CN102867877A - 一种太阳能转化系统结构 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能转化系统结构，主要用于太阳光的高效率能量转换，其中上层为稀土掺杂的光子玻璃材料，下层为单晶硅或多晶硅或非晶硅材料；其光子玻璃材料为一种稀土或一种以上稀土共同掺杂的光子玻璃材料；当太阳光入射到光子玻璃后，由于一个A稀土离子吸收频率大于两倍或三倍硅材料禁带宽度的太阳光后分别激发两个或三个B稀土离子到激发态，然后B稀土离子发射两个或三个频率在硅禁带宽度附近的光子，使光子玻璃材料下表面出射的光子数大大增加，从光子玻璃到硅材料的光子数大大增加，因此整个太阳能转换系统的光电转换效率也大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于太阳光谱频率下转换的光子玻璃材料，是一种高效率低成本光伏玻璃材料，涉及太阳光高频部分能量的使用，适用于协助光伏系统高效地实现光电能量转换。
背景技术
能源是经济和社会发展的重要物质基础。工业革命以来，世界能源消费剧增，煤炭、石油、天然气等化石能源消耗讯速，生态环境不断恶化，特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化，人类社会的可持续发展受到严重威胁。目前，我国已成为世界能源生产和消费的大国，但人均能源消费水平还很低。随着经济和社会的不断发展，我国能源需求将持续增长。增加能源供应、保障安全生产、保护生态环境、促进经济和社会的可持续发展，是我国经济和社会发展的一项重大战略任务。
可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能，资源潜力大，环境污染低，可永久利用，是有利于人与自然和谐发展的重要能源。其中，太阳能是取之不尽的可再生清洁能源，中外科学家和业界正在利用和开发太阳能。在太阳能的有效利用中，光电利用是近年发展最快、最具活力、最受瞩目的研究领域之一。太阳能光伏发电的核心器件是太阳能电池。
但目前硅系太阳能电池如单晶硅太阳能电池转化效率只达到23.0％，多晶硅薄膜太阳能电池转换效率可达19.0％，非晶硅薄膜太阳能电池转换效率只达13.2％。多元化合物薄膜太阳能电池如GaAs，转换效率只达24.2％。
总的说来，太阳能电池的效率还较低，主要原因是热能化的损失和低能光子不被有效吸收。为了提高效率，必须把重点放在如何降低这些损失上。目前，提高太阳能电池效率的方法主要有串接电池、聚光器电池、热伏能量转换、碰撞电离、三能级系统中的两步激发和光子的上转换与下转换。
由于太阳光光谱的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带能量高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子中超出禁带宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些热能都不能通过光生载流子传给负载而变成有效电能。因此对于单结太阳能电池，即使是晶体材料制成的，其转换效率的理论极限一般也只有25.0％左右。
通过对上述太阳能电池的类型、结构、特点、发展等情况的一些分析，可以看出，作为太阳能电池的材料，III-V族化合物等系由稀有元素所制备，尽管以它们制成的太阳能电池转换效率较高，但受限于材料来源和成本，此类电池将来不可能占据主导地位；纳米晶太阳能电池和聚合物修饰电极太阳能电池的研究刚起步，存在着技术不成熟、转换效率较低等问题，因此，这两类电池还处于探索阶段，短时间难以替代硅系太阳能电池。一些新概念电池也还处于研究探索阶段。从转换效率及材料来源角度综合分析，今后一段时间内发展的重点仍将是硅系列太阳能电池，特别是多晶硅和非晶硅薄膜电池。由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本，将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导。提高转换效率和降低成本始终是太阳能电池制备中需考虑的两个主要因素。
发明内容
针对上述问题，我们采用一种新的太阳能转化系统结构，主要用于太阳光的高效率能量转换，其中上层为稀土掺杂的光子玻璃材料，下层为单晶硅或多晶硅或非晶硅材料；其光子玻璃材料为一种稀土或一种以上稀土共同掺杂的光子玻璃材料；当太阳光入射到光子玻璃后，由于一个A稀土离子吸收频率大于两倍或三倍硅材料禁带宽度的太阳光后分别激发两个或三个B稀土离子到激发态，然后B稀土离子发射两个或三个频率在硅禁带宽度附近的光子，使光子玻璃材料下表面出射的光子数大大增加，从光子玻璃到硅材料的光子数大大增加，因此整个太阳能转换系统的光电转换效率也大大提高。
