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本文提出了一種金剛石微研磨和金剛石輪v尖來(lái)直接制備α-SiTF太陽(yáng)能電池玻璃襯底上的精確鏡像微槽陣列，因此，光在微透鏡和太陽(yáng)能電池襯底之間的界面上不會(huì)發(fā)生第二次反射，這種微槽玻璃透鏡可以產(chǎn)生新的微光學(xué)特性來(lái)吸收散射光，目的是改善弱光照明下的光伏特性。利用蒙特卡羅模擬研究微光學(xué)特性，理論分析微槽透鏡結(jié)構(gòu)的光學(xué)效應(yīng)；其次，利用金剛石磨輪在薄膜太陽(yáng)能電池玻璃/空氣界面制作500～800μm深度的微槽透鏡；然后研究光強(qiáng)和入射的光學(xué)和光電特性；最后，將微槽透鏡應(yīng)用于太陽(yáng)能裝置，進(jìn)行弱強(qiáng)日光下的充放電實(shí)驗(yàn)，研究其發(fā)電能力。
在本研究中，具有疊加結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池由1μm厚的α-Si吸收層組成，尺寸為50×50×3mm3(l×w×h)的電池描述。為了研究微槽透鏡的光學(xué)效應(yīng)，需要利用幾何光學(xué)理論來(lái)分析其反射和折射的光學(xué)現(xiàn)象。
采用蒙特卡羅光線追蹤法對(duì)光軌跡進(jìn)行了分析，它可能預(yù)測(cè)太陽(yáng)能電池和光學(xué)元件的性能，結(jié)果表明，入射光撞擊微透鏡結(jié)構(gòu)表面后，光反射多次，折射成較大的傳播角，微透鏡陣列可能會(huì)散射。
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圖2
圖2顯示了太陽(yáng)能電池的光通量γ和透射率t與入射角α的關(guān)系，結(jié)果表明，微槽透鏡比微半球透鏡散射的光更多(見(jiàn)圖2a)。它有助于有效利用太陽(yáng)能電池中的光光子，這是因?yàn)樗梢员Ｗo(hù)太陽(yáng)能電池免受過(guò)度集中的光的照射。在入射角為0-50°的情況下，微槽透鏡的透光率平均提高0.6-2.8%，比傳統(tǒng)透鏡提高1.4-3.2%。在入射角為50-80°的情況下，微槽透鏡的透光率t平均分別提高了1.0-7.2%和26.4-31.4%。因此，微槽透鏡對(duì)周?chē)纳⑸涔猱a(chǎn)生更強(qiáng)的透射能力。
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圖3
圖3顯示了微槽結(jié)構(gòu)內(nèi)的光反射和折射，對(duì)于微槽表面，其中nair為空氣折射率，mmat為材料折射率，為了滿足兩個(gè)內(nèi)部全反射條件，首先，反射面不應(yīng)阻擋反射光，第二，角度β2應(yīng)大于臨界角βc，第三，角度β3也應(yīng)大于臨界角βc，以滿足第二次總反射。入射角β應(yīng)滿足以下條件：第一個(gè)條件是β≤64°，第二個(gè)條件是β≥32.4°，第三個(gè)條件是β≤65.9°。因此，斜率角φ在32.4°~64°之間。換句話說(shuō)，v角θ應(yīng)在52°-115.2°的范圍內(nèi)，因此長(zhǎng)寬比(p/d)在0.64~2.05之間，在本研究中，我們選擇了60°的v角。
在微研磨過(guò)程中，首先在研磨機(jī)上進(jìn)行了金剛石磨輪的v尖變形，然后，利用磨削的菱形輪v尖對(duì)數(shù)控磨削系統(tǒng)中微米切割深度玻璃的微槽透鏡進(jìn)行微磨削，在這種微磨削過(guò)程中，微槽透鏡通過(guò)橫向磨削工具路徑逐漸形成圖案，為了保證地面微槽透鏡表面的高精度和光滑性，在粗磨和細(xì)磨后進(jìn)行火花砂磨，對(duì)這些地面結(jié)構(gòu)進(jìn)行拋光，微槽透鏡拋光前后的顯微圖譜如圖5。
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圖5
