随着能源需求日益增加,能源的开发和高效利用成了当今世界重大问题。太阳能电池以其清洁、灵活等优点受人们广泛关注。由于单结太阳能电池只可吸收高于材料禁带宽度部分的太阳光能量,存在33.7%的光电转换效率极限。为突破该理论效率极限,研究人员提出了多结太阳能电池。多结太阳能电池分为串联多结太阳能电池和并联多结太阳能电池。串联多结电池采用不同吸光材料堆叠而成,目前最高效率为38.8%。而在进一步提高光电转换效率的道路上,这种串联多结电池存在着晶格匹配、界面传输等问题。另一种方案——分色聚焦并联太阳能电池,则是由分色聚焦元件和多个不同禁带宽度的电池并排组成,不存在上述问题。这种并联电池的方案具有简便灵活、效率高和成本低等优点,引起了研究人员的关注。为实现高效的分色聚焦并联电池的目标,本文从理论设计、微纳制作和实验测量等方面进行了细致的研究。首先,从衍射光学理论出发,采用光栅/透镜组合算法,选用450nm、550nm和650nm为设计波长,在400-700nm工作波段,设计了一个高效的分色聚焦衍射光学元件。通过模拟优化,三个波长光等距分色聚焦在聚焦面处,相距1.76mm;当X方向细化份数为2048,最大优化相位为22?,积分宽度为1.32mm时,三个波长的平均光光转化效率为81.99%。同时,采用杨-顾算法,以上述结果为迭代初值,选择同样设计参数,设计了工作波段为400-700nm更高效的分色聚焦衍射光学元件,三个波长的平均光光转化效率为82.20%.当X方向细化份数増至4096时,两种算法设计的元件三波长平均光光转化效率分别为86.68%和86.74%.最后,将工作波段扩宽至400-900nm,选用450nm、570nm、730nm和850nm为设计波长,设计了用于实际工作太阳能电池系统的分色聚焦衍射光学元件。该元件在400-900nm波段中的25个波长平均光光转化效率为73.68%.接着,发展了一套在石英基片上多次套刻、深度刻蚀的成熟工艺,制备了多个高性能的分色聚焦衍射光学元件。该工艺为五次套刻微纳加工技术,主要包括掩模制作、紫外曝光、等离子体刻蚀等过程。元件最小加工精度为10um,最大刻蚀深度为8.213um。同时,搭建了一套全自动、双通道精密探测系统,对衍射光学元件的分色聚焦性能及光学衍射效率进行了快速、精确的定量测量及分析。实验测得:400-700nm工作波段的光学元件A在聚焦面处[-2.64,2.64]mm范围内的三波长平均光光转化效率为60.07%;400-900nm工作波段的光学元件B的在聚焦面处[-5,5]mm范围内25波长平均光光转化效率为58.0%。实验制得元件的分色聚焦性能与理论模拟结果较为符合,同时制备的元件光光转化效率较高,适合下一步的实际电池应用中。最后,搭建了模拟太阳光光电性能测试平台,用于表征分色聚焦太阳能电池系统的光电性能。实验制备的光学元件B将入射模拟太阳光分色成400-650nm和650-900nm两个波段,并聚焦在聚焦面处。该聚焦面处放置了染料敏化太阳能电池和砷化镓太阳能电池,从而构成分色聚焦双电池系统,该系统的光电转换效率为15.64%.当无分色聚焦衍射光学元件的作用时,该双电池系统的光电转换效率为12.86%.通过对比发现,分色聚焦衍射光学元件对太阳能电池系统的光电转化效率有明显提高,同比提高21.6%.此外,发展了一种实时原位的双观测探测手段,对另一种分色光学元件——胶体光子晶体的性能变化和裂纹演化过程进行了一定的探究,对制备高质量分色光子晶体光学元件具有重要参考意义。