CN106856396A - 一种平面荧光聚光器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于聚光器产品技术领域，具体公开一种平面荧光聚光器，所述聚光器包括置于两侧边的太阳能电池，以及置于中间的从上至下依次设置的玻璃盖板、选择性反射层、上空气薄层、荧光平面光波导层、下空气薄层及高反射薄膜，其中荧光平面光波导层包括荧光物质和平面光波导，所述荧光物质置于平面光波导表面或平面光波导中，所述荧光物质为碳量子点材料。该平面聚光器能较好地起到吸收、传输或发射和汇聚光能的多重功效，使得太阳能电池接收到的光线不仅包含太阳本身部分，同时还包含有碳量子点的荧光发射部分，有效改善太阳能发电系统的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明属于聚光器技术领域，特别涉及一种平面荧光聚光器。
背景技术
现有技术中，太阳聚光器技术有LSC技术(冷光太阳聚光器)和QDSC技术(量子点太阳聚光器)两种。
第一、LSC技术(luminescent solar concentrator，冷光太阳聚光器)最初出现是在1970年代，其基本原理如图1所示，平板中均匀分布荧光染料颗粒1’，荧光染料颗粒1’能够吸收入射的太阳光并重新激发出荧光(冷光)，激发光线的方向随机，在高折射率的平板中通过全反射(及反射)作用导流(waveguide)到安装在平板侧壁的太阳电池2’上，原理先进，结构优秀。
第二、QDSC(quantum dot solar concentrator，量子点太阳聚光器)技术采用半导体量子点材料代替了FSC(fluorescent solar concentrator/collectors，荧光太阳聚光器)中的染料颗粒，有以下优势：
(1)QDs(量子点)为晶体半导体材料，比有机染料衰减少；
(2)QDs具有高的发光量子效率(80％)；
(3)光谱吸收范围易于通过调节QDs的尺寸来实现；
(4)对光线的吸收与发射中的红移影响(由粒子尺寸分布范围决定)可以通过改进量子点的生成环境得以降低。
碳量子点是一种以碳元素为主体的新型荧光碳纳米材料，碳量子点具有许多优良性质主要包括：荧光稳定性高且耐光漂白、激发光宽而连续、发射光可调谐、粒径小分子量低、生物相容性好且毒性低和优良的电子受体和供体等特性还有比传统金属量子点更为优越的特点。碳量子点不但克服了传统有机染料的某些缺点，而且有分子量和粒径小、荧光稳定性高、无光闪烁、激发光谱宽而连续、发射波长可调谐、生物相容性好、毒性低等优点。更易于实现表面功能化，被认为是一种很好的理想材料。
文献中讲到，如果具有高量子效率的量子点能够合适地结合到透明介质中，预期的高效率LSC也许就能实现。目前，QDSC光伏组件的效率与FSC光伏组件相比优势也还不明显，基本都在4％以下，聚光器尺寸一般都在125mm×125mm以下，离制作玻璃窗也还有一定距离，技术有待进一步发展。
用于光伏发电系统的荧光平面光波导层，利用荧光在波导内的全反射原理进行聚光。现有的荧光平面光波导层光伏组件的理论荧光收集效率仅为75％，较低的荧光收集效率限制了其整体的能量收集效率。
目前，有关碳量子点的应用研究主要是围绕太阳能电池中的光转化层材料而展开的，毋庸置疑的是，在太阳能电池中通过使用碳量子点作为光吸收层或光转化层材料，可以增加太阳能电池对太阳光的吸收与转化，从而提高太阳能电池的光电转换效率。但是，由于薄膜太阳能电池的本身缺陷，如光电转换效率低、制备工艺复杂、生产成本高等不足，限制了碳量子点的广泛应用。
因此，研发一种能有效改善太阳能发电系统的光电转换效率、制备工艺简单、生产成本低的碳量子点平面聚光器迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，具体公开一种碳量子点平面聚光器，该平面聚光器能较好地起到吸收、传输或发射和汇聚光能的多重功效，使得太阳能电池接收到的光线不仅包含太阳本身部分，同时还包含有碳量子点的荧光发射部分，有效改善太阳能发电系统的光电转换效率。
为了达到上述技术目的，本发明是按以下技术方案实现的：
