CN106449844B - 太阳能光伏发电系统和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种太阳能光伏发电系统和制造方法。所述太阳能光伏发电系统，包括：阵列荧光光波导和太阳能电池；所述太阳能电池设置在所述阵列荧光光波导的侧面；所述阵列荧光光波导包括：从上到下依次设置的第一基板、荧光层、第二基板。本发明的制造工艺方便，容易实现。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能发电技术领域，尤其涉及一种太阳能光伏发电系统和制备方法。
背景技术
随着世界能源的危机，环境污染的加重，利用清洁可再生能源替代传统的化石能源，以解决能源短缺和环境污染的问题，已经成为社会、经济、科技发展的必然趋势。太阳能电池是一种可以有效吸收太阳能，并将其转换成电能的器件，也是太阳能光伏发电系统中最重要的部件，因此太阳能电池一直是清洁可再生能源研究的热点。最近国家能源局在"十二五"太阳能产业发展基础上，研究起草了《太阳能利用"十三五"发展规划(征求意见稿)》，能源“十三五规划纲要”中提出了继续推进风电光伏发电发展，并探讨成立国家光伏产业投资基金，通过国家注资、企业投资和社会参和的形式，为光伏产业公共技术平台建设、关键基础理论研究、核心设备国产化、全球人才培养等无法完全市场化的创新环节提供资金支持。
目前，太阳能电池产业发展迅速且光电转换效率不断提高，各种新材料、新技术发展迅速，但系统发电的成本仍然高出常规能源许多。太阳能电池目前存在光电转换效率低、系统造价高、电池稳定性差以及运行受环境影响较大等问题。针对这些问题，人们提出了许多解决方案，同时开拓了很多新的研究方向，为降低太阳能光伏发电成本，其方法之一是提高电池片单位面积的照射光强，从而发展聚光太阳能光伏发电技术。
常规的聚光太阳能光伏发电系统通过使用透镜或者反射镜将光聚集到狭小的面积上来提高太阳电池的输出功率，这种光学聚光会产生热效应损害太阳电池的发电效率，因而需要使用高效的冷却装置，同时太阳追踪器的高昂费用也在很大程度上限制了其应用。
发明内容
本发明的实施例提供了一种太阳能光伏发电系统和制备方法，制造工艺方便，容易实现。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种太阳能光伏发电系统，包括：
阵列荧光光波导和太阳能电池；所述太阳能电池设置在所述阵列荧光光波导的侧面；
所述阵列荧光光波导包括：从上到下依次设置的第一基板、荧光层、第二基板。
一种太阳能光伏发电系统的制造方法，包括：
制备第一基板和第二基板；
在所述第一基板和第二基板中间设置荧光层；
在所述基板的侧面设置太阳能电池。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明的制造工艺方便，容易实现。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述的太阳能光伏发电系统的主视图；
图2a、图2b、图2c分别是本发明所述的太阳能光伏发电系统()的俯视图；
图3是本发明所述的太阳能光伏发电系统的制造方法的流程示意图。
图4a、图4b、图4c、图4d分别是本发明所述的太阳能光伏发电系统的荧光物质的光谱特性示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1和图2a、图2b、图2c所示，为本发明所述的一种太阳能光伏发电系统，包括：
阵列荧光光波导1和太阳能电池2；所述太阳能电池设置在所述阵列荧光光波导的侧面；
所述阵列荧光光波导1包括：从上到下依次设置的第一基板11、荧光层12、第二基板13。
所述荧光层12包括：依次设置的光波导阵列单元121，所述光波导阵列单元之间设置有光波导阵列单元间隙122。
所述光波导阵列单元121包括：荧光物质1211和储存所述荧光物质的介质1212；
所述光波导阵列单元间隙122包括：真空、气体或折射率比所述第一基板的材料的折射率低的材料；
所述第一基板和所述第二基板的折射率均大于所述光波导阵列单元间隙材料的折射率。
