基于超透镜的太阳能转化装置及具有其的相关设备的制作方法

1.本公开涉及光学超透镜的技术领域，具体地，本公开涉及基于超透镜的太阳能转化装置及具有其的相关设备。


背景技术：

2.能源危机将会制约现代社会的发展，因此，开发和利用可再生能源是人类解决能源问题进而可持续发展的重要举措之一，也成为了当前众多科学家研究的重点课题。太阳能是公认的可再生清洁能源，可以满足人类当前和未来的能源需求。硅是太阳能电池的首选材料，但由于昂贵的硅材料价格，导致近年来选用微米级厚度的薄膜单晶硅逐渐成为研究重点，然而，硅有源层越薄，光吸收就越弱，导致光伏器件转换效率降低。
3.目前，现有的技术多采用具有周期性结构的增透膜或者菲涅尔透镜来提高光能转化电能的转化效率。
4.但是，由于周期性结构的增透膜或者菲涅尔透镜重量较重，并不适宜一些小型化和轻量化的太阳能转化装置。


技术实现要素：

5.针对现有技术的上述缺陷，本实用新型提供的一种基于超透镜的太阳能转化装置及具有其的相关设备，解决了上述技术问题。
6.为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
7.本实用新型一方面提供一种基于超透镜的太阳能转化装置，包括：
8.光伏组件，用于将光能转化为电能；
9.超透镜装置，在光路上设置在光伏组件的上游，超透镜装置将入射的光聚焦到光伏组件上；其中，
10.超透镜装置包括规则排布超结构单元和固定超结构单元的基底。
11.在其中一个实施方式中，光伏组件为薄膜单晶硅的pn结。
12.在其中一个实施方式中，超透镜装置包括或者为聚光透镜。
13.在其中一个实施方式中，其特征在于，超结构单元阵列式排布；超结构单元为正六边形或正方形。
14.在其中一个实施方式中，正六边形的超结构单元各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构；正方形的超结构单元各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。
15.在其中一个实施方式中，超透镜装置的相位分布φ满足如下条件：
[0016][0017]
其中，λ为光波波长,r为各纳米结构至基板中心的距离，f为透镜焦距。
[0018]
在其中一个实施方式中，纳米结构为偏振相关结构或偏振无关结构；偏振相关结构包括纳米鳍或纳米椭圆柱；偏振无关结构包括纳米圆柱或纳米方柱。
[0019]
在其中一个实施方式中，纳米结构与纳米结构之间填充有填充层；填充层包括空气填充或者与纳米结构的折射率差值的绝对值大于等于0.5的透明或半透明填充材料。
[0020]
在其中一个实施方式中，基底为刚性或柔性基底；刚性基底为熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃和蓝宝石中的一种；柔性基底为云母或聚酰亚胺中的一种。
[0021]
在其中一个实施方式中，光伏组件的衬底为柔性衬底或刚性衬底。
[0022]
本实用新型第二方面提供一种太阳能电池板，包括根据上述的基于超透镜的太阳能转化装置。
[0023]
本实用新型第三方面提供一种太阳能电池系统，包括根据上述的太阳能电池板和蓄电池，太阳能电池板与蓄电池连接。
[0024]
本实用新型第四方面提供一种智能手表表带，手表表带本体上设有上述的太阳能电池板，其中，光伏组件的衬底为柔性衬底。
[0025]
本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种基于超透镜的太阳能转化装置，超透镜装置在光路上设置在光伏组件的上游，通过超透镜装置将透过超透镜装置的光聚焦在光伏组件上，再利用光伏组件将光能转化为电能。基于超透镜装置在保持高转化率的同时，还可以兼具重量轻的优点，尤其适用于一些对重量有要求的场景，例如，无人机，航空探测器等。
附图说明
[0026]
下面结合附图，通过对本实用新型的具体实施方式详细描述，将使本实用新型的技术方案及其它有益效果显而易见。
[0027]
图1是本实用新型基于超透镜的太阳能转化装置的示意图，其中，图中箭头为入射光线行走方向；
[0028]
图2a是超结构单元为正六边形的示意图；
[0029]
图2b是超结构单元为正方形的示意图；
[0030]
图2c是纳米结构中纳米柱示意图；
[0031]
图2d是纳米结构中纳米鳍示意图；
