一种针对多尺度跨维度结构光伏系统的自适应光子学分析方法

本发明属于光伏电池的光子学分析领域，特别涉及一种针对多尺度跨维度结构光伏系统的自适应光子学分析方法。

背景技术：

1、以光伏电池为基础所构建的光伏系统，包括光伏窗、光伏-集热器系统、光伏-热电系统等等，被广泛应用于建筑、医疗、显示、传感等领域。然而，随着性能以及结构复杂度的提升，在光伏系统中存在着光子的多尺度跨维度耦合传播。仅以单一光伏电池为例，在各个功能层厚度上就存在着从宏观(封装玻璃约1-3mm)到微米(光伏光转换层约200μm)再到纳米(减反层、钝化层约10-100nm)的尺度跨越，导致单一的几何光学或者波动光学处理方法无法覆盖；同时在波动光学层面上又存在从一维叠层结构(平面沉积的钝化层)到三维微纳米结构(表面微纳米减反结构)的维度间隔，导致波动光学的处理要同时兼顾多层干涉、微腔效应以及多向散射。而在光伏窗以及光伏-集热器等耦合系统中，由于更多单元组件的加入，光子的传播将更加复杂。因此，准确描述光子在光伏系统中的传播过程，是实现太阳光子能量合理分布以及高效利用的重要前提。

2、目前，针对单一尺度的光学特性研究较为成熟丰富，而将其应用于多尺度跨维度的复杂结构时，常通过忽略多尺度边界反射、多向散射各向同性以及相干结构低维化等假设条件进行光学分析，从而导致光伏系统内部结构特性对光子传播的影响机制不清晰不准确，无法实现光伏系统中的精准光子调控。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种针对多尺度跨维度结构光伏系统的自适应光子学分析方法，能够高效精准描述光子在多尺度跨维度结构下的传播，为光伏系统准确的光学调控和系统性能优化奠定坚实的基础。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种针对多尺度跨维度结构光伏系统的自适应光子学分析方法，包括如下步骤：

4、步骤1：自适应匹配光学结构尺度与维度，为不同尺度和不同维度的结构匹配相应分析方法；

5、步骤2：针对存在异步纹理的光伏系统，自适应匹配周期计算域，纹理结构指结构上下表面纹理形貌、尺寸或者周期不同；

6、步骤3：多尺度跨维度自适应耦合，为不同尺度和不同维度的结构之间匹配光子间波长、相位、分布传递关系的相应耦合方法；

7、步骤4：初始化设置入射光子的数量、光谱辐射强度、波长以及入射角度，随机设置各个光子的初始坐标；

8、步骤5：自适应循环追踪光子传播。

9、在一个实施例中，所述步骤1，以器件结构特征尺寸与光源最大波长之比为判断标准，该比值大于3时作为几何光学结构，匹配以光线追踪法和光线传输矩阵分析法；否则作为波动光学结构，并将连续的相同光学结构作为单元整体。

10、在一个实施例中，将所述波动光学结构分为非周期叠层结构、一维周期分布结构、二维周期分布结构和三维周期分布结构，分别匹配以传输矩阵法、一维结构匹配传输矩阵法、二维结构匹配严格耦合波分析法和时域有限差分法；其中，所述非周期叠层结构是指多层材料厚度各不相同或者多种材料非周期性分布多层叠层结构，所述一维周期分布结构是指相同材料厚度相同，且两种或者两种以上材料呈一维周期性分布多层叠层结构，所述二维周期分布结构是指在x，y轴方向周期性分布的结构，所述三维周期分布结构是指在x，y，z轴方向周期性分布的结构。

11、在一个实施例中，所述步骤2，判断不同光学结构的周期计算域差异，包括：

12、(1)在光伏系统中波动光学结构和几何光学结构所对应的周期计算域相互独立，多尺度周期计算域之间的数值传递依托多尺度跨维度自适应耦合实现；

13、(2)在光伏系统中不同维度的波动光学结构连续时，波动光学结构的周期计算域为最大特征结构尺寸所对应的周期计算域；不连续时，不同维度波动光学结构的周期计算域相互独立，跨纬度周期计算域之间的数值传递依托多尺度跨维度自适应耦合实现。

