CN117879480A - 一种广谱三维光伏系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种广谱三维光伏系统，包括第一光伏组件、形成于第一光伏组件面上的光谱转化导光层以及与光谱转化导光层边缘耦合的第二光伏组件，其中光谱转化导光层其光谱吸收峰低于450nm，第二光伏组件吸收光谱转化导光层发射的光子并转化为电能，第一光伏组件吸收光谱转层化没吸收的光子并转化为电能，第一光伏组件和第二光伏组件其光子的入射方向不同，本发明在现有光伏组件基础上增加光谱转化导光层，利用光谱转化导光层中荧光材料选择吸收现有光伏组件吸收转化效率较低的低波长光子转化为现有光伏组件吸收转化效率较高的高波长光子，并结合聚光导光技术，把经转化的高波长光子通过边缘辐射到耦合的另一套光伏组件里而产生附加的电能。
Description
技术领域
本发明属于光电领域领域，具体涉及一种广谱三维光伏系统。
背景技术
光伏（Photovoltaics；源自“photo-”光，“voltaics”伏特）组件，是指利用光伏半导体材料的光生伏打效应而将太阳能转化为电能的器件。常用光伏半导体材料主要有：单晶硅、多晶硅、非晶硅， 碲化镉，铜铟镓硒，以及正在研发中的有机半导体和钙钛矿材料，由此分别称单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、非晶硅光伏组件，碲化镉光伏组件，铜铟镓硒光伏组件，以及正在研发中的有机光伏组件和钙钛矿光伏组件。光伏组件中的光伏半导体材料也称活性层，吸收光子并把吸收的光子通过光电效应（光生伏打效应）转化为电能。从太阳能到电能的转化效率成为能量转化效率（PCE，Power conversion efficiency）主要取决于光伏半导体材料的不同波长下的吸光系数和光电转化效率。图3 和图4 分别列举了几种常用光伏组件不同波长的吸收系数和能量转化效率。显然， 现有光伏组件对波长低于450nm的光子吸收和转化效率比550nm-700nm波长的光子要低。由图5太阳辐射到地球上的光谱可见， 而波长低于450nm的光子仍相当可观。如何把这部分波长低于450nm的光子有效地转化为电能就是本发明的主题。
发明内容
为达到上述目的，本发明提供了一种广谱三维光伏系统，本发明在现有光伏组件基础上增加光谱转化导光层，利用光谱转化导光层中荧光材料选择吸收现有光伏组件吸收转化效率较低的低波长光子转化为现有光伏组件吸收转化效率较高的高波长光子，并结合聚光导光技术，把经转化的高波长光子通过边缘辐射到耦合的另一套光伏组件里而产生附加的电能。针对本发明，低波长光子在这里表示波长低于450nm的光子，特指波长350-450nm的光子；高波长光子在这里表示波长高于450nm的光子，特指波长550-700nm的光子，系统包括第一光伏组件（PV-1）、形成于第一光伏组件面上的光谱转化导光层（GZD）以及与光谱转化导光层（GZD）边缘耦合的第二光伏组件（PV-2），其中，所述光谱转化导光层其光谱吸收峰低于450nm，并把波长450nm以下的光子转化为波长550nm以上的光子，并把转化后的高波长光子传导到该层的边缘发射，所述第二光伏组件（PV-2）吸收光谱转化导光层发射的光子并转化为电能， 所述第一光伏组件（PV-1）吸收光谱转层化没吸收的光子并转化为电能，所述第一光伏组件（PV-1）和第二光伏组件（PV-2）其光子的入射方向不同。
作为本发明的一种改进，所述核心结构含有通明保护层（BHC），其通明保护层在光谱转化导光层的上面形成光伏组件系统，所述通明保护层（BHC）是玻璃、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(乙烯-乙酸乙烯酯)(PEVA)或聚酰胺接枝的聚烯烃中的一种。
作为本发明的一种改进，所述光谱转化导光层至少由一种导光介质和至少一种荧光材料组成。
作为本发明的一种改进，所述第一光伏组件（PV-1）为单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、无定形硅光伏组件、锑化镉光伏组件、铜铟镓光伏组件、有机物光伏组件或钙钛矿光伏组件中的一种。
作为本发明的一种改进，所述第二光伏组件（PV-2）为单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、无定形硅光伏组件、锑化镉光伏组件、铜铟镓光伏组件、有机物光伏组件或钙钛矿光伏组件中的一种。