[0032]
图3是本实用新型一种太阳能电池板的示意图，其中，图中的箭头所指为太阳能电池板的局部放大图；
[0033]
图4是本实用新型另一种太阳能电池板的示意图，其中，图中的箭头所指为太阳能电池板的局部放大图；
[0034]
图5是本实用新型一种太阳能电池系统的示意图，其中，图中的箭头为太阳能电池系统装配的连接顺序；
[0035]
图6是本实用新型一种智能手表表带的示意图，图中的箭头所指为智能手表表带上的太阳能电池板的放大图。
[0036]
附图标记：
[0037]
1、光伏组件；2、超结构单元；3、基底；
[0038]
4、纳米结构；41、纳米鳍；42、纳米椭圆柱；43、填充层；
[0039]
5、衬底；6、太阳能电池板；7、蓄电池；8、光伏控制器；9、手表表带本体。
具体实施方式
[0040]
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0041]
在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0042]
应当理解，尽管在本技术可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
[0043]
请参阅图1至6，本技术的一个实施例提供一种基于超透镜的太阳能转化装置，包括光伏组件1和超透镜装置。
[0044]
如图1所示，光伏组件1用于将光能转化为电能，可选地，光伏组件1可理解为能单独将光能转化为电能，提供直流电输出的，最小不可分割的光伏元件。
[0045]
具体地，光伏组件1可以为薄膜单晶硅的pn结，通过薄膜单晶硅的pn结将聚焦后的光能转化为电能；超透镜装置将不同角度的光汇聚在薄膜单晶硅的pn结，提高了薄膜单晶硅的pn结的光吸收。
[0046]
光伏组件1的衬底5可以为光伏组件1提供机械支撑，衬底5可根据需要选择柔性或刚性的材料。
[0047]
可以理解的是，为使光伏组件1与超透镜装置间隔一定距离，可以在衬底5与超透镜装置之间设置支撑结构。
[0048]
超透镜装置在光路上设置在光伏组件1的上游，超透镜装置可以将入射的太阳光聚焦到光伏组件1上，具体地，可利用支撑结构定位将光伏组件1，以使光伏组件1置于超透镜装置的焦点。
[0049]
其中，超透镜装置包括或者是具有正透镜相位分布的聚光透镜，利用聚光的超透镜装置将光线汇聚。
[0050]
需要说明的是，聚光的超透镜装置相位分布需满足如下条件：
[0051][0052]
其中，φ为超透镜装置相位分布，λ为光波波长,r为超结构单元2所包括的各纳米结构至基底中心的距离，f为透镜焦距。
[0053]
进一步地，超透镜装置包括规则排布的超结构单元2和用以固定超结构单元的基底3。
[0054]
其中，超结构单元2为周期性阵列排布的超结构单元，在基底3不同位置处的超结
构单元2周期相同。
[0055]
可选地，超结构单元2可呈正六边形或正方形排列。应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构5的缺失，使其不满足完整的六边形或正方形。
[0056]
如图2所示，图中2a，正六边形的超结构单元2的各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构4。
[0057]
图中2b，正方形的超结构单元2各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构4。
[0058]
此外，超结构单元2是一种超表面。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超结构单元2来调制入射光。其中，超结构单元2包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。亚波长结构是指特征尺寸与工作波长相当(或略大于)或更小的结构，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性，通常为纳米量级(例如几十到几百纳米)。
[0059]
本例中，纳米结构4是全介质结构单元，在目标波段具有高透过率，示例性的，其材料可以是：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。
