微结构聚光元件及微结构聚光太阳能光学组件的制作方法

本申请涉及太阳能发电技术领域，具体而言，涉及一种微结构聚光元件及微结构聚光太阳能光学组件。

背景技术：

随着能源消耗量的日趋增多，太阳能的开发成为了热门研究。在太阳能发电技术领域，为了增加聚集的光源能量，一般采用增大聚光面积、通过透镜聚集的方式提高发电效率。通用的太阳能聚光模组主要采用一次聚光器件(透镜)和二次聚光器件(二次棱镜)的组合将太阳光聚集到芯片上，但这种组合聚光方式对透镜本身品质有较高要求，且聚光模组组合结构复杂。另外，二次棱镜的厚度与底面宽度的比值较大(在5:1-9:1之间)，从而导致模组厚度大，不具备柔性，在某些领域(比如可穿戴智能设备)上无法得到较好的应用。

有鉴于此，特此提出本申请。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种微结构聚光元件及微结构聚光太阳能光学组件，其能够改善上述至少一个的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供一种微结构聚光元件，其包括能够透光的元件本体以及透光介质。

元件本体具有受光面、出光面以及连接受光面和出光面的第一侧壁，受光面设有凹槽，透光介质填充于凹槽内且与元件本体的连接处形成两种介质的分界面，以使从受光面进入的入射光线的光路改变并聚焦于出光面。

在上述实现过程中，微结构聚光元件结构简单轻巧，聚光不需要与透镜组合，仅通过分界面的设置便可以将经受光面获得的光线聚焦于出光面。并且微结构聚光元件与二次棱镜在底面宽度相同、微结构聚光元件的厚度比二次棱镜的厚度薄的条件下，微结构聚光元件仍然可以有效聚光，也即是实际的使用过程中微结构聚光元件的厚度可以设置为较薄的厚度，较薄的微结构聚光元件具有一定的柔性，可应用范围广，且在例如可穿戴智能设备领域中预期能够取得较好的应用。

在一种可能的实施方案中，透光介质的折射率小于元件本体的折射率。

透光介质包括但不局限于空气，还可以为折射率小于元件本体的折射率的玻璃等。

可选地，透光介质为空气。

在上述实现过程中，凹槽内不填充任何物质，通过空气与微结构聚光元件折射率不同，实现受光面进入的入射光线的光路改变并聚焦于出光面的目的。

在一种可能的实施方案中，第一侧壁设有反光层。

在上述实现过程中，通过反光层的设置，使第一侧壁具有反光作用，提高经受光面获得的光线的利用率，防止经受光面获得的光线自第一侧壁被折射至大气。

在一种可能的实施方案中，凹槽具有位于受光面的开口端以及位于微结构聚光元件内的封闭端，封闭端比开口端更靠近微结构聚光元件的焦点所在的中心线。

在上述实现过程中，凹槽的封闭端在受光面的投影相对于该凹槽的开口端的位置向靠近中心线的一侧(内侧)偏移，有效通过凹槽将经受光面获得的光线聚焦于出光面。

可选地，元件本体的形状包括回转体。

在一种可能的实施方案中，凹槽围设于中心线的周向分布。

可选地，凹槽为环状槽。

可选地，环状槽的数量为多个，多个环状槽沿微结构聚光元件的径向间隔布置。

可选地，每个环状槽具有连接开口端以及封闭端的两个第二侧壁，每个第二侧壁由母线绕中心线旋转一周所得，母线为直线或弧线，其中，弧线朝向远离中心线的一侧凹陷。

可选地，母线为直线，沿微结构聚光元件的径向的多个母线的与受光面之间的夹角自微结构聚光元件的外侧向内侧逐渐变大。

在上述实现过程中，通过凹槽的上述具体设置，有效提高光的聚集效果。

在一种可能的实施方案中，出光面设有用于安装太阳能芯片的安装区，分界面使受光面进入的入射光线的光路改变并聚焦于安装区。

在上述实现过程中，利用将光路改变并聚焦于安装区，提高光电转化效率。

可选地，凹槽在受光面的纵向投影位于安装区的外侧或与安装区的外缘重合。

在上述实现过程中，利用凹槽在受光面的纵向投影位于安装槽的外侧或与安装槽的外缘重合，充分利用自受光面输出至安装槽的平行光，减轻加工负担，提高加工效率以及光电转化效率。