作为本发明的一种改进，所述光谱转化导光层（GZD）至少一个边缘与第二光伏组件（PV-2）耦合。
作为本发明的一种改进，至少一种导光介质是乙烯醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氨酯或聚甲基丙烯酸中的一种。
作为本发明的一种改进，至少一种荧光材料是有机荧光材料、无机荧光材料或量子点材料中的一种。
作为本发明的一种改进，至少一种荧光材料是一种二取代二芳氧基苯并杂二唑化合物。
作为本发明的一种改进，所述光谱转化导光层（GZD）是含有荧光材料的乙烯醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛或聚氨酯，所述通明保护层是玻璃，通过热压成型。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：本发明在现有光伏组件基础上增加光谱转化导光层，利用光谱转化导光层中荧光材料选择吸收现有光伏组件吸收转化效率较低的低波长光子转化为现有光伏组件吸收转化效率较高的高波长光子，并结合聚光导光技术，把经转化的高波长光子通过边缘辐射到耦合的另一套光伏组件里而产生附加的电能。
附图说明
图1为谱三维光伏系统核心结构图；
图2为含有通明保护层广谱三维光伏系统；
图3为常见单晶硅和多晶硅光伏材料的吸收谱；
图4为常见单晶硅和多晶硅光伏材料的光电转化内量子效率及外量子效率；
图5为正常太阳光入射到地球表面的光谱；
图6为本发明光子工作原理简图；
图7为本发明二取代二芳氧基苯并杂二唑化合物有机荧光材料的吸收和发射谱图。
实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例：本实施例为一种广谱三维光伏组件系统，结合附图，其核心结构如图1所示，包括：第一光伏组件（PV-1），形成于第一光伏组件面上的光谱转化导光层（GZD），与光谱转化导光层边缘（GZD）耦合的第二光伏组件（PV-2），其中，所述光谱转化导光层其光谱吸收峰低于450nm，并可把波长450nm以下的光子转化为波长550nm以上的光子，并把转化后的高波长光子传导到该层的边缘发射，所述第二光伏组件可吸收光谱转化导光层发射的光子并转化为电能，所述第一光伏组件可吸收光谱转层化没吸收的光子并转化为电能，所述第一光伏组件和第二光伏组件其光子的入射方向不同。
图中包括三种基本组分，其中PV-1 指第一套光伏组件，也是这里的基本光伏组件；PV-2 指第二套光伏组件，也是这里的附加或称耦合光伏组件；GZD 指光谱转化导光层；三组分的结合产生该发明，如图1所示。
在图1中，GZD的作用是吸收现有光伏组件吸收转化效率较低的低波长光子转化为现有光伏组件吸收转化效率较高的高波长光子，并结合聚光导光技术，把高波长光子通过边缘辐射到耦合的第二套光伏组件里。这里PV-1（第一套）和PV-2（第二套）光伏组件的作用是通过光生伏打效应将各自摄取的光子有效地转化为电子而产生电能。
所述的核心结构含有通明保护层（BHC），其通明保护层在光谱转化导光层的上面形成光伏组件系统如图2。所述结构式-2中的PV-1、GZD 和PV-2的定义等同于图1；所述通明保护层（BHC）是玻璃，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(乙烯-乙酸乙烯酯)(PEVA)或聚酰胺接枝的聚烯烃中的一种。
所述光谱转化导光层至少由一种导光介质和至少一种荧光材料组成。所述第一光伏组件（PV-1）为单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、无定形硅光伏组件、锑化镉光伏组件、铜铟镓光伏组件、有机物光伏组件或钙钛矿光伏组件中的一种。所述第二光伏组件（PV-2）为单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、无定形硅光伏组件、锑化镉光伏组件、铜铟镓光伏组件、有机物光伏组件或钙钛矿光伏组件中的一种。所述光谱转化导光层（GZD）至少一个边缘与第二光伏组件（PV-2）耦合。至少一种导光介质是乙烯醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氨酯或聚甲基丙烯酸中的一种。至少一种荧光材料是有机荧光材料、无机荧光材料、量子点材料中的一种。至少一种荧光材料是一种二取代二芳氧基苯并杂二唑化合物所述光谱转化导光层是含有荧光材料的乙烯醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氨酯，所述通明保护层是玻璃，通过热压成型。