本发明所述的一种平面荧光聚光器，包括置于两侧边的太阳能电池，以及置于中间的从上至下依次设置的玻璃盖板、选择性反射层、上空气薄层、荧光平面光波导层、下空气薄层及高反射薄膜，其中荧光平面光波导层包括荧光物质和平面光波导，所述荧光物质置于平面光波导表面或平面光波导中，所述荧光物质为碳量子点材料。
作为上述技术的进一步改进，所述荧光物质的外层包裹ZnS。
作为上述技术的更进一步改进，所述荧光平面光波导为单层或多层板状结构；所述荧光平面光波导的板状结构中至少有一层是荧光材料层。
具体来说，所述荧光平面光波导的厚度范围为10-50毫米。
在本发明中，所述平面光波导为高分子聚合物。
在本发明中，所述高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷或聚乙烯。
在本发明中，所述选择性反射层为Low-e薄膜或光子晶体层。
在本发明中，所述太阳能电池的侧板为单晶硅或多晶硅太阳能电池板，底板采用金属材料或塑料材料制成。
在本发明中，所述高反射薄膜的材料为银、金、铜或铝。
在本发明中，荧光平面光波导层、上空气间隙、下空气间隙、选择性反射层和高反射薄膜共同构成具有两级荧光传输功能的光波导结构，起到传输、汇聚光能的作用。
本发明中，荧光平面光波导层的制作方法是：
(1)制备碳量子点材料，将碳量子点材料均匀分散于有机溶剂中；
(2)用高分子聚合物制作平面光波导；
(3)将上述步骤(1)的混合溶液涂覆在平面光波导表面或者封装于平面光波导中，形成平面荧光聚光器。
具体来说：上述步骤(1)中制备碳量子点材料的步骤是：
a、首先，收集和酸处理蜡烛灰；
b、其次，加热处理得到表面具有羧基和羟基的亲水性碳量子点，直径约1nm，在惰性气体保护下，停止加热并冷却至室温，去除杂质；
c、最后真空干燥得到碳量子点材料。
d、将碳量子点材料均匀分散于有机溶剂中，在合成高分子聚合物时加入到原料中，反应后得到掺杂碳量子点材料的平面光波导，经切割、抛光、清洗、干燥后得到平面荧光聚光器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明选用高效、稳定性好且无污染的碳量子点材料充当平面荧光聚光器(LPC)的荧光物质，碳量子点作为光转换中心，能够将太阳光中的蓝紫光转换成红光；此外，碳量子点具有与太阳能电池的最佳禁带宽度十分接近、光吸收系数高、对光和热的稳定性好、不含重金属等有毒离子及超宽带发射等优良光学特性，将无光伏效应或光伏效应低的高能光子转换为具有高效光伏效应的低能光子，以提高现有太阳能发电系统的光电转换效率。
(2)本发明采用优良光学特性、物理化学性能稳定且易成型加工的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料为LPC的平面光波导材料。通过物理或化学方法将上述荧光材料与平面光波导复合制作成LPC，能满足所有类型太阳能电池的聚光使用需求，包括单晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜及有机聚合物等太阳能电池。
(3)本发明的LPC能够代替太阳能电池收集太阳光，避免太阳能电池活性表面在太阳光下直接暴晒，减少太阳能电池使用量，延长太阳能电池的使用寿命，
(4)本发明所述的碳量子点平面聚光器，其能简化太阳能电池的安装过程，缩小太阳能发电系统的占用空间，拓宽太阳能发电市场，从而大大降低光伏发电系统的生产和维护成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的说明：
图1是现有技术LSC聚光器结构示意图；
图2是本发明所述的碳量子点平面聚光器结构示意图；
图3是碳量子点紫外吸收图谱；
图4是碳量子点荧光发射图谱。
具体实施方式
如图2所示，本发明所述的一种平面荧光聚光器，包括置于两侧边的太阳能电池4、5，以及置于中间的从上至下依次设置的玻璃盖板1、选择性反射层2、上空气薄层3、荧光平面光波导层6、下空气薄层7及高反射薄膜8，其中荧光平面光波导层6包括荧光物质和平面光波导，所述荧光物质置于平面光波导表面或平面光波导中，所述荧光物质为碳量子点材料，所述荧光物质的外层包裹ZnS反射膜，所述平面光波导为高分子聚合物，具体来说：所述高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷或聚乙烯。