在一种可能的实施方案中，微结构聚光元件的厚度为0.05mm-1mm，微结构聚光元件的横截面的最大宽度为0.75mm-20mm。

第二方面，本申请实施例提供一种微结构聚光太阳能光学组件，其包括太阳能芯片以及本申请第一方面提供的微结构聚光元件，太阳能芯片设置于出光面并能够获得聚焦的光线。

在上述实现过程中，利用微结构聚光元件实现将受光面获得的光聚焦于太阳能芯片，提高光电转化效率。

在一种可能的实施方案中，受光面的安装区设有安装槽，太阳能芯片的部分或全部嵌设于安装槽内。

在上述实现过程中，提高太阳能芯片与微结构聚光元件的连接的稳定性，同时进一步减薄微结构聚光太阳能光学组件的厚度，使其具有一定的柔性。

本申请提供的微结构聚光元件及微结构聚光太阳能光学组件的有益效果包括：

①微结构聚光元件的厚度相比于二次棱镜较薄，结构轻巧，具有一定的柔性。

②微结构聚光元件聚光时不需要与透镜组合，结构简单轻便。

③利用微结构聚光元件的发光面接收光线，并将其聚焦至太阳能芯片，有效提高光电转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为微结构聚光太阳能光学组件的剖视图；

图2为微结构聚光元件100a的光线传输示意图；

图3为微结构聚光元件100b的结构示意图；

图4为微结构聚光元件100c的第一视角的结构示意图；

图5为微结构聚光元件100c的第二视角的结构示意图；

图6为微结构聚光元件100a的第一视角的结构示意图；

图7为微结构聚光元件100a的第二视角的结构示意图。

图标：10-微结构聚光太阳能光学组件；100a-微结构聚光元件；100b-微结构聚光元件；100c-微结构聚光元件；110-反光层；120-受光面；121-凹槽；123-第二侧壁；130-出光面；131-安装槽；200-太阳能芯片。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例

请参阅图1，一种微结构聚光太阳能光学组件10，其包括微结构聚光元件100a以及太阳能芯片200。

微结构聚光元件100a包括能够透光的元件本体以及透光介质。

其中，元件本体由能够透光且具有一定的折射率的材质制得，元件本体的材质包括但不局限于蓝宝石，还可以为玻璃等其他材质，本实施例中，元件本体的材质为折射率1.7的玻璃。

元件本体具有第一侧壁、受光面120、出光面130以及反光层110。

具体地，受光面120与出光面130相对设置，第一侧壁连接受光面120和出光面130，其中，受光面120的面积与出光面130的面积也可以相等，受光面120的面积也可以大于出光面130的面积或受光面120的面积小于出光面130的面积。

其中，元件本体的形状包括但不局限于回转体，还可以为非回转体，其中回转体具体例如为圆柱体、圆锥台等，非回转体例如正方体、长方体、六面体、棱柱体、或棱台等，本实施例中，微结构聚光元件100a的元件本体的形状为回转体，具体为圆锥台。其中，圆锥台状的元件本体的第一侧壁的母线与水平面之间的角度a为60°，且受光面120的面积大于出光面130的面积。

反光层110设置于第一侧壁，利用反光层110的设置有效防止受光面120获得的光线经第一侧壁直接射入大气，有效提高光线的利用度。其中，反光层110可以为反光膜，也可以为反射镜，本实施例中，反光层110为银反射镜。

请参阅图1以及图2，受光面120设有凹槽121，透光介质填充于凹槽121内，透光介质与元件本体的连接处形成两种介质的分界面，以使从受光面进入的入射光线的光路改变并聚焦于出光面。

其中，透光介质的折射率小于元件本体的折射率。

需要说明的是，透光介质包括但不局限于空气，还可以为玻璃、聚酯亚胺树脂等其他材质，并且透光材料层可以与微结构聚光元件的材料不同，也可以相同，只要二者的折射率满足上述需求即可。

