍射效率。本發(fā)明的再一個目的在于提供一種應用衍射光學元件的太陽能電池。按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種衍射光學元件的設計方法，用于獲得所述衍射光學元件的多個采樣點處的設計調制厚度；所述衍射光學元件設置在光學系統(tǒng)的輸入平面處，其對包含有多個波長的入射光進行相位調制，以便在輸出平面處獲得所需的光學分布；對于所述衍射光學元件的每個采樣點，所述設計方法包括步驟一對于每一個波長，計算所述衍射光學元件的當前采樣點處的針對該波長的調制厚度；對于所述多個波長，相應地獲得多個調制厚度；
步驟二 對于每個調制厚度，獲得一系列相互等效的備選調制厚度，所述一系列相互等效的備選調制厚度對應的一系列調制相位相互之間相差2 π的整數(shù)倍；步驟三從每個波長的備選調制厚度中選擇一個調制厚度，根據(jù)所選的對應所述多個波長的多個調制厚度來確定當前采樣點的設計調制厚度。在一種實施方式中，可以在步驟一中采樣楊顧算法計算所述調制厚度。所述楊顧算法可以包括多次迭代循環(huán)運算，每一次迭代循環(huán)中，能夠得到當前迭代循環(huán)中的所述調制厚度?？梢詫τ诋斍暗h(huán)中的所述調制厚度執(zhí)行步驟二和步驟三?？梢栽跅铑櫵惴ǖ牡h(huán)結束之后，得到最終的所述調制厚度，對于最終的所述調制厚度執(zhí)行步驟二和
步驟三。在一種實施方式中，在步驟一中所述調制厚度對應的調制相位小于2 π。在一種實施方式中，在步驟二中，可以根據(jù)所述衍射光學元件的加工工藝的限制來約束所述備選調制厚度的最大值。這里，所述加工工藝的限制可以是光刻加工工藝的最大刻蝕深度。在一種實施方式中，在步驟三中，所述挑選的準則可以是使得所挑選出來的多個調制厚度的差別盡可能地?。换蛘?，使得所挑選出來的多個調制厚度與根據(jù)所挑選出來的多個調制厚度確定的設計調制厚度相比誤差最小。在一種實施方式中，所需的光學分布包括在輸出平面上獲得將入射光按照波長分色且聚焦的光學分布。在一種實施方式中，所述衍射光學元件的至少一個采樣點處的設計調制厚度使得該采樣點對于所述多個波長中的任意一個波長的相位調制都大于2 π。在按照本發(fā)明的另一方面，提供一種按照前述方法設計的衍射光學元件。所述衍射光學元件可以用光刻方法制成。這里的光刻方法例如可以是直接用光刻技術制成，可以是通過現(xiàn)代光刻技術加工母版，然后應用壓印技術進行大批量生產(chǎn)。按照本發(fā)明的又一個方面，提供了一種衍射光學元件，其設置在光學系統(tǒng)的輸入平面處，用于對包含有多個波長的入射光進行相位調制，以便在輸出平面處獲得所需的光學分布；其中，所述衍射光學元件的至少一個采樣點處的設計調制厚度使得該采樣點對于所述多個波長中的任意一個波長的相位調制都大于2 π。在一種實施方式中，所需的光學分布包括在輸出平面上獲得將入射光按照波長分色且聚焦的光學分布。在一種實施方式中，所述衍射光學元件是用光刻方法制成的。這里的光刻方法例如可以是直接用光刻技術制成，可以是通過現(xiàn)代光刻技術加工母版，然后應用壓印技術進行大批量生產(chǎn)。按照本發(fā)明的再一個方面，提供了一種太陽能電池，包括單片衍射光學元件，用于將太陽光按照選定的多個波長分色且聚焦到一輸出面上；與所述選定的多個波長對應的多種半導體材料，每一種半導體用于吸收對應波長附近的太陽光，所述多種半導體材料分別設置在所述輸出面的對應波長的聚焦區(qū)域處。在一種實施方式中，所述太陽能電池的所述單片衍射光學元件為前述的任意一種衍射光學元件。