所述光波导阵列单元121的形状为：矩形、多边形、圆形、扇形和不规则图形中的一种及其组合。
所述荧光物质1211为由有机染料和有机-无机杂化钙钛矿复合的荧光物质。
所述太阳能电池2为有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池；或
所述太阳能电池2的吸收光谱和组成所述光波导阵列单元的荧光物质的光谱匹配。
所述第一基板和第二基板为上表面面积和下表面面积分别是其侧面面积5倍以上的块状光学结构。
本发明所述的太阳能光伏发电系统，制造工艺方便，容易实现。
如图3所示，为本发明所述的一种太阳能光伏发电系统的制造方法，包括：
步骤31，制备基板；具体为：采用光学玻璃、超白玻璃或透明高分子材料中的一种制备基板；
步骤32，在所述基板上制备荧光层；
步骤33，在所述基板的侧面设置太阳能电池。
步骤32包括：
将荧光物质制作成凝胶复合到所述基板上；控制凝胶形状或切割凝胶形成荧光层,在所述荧光层上方覆盖所述第一基板；或者
将荧光物质通过印刷、旋涂、或者喷涂工艺在所述基板上形成荧光薄膜，通过刻蚀或掩膜工艺得到荧光层,在所述荧光层上方覆盖所述第一基板；或者
将荧光物质通过真空蒸镀工艺复合到所述基板上，通过刻蚀或掩膜工艺得到荧光层,在所述荧光层上方覆盖所述第一基板。
以下描述本发明的应用场景。
本发明提供一种阵列荧光光波导集光太阳能光伏器件结构及制造方法，针对太阳能发电技术成本较高、太阳能电池寿命较短的问题。
该阵列荧光光波导集光太阳能光伏发电系统包括：阵列荧光光波导和太阳能电池。
阵列荧光光波导是由荧光层12和第一基板11和第二基板13复合而成。阵列荧光光波导的结构为阵列光波导结构。
所述荧光层12包括：依次设置的光波导阵列单元121，所述光波导阵列单元121之间设置有光波导阵列单元间隙122。
光波导阵列单元121包括：荧光物质1211和储存荧光物质的介质1212组成。
所述荧光物质是有机染料和有机-无机钙钛矿复合的荧光物质。所述荧光物质中钙钛矿材料的化学组成为ABX3，其中A为Sc、有机基团MA、FA中的一种或其组合，B为Pb、Sn中的一种或其组合，X为I、Br、Cl中的一种或其组合。所述第一基板11与第二基板13的上下表面为平面，上、下表面积是其侧面面积5倍以上。
荧光物质1211和储存荧光物质的介质1212和光波导阵列单元间隙中填充的另一种介质的周期性排列组成了光波导阵列，图2a、图2b、图2c中示出了光波导阵列单元的排布方式。
基板1的上表面是空气和波导的分界面，为太阳光照射面；基板1的下表面是光波导和空气的分界面，为太阳光透射面。
基板的材料使用光学玻璃、超白玻璃或透明高分子材料中的一种。
所述阵列荧光光波导的整体外轮廓是矩形、多边形、圆形、扇形和不规则图形中的一种及其组合。
所述光波导阵列单元121为条形、柱形、点阵及其他任何可能形状中的一种，光波导阵列间隙122可以为真空、气体或折射率比基板的介质低的其他低光折射率材料中的一种。
太阳能电池为有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池或其他吸收光谱和复合荧光物质光谱匹配的太阳能电池。也就是说，所述太阳能电池为钙钛矿太阳能电池、单晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜和其他有机聚合物太阳能电池中的一种。
一种新型阵列荧光光波导集光太阳能发电系统的制造方法，具体包括：
步骤1，采用光学玻璃、超白玻璃或透明高分子材料中的一种制备第一基板11和第二基板13；
步骤2，按以下三种方法之一制备阵列荧光光波导：
(1)将荧光物质制作成凝胶复合到基板13上，控制凝胶形状或切割凝胶形成荧光层，在荧光层上方覆盖基板11形成阵列荧光光波导；或者
(2)将荧光物质通过印刷、旋涂、喷涂工艺在基板13上形成荧光薄膜，通过刻蚀或掩膜工艺得到荧光层，在荧光层上方覆盖基板11形成阵列荧光光波导；或者
(3)将荧光物质通过真空蒸镀工艺复合到基板13上，通过刻蚀或掩膜工艺得到荧光层，在荧光层上方覆盖基板11形成阵列荧光光波导；
步骤3，将钙钛矿太阳能电池2耦合在侧面，得到阵列荧光光波导集光太阳能发电系统。