图4描述了光子在光谱转化导光层被吸收转化的过程，过程1表示太阳光子入射至光谱转化导光层 GZD；过程2表示部分低波长光子被光谱转化导光层中的荧光材料吸收；过程3表示被光谱转化导光层中的荧光材料吸收的低波长光子转化为高波长光子发射；过程4表示过程3发射的光子在光谱转化导光层中通过全内反射导光，减少了过程3发射的光子在上线两面的逃逸； 过程5表示发射并导光的光子通过光谱转化导光层边缘射入第二光伏组件PV2；过程6表示易于被光伏组件1吸收的太阳光子直接进入第一光伏组件，PV-1。光谱转化导光层通过过程2-4 完成部分低波长光子的吸收，转化为高波长光子，并传导集中这些转化形成的高波长光子到该层的边缘。PV-2 将光谱转化导光层集中到其边缘的高波长光子转化为电能；PV-1将光谱转化导光层没有吸收的大部分来自太阳光的光子转化为电能。由图1和图2可知，PV-1 和 PV-2的连接提高了太阳能的总体光电转化效率。本发明不仅有效通过PV-1 直接利用了高波长光子，而且通过光谱转化导光层间接将低波长光子通过PV-2利用，因此组成广谱光伏。纵观整个光伏系统，PV-2 的光子摄入面与PV-1 的光子摄入面不在一个平面上，两个摄入面也不是平行的，因此可称三维系统。这也就形成了本发明的主题，广谱三维光伏系统。
图3只说明了与光电转化有关的部分光子在光谱转化导光层的行为；没有显示与该发明无直接关联的光子在各界面的散射，反射，由低波长光子转化为的高波长光子的淬灭或再吸收，以及通过上下两面的逃逸和在边缘的非理想耦合损失等。
本发明的关键组分光谱转化导光层是含有特征荧光材料的通明介质。这里通明介质没有特殊限制，为本领域技术人员熟知的无机材料如玻璃，陶瓷或有机材料，如乙烯醋酸乙烯酯（EVA），聚乙烯醇缩丁醛（PVB），聚氨酯（PU），和聚甲基丙烯酸（PMA ）聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。为工艺方便，可优选目前生产安全玻璃，光伏组件等通用的夹胶用胶膜，如乙烯醋酸乙烯酯（EVA）和聚乙烯醇缩丁醛（PVB）。
如上所述，本发明中光谱转化导光层含有特征荧光材料，特征荧光材料要求荧光材料光谱吸收峰低于450nm，吸收转化后发射光子的发射谱峰波长高于550nm。优选荧光材料的吸收峰在350-450nm；其发射峰在550-700nm。
本发明荧光材料优选考虑如下：（1）图4和图5 显示现有光伏组件能量转化效率在波长350-450nm间比在波长550-700nm间低；（2）图6显示太阳到地球的光波中仍有相当可观的一部分光子其波长在350-450nm间；（3）科学上，发射光子的谱峰与吸收光子的谱峰间的差别称斯托克位移（Stokes shift）；在这里要求吸收较短波长（较高频率或能量）光子发射较长波长光子（较低频率或能量）也称斯托克斯荧光（Stokes fluorescence）为减少转化后的高波长光子被荧光材料再吸收淬灭，荧光材料发射光子谱峰尽可能远离其吸收光子的谱峰， 也就是斯托克位移越大越好；（4）在荧光材料结构设计的实际应用中斯托克位移100纳米是可行的，对减少自吸收也是有效的。所以本发明的特征也在于优选荧光材料的吸收峰在350-450nm和其发射峰在550-700nm。
本发明优选吸收峰在350-450nm和发射峰在550-700nm的荧光材料可以是无机荧光材料。无机荧光材料包括卤化物钙钛矿量子点,碳量子点,硅量子点，二元，三元和多元无机复合物量子点。所述量子点是一种纳米级粒子至少一维小于约50纳米，由于量子限制而表现出与尺寸相关的电子和光学特性。本发明所述二元物机复合物量子点包括但不限于CdS、CdSe、CdTe、PbS、PbSe、PbTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、InP、InAs、CS 和 ImS。 本发明所述三元和多元复合物量子点包括但不限于ZnSSe、ZnSeTe、ZnSTe、CdSSe、CdSeTe、HgSSe、HgSeTe、HgSTe、 ZnCdS、ZnCdSe、ZnCdTe、ZnHgS、ZnHgSe、ZnHgTe、CdHgS、CdHgSe、CdHgTe、ZnCdS Se、ZnHgS Se、ZnCdSeTe、ZnHgSeTe、CdHgSSe、CdHgSeTe、CuInS2、CuInSe2、CuInGaSe2、CuInZnS2、CuZnSnSe2、CuIn(Se,S)2、 CuInZn(Se,S)2 和AgIn(Se,S)2。