本發(fā)明具有如下有益效果1)在本發(fā)明的衍射光學元件及其設計方法中，突破了現(xiàn)有技術中對調制厚度/調制相位的限制，使得衍射光學元件的調制厚度有更大的選擇范圍，從而提高了選擇衍射光學元件的調制厚度的靈活性。2)由于按照本發(fā)明的衍射光學元件的調制厚度有更大的選擇范圍，可根據(jù)實際需要任意控制，使得衍射光學元件的厚度控制在一定的范圍之內，這樣就便于通過現(xiàn)代光刻技術加工母版，然后應用壓印技術進行大批量生產(chǎn)，因而成本大大降低。3)由于按照本發(fā)明的衍射光學元件的調制厚度有更大的選擇范圍，而且，在擴展后的選擇范圍中，能夠找到比現(xiàn)有技術更優(yōu)的設計調制厚度，從而能夠極大提升衍射光學元件的衍射效率。按照本發(fā)明設計的同時進行分色和聚焦的衍射光學元件的理論衍射效率超過了 79%。4)由于按照本發(fā)明的衍射光學元件能夠極大地提升衍射光學元件的衍射效率，這使得分色聚焦衍射光學元件在太陽能電池中的應用有了實際意義。再結合之前所述的能夠通過現(xiàn)代光刻技術大批量生產(chǎn)，這為太陽能利用提供一種高效和廉價的途徑。


圖1示出了一種示意性的光學系統(tǒng)，其中，衍射光學元件對入射光同時實現(xiàn)分色和聚焦功能；圖2示出了按照楊顧算法計算衍射光學元件的設計調制厚度的算法示意圖，其中使用了按照本發(fā)明的厚度優(yōu)化算法；圖3示出了按照本發(fā)明的厚度優(yōu)化算法的流程示意圖；圖4示出了一種太陽能電池的簡化示意圖。
具體實施例方式桉照本發(fā)明的衍射光學元件的設計思想如圖1所示的示意性光學系統(tǒng)，含有多個波長λ α的入射光從輸入平面P1傳播到輸出平面P2,其中，α = 1，2，3，...，Νλ，Νλ表示不同波長的數(shù)量，在圖1中Νλ示例性地等于3。衍射光學元件1附著在輸入平面P1I，用于對入射光進行相位調制，以便在輸出平面 P2上獲得將多個波長的光分色并且聚焦的輸出光。在圖1中，λ 3所在位置分別表示對應波長的光在輸出平面P2上的聚焦位置或區(qū)域。對于波長λ α來說，其入射光經(jīng)衍射光學元件1調制后在輸入平面P1上的的輸入波函數(shù)用仏。表示，其在輸出平面P2上的輸出波函數(shù)用表示。波函數(shù)通常是復函數(shù)，因此，Ula和U2a分別可以表示為Ula = P 1αθχρ[ Φ1α](1)U2a = Ρ2αθχΡ[ Φ2α](2)其中，Pla和Φ1α分別是輸入波函數(shù)Ra的振幅和相位，P2a和Φ2α分別是輸出波函數(shù)^a的振幅和相位。輸出波函數(shù)U2a與輸入波函數(shù)Ra之間的關系可以表示為U2a=GaUia(3)
其中，算符表示光從輸入平面到輸出平面的傳輸算符。例如，當輸入平面和輸出平面之間是自由空間時，則代表光的自由傳播作用；當輸入平面和輸出平面之間有其他的光學元件時，則也包含了這些光學元件的光學作用。在用衍射光學元件對已知的入射光進行相位調制以獲得所要求的輸出光的場合中，輸入波函數(shù)Ula的振幅P1和輸出波函數(shù)U2a的振幅P2可以認為是已知的。對于確定的光學系統(tǒng)，傳輸算符也是已知的。因此，對于這種場合，衍射光學元件DOE的設計實際上就是如何在PpPjPC^已知的情況下，求解Ula的相位Φ1α。當我們假設入射光在經(jīng)衍射光學元件調制之前具有相同的相位時，相位Φ1α則代表了衍射光學元件的調制相位，從而可以計算出衍射光學元件的調制厚度。為了求解Φ1α，在楊顧算法中引入一個距離量D，其定義為D2=IlUL-GaUlaII2(4)其中，Il ... Il表示求復數(shù)的模，UL =Pla εχρΟΦ2α)，PL表示輸出平面上的目標振幅。對于公式0)，要求δΦ1α 2 = 0禾口 δΦ2α 2 = 0時，則可以得到02a=arg[Gapiaexp [ Φ1α]( 5 )Φ1α= arg{ A^ [ G p\a exp (/Φ2α) -i柳 Pi exP (沛1 ) ])(6)其中，是( 和良的乘積，( 代表的共軛轉置；表示矩陣足中由對角元組成的矩陣；表示矩陣中由非對角元組成的矩陣；arg表示求復數(shù)的輻角，這里也就是求得復振幅的相位。公式( 和(6)通過數(shù)值迭代運算，則可求得調制相位Φ1α。根據(jù)衍射光學元件的調制相位與調制厚度之間的關系Φ1α = 2ji (na-l)hla/A a(7)則可根據(jù)所求得的調制相位Φ1α獲得調制厚度hla，其中na為衍射光學元件在波長為λ α時的折射率。這樣，通過上面的計算，對于扎個不同波長中的每一個波長λ α，都可以求得一個