在300-1000μm深度的微槽透鏡的光效率與可見(jiàn)光波長(zhǎng)的模擬中，光效率?被定義為接收通量與發(fā)射通量的比值。結(jié)果表明，在正常入射條件下，光波長(zhǎng)的增加導(dǎo)致光效率略有增加。此外，微槽透鏡對(duì)所有可見(jiàn)光波長(zhǎng)的光效率都比傳統(tǒng)表面提高了3%以上。這可以解釋為反射光被困住并再次被吸收，雖然深度較大的微槽透鏡提高了光效率，但在微槽深度為800μm時(shí)，光效率最大。因此，深度為800μm的微槽透鏡可能是限制光散射的最佳透鏡。通過(guò)對(duì)光伏特性的實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證。
白光照明在600-800μm深度的微槽透鏡的光效率與入射角度，結(jié)果表明，光效率隨入射角的增加而降低，微槽透鏡表面的光效率也平均比傳統(tǒng)表面大3%，入射角α≥為50°的增加幅度較大，而800μm深度的微槽透鏡在α<50°時(shí)光效率最高，而600μm深度的微槽透鏡在α>50°時(shí)光效率最高，這可能是因?yàn)槲⒉坨R頭表面擴(kuò)大了傾斜照明的實(shí)際照明面積。不同入射角下的微槽透鏡，光的輻照度強(qiáng)度為1000W/m2，對(duì)于帶有微槽透鏡的太陽(yáng)能電池，正常入射角（α=0°）略差，而入射角α=45°和α=80°要好得多。
在實(shí)驗(yàn)中，將太陽(yáng)能電池與相同的led連接起來(lái)，并暴露在唯一的光源下：30管明的白熾燈下，可以看出，微槽透鏡太陽(yáng)能電池照明的LED比傳統(tǒng)照明的LED更亮，這表明，帶有微槽透鏡的太陽(yáng)能電池在昏暗的照明下可能比傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池產(chǎn)生更多的電力。微槽透鏡太陽(yáng)能電池在1000W/m2、750W/m2和500W/m2條件下的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換效率Ef作為入射角α的函數(shù)，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換效率Ef隨入射角α的增加而降低，這一方面是因?yàn)樾比肷涔獗徊糠址瓷?，另一方面，?shí)際光強(qiáng)根據(jù)I1=I0cosα的功能而降低。
在一個(gè)太陽(yáng)能照明條件下，微槽透鏡太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率略低于傳統(tǒng)的入射角α<45°，但明顯改善了入射角α>50°，特別是在照明低于一個(gè)太陽(yáng)，事實(shí)上，在所有測(cè)量的入射角中，在1000W/m2、750W/m2和500W/m2的光強(qiáng)下，Ef的平均增益分別大于1%、6%和17%，這是因?yàn)槲⒉弁哥R太陽(yáng)能電池產(chǎn)生了增強(qiáng)的I-V光伏特性，因此，該微槽透鏡可以提高在低光強(qiáng)照明下的轉(zhuǎn)換能力。
在500W/m2的光照強(qiáng)度下，太陽(yáng)能電池與入射角和溝槽深度之間的光伏特性。結(jié)果表明，短電流ISC隨著光入射的增加而減小。這是因?yàn)閷?shí)際的光強(qiáng)隨入射角的增加而減小。雖然凹槽深度為700μm的微凹槽透鏡的ISC分別小于600μm和800μm，但仍高于傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的ISC，實(shí)際上，與傳統(tǒng)溝槽深度相比，溝槽深度分別為800μm、700μm、600μm的ISC平均增加了14.6%、12%和8%，這是因?yàn)槲⒉弁哥R可以增加到達(dá)吸收層的照片的百分比，從而增加光電流。
?在低光強(qiáng)照明下，可以大大改善微光學(xué)透鏡陣列結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的光伏特性，傳統(tǒng)飛機(jī)在弱日照光照下比在強(qiáng)日照下更能提高發(fā)電效果。通過(guò)研究微透鏡結(jié)構(gòu)的微光學(xué)特性，然后采用金剛石微磨削制備微槽透鏡，最后測(cè)量室內(nèi)轉(zhuǎn)換效率和室外發(fā)電。結(jié)果表明，800μm深度的微槽透鏡能夠吸收傾斜光散射到太陽(yáng)能電池上，提高弱光轉(zhuǎn)換效率。陰天和陰天的發(fā)電量分別提高了118%和185%。