專利名稱：一種基于高分子聚合物的cpv技術(shù)用梯度折射率透鏡及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚光光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，即第三代太陽能技術(shù)---CPV (Concentrated
Photovoltaics)技術(shù),本發(fā)明涉及的一種基于高分子聚合物的CPV技術(shù)用梯度折射率透鏡，可用于替代CPV技術(shù)中造價(jià)高昂的對(duì)日跟蹤系統(tǒng)，并能實(shí)現(xiàn)把各個(gè)入射方向的光線會(huì)聚在面積較小的III-V族化合物半導(dǎo)體太陽能電池上，達(dá)到非跟蹤聚光并能高效發(fā)電的目的。
背景技術(shù)：
聚光光伏發(fā)電是通過采用廉價(jià)的聚光系統(tǒng)將太陽光會(huì)聚到面積很小的高性能III-V族化合物半導(dǎo)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，然后將放大的能量聚焦于其上。聚光倍數(shù)越高，所需太陽電池面積越小，從而有效減少系統(tǒng)占地面積和降低電池成本，減少生產(chǎn)所需能耗；也可與太陽能的熱利用系統(tǒng)結(jié)合使用，大大提高了對(duì)太陽能的利用效率。但CPV技術(shù)的缺點(diǎn)也很突出，需要人們預(yù)先對(duì)當(dāng)?shù)氐墓庹諈?shù)進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)由于聚光電池片面積小，為了更加充分地利用太陽光，聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)必須輔以精確的對(duì)日跟蹤裝置。傳統(tǒng)對(duì)日跟蹤系統(tǒng)有一維跟蹤和二維跟蹤，都需要復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)，這就增加了系統(tǒng)重量，不易安裝且設(shè)計(jì)維護(hù)成本較高，跟蹤設(shè)備和以后的維護(hù)費(fèi)用在CPV系統(tǒng)中占據(jù)將近70%的成本。為達(dá)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(fā)電效果，并成為束縛聚光光伏發(fā)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(shù)，在降低成本的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)高效聚光發(fā)電的目的。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有跟蹤聚光發(fā)電技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種基于高分子聚合物的CPV技術(shù)用梯度折射率透鏡，替代目前CPV技術(shù)中較為昂貴的對(duì)日跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)非跟蹤聚光高效發(fā)電。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種基于高分子聚合物的CPV技術(shù)用梯度折射率透鏡，其特征在于，所述透鏡是由多層不同折射率的聚二甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)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(tái)或棱臺(tái)。所述透鏡包括5 15層厚度相同、折射率不同的聚二甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合膜,聚二甲基娃氧燒/納米娃PDMS/nc-Si復(fù)合膜中納米娃顆粒濃度和粒徑自下向上依次逐層減小，每一層復(fù)合膜的厚度為100 1000微米。所述聚二甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合膜中納米硅顆粒的直徑范圍為20 150納米。所述聚二甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合膜的折射率在I. 5 2. 5之間。所述透鏡的側(cè)面覆有鋁或銀或金反射膜。一種基于高分子聚合物的CPV技術(shù)用梯度折射率透鏡的制備方法，其特征在于，包括以下步驟
(1)以P型(100)單面拋光的單晶硅片作為激光脈沖液相燒蝕的硅靶，硅片厚度為300 350微米，電阻率為3 5歐姆·厘米，然后將硅片切割為2cmX2cm見方的規(guī)整方塊，并用丙酮和乙醇進(jìn)行超聲清洗以待用；
(2)將上述清洗好的硅片即硅靶分別置于5 15個(gè)盛有聚二甲基硅氧烷PDMS的燒杯中，硅靶完全置于溶液中，溶液深度為4 8毫米，然后用XeCl準(zhǔn)分子激光器輻射硅靶，激光束的焦點(diǎn)大小為2 6mm2，激光束的能量密度為20 40MW/cm2，輻照時(shí)間為30 300分鐘；然后取出硅靶，即得到納米硅顆粒懸浮于聚二甲基硅氧烷PDMS組織中的聚二甲基硅氧 烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合溶液；
(3)選擇上底面大，下底面小的圓臺(tái)形或棱臺(tái)形模具，將上述5 15種經(jīng)不同激光輻照強(qiáng)度和時(shí)間的聚二甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合溶液按納米硅顆粒濃度和粒徑從大到小的順序自模具底部向上依次涂膜，每一膜層的厚度保持一致，為100 1000微米，涂膜中納米硅顆粒濃度和粒徑自底層向頂層依次逐級(jí)減小，底層納米硅顆粒濃度和粒徑最大，頂層納米硅顆粒濃度和粒徑最小，從而底層折射率大，頂層折射率小，涂層完成后的模具放在真空干燥箱中，加熱至80 120°C并調(diào)節(jié)壓強(qiáng)為50 lOOOPa，以使聚二甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合膜固化成型；