對應的調制厚度hla。在實際的衍射光學元件設計中，為了計算的方便，在衍射光學元件上設置多個采樣點，針對每個采樣點來計算其調制厚度hla。這樣，針對具體的一個采樣點，可以獲得對應 Νλ 個波長的 Na 個 hla，a = 1，2，3，...，Νλ。很明顯的是，對于最終設計而成的衍射光學元件，對于每個采樣點只能有一個厚度。因此，需要根據(jù)所獲得的Νλ個調制厚度hla來確定一個最終的設計調制厚度hp顯然， 希望最終的設計調制厚度Ii1總體上與每個調制厚度hla都比較接近。通常是取計算得到的 Νλ個調制厚度hla的中間值或者平均值來作為最終的設計調制厚度hp需要指出的是，上述方法基本上是描述了現(xiàn)有技術中的一種利用楊顧算法來獲得衍射光學元件的設計調制厚度的方法。但是，如背景技術中所述，通過這樣的方法獲得的衍射光學元件來對多波長入射光進行分色和聚焦時，雖然能獲得很高的信噪比，但是總體的衍射效率很低，只能達到 10% -20%。
本申請的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，造成衍射效率較低的至少一個原因是因為現(xiàn)有技術中由Νλ 個調制厚度hla來確定的最終設計調制厚度Ii1不夠理想。在實際的數(shù)值計算過程中，在處理公式(6)時，arg運算將使得Φ1α的取值范圍為0彡Φ1α < ，根據(jù)公式(7)可知，這等價于使得調制厚度hla的范圍被約束為0彡hla < λα/(ηα-1)。實際上，當φ1α的取值之間相差的整數(shù)倍時，SP，Φ1α，= Φ1α+2Κπ (K = 0，l，2，3，...)，等價于當調制厚度取值為下面各值時，hla，=hla+KAhla，其中 K = 0，l，2，3，···，Ahla = λα/(ηα_1) (8)它們對入射光的相位調制是等效的。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，當將公式⑶列出的一系列等效調制厚度都作為hla的備選調制厚度時，將有可能獲得更理想的設計調制厚度hp以一個簡單的包含兩種不同波長A1 和λ2的入射光為例來說明，對于衍射光學元件的某個采樣點，采用現(xiàn)有技術的方法時，波長A1對應的調制厚度為hn，波長λ2對應的調制厚度為h12，且hn<h12，則最終的設計調制厚度可以為這兩個調制厚度的平均值Ii1 = Qi1Jh12)/2，hn和h12與Ill之間分別相差 (h12_hn)/2。當波長A1^P λ 2對應的調制厚度選擇為等效的調制厚度hn’= (hn+mAhn), h12，= (h12+nAh12), m, η = 0,1,2,3,...時，最終的設計調制厚度則類似地可以為h/ = (hn+mAhn+hu+nAhd/^hn，和 h12，與 h/ 之間分別相差 | h12-hn-m Δ hn+n Δ h121/2，而這個差異在某些情況下會比之前的(h12_hn)/2更小，這說明所選取的設計調制厚度h/更接近于針對波長入工和入2的調制厚度}111’和1!12’，因此111’比111更理想。這也適用于入射光含有更多個波長的情況。因此，在本發(fā)明中，對于某一個采樣點，其對于波長λ α的調制厚度hla ’可以取如公式(8)所示的一系列備選值，以期在這些備選值中選擇合適的調制厚度來獲得該采樣點的最終設計調制厚度。這在本發(fā)明中可以稱為“厚度優(yōu)化算法”。