14、在一个实施例中，所述步骤3，多尺度跨维度自适应耦合包括：

15、(1)对于几何光学结构与叠层结构之间光子入射发生的反射和折射，采用fresnel方程耦合入射光子与折射、反射光子之间波长、相位、分布的传递关系；

16、(2)对于几何光学结构与一维周期分布结构、二维周期分布结构、三维周期分布结构之间光子入射发生的散射、干涉、衍射现象，采用基于huygens–fresnel原理的光栅方程耦合入射光子与散射、干涉、衍射光子之间波长、相位、分布的传递关系；

17、(3)对于叠层结构与一维周期分布结构、二维周期分布结构、三维周期分布结构之间光子入射发生的散射、干涉、衍射现象，采用基于huygens–fresnel原理的光栅方程耦合入射光子与散射、干涉、衍射光子之间波长、相位、分布的传递关系。

18、在一个实施例中，所述步骤4，基于monte carlo随机函数算法随机设置各个光子的初始坐标。

19、在一个实施例中，所述步骤5，自适应循环追踪光子传播包括：

20、通过自适应光子分裂级数限定和自适应衍射阶数限定，追踪光伏系统中光子的光学传播过程，得到光伏系统中吸收光子分布以及反射透射损失。

21、在一个实施例中，所述自适应光子分裂级数限定是指，光子在光伏系统传播过程中，由于宏观尺度纹理结构会出现多次反射折射从而导致进入光伏系统的光子出现多级分裂，以分裂光子与初始入射光子之比为判断权重，针对不同光子波长、光谱辐射强度、入射角度以及不同结构材料实现自适应限定分裂级数；

22、所述自适应光子衍射阶数限定是指，光子在光伏系统传播过程中，由于微纳米尺度光学结构会出现衍射现象，以不同相位光子与初始入射光子之比为判断权重，针对不同光子波长、光谱辐射强度、入射角度以及不同结构材料实现自适应限定衍射阶数。

23、本发明还提供了一种针对多尺度跨维度结构光伏系统的自适应光子学分析系统，包括：

24、光学结构尺度与维度自适应匹配模块，获取器件结构特征尺寸与光源最大波长并计算二者之比，该比值大于3时作为几何光学结构，匹配以光线追踪法和光线传输矩阵分析法；否则作为波动光学结构，并将连续的相同光学结构作为单元整体；

25、周期计算域自适应匹配模块，针对存在异步纹理的光伏系统，获取上下表面纹理形貌、尺寸以及周期，为不同光学结构匹配相应的计算域，所述异步纹理是指结构上下表面纹理形貌、尺寸或者周期不同；

26、多尺度跨维度自适应耦合模块，为不同尺度和不同维度的结构之间匹配光子间波长、相位、分布传递关系的相应耦合方法；其中：对于几何光学结构与叠层结构之间光子入射发生的反射和折射，采用fresnel方程耦合入射光子与折射、反射光子之间波长、相位、分布的传递关系；对于几何光学结构与一维周期分布结构、二维周期分布结构、三维周期分布结构之间光子入射发生的散射、干涉、衍射现象，采用基于huygens–fresnel原理的光栅方程耦合入射光子与散射、干涉、衍射光子之间波长、相位、分布的传递关系；对于叠层结构与一维周期分布结构、二维周期分布结构、三维周期分布结构之间光子入射发生的散射、干涉、衍射现象，采用基于huygens–fresnel原理的光栅方程耦合入射光子与散射、干涉、衍射光子之间波长、相位、分布的传递关系；

27、步骤4：参数设置模块，初始化设置入射光子的数量、光谱辐射强度、波长以及入射角度，随机设置各个光子的初始坐标；

28、步骤5：光子传播自适应循环追踪模块，通过自适应光子分裂级数限定和自适应衍射阶数限定，追踪光伏系统中光子的光学传播过程，得到光伏系统中吸收光子分布以及反射透射损失。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

30、1.本发明摒除了现有光学方法中普遍采用的假设条件，如忽略跨尺度边界反射、多向散射各向同性以及相干结构低维化等，建立了光子的多尺度跨维度一体化光子学分析方法，实现对光子在光伏系统中多尺度跨维度传播过程的准确描述。

31、2.本发明采用了光学结构尺度与维度的自适应匹配、异步纹理自适应匹配、多尺度跨维度耦合自适应匹配、光子传播的自适应追踪等技术，在保证计算精度的前提下，可以大幅度提升计算效率。

32、3.本发明所提出的光子学分析方法具有普适性，可以广泛应用于多种光伏系统，如封装级单结光伏电池、叠层光伏电池、光伏窗以及光伏-集热器耦合系统等。