(4)在固化好聚二甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合膜的模具的外壁濺射一層鋁膜或銀膜或金膜，用以對(duì)光線的反射，鋁膜或銀膜或金膜的厚度為I 5微米。PDMS,即聚二甲基硅氧烷，無色透明液體,透光率 100%，折射率I. 4，化學(xué)式為CH3[Si (CH3)2OLSi (CH3)3，與硅不發(fā)生反應(yīng)，穩(wěn)定性好。納米硅顆粒，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復(fù)合膜,并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率的控制，可達(dá)到I. 5 2. 5，由此制作一種折射率梯度漸變的透鏡,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光線由小折射率區(qū)域向大折射率區(qū)域的偏轉(zhuǎn)，達(dá)到對(duì)各個(gè)方向的入射光線都能較好地會(huì)聚的目的。本發(fā)明的有益效果
(I)本發(fā)明通過在高分子聚合物中填充納米硅顆粒，可以較好地控制復(fù)合物的折射率在較大的范圍漸變，復(fù)合膜層主要基于高可見光透過率的PDMS溶液組織，膜層光學(xué)透明度很高，接近100%，比基于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(huì)聚為目的的梯度折射率透鏡；由本發(fā)明制備的梯度折射率透鏡，可以替代目前CPV技術(shù)中較為昂貴的對(duì)日跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)非跟蹤聚光并高效發(fā)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(tǒng)玻璃基透鏡繁瑣的制備工序，無需研磨、拋光等過程，節(jié)約生產(chǎn)成本，是一種較為理想的梯度折射率透鏡。


圖I為本發(fā)明梯度折射率透鏡的結(jié)構(gòu)示意 圖中1_聚二甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合膜，2-反射膜。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，一種基于高分子聚合物的CPV技術(shù)用梯度折射率透鏡包括10層不同折射率的聚二甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)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(tái)或棱臺(tái)，聚二甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合膜中納米硅顆粒的直徑范圍為20 150納米，聚二甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合膜中納米硅顆粒濃度和粒徑自下向上依次逐層減小，每一層復(fù)合膜的厚度為100 1000微米，聚二甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合膜的折射率在I. 5 2. 5之間，透鏡的側(cè)面覆有鋁或銀或金反射膜2。本發(fā)明所提供基于高分子聚合物 的CPV技術(shù)用梯度折射率透鏡的制備步驟包括
1、將2cmX2cm見方的硅片在2%濃度的氫氟酸水溶中浸泡60秒，用以去除表面氧化物，然后用丙酮和無水乙醇清洗硅片，再用去離子水沖洗，最后高純氮?dú)獯蹈?，作為激光脈沖轟擊的娃革巴;
2、將上述處理好的共10個(gè)相同的娃祀分別放置于10個(gè)含相同PDMS溶液的燒杯中，其中PDMS溶液的硅樹脂和固化劑按質(zhì)量比10 1混合并攪拌均勻。然后調(diào)整XeCl準(zhǔn)分子激光器的激光參數(shù)和聚焦透鏡的聚焦位置，使光束準(zhǔn)確地聚焦于硅靶表面，其中硅靶完全浸到溶液中，且燒杯放置于XY水平平臺(tái)之上，使其可以相對(duì)于激光束水平移動(dòng)，以使得激光束可以在硅靶上進(jìn)行掃描，對(duì)于10個(gè)硅靶，激光束的能量密度分別為30、31、32、33、34、35、36、37、38、39MW/cm2線性增加，且控制激光束的輻照時(shí)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，激光燒蝕完成后，取出硅靶，得到10種含不同濃度和不同粒徑的納米硅顆粒的PDMS溶液；其中輻照時(shí)間最長(zhǎng)、激光束能量最高對(duì)應(yīng)的燒蝕溶液，其所含納米硅顆粒的濃度和粒徑最大，復(fù)合膜層的折射率也最聞;