本發(fā)日月的衍射光學元件的設i十方法的jy本示例圖2示出了按照本發(fā)明計算衍射光學元件的調制厚度的迭代計算過程的一個具體示例。如圖2所示，在步驟201中，對衍射光學元件上各個采樣點的設計調制厚度賦初始值。為了方便描述迭代過程，采用h(m’n)來標識某個采樣點的設計調制厚度，上標(m，n)分別代表迭代運算過程中外循環(huán)和內循環(huán)的迭代次數(shù)或標記，這在下面的描述中將會清楚。 當衍射光學元件上設置了 N1個采樣點時，則需要針對N1個采樣點的設計調制厚度Ill分別設置初始厚度Ii1U。在步驟202中，根據(jù)公式(7)獲得該當前的設計調制厚度h/m’n)針對不同的波長 λ a所對應的調制相位Φ1α(ηι’η)，其中α = 1，2，3，...，Νλ，Νλ表示不同波長的數(shù)量。在步驟203中，根據(jù)公式( 獲得輸出平面上的各采樣點的針對不同波長λ α的
相位Φ2αω。在步驟204中，根據(jù)當前的Φ1α(ηι’η)判斷公式(9)是否成立外循環(huán)迭代次數(shù)m是否達到預先設定的最大值mMX，SSE 彡 S1(9)其中，SSE=Z( 11 Gapiaexp [ Φια( η'η)]丨丨 _/4)2, ε i 是一個預設的微小量，“ Il Il ”表示求復數(shù)的模，j用于表示衍射光學元件上不同的采樣點，求和符號表示對j 從1到N1對所有的采樣點進行求和。如公式(9)成立或外循環(huán)迭代次數(shù)m達到預先設定的最大值mMX，則進行步驟205， 否則，則進行步驟206。在步驟206中，根據(jù)當前的Φ1α(ηι’η)和Φ2αω利用公式(6)計算出下一個迭代值 Φ1α(ηι·η+1)ο需要注意的是，此時的調制相位Φ1α 0l^n+1)的取值范圍為O彡φ1α <2π。在步驟207中，根據(jù)Φ1α(ηι’η+1)和Φ1α(ηι’η)判斷公式(10)是否成立或者內循環(huán)迭代次數(shù)η是否達到預先設定的最大值ηΜΧ，
權利要求
1.一種衍射光學元件的設計方法，用于獲得所述衍射光學元件的多個采樣點處的設計調制厚度OO ；所述衍射光學元件設置在光學系統(tǒng)的輸入平面(P1)處，其對包含有多個波長(λ α，α = 1 Νλ)的入射光進行相位調制，以便在輸出平面(P2)處獲得所需的光學分布；對于所述衍射光學元件的每個采樣點，所述設計方法包括步驟一對于每一個波長(λ α)，計算所述衍射光學元件的當前采樣點處的針對該波長的調制厚度Oi1 α)；對于所述多個波長，相應地獲得多個調制厚度(hla，α = 1 Νλ)；步驟二 對于每個調制厚度(hla)，獲得一系列相互等效的備選調制厚度QllZKAh1 a， K = 0,1,2,3,...)，所述一系列相互等效的備選調制厚度對應的一系列調制相位 (Φ1α+2Κπ，Κ = 0，1，2，3，...)相互之間相差2 π的整數(shù)倍；步驟三從每個波長的備選調制厚度中選擇一個調制厚度，根據(jù)所選的對應所述多個波長的多個調制厚度來確定當前采樣點的設計調制厚度Oi1)。
2.根據(jù)權利要求1所述的衍射光學元件的設計方法，其特征在于，在步驟一中，采樣楊顧算法計算所述調制厚度(hla)。
3.根據(jù)權利要求2所述的衍射光學元件的設計方法，其特征在于，所述楊顧算法包括多次迭代循環(huán)運算，每一次迭代循環(huán)中，能夠得到當前迭代循環(huán)中的所述調制厚度(hla(m’ n))。
4.根據(jù)權利要求2所述的衍射光學元件的設計方法，其特征在于，對于當前迭代循環(huán)中的所述調制厚度(hla(m’n))執(zhí)行步驟二和步驟三。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的衍射光學元件的設計方法，其特征在于，在楊顧算法的迭代循環(huán)結束之后，能夠得到最終的所述調制厚度Oi1 a (m’ n))，對于最終的所述調制厚度 (hla(m'n))執(zhí)行步驟二和步驟三。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的衍射光學元件的設計方法，其特征在于，在步驟一中，所述調制厚度對應的調制相位(Φ1α)小于。