本发明的工作原理为：太阳光以任意角度入射到基板11的表面后，通过基板11的表面对光的反射和折射，大部分光进入到基板11内，这部分光可以看作平行光。这部分光到达光波导阵列单元后，被荧光分子吸收，从而向四周发出和太阳能电池吸收波长相匹配的荧光。其中大部分光处在全反射临界角θ外，(θ＝sin-1(1/n),n为光波导折射率)在基板11和基板13的内部发生全反射现象。经过多次全反射后，最终传到基板11和基板13的侧面而被太阳能电池吸收。这部分光由于在阵列荧光光波导中传播，从而一定满足阵列空隙的全反射条件而不会被荧光物质自吸收。荧光波长和钙钛矿太阳能电池吸收波长正好匹配。另一部分光处于全反射临界角θ内，从而和未被吸收的太阳光透过基板1的下表面进入建筑内，为建筑室内提供照明。由于荧光波长和太阳能电池的吸收波长匹配，并且避免了自吸收，使得太阳能电池的光电转换效率大幅提高。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明选用高效、稳定性好的新型有机钙钛矿复合材料作为太阳能荧光基板1的荧光物质。该材料具有合适的禁带宽度和高荧光转化效率等光学特性，将不能被太阳能电池吸收的高能光子转换为太阳能电池高效吸收的低能光子，增加太阳能电池单位面积入射光子数，以提高太阳能电池的光电转换效率；该荧光物质的原料丰富、廉价，合成工艺简单，能够加快荧光光波导集光太阳能发电系统的产业化推广。
2、本发明的基板选用高透射率、高折射率并且易于加工的光学玻璃、超白玻璃和透明高分子材料作为基板，通过物理或化学手段将荧光物质和基板复合制作成阵列光波导结构，从而可以达到高效收集太阳光，并反馈适合波长的冷光给太阳能电池，避免太阳能电池直接被阳光照射，从而大幅减缓太阳能电池的老化，有利于延长太阳能电池的使用寿命；同时，为实现新型太阳能光伏建筑一体化提供了可能性。
3、本发明的阵列荧光光波导结构通过对阵列周期的设计，使得荧光中大部分反射到阵列间隙，从而避免了荧光物质的自吸收，提高了阵列荧光光波导集光太阳能发电系统的光电转换效率，并且可对阵列荧光光波导的透光性能进行调整，有利于实现新型太阳能光伏建筑一体化。
4、本发明通过荧光量子效率高、稳定性好的有机钙钛矿复合材料作为荧光物质，使荧光发射峰和太阳能电池吸收谱匹配，再通过阵列波导结构减小荧光物质的自吸收，从而构造出一种新型阵列荧光光波导集光太阳能光伏发电系统，并将该发电系统构建于建筑玻璃窗，实现建筑光伏一体化。也就是说，本发明提供一种光稳定性好、高效的有机钙钛矿复合荧光物质，和阵列光波导技术和有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池相结合，构造出一种新型阵列荧光光波导集光太阳能光伏发电系统，并将该发电系统嵌入于建筑玻璃窗，实现新型太阳能光伏建筑一体化。
实施例1
荧光物质选用有机钙钛矿材料MAPbBr3，其光谱特性如图4a、图4b、图4c、图4d所示。
图4a为MAPbBr3材料中MABr/PbBr2摩尔比从2:1降到1:1的稳态PL谱；
图4b为MAPbBr3-xClx材料中MABr/PbBr2/PbCl2摩尔比从2:0.8:0.2变到2:0.2:0.8的稳态PL谱；
图4c为MAPbBr3-xClx材料中MABr/PbBr2/PbCl2摩尔比从1.5:0.8:0.2变到1.5:0.2:0.8的稳态PL谱；
图4d为MAPbBr3-xClx材料中MABr/PbBr2/PbCl2摩尔比从1:0.8:0.2变到1:0.2:0.8的稳态PL谱。
通过溶液法、溶胶凝胶法、固相烧结法制备MAPbBr3有机荧光物质，可以通过改变无机配比调制发光峰位置，从而使荧光发射峰和太阳能电池的吸收谱匹配。所合成的钙钛矿荧光物质具有宽带紫外-可见光吸收和量子产率高等特性，能将蓝紫光转为黄绿光发射。
采用光学玻璃制作基板11和基板13，选取折射率高达1.83的光学玻璃，并保证高透光率，在光学玻璃上沉积荧光物质。
