具有角度和波长选择功能的近红外布拉格反射镜与增透膜设计

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在过去的三十年里,在硅光电池不适用的太阳能发电领域中,透明有机太阳能光电板得到了广泛的应用。例如,如果需要把太阳能光电板集成到建筑物的玻璃幕墙中、建筑物的天窗里、或者汽车的挡风玻璃上,用来增强这些已有透明表面的功能,那么透明有机太阳能光电板就会是一个必要的选择。当按照可见光的透明度和光电转换效率两条标准来评价透明太阳能电池板的性能时,最有价值的解决方式就是选择透明有机太阳能光电板。  在2011年,理查德·伦特和弗拉基米尔·布罗维奇已经证明了,可以使用有机物氯铝氯酞菁作为平面型双异质结有机太阳能光电板的供体,同时将富勒烯作为异质结的受体。这种结构的双异质结有机太阳能光电板在近红外和紫外区域有一系列的吸收峰,同时在可见光区域有很高的平均透明度。因为氯铝氯酞菁的带隙位于近红外区域,这一特性对于吸收近红外光非常有利,所以也使透过这种有机太阳能光电板看清物体成为可能。  在本文中,我们提出了一种新的设计来构造一个增透膜和一个工作在近红外波段的布拉格反射镜用于增强吸收近红外光的透明有机太阳能光电板吸收层的性能。为了设计能有最佳的性能,需要以吸收层的消光系数为依据,用逆集成设计的思路将整个设计结构作为一个整体来综合考虑设计膜系中每一层的厚度。这里,我们采用遗传算法来设计整个膜系结构,最终得到了一个特别设计的非周期结构。  在这种新设计中,增透膜由三层介质膜构成,布拉格反射镜由六层介质膜构成,而由传统膜系设计方法设计出来的介质膜布拉格反射镜的层数要远远大于新方法设计的布拉格反射镜的层数。这种膜系结构设计可以增强整个装置在可见光区域的透过率,同时也能增强整个装置在近红外区域的吸收率。将设计出来的增透膜和布拉格反射镜整合到吸收近红外光的透明有机太阳能光电板上,可以明显得提高太阳能光电板的性能。整合后,正入射时,在650到850纳米的入射光波长范围内,整个装置的平均吸收率由16.8%增长到了25.5%,同时在400到580纳米的可见光波长范围内保持了72.3%的平均透过率。在650到850纳米波长范围内的平均吸收率会随着入射角的增加而增强,并在入射角为51°时,平均吸收率达到最大值38.7%,此时,在400到580纳米波长范围内的平均透过率依然大于60%.除此之外,因为用来构成设计结构的膜系材料,在工作波长范围内都是零色介质,所以设计出来的结构对入射光几乎没有吸收损耗。对照前人的工作成果,这个新设计对于可将光和近红外波段的针对性更强,也大大的增强了可见光区域的平均透过率和近红外区域的平均吸收率。  如果主要城市建筑物的观景窗都由透明建筑一体化太阳能光电板模块构成,那么把提到的新设计用在这些透明太阳能光电板模块上将会有巨大的潜能。本文提出的设计思想,也可以用于设计其他特殊需求的膜系,这一设计思想将有广泛的应用范围,也将产生巨大的经济效应。
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