如图1以及图2所示的实施例中，微结构聚光元件100a的凹槽121内填充的透光介质为空气，也即是凹槽121具有位于受光面120的开口端以及位于微结构聚光元件100a内的封闭端，开口端与空气连通，其中空气的折射率小于微结构聚光元件的折射率，进而微结构聚光元件100a通过凹槽121的设置形成空气与微结构聚光元件100a的分界面，入射光通过凹槽121的设置聚焦在出光面，其中图2中箭头为光线传输方向。

具体地，封闭端比开口端更靠近微结构聚光元件的焦点所在的中心线，也即是每个凹槽121倾斜设置，其中，封闭端的端面即为凹槽121的底壁。

为了保证较佳的聚焦效果，凹槽121围设于中心线的周向分布。

其中，凹槽121的数量可以为一个或多个，此处的多个具体为两个、三个或五个等。

其中，当凹槽121的数量为一个时，凹槽121的形状可以为环形，当凹槽121的数量为多个时，凹槽121的形状包括但不局限于环形，还可以为条形、圆柱形、棱柱形、圆台形等，只要保证多个凹槽121围设于中心线的周向分布且倾斜设置即可。

同时需说明的是，本申请中所涉及的环状包括但不局限于圆环，还可以为正多边形环和非正多边形环，具体例如为方形环、五边形环等。

如图3所示，在一种可选地方式提供的微结构聚光元件100b中，受光面120设有多个凹槽121，每个凹槽121为弧形槽，多个弧形槽围设于中心线的周向分布，且每个弧形槽的封闭端均比对应的开口端更靠近中心线。可选地，每个弧形槽的底壁与受光面120平行。

如图4以及图5所示，在另一种可选地方式微结构聚光元件100c中，受光面120设有多个凹槽121，每个凹槽121呈自靠近微结构聚光元件100c的轴线一侧向远离微结构聚光元件100c的轴线一侧延伸的条形槽，多个条形槽沿微结构聚光元件100c的轴线呈放射状分布于受光面120，且每个条形槽的封闭端均比对应的开口端更靠近中心线，可选地，每个条形槽的底壁与受光面120平行。

请参阅图1以及图6，本实施例中，凹槽121为环设在元件本体的中心线的环状槽，具体地，环状槽呈圆环形。

环状槽的数量为多个，例如两个、三个、四个或五个等，如图6所示的方案中，环状槽的数量为三个，三个环状槽沿微结构聚光元件100a的元件本体的径向间隔分布。

其中，三个环状槽之间的槽间距可以相同，也可以不同，本领域技术人员可根据实际的需求进行设定。

每个环状槽具有连接开口端以及封闭端的两个第二侧壁123，也即是，两个第二侧壁123与底壁连接，共同限定环状槽。其中，环状槽的底壁与受光面120平行。

此时，每个第二侧壁123相当于以母线绕微结构聚光元件100a的轴线旋转一周，也即是360°所得。每个第二侧壁123的母线可以为直线或弧线，其中弧线朝向远离微结构聚光元件100a的轴线的一侧凹陷。也即是，构成一个凹槽121的两个第二侧壁123的母线可以均为直线、或均为弧线、或一个母线为直线，另一个母线为弧线。

本实施例中，为了便于加工以及提高光利用度，可选时，两个第二侧壁123的母线均为直线。

其中，当母线为直线时，以母线与受光面120之间的夹角作为倾斜角，其中，每个母线与受光面120之间的夹角可以均保持一致，也可以部分夹角保持一致。

为了进一步提高光聚焦效果，可选地，沿微结构聚光元件100a的径向的多个母线的与受光面之间的倾斜角自微结构聚光元件的外侧向内侧逐渐变大，其中，倾斜角的角度为大于0且不超过90°。

当母线为弧线时，具体为圆弧，母线与平行于受光面的任意平面之间的交点的切线与该平面之间的夹角大于0且不超过90°。并且，当母线为弧线时，每个母线的曲率可以均保持一致，也可以部分保持一致。为了进一步提高光聚焦效果，沿微结构聚光元件的径向的多个母线的曲率自微结构聚光元件的外侧向内侧逐渐变大。

出光面130设有用于安装太阳能芯片200的安装区，分界面使受光面进入的入射光线的光路改变并聚焦于安装区。

其中，凹槽121在受光面120的纵向投影可以比安装区的面积大，也可以比安装区的面积小，可选地，凹槽121在受光面120的纵向投影位于安装区的外侧或与安装区的外缘重合，进而使受光面对应安装区的部分接收的平行光可直接照射到太阳能芯片200，降低加工难度的同时保证光利用率。

