论文信息：
J. Kim, B. Kim, R. Kang, M. Lee, B. Lee and S. Kim, High-efficiency upright solar panels with antireflective microprism-imprinted sheets, Physical Science,101906, (2024).
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101906
研究背景
直立式太阳能板（ Upright Solar Panels, SPs ）在城市地区面临太阳光辐射捕获的挑战，这主要是因为它们安装方向是垂直不可动的。与地面安装的太阳能板相比，直立式太阳能板不需要专门的土地或开阔空间，可以无缝集成到现有的户外结构中，提供更高的功率密度。然而，由于它们的垂直几何结构，这些太阳能板只能接收到太阳日常运动轨迹中的有限角度内的直射阳光。这导致了两个主要问题：一、太阳能板表面的方向不同，导致直射阳光的入射角（ q ）也不同。 二、 在北半球中纬度地区，夏季南向的太阳能板在白天可能会有相当大的入射角，范围在 75° 到 90° 之间。鉴于这些 因素，开发专门适用于直立式太阳能板的有效的抗反射策略变得至关重要。
研究内容
本 文开发了一种新型的楔形微棱镜阵列，旨在提高直立式太阳能板光电效率。通过几何光学原理设计，使用辊对辊压花工艺在PET材料上制造出具有优异抗 反射性能的微棱镜片，该设计在所有入射角和阳光波长下实现了低于0.01的表面反射率。通过室内外实验验证了微棱镜片在提高太阳能板短路电流密度和最大输出功率方面的显著效果，并进行了长期户外测试以评估其耐久性。此外，通过光线追踪模拟预测了微棱镜片在不同地理位置和特定日期下提高太阳能板能量生成的潜 力，展示了其在建筑集成、车辆和太阳能农场中的潜在应用价值 。
图1. 楔形微棱镜为直立太阳能电池板提供全方位抗反射，白天直射阳光的表面反射率低于1%，在实际环境中观察到光伏效率提高15%，可应用于建筑集成，车辆和太阳能场。
图2. 全向增透微棱镜形态设计。(A)由太阳高度、太阳方位角和平面角给出的直射阳光在垂直安装表面上的入射角(q)示意图。(B)在韩国首尔(纬度N37.6)安装直立式SP，在夏至、冬至和春分三个特定日期(左)的南方方向和夏至的四个基本方向(右)，计算出的q在白天的变化。(C)楔形微棱镜阵列示意图，其三角形截面具有a和b两个角度，太阳光以不同的入射角和旋转角度照射在微棱镜阵列上。(D)利用射线光学模拟计算出扫描a和b值时楔形微棱镜阵列的表面反射率。(E)表面反射率由从0到80的所有q处的平均值确定(旋转角度qr=0)，当q和旋转角度从0到90变化时，计算出最佳微棱镜阵列(a = 45, b = 90)的表面反射率。
图3. 楔形微棱镜的内部光分布。(A)描述进入微棱镜介质的六个主要路径的示意图，每条路径最多允许两次表面反射。(B-J)当q从0到80变化时，每个主路径的模拟和测量级。入射面垂直于每个微棱镜的轴线(即qr = 0)。
图4. 模拟了每个主路径对总透射率的贡献。
图5. 微棱镜片的抗反射性能。(A)制备的微棱镜印迹PET片，(可见光相机和光学显微镜图像)，比例尺代表2cm(右)和250mm(左)。(B)有(图案)或没有(裸)微棱镜镀膜玻璃罩的表面纹理黑色Si衬底的原理图和光学显微镜图像。(C)在q从0到80得到的两种样品的测量和模拟平均(400-800nm)吸光度。插图显示所使用的黑硅衬底的测量角吸收率(比例尺为5厘米)。
图6. 室内和室外PV实验。(A和B)(同一玻璃/ eva封装的晶体Si PV电池)在1个太阳照射下，在q从0到90的范围内测量短路电流密度(JSC)。 每个图形都以不同的旋转角度绘qr=0,30,60 或90。 (B)中的每个插入都突出显示了q从40 到70 的数据。 (C和D)安装在大韩民国义旺(纬度N37.3)的直立式SPs，当它们朝向南(C)和东(D)时，功率输出(Pmax)的测量时间变化。 对于每个图，绘制了4(用圆圈符号表示)和直射日照时数(黄色突出显示)的持续时间。
图 7 . 垂直SPs的发电量估算。(A-C)3个特定日(夏至A ;冬至B ;和春分C)与南方方向横跨美国大陆(纬度N24-N48)。能量产生值由安装在纬度N40的微棱镜覆盖直立SPs的能量产生值归一化。
结论与展望
微棱镜片能够显著提高直立太阳能板的光电性能，通过减少反射损失，实现了在所有入射角和直射阳光波长下低于0.01的表面反射率。室内外实验验证了微棱镜片在提高太阳能板短路电流密度和最大输出功率方面的有效性，微棱镜片即使在户外环境条件下也保持了其形态和性能，显示出良好的耐用性。同时，尽管模拟计算提供了对性能提升的估计，但实际应用中散射光的影响也必须被考虑，这可能需要依赖于后续更精确的实验结果来进行评估。
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