在真空室中将得到的钙钛矿荧光物质放入坩埚中，通过加热源加热坩埚。玻璃基板13水平放置在坩埚正上方，通过掩膜覆盖到玻璃基板13上，只留下阵列波导形状的空隙。加热钙钛矿荧光物质直至其蒸发，较热的荧光物质蒸汽流入射到基片表面，凝结成为固态薄膜。此固态薄膜只会出现在掩膜空隙处，在形成的荧光层上方覆盖基板11，由此可以制得条形阵列荧光光波导。制备得到阵列光波导结构如图2a所示，通过调整真空蒸镀的时间，可以得到不同厚度的荧光层。
如图1所示，将钙钛矿太阳能电池MAPbBr3，结构为：ITO/ZnO/CH3NH3PbBr3/spiro-OMeTAD/Ag，耦合到阵列荧光光波导侧面，侧边贴装数量为四侧，组成新型阵列荧光光波导集光太阳能发电系统。将其置于太阳光下，太阳能电池可以接收照射到电池上的太阳光和荧光物质的发射荧光。其中有机钙钛矿荧光物质的荧光波长和钙钛矿电池的吸收光谱匹配，有效改善太阳能电池的光电转换效率。
实施例2
荧光物质选用有机钙钛矿材料MAPbBr3和有机染料Lumogen F Yellow 170的复合材料。通过溶液法、溶胶凝胶法、或者固相烧结法制备有机复合荧光物质。通过改变无机配比调制发光峰位置，可以使荧光发射峰和太阳能电池的吸收谱匹配。通过改变有机染料和有机钙钛矿材料的配比，可以改变荧光物质的荧光量子效率。所合成的钙钛矿荧光物质具有宽带紫外-可见光吸收，量子产率高等特性，能将蓝紫光转为黄绿光发射。
采用超白玻璃制作基板11，选取透光率>91％的超白玻璃，并且折射率>1.5，采用光学玻璃制作基板13，选取折射率高达1.83的光学玻璃，在光学玻璃上沉积荧光物质。
在真空室中将得到的有机钙钛矿荧光复合材料放入坩埚中，通过加热源加热坩埚。玻璃基板13水平放置在坩埚正上方，通过掩膜覆盖到玻璃基板13上，只留下阵列波导形状的空隙。加热钙钛矿荧光物质直至其蒸发，较热的荧光物质蒸汽流入射到基片表面，凝结成为固态薄膜。此固态薄膜只会出现在掩膜空隙处，在形成的荧光层上方覆盖基板11，由此可以制得二维点阵型阵列荧光光波导。制备得到的阵列光波导结构如图2b所示，通过调整真空蒸镀的时间，可以得到不同厚度的荧光层。
如图1所示,将钙钛矿太阳能电池MAPbBr3(结构为：ITO/ZnO/CH3NH3PbBr3/spiro-OMeTAD/Ag)耦合到阵列荧光光波导的侧面，侧边贴装数量为四侧，组成新型阵列荧光光波导集光太阳能发电系统，。
将其置于太阳光下，太阳能电池可以接收照射到电池上的太阳光和荧光物质的发射荧光。其中有机钙钛矿荧光物质的荧光波长和钙钛矿电池的吸收光谱匹配，有效改善太阳能电池的光电转换效率。
实施例3
荧光物质采用溶液法、溶胶凝胶法、或固相烧结法将Lumogen F Yellow170、Lumogen FOrgange 240分别和MAPbBr3/CsPbBr3相复合制备胶体和粉体材料。通过改变无机配比调制发光峰位置，可以使荧光发射峰和太阳能电池的吸收谱匹配。通过改变有机染料和有机钙钛矿材料的配比，可以改变荧光物质的荧光量子效率。所合成的钙钛矿荧光物质具有宽带紫外-可见光吸收，量子产率高等特性，能将蓝紫光转为黄绿光发射。
采用光学玻璃制作基板11和基板13，选取折射率高达1.83的光学玻璃，并保证高透光率，在光学玻璃上沉积荧光物质。
将0.075g有机复合荧光物质溶解在DMF中，向烧杯中加入50gEVA，在70℃搅拌形成熔胶。将熔胶倒入培养皿中，放入真空干燥箱内抽真空使气泡逸出。将熔胶放入1mm后模具中，利用平板硫化机进行压片，剪裁好熔胶覆盖于玻璃基板13。此固态薄膜只会出现在特定位置，在荧光层上方覆盖基板11，由此可以制得柱型阵列荧光光波导。制备得到阵列光波导结构如图2c所示，通过调整真模具厚度，可以得到不同厚度的荧光层。
如图1所示，将钙钛矿太阳能电池MAPbBr3(结构为：ITO/ZnO/CH3NH3PbBr3/spiro-OMeTAD/Ag)，耦合到阵列荧光光波导侧面，侧边贴装数量为四侧，组成新型阵列荧光光波导集光太阳能发电系统。
将其置于太阳光下，太阳能电池可以接收照射到电池上的太阳光和荧光物质的发射荧光。其中有机钙钛矿荧光物质的荧光波长和钙钛矿电池的吸收光谱匹配，有效改善太阳能电池的光电转换效率。
实施例4