3、將上述10種PDMS溶液依次涂抹在上底面大，下底面小的圓臺(tái)形或棱臺(tái)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硅靶材激光輻照能量密度和時(shí)間依次降低的PDMS溶液，保持底部的納米硅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??；將涂抹好PDMS的模板放在真空干燥箱中，加熱至100°C并調(diào)節(jié)壓強(qiáng)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(duì)光線的反射，鋁膜的厚度為2微米。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制；任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同替換、等效變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于高分子聚合物的CPV技術(shù)用梯度折射率透鏡，其特征在于，所述透鏡是由多層不同折射率的聚ニ甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)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(tái)或棱臺(tái)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于高分子聚合物的CPV技術(shù)用梯度折射率透鏡，其特征在于，所述透鏡包括5 15層厚度相同、折射率不同的聚ニ甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合膜,聚ニ甲基娃氧燒/納米娃PDMS/nc-Si復(fù)合膜中納米娃顆粒濃度和粒徑自下向上依次逐層減小，每ー層復(fù)合膜的厚度為100 1000微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的ー種基于高分子聚合物的CPV技術(shù)用梯度折射率透鏡，其特征在于，所述聚ニ甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合膜中納米硅顆粒的直徑范圍為20 150納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的ー種基于高分子聚合物的CPV技術(shù)用梯度折射率透鏡，其特征在于，所述聚ニ甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合膜的折射率在I. 5 2. 5之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的ー種基于高分子聚合物的CPV技術(shù)用梯度折射率透鏡，其特征在于，所述透鏡的側(cè)面覆有鋁或銀或金反射膜。
6.權(quán)利要求I 5任一所述的ー種基于高分子聚合物的CPV技術(shù)用梯度折射率透鏡的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)以P型(100)單面拋光的單晶硅片作為激光脈沖液相燒蝕的硅靶，硅片厚度為300 350微米，電阻率為3 5歐姆·厘米，然后將硅片切割為2cmX2cm見方的規(guī)整方塊，并用丙酮和こ醇進(jìn)行超聲清洗以待用； (2)將上述清洗好的硅片即硅靶置于盛有聚ニ甲基硅氧烷PDMS的燒杯中，硅靶完全置于溶液中，溶液深度為4 8毫米，然后用XeCl準(zhǔn)分子激光器輻射硅靶，激光束的焦點(diǎn)大小為2 6mm2，激光束的能量密度為20 40MW/cm2，輻照時(shí)間為30 300分鐘；然后取出硅靶，即得到納米硅顆粒懸浮于聚ニ甲基硅氧烷PDMS組織中的聚ニ甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合溶液； (3)選擇上底面大，下底面小的圓臺(tái)形或棱臺(tái)形模具，將上述5 15種經(jīng)不同激光輻照強(qiáng)度和時(shí)間的聚ニ甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合溶液按納米硅顆粒濃度和粒徑從大到小的順序自模具底部向上依次涂膜，每ー膜層的厚度保持一致，為100 1000微米，涂膜中納米硅顆粒濃度和粒徑自底層向頂層依次逐級(jí)減小，底層納米硅顆粒濃度和粒徑最大，頂層納米硅顆粒濃度和粒徑最小，從而底層折射率大，頂層折射率小，涂層完成后的模具放在真空干燥箱中，加熱至80 120°C并調(diào)節(jié)壓強(qiáng)為50 lOOOPa，以使聚ニ甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合膜固化成型； (4)在固化好聚ニ甲基硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)合膜的模具的外壁濺射ー層鋁膜或銀膜或金膜，用以對(duì)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
一種基于高分子聚合物的CPV技術(shù)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硅氧烷/納米硅PDMS/nc-Si復(fù)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(tái)或棱臺(tái)；本發(fā)明通過在高分子聚合物中填充納米硅顆粒，可以控制復(fù)合物的折射率在較大的范圍漸變，且復(fù)合膜層主要基于高可見光透過率的PDMS溶液組織，膜層光學(xué)透明度很高，接近100%，比基于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(huì)聚為目的的梯度折射率透鏡，由本發(fā)明制備的梯度折射率透鏡，可以替代目前CPV技術(shù)中較為昂貴的對(duì)日跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)非跟蹤聚光并高效發(fā)電的目的。
文檔編號(hào)H01L31/052GK102866439SQ201210352449
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者王蕓, 馬立云, 崔介東, 彭壽, 石麗芬, 沈洪雪 申請(qǐng)人:蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院, 中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司