所述玻璃盖板1为普通玻璃，所述选择性反射层2为Low-e薄膜或光子晶体层，所述太阳能电池5的侧面是单晶硅或多晶硅太阳能电池板，底版采用金属材料或塑料材料制成，金属材料为佳；所述高反射薄膜的材料为银、金、铜或铝，银为最佳；所述荧光平面光波导层6为单层或多层板状结构；所述荧光平面光波导层6的板状结构中至少有一层是荧光材料层；所述荧光平面光波导层6的厚度范围为10-50毫米。
以下具体说明荧光平面光波导层6的具体制备过程：
(1)制备碳量子点材料，将碳量子点材料均匀分散于有机溶剂中；
(2)用高分子聚合物制作平面光波导；
(3)将步骤(1)的混合溶液涂覆在平面光波导表面或者封装于平面光波导中，形成平面荧光聚光器。
关于上述步骤(1)中制备碳量子点材料的步骤是：
a、首先，收集和酸处理蜡烛灰；
b、其次，加热处理得到表面具有羧基和羟基的亲水性碳量子点，直径约1nm，在惰性气体保护下，停止加热并冷却至室温，去除杂质；
c、最后真空干燥得到碳量子点材料。
d、将碳量子点材料均匀分散于有机溶剂中，在合成高分子聚合物时加入到原料中，反应后得到掺杂碳量子点材料的平面光波导，经切割、抛光、清洗、干燥后得到平面荧光聚光器。
本发明的工作原理是：如图1所示，太阳光通过玻璃盖板1、选择性反射层3、上空气薄层3到达荧光平面光波导层6，被荧光平面光波导层6中的碳量子点材料吸收。
荧光材料向空间发射波长较长的红外光，一部分光由于入射角大于全反射临界角(见图1中L1)，在荧光平面光波导层6内发生全反射，再经过多次反射后最终传输到达侧边的太阳能电池6，从而被导出利用；而对于另一部分小于临界角的光线(见图1中L2)，在透过荧光平面光波导层6的上、下表面后被选择性反射层3和高反射薄膜8反射回荧光平面光波导层内，同理最终也能到达侧边电池处。(图3是碳量子点紫外吸收图谱；图4是碳量子点荧光发射图谱)
在本发明中，荧光平面光波导层6、上空气间隙(上空气薄层3与荧光平面光波导层6之间间隙)、下空气间隙(下空气薄层7与荧光平面光波导层6之间间隙)、选择性反射层2和高反射薄膜9共同构成具有两级荧光传输功能的光波导结构，起到传输、汇聚光能的作用，太阳能电池5接收到的光线不仅包含太阳本身部分，同时还包含有碳量子点的荧光发射部分，有效改善太阳能发电系统的光电转换效率。
本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。
Claims (9)
1.一种平面荧光聚光器，其特征在于：包括置于两侧边的太阳能电池，以及置于中间的从上至下依次设置的玻璃盖板、选择性反射层、上空气薄层、荧光平面光波导层、下空气薄层及高反射薄膜，其中荧光平面光波导层包括荧光物质和平面光波导，所述荧光物质置于平面光波导表面或平面光波导中，所述荧光物质为碳量子点材料。
2.根据权利要求1所述的平面荧光聚光器，其特征在于：所述荧光物质的外层包裹ZnS。
3.根据权利要求2所述的平面荧光聚光器，其特征在于：所述荧光平面光波导为单层或多层板状结构；所述荧光平面光波导的板状结构中至少有一层是荧光材料层。
4.根据权利要求3所述的平面荧光聚光器，其特征在于：所述荧光平面光波导的厚度范围为10-50毫米。
5.根据权利要求4所述的平面荧光聚光器，其特征在于：所述平面光波导为高分子聚合物。
6.根据权利要求3所述的平面荧光聚光器，其特征在于：所述高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷或聚乙烯。
7.根据权利要求1所述的平面荧光聚光器，其特征在于：所述选择性反射层为Low-e薄膜或光子晶体层。
8.根据权利要求1所述的平面荧光聚光器，其特征在于：所述太阳能电池的侧板为单晶硅或多晶硅太阳能电池板，底板采用金属材料或塑料材料制成。
9.根据权利要求1所述的平面荧光聚光器，其特征在于：所述高反射薄膜的材料为银、金、铜或铝。
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