荧光物质选用有机钙钛矿材料MAPbBr3-xClx材料。通过溶液法、溶胶凝胶法、或固相烧结法制备有机荧光物质。通过改变无机配比调制发光峰位置，可以使荧光发射峰和太阳能电池的吸收谱匹配。通过改变有机染料和有机钙钛矿材料的配比，可以改变荧光物质的荧光量子效率。所合成的钙钛矿荧光物质具有宽带紫外-可见光吸收，量子产率高等特性，能将蓝紫光转为黄绿光发射。
采用光学玻璃制作基板11和基板13，选取折射率高达1.83的光学玻璃，并保证高透光率，在光学玻璃上沉积荧光物质。
在真空室中将得到的有机钙钛矿荧光物质放入坩埚中，通过加热源加热坩埚。玻璃基板13水平放置在坩埚正上方，通过掩膜覆盖到玻璃基板13上，只留下阵列波导形状的空隙。加热钙钛矿荧光物质直至其蒸发，较热的荧光物质蒸汽流入射到基板表面，凝结成为固态薄膜。此固态薄膜只会出现在掩膜空隙处，在荧光层上方覆盖基板11，由此可以制得二维柱型阵列荧光光波导。制备得到阵列光波导结构如图2c所示，通过调整真空蒸镀的时间，可以得到不同厚度的荧光层。
如图1所示，将钙钛矿太阳能电池MAPbBr3-xClx(结构为：ITO/ZnO/CH3NH3PbBr3-xClx/spiro-OMeTAD/Ag)耦合到阵列荧光光波导侧面，侧边贴装数量为四侧，组成新型阵列荧光光波导集光太阳能发电系统。
将其置于太阳光下，太阳能电池可以接收照射到电池上的太阳光和荧光物质发射的荧光。其中有机钙钛矿荧光物质的荧光波长和钙钛矿电池的吸收光谱匹配，有效改善太阳能电池的光电转换效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种太阳能光伏发电系统，其特征在于，包括：
阵列荧光光波导和太阳能电池；所述太阳能电池设置在所述阵列荧光光波导的侧面；
所述阵列荧光光波导包括从上到下依次设置的第一基板、荧光层、第二基板；所述荧光层包括依次设置的光波导阵列单元，所述光波导阵列单元之间设置有光波导阵列单元间隙；所述光波导阵列单元包括荧光物质和储存所述荧光物质的介质；所述光波导阵列单元间隙包括真空、气体或折射率比所述第一基板的材料的折射率低的材料；所述第一基板和所述第二基板的折射率均大于所述光波导阵列单元间隙的材料的折射率。
2.根据权利要求1所述的太阳能光伏发电系统，其特征在于，所述光波导阵列单元的形状为：矩形、多边形、圆形、扇形和不规则图形中的一种及其组合。
3.根据权利要求1所述的太阳能光伏发电系统，其特征在于，所述荧光物质为由有机染料和有机-无机杂化钙钛矿复合的荧光物质。
4.根据权利要求1所述的太阳能光伏发电系统，其特征在于，所述太阳能电池为有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池；或
所述太阳能电池的吸收光谱和组成所述光波导阵列单元的荧光物质的光谱匹配。
5.根据权利要求1所述的太阳能光伏发电系统，其特征在于，所述第一基板的上表面面积和下表面面积分别是所述第一基板的侧面面积5倍以上的块状光学结构，所述第二基板的上表面面积和下表面面积分别是所述第二基板的侧面面积5倍以上的块状光学结构。
6.一种权利要求1-5任一项所述的太阳能光伏发电系统的制造方法，其特征在于，包括：
制备第一基板和第二基板；
在所述第一基板和第二基板中间设置荧光层；
在所述基板的侧面设置太阳能电池。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述制备第一基板的步骤包括：
采用光学玻璃、超白玻璃或透明高分子材料制备第一基板。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在所述第一基板和第二基板中间设置荧光层的步骤包括：
将荧光物质制作成凝胶复合到所述第二基板上；控制凝胶形状或切割凝胶形成荧光层；在所述荧光层上方覆盖所述第一基板；或者
将荧光物质通过印刷、旋涂、或者喷涂工艺在所述第二基板上形成荧光薄膜，通过刻蚀或掩膜工艺得到荧光层；在所述荧光层上方覆盖所述第一基板；或者
将荧光物质通过真空蒸镀工艺复合到所述第二基板上，通过刻蚀或掩膜工艺得到荧光层；在所述荧光层上方覆盖第一基板。
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