本发明优选吸收峰在350-450nm和发射峰在550-700nm的荧光材料可以是有机荧光材料。例如BASF的苝化合物；例如在国际专利申请WO 2011/048458中描述的并苯化合物；例如在国际专利申请WO 2011/048458中描述的苯并噻二唑化合物，特别是4,7-二-(噻吩-2'-基)-2,1,3-苯并噻二唑(DTB)；例如在国际专利申请WO 2013/098726中描述的包含苯并醚二唑基团和至少一个苯并二噻吩基团的化合物；例如在欧洲专利申请EP 2 789 620中描述的双取代的萘并噻二唑化合物；例如在欧洲专利申请EP 2 789 620描述的苯并二噻吩基团双取代的苯并杂二唑化合物；例如在国际专利WO 2016/0046310中描述的双取代的苯并杂二唑化合物；例如在国际专利申请WO 2016/0046319中描述的二取代的二芳氧基苯并杂二唑化合物。
本发明所述有机荧光材料优选N,N'-双(2',6'-二异丙基苯基)(1,6,7,12-四苯氧基)(3,4,9,10-苝-二酰亚胺(F Red 305-Basf)、4,7-二(噻吩-2'基)-2,1,3-苯并噻二唑(DTB)、5,6-二苯氧基-4,7-双(2-噻吩基)-2,1,3-苯并噻二唑(DTBOP)、5,6-二苯氧基-4,7-双[5-(2,6-二甲基苯基)-2-噻吩基]苯并[c]1,2,5-噻二唑(MPDTBOP)、5,6-二苯氧基-4,7-双[5-(2,5-二甲基苯基)-2-噻吩基]苯并[c]1,2,5-噻二唑(PPDTBOP)、4,7-双[5-(2,6-二甲基苯基)-2-噻吩基]苯并[c]1,2,5-噻二唑(MPDTB)、4,7-双[5-(2,6-二异丙基苯基)-2-噻吩基]苯并[c]1,2,5-噻二唑(IPPDTB)、4,7-双[4,5-(2,6-二甲基苯基)-2-噻吩基]苯并[c]1,2,5-噻二唑(2MPDTB)、4,7-双(7',8'-二丁基苯并[1',2'-b':4',3'-b”]二噻吩-5'-基)-苯并[c][1,2,5]噻二唑(F500)、4,9-双(7',8'-二丁基苯并[1',2'-b':4',3'-b”]二噻吩-5'-基)-萘并[2,3-c][1,2,5]噻二唑(F521)、4,7-双(5-(噻吩-2-基)噻吩-2-基)苯并[c][1,2,5]噻二唑(QTB)、4,9-双(噻吩-2'-基)-萘并[2,3-c][1,2,5]噻二唑(DTN)、9,10-二苯基蒽(DPA)或其混合物。
图6中包括三种基本组分，其中PV-1 指第一套光伏组件，也是这里的基本光伏组件；PV-2 指第二套光伏组件，也是这里的附加或称耦合光伏组件；GZD 指光谱转化导光层。图中表示的过程分别是，过程1表示太阳光子射入光谱转化导光层 GZD；过程2表示部分低波长光子被光谱转化导光层中的荧光材料吸收；过程3表示被光谱转化导光层中的荧光材料吸收的低波长光子转化为高波长光子发射；过程4表示过程3发射的光子在光谱转化导光层中通过全内反射导光，减少了过程3发射的光子在上线两面的逃逸； 过程5表示发射并导光的光子通过光谱转化导光层边缘射入第二光伏组件，PV2；过程6表示没有被光谱转化导光层吸收的大部分太阳光子通过光谱转化导光层直接进入第一光伏组件PV-1。
本发明所述有机荧光材料优选如中国专利公开CN107001353A公开的二取代二芳氧基苯并杂二唑化合物， 其典型的吸收和荧光光谱见图7。
光谱转化导光层是含有特征荧光材料的通明介质，荧光材料在通明介质里的含量为1ppm-10000ppm，更优选10ppm至1000ppm。
光谱转化导光层是含有特征荧光材料的通明介质，所述荧光材料均匀的分散在所述通明介质里。分散方式同有色透明玻璃和有色透明塑料。如此特征荧光材料在这些胶膜的分散制备可采用通用的热挤出方式，比如CN1960953A公开的具体步骤。
本发明通明介质特别优选光伏组件等通用的夹胶用胶膜，光伏用夹胶膜的作用是用来封装光伏组件，以提高其耐候性，也就是在光伏组件上通过胶膜整合保护层（BHC），如此该发明形成图2所示光伏系统。图2的PV-1，GZD 和PV-2的定义等同于结构式-1；所述通明保护层（BHC）是玻璃， 聚碳酸酯(PC)， 聚甲基丙烯酸酯(PMA)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(乙烯-乙酸乙烯酯)(PEVA)或聚酰胺接枝的聚烯烃中的一种。