太阳能芯片200设置于安装区的方式包括直接粘接或卡接等，只要保证设置于出光面130的太阳能芯片200安装牢固并能够获得聚焦的光线即可。

可选地，请参阅图1以及图7，安装区设有用于安装太阳能芯片200的安装槽131，太阳能芯片200的部分或全部嵌设于安装槽131内，此时凹槽121能够将受光面120进入的入射光线聚焦于安装槽131内的太阳能芯片200。

此时，太阳能芯片200与安装槽131可以卡接或过盈配合，以将太阳能芯片200与安装槽131固定连接，也可以通过太阳能芯片200与安装槽131的侧壁之间粘接将太阳能芯片200与安装槽131固定连接，或采用其他封装方式，在此不做限定。

可选地，太阳能芯片200的周向与安装槽131的内壁之间具有一定的间隙，也即是安装槽131的尺寸略大于太阳能芯片200，便于无损安装太阳能芯片200。

为了进一步充分提高光电转化效率，同时降低加工难度以及加工繁琐度，每个凹槽121在受光面120的纵向投影均位于安装槽131的外侧，或者位于最内侧的凹槽121在受光面120的纵向投影与安装槽131的外缘重合。

请参阅图1，本实施例中，位于最内侧的凹槽121在受光面120的纵向投影与安装槽131的外缘重合。

综上，微结构聚光元件100a结构简单轻巧，聚光不需要与透镜组合，仅通过凹槽121的设置便可以将经受光面120获得的光线聚焦于出光面130。

同时，微结构聚光元件100a的厚度(沿微结构聚光元件100a的轴线方向)可以比微结构聚光元件100a的底面(出光面130)最大宽度小，也可以与比微结构聚光元件100a的底面最大宽度大或相等，具体可根据实际的需求进行选择。

可选地，微结构聚光元件100a的底面最大宽度为0.75mm-20mm，微结构聚光元件100a的厚度为0.05mm-1mm，进一步可选地，微结构聚光元件100a的厚度为0.1mm-0.2mm。也即是，实际的使用过程中根据需求，微结构聚光元件100a的厚度可以设置为较薄的厚度，较薄的微结构聚光元件100a具有一定的柔性，可应用范围广。

本实施例中，微结构聚光元件100a底面最大宽度实际为出光面130的直径。

微结构聚光元件100a的大小可根据太阳能芯片200大小、具体聚光需求等进行微结构调整，尽可能的利用发光面接收光源，提高光电转换效率。

本实施例还提供一种上述微结构聚光元件100a的制备方法，该制备方法包括：

获得能够透光的元件本体，元件本体具有受光面120、出光面130以及连接受光面120和出光面130的第一侧壁。

于受光面120设置光刻胶或氧化硅薄膜作为第一掩膜，第一掩膜露出受光面120需刻蚀凹槽121的待刻蚀位置，然后利用干法刻蚀轰击，刻蚀出封闭端比开口端更靠近微结构聚光元件的中心线的凹槽121，透光介质填充于凹槽121内且与元件本体之间形成两种介质的分界面，然后用去胶液或hf去除第一掩膜，此时，元件本体通过分界面使从受光面进入的入射光线的光路改变并聚焦于出光面。

然后在出光面130、第二侧壁123分别设置光刻胶或氧化硅薄膜作为第二掩膜，第二掩膜露出出光面130所需刻蚀的安装槽131的位置，利用干法刻蚀轰击，刻蚀出安装槽131，刻蚀出安装槽131后用去胶液或hf去除第二掩膜。

接着在第二侧壁123通过涂覆或蒸镀技术在第一侧壁附着银反射镜。

综上，本申请提供的微结构聚光元件结构轻巧，聚光不需要与透镜组合，仅通过分界面的设置便可以将经受光面获得的光线聚焦于出光面，且相比于二次棱镜，其厚度较薄具有一定的柔性，微结构聚光元件的制备方法简单可控，可工业化生产，同时包括微结构聚光元件的微结构聚光太阳能光学组件，具有一定的柔性，应用范围广，并且结构简单，光电转化效率高。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。