[0060]
纳米结构4与纳米结构4之间填充有填充层43；填充层43包括空气填充或者与纳米结构4的折射率差值的绝对值大于等于0.5的透明或半透明填充材料，以降低光线的反射损失。
[0061]
如图2c和2d，纳米结构4为偏振相关结构或偏振无关结构；偏振相关结构包括纳米鳍41或纳米椭圆柱42等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；偏振无关结构包括纳米圆柱或纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。
[0062]
可以理解的是，纳米结构4还可包括纳米圆锥、纳米椭圆锥、纳米棱锥、纳米棱柱、纳米圆锥、纳米椭圆锥、纳米棱锥、纳米圆台、纳米椭圆台或纳米棱台中的一种或多种及多种的组合。
[0063]
其中，纳米结构4的高度大于或等于300纳米且小于或等于2000纳米。优选地，纳米结构4的最大深宽比小于或等于20，最大深宽比等于纳米结构的高度与第基底的最小直径的比值。
[0064]
需要说明的是，基底3可以为刚性或柔性基底。
[0065]
具体地，刚性基底3可以至少为熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃和蓝宝石中的一种；柔性基底3可以至少为云母或聚酰亚胺中的一种
[0066]
在本技术的一些实施例中，纳米结构4垂直于高度轴截面的最大周期小于或等于260纳米，以优化纳米结构4的亚波长结构对入射光相位的调控。
[0067]
需要说明的是，纳米结构4的具体结构和特征尺寸需要根据所需临界角的大小选择。
[0068]
如图3和图4所示，本实施例还提供一种太阳能电池板，包括多个规则排布的基于超透镜的太阳能转化装置。
[0069]
其中，太阳能电池板6可为柔性或刚性的太阳能电池板。
[0070]
需要说明的是，光伏组件1的衬底5及超透镜装置的基底3均为柔性材料的情况下，可以将太阳能电池板6制成柔性太阳能电池板。
[0071]
图4中，柔性的衬底5和基底3制成的太阳能电池板6，能够承受一定的晃动或冲击
而避免损坏，增加使用寿命和工作的稳定性，并且，可以将太阳能电池板6加工成能够吸收不同角度的太阳光的曲面形状，提高工作效率。
[0072]
图3中，还需要说明的是，光伏组件1的衬底5以及超透镜的基底3均为刚性的情况下，可以将太阳能电池板6制成刚性太阳能电池板。例如，矩阵式排布的基于超透镜的太阳能转化装置组成平板状的太阳能电池板6，具有加工方便的特点。
[0073]
本实施例中，太阳能电池板6可依据需求加工成曲面或平面，以适应不同环境的需要。此外，太阳能电池板6基于超透镜装置无热化的特点，对外界环境的要求低，例如，在外太空，南北极等环境下，太阳能电池板仍能够正常的工作使用，具有环境适应范围广泛的特点。
[0074]
如图5所示，本实施例还提供一种太阳能电池系统，包括太阳能电池板6和蓄电池7，太阳能电池板6与蓄电池7连接，其中，为了保护蓄电池7，避免出现过冲过放等问题，还可在蓄电池7上设置用以保护蓄电池7过冲过放的光伏控制器8。
[0075]
其中，太阳能电池板6可以接收太阳光，并将光能转化为电能。
[0076]
光伏控制器8设置在蓄电池7上，用以避免蓄电池7因过充过放等原因造成的蓄电池7损坏。
[0077]
蓄电池7用以存储由太阳能电池板6转换过来的电能，例如，蓄电池7可采用锂电池或铅酸电池等。
[0078]
本实施例中，将具有超透镜装置的太阳能电池板6应用到太阳能电池系统中，可以降低太阳能电池系统中电池板的重量，尤其适用于对电池板重量要求较为苛刻的场景。例如，无人机，航空探测器等领域。
[0079]
如图6所示，本实施例还提供一种智能手表表带，手表表带本体9上设有用以为智能手表充电的太阳能电池板6，其中，光伏组件4的衬底5为柔性衬底。
[0080]
手表表带本体9可拆卸地或固定地与表头连接。
[0081]
手表表带本体9上设置有至少一个上述太阳能电池板6。其中，太阳能电池板6可以为柔性或刚性的太阳能电池板，优选为柔性的太阳能电池板6。在太阳能电池板6为刚性的情况下，可以通过将多块小的太阳能电池板6连接，设置在具有一定刚性的手表表带本体9上。
[0082]
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。