本发明图2所示光伏系统中增加有光谱转化导光功能GZD区可以在夹胶过程中一同完成，光伏系统通过本领域常规夹胶方式即可完成，如在层压机中夹胶、在高压釜或夹胶箱和炉中夹胶。在夹胶过程时一并完成光谱转化导光功能GZD区的引入。
PV-1和PV-2均采用20W单晶太阳能板（12V），其尺寸为410*350mm。光伏用夹胶膜的作用是用来封装光伏组件，以提高其耐候性，也就是在光伏组件上通过胶膜整合保护层（BHC），光谱转化导光层通明介质选用通用的夹胶用胶膜，荧光材料分散方式参考CN1960953A公开的具体步骤，通过在光伏组件封膜的同时将光谱转化导光层同时涂覆，得到胶膜整合保护层。
有机荧光材料采用CN107001353A二取代二芳氧基苯并杂二唑化合物，其含量为100ppm。通过实验室光电效率测试发现如果只有PV-1和光谱转化导光层（GZD）和通明保护层（BHC）没有PV-2装置，在实际测试中光谱转化导光层（GZD）和通明保护层（BHC）没有提高PV-1的光电转换效率。以上主要是因为光谱转化导光层中的荧光材料吸收的低波长光子转化为高波长光子发射；但发射的光子在光谱转化导光层中全内反射导光，并不能提高PV-1光电转换效率。而安装了PV-2装置则提高了提高了PVA装置的光电效率。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种广谱三维光伏系统，其特征在于，系统包括第一光伏组件、形成于第一光伏组件面上的光谱转化导光层以及与光谱转化导光层边缘耦合的第二光伏组件，其中，所述光谱转化导光层其光谱吸收峰低于450nm，并把波长450nm以下的光子转化为波长550nm以上的光子，并把转化后的高波长光子传导到该层的边缘发射，所述第二光伏组件吸收光谱转化导光层发射的光子并转化为电能， 所述第一光伏组件吸收光谱转层化没吸收的光子并转化为电能，所述第一光伏组件和第二光伏组件其光子的入射方向不同。
2.根据权利要求1所述的一种广谱三维光伏系统，其特征在于，所述光伏系统含有通明保护层，其通明保护层在光谱转化导光层的上面形成光伏组件系统，所述通明保护层是玻璃、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯、聚（乙烯-乙酸乙烯酯）或聚酰胺接枝的聚烯烃中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种广谱三维光伏系统，其特征在于，所述光谱转化导光层至少由一种导光介质和至少一种荧光材料组成。
4.根据权利要求1所述的一种广谱三维光伏系统，其特征在于，所述第一光伏组件为单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、无定形硅光伏组件、锑化镉光伏组件、铜铟镓光伏组件、有机物光伏组件或钙钛矿光伏组件中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种广谱三维光伏系统，其特征在于，所述第二光伏组件为单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、无定形硅光伏组件、锑化镉光伏组件、铜铟镓光伏组件、有机物光伏组件或钙钛矿光伏组件中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种广谱三维光伏系统，其特征在于，所述光谱转化导光层至少一个边缘与第二光伏组件耦合。
7.根据权利要求3所述的一种广谱三维光伏系统，其特征在于，至少一种导光介质是乙烯醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氨酯或聚甲基丙烯酸中的一种。
8.根据权利要求3所述的一种广谱三维光伏系统，其特征在于，至少一种荧光材料是有机荧光材料、无机荧光材料或量子点材料中的一种。
9.根据权利要求3所述的一种广谱三维光伏系统，其特征在于，至少一种荧光材料是一种二取代二芳氧基苯并杂二唑化合物。
10.根据权利要求1所述的一种广谱三维光伏系统，其特征在于，所述光谱转化导光层是含有荧光材料的乙烯醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛或聚氨酯，所述通明保护层是玻璃，通过热压成型。
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