我们将发光离子掺杂于玻璃中实现对太阳光谱高频部分的频率下转换。太阳能电池中相当大的能量损失主要包括：高能量的光子被材料接收后多余的能量则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热，以热的形式损失。可通过一个掺杂材料的下转换机制，将一个高能量的光子转换成几个能被电池材料有效吸收的低能光子，上述方法称为量子剪裁。
为了具体实现量子剪裁方案，可把一种掺杂材料(具有频率上转换功能的光子玻璃)置于太阳能电池板的上面，把太阳光谱中高能量光子转换成可以提供给太阳能电池直接吸收的低能光子(如图1所示)。
使用多稀土掺杂光子玻璃材料可实现量子剪裁的效果。可以多方面地实现转换效率的最优化。
本发明结构简单，实现容易，通过上述参数的调节，可以使太阳能电池的转换效率30％-50％得到较高的提升。
具体实施方式
一种实施例采用二价镱离子和三价镱离子掺杂玻璃。三价镱离子离子在高于2F7/2初始状态大约10000cm-1处有一个单独的激发态(用符号2F5/2表示)。由于缺少其它能级，三价镱离子可以从其它共掺杂的离子中充分吸收10000cm-1处的能量，释放波长在1000nm附近的光子，这正好位于晶体硅的能带边缘，可以使得硅太阳能电池发挥最大的响应。
由于二价镱离子的4f-5d跃迁，使其在310nm附近有另一个宽的吸收带。因此，一个处于激发态的二价镱离子的能量可以通过两种方式传输给三价镱离子：
(1)三光子剪裁过程：当一个二价镱离子回到基态，三个三价镱离子被激发到2F5/2能级。
(2)两光子剪裁过程：伴随着非辐射跃迁的作用，当一个二价镱离子回到基态，两个三价镱离子被激发到2F5/2能级。
通过实验制备二价镱离子和三价镱离子共同掺杂的玻璃样品，我们得到光子玻璃材料的吸收和发射谱，如图3和图4所示，经过计算其内量子效率在150％～200％范围。
以上实施例是对本发明的具体说明，而不是对本发明的限制。
附图说明
1.图1为本发明的太阳能转换系统结构，其中上层为稀土掺杂的光子玻璃材料，下层为单晶硅或多晶硅或非晶硅材料；
2.图2为两种稀土共同掺杂的光子玻璃材料；
3.图3为二价镱离子的吸收谱；
4.图4为三价镱离子的发射光谱。
Claims (2)
1.本发明涉及一种太阳能转换系统结构，其特征在于其中上层为稀土掺杂的光子玻璃材料，下层为单晶硅或多晶硅或非晶硅材料。
2.根据权利要求1，其特征在于稀土掺杂的光子玻璃材料为一种稀土或一种以上稀土共同掺杂的光子玻璃材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2011101907718A CN102867877A (zh) | 2011-07-08 | 2011-07-08 | 一种太阳能转化系统结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN2011101907718A CN102867877A (zh) | 2011-07-08 | 2011-07-08 | 一种太阳能转化系统结构 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102867877A true CN102867877A (zh) | 2013-01-09 |
Family
ID=47446603
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2011101907718A Pending CN102867877A (zh) | 2011-07-08 | 2011-07-08 | 一种太阳能转化系统结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102867877A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104332520A (zh) * | 2014-08-26 | 2015-02-04 | 北京师范大学 | 环保的多光子多层量子剪裁锗或硅锗太阳能电池 |
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2011
- 2011-07-08 CN CN2011101907718A patent/CN102867877A/zh active Pending
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 陈景鑫: "稀土掺杂透明微晶玻璃的红外量子剪裁", 《浙江大学硕士学位论文》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104332520A (zh) * | 2014-08-26 | 2015-02-04 | 北京师范大学 | 环保的多光子多层量子剪裁锗或硅锗太阳能电池 |
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