7.根據(jù)權利要求1所述的衍射光學元件的設計方法，其特征在于，在步驟二中，根據(jù)所述衍射光學元件的加工工藝的限制來約束所述備選調制厚度的最大值。
8.根據(jù)權利要求7所述的衍射光學元件的設計方法，其特征在于，所述加工工藝的限制是光刻加工工藝的最大刻蝕深度。
9.根據(jù)權利要求1所述的衍射光學元件的設計方法，其特征在于，在步驟三中，所述挑選的準則是使得所挑選出來的多個調制厚度的差別盡可能地?。换蛘?，使得所挑選出來的多個調制厚度與根據(jù)所挑選出來的多個調制厚度確定的設計調制厚度相比誤差最小。
10.根據(jù)權利要求1所述的衍射光學元件的設計方法，其特征在于，所需的光學分布包括在輸出平面上獲得將入射光按照波長分色且聚焦的光學分布。
11.根據(jù)權利要求1所述的衍射光學元件的設計方法，其特征在于，所述衍射光學元件的至少一個采樣點處的設計調制厚度Ql1)使得該采樣點對于所述多個波長中的任意一個波長的相位調制都大于2 π。
12.一種按照權利要求1-11中任一項所述的方法設計的衍射光學元件。
13.根據(jù)權利要求12所述的衍射光學元件，其特征在于，所述衍射光學元件是用光刻方法制成的。
14.一種衍射光學元件，其設置在光學系統(tǒng)的輸入平面(P1)處，用于對包含有多個波長 (λ α，α = 1 NJ的入射光進行相位調制，以便在輸出平面(P2)處獲得所需的光學分布；其特征在于，所述衍射光學元件的至少一個采樣點處的設計調制厚度Oi1)使得該采樣點對于所述多個波長中的任意一個波長的相位調制都大于2 π。
15.根據(jù)權利要求14所述的衍射光學元件，其特征在于，所需的光學分布包括在輸出平面上獲得將入射光按照波長分色且聚焦的光學分布。
16.根據(jù)權利要求14所述的衍射光學元件，其特征在于，所述衍射光學元件是用光刻方法制成的。
17.一種太陽能電池，包括單片衍射光學元件，用于將太陽光按照選定的多個波長(λ α，α = 1 Νλ)分色且聚焦到一輸出面上；與所述選定的多個波長對應的多種半導體材料，每一種半導體用于吸收對應波長附近的太陽光，所述多種半導體材料分別設置在所述輸出面的對應波長的聚焦區(qū)域處。
18.根據(jù)權利要求17所述的太陽能電池，其特征在于，所述單片衍射光學元件為權利要求12-16中任一項所述的衍射光學元件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種衍射光學元件及其設計方法和在太陽能電池中的應用。本發(fā)明的衍射光學元件的采樣點的設計調制厚度的設計包括對于每一個波長計算當前采樣點處的調制厚度；對于每個調制厚度獲得一系列相互等效的備選調制厚度，它們對應的調制相位相互之間相差2π的整數(shù)倍；從每個波長的備選調制厚度中選擇一個調制厚度來確定當前采樣點的設計調制厚度。在一種實施方式中，該設計方法是在楊顧算法中引入了本發(fā)明的厚度優(yōu)化算法。本發(fā)明突破了現(xiàn)有技術中對調制厚度/調制相位的限制并提高了衍射效率，且便于通過現(xiàn)代光刻技術大批量生產(chǎn)，成本大大降低。本發(fā)明的衍射光學元件還可應用于太陽能電池中，這為太陽能利用提供一種高效和廉價的途徑。
文檔編號H01L31/0232GK102375171SQ201110351978
公開日2012年3月14日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權日2011年11月9日
發(fā)明者葉佳聲, 孟慶波, 張巖, 楊國楨, 王進澤, 董碧珍, 黃慶禮 申請人:中國科學院物理研究所