本發(fā)明屬于太陽能發(fā)電領(lǐng)域,尤其涉及一種太陽能分頻復(fù)合發(fā)電裝置。
背景技術(shù):
將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能目前主要有兩種技術(shù)途徑,一種是利用能源轉(zhuǎn)換材料將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能如太陽能光伏電池和熱電半導(dǎo)體器件;另一種是通過太陽能熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行光-熱-電轉(zhuǎn)換,前者目前發(fā)展較快,傳統(tǒng)的硅基太陽能電池技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了規(guī)?;虡I(yè)應(yīng)用,但其性價比目前尚無法與傳統(tǒng)能源相競爭,研究和發(fā)展高轉(zhuǎn)換效率、低成本的太陽能發(fā)電技術(shù)仍是太陽能利用領(lǐng)域急需解決的重要課題。
由于鈣鈦礦電池模塊的生產(chǎn)成本僅為商業(yè)化硅太陽能電池模塊的三分之一,另外鈣鈦礦具有的高消光系數(shù)、高載流子遷移率、長載流子壽命、低激子束縛能以及雙極性傳輸?shù)炔牧媳菊鞯膬?yōu)異特性使鈣鈦礦太陽能電池效率仍具有巨大的提升潛力,因此被認(rèn)為是未來最重要的太陽能電池材料之一。
盡管鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換效率提升速度迅猛,但由于受鈣鈦礦半導(dǎo)體材料自身帶隙的物理限制,只能將太陽光譜中一部分可見光波長范圍內(nèi)太陽光能量轉(zhuǎn)換為電能,而太陽輻射能量的99%集中在200至3000nm的波長范圍內(nèi),可見光波長范圍能量只占到太陽輻射能量約58%,其余的紅外光太陽能量均不能被鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換利用,因此,存在難以超越的shockley-queisser轉(zhuǎn)換效率理論極限(約30%)。研究如何利用鈣鈦礦太陽能電池的性能實(shí)現(xiàn)太陽全光譜能量利用,是提高鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵,具有重要的價值?,F(xiàn)有光伏太陽能電池受到電池材料自身帶隙的物理限制,利用部分光譜范圍內(nèi)的太陽能導(dǎo)致提高光伏太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率受限。傳統(tǒng)的硅基太陽能電池技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了規(guī)?;虡I(yè)應(yīng)用,但其目前轉(zhuǎn)換效率仍很低,一般不超過17%。波長范圍外的光譜能量會增加太陽能電池的熱負(fù)荷,降低電池效率,在降低單位發(fā)電成本的同時又受到太陽光的資源限制,無法突破太陽輻照能量密度低的困境。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的問題,提供一種太陽能分頻復(fù)合發(fā)電裝置,提高太陽能光譜利用率及太陽能發(fā)電效率。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一種太陽能分頻復(fù)合發(fā)電裝置,包括半透明鈣鈦礦太陽能電池、菲尼爾透鏡、聚光反射鏡、無機(jī)太陽能電池,將導(dǎo)電硅膠真空模塑在半透明鈣鈦礦太陽能電池下表面構(gòu)成菲尼爾透鏡,太陽光從半透明鈣鈦礦太陽能電池的上表面入射,300~800nm的太陽能光譜在半透明鈣鈦礦太陽能電池中經(jīng)過若干次反射而吸收,800~2500nm的太陽能光譜經(jīng)過聚光反射鏡會聚到無機(jī)太陽能電池上,無機(jī)太陽能電池進(jìn)行發(fā)電。利用半透明鈣鈦礦電池光譜分頻特性,在半透明鈣鈦礦太陽能電池的透明背電極上原位復(fù)合菲尼爾太陽聚光器,獲得太陽能發(fā)電/分頻/聚光子裝置,首先將分頻透射后的光線進(jìn)行光能聚集,再經(jīng)倒置圓錐形“光漏斗”進(jìn)行多級高倍聚光并使高能流密度光能在接受器表面均勻分布,接受器為太陽能電池。聚光反射鏡與菲尼爾透鏡和無機(jī)太陽能電池相連,目的是增大能留密度,使光線分布均勻,防止由于過熱點(diǎn)的出現(xiàn)而損壞太陽能分頻復(fù)合發(fā)電裝置器件。
菲尼爾透鏡的下表面與無機(jī)太陽能電池的上表面之間的距離為15mm,不等于菲尼爾透鏡的焦距。實(shí)現(xiàn)聚光的同時,也保證光線分布的均勻性,避免能流密度分布不均造成器件損壞。
按上述技術(shù)方案,聚光反射鏡為倒置圓錐形,聚光反射鏡的內(nèi)表面經(jīng)拋光處理。
按上述技術(shù)方案,菲尼爾透鏡的傾角為30°,太陽光入射角為0°。進(jìn)入半透明鈣鈦礦太陽能電池的300~800nm的太陽光不反射出去,被封在組件內(nèi),增加了光子傳輸光程,提高太陽能分頻復(fù)合發(fā)電裝置的太陽光吸收特性,提高半透明鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)換效率,進(jìn)而極大提高太陽能利用率。
半透明鈣鈦礦太陽能電池由下至上依次是:第一透明電極層、半透明功能層、第二透明電極層,半透明功能層由三層結(jié)構(gòu)組成,從下至上依次是空穴傳輸層、鈣鈦礦吸光層、電子傳輸層;第一透明電極層作為電池器件陰極,材料為ito,折射率n=2;空穴傳輸層和電子傳輸層為載流子傳輸層,空穴傳輸層材料為spir-ometad,折射率n=1.76;電子傳輸層材料為tio2,折射率n=2.4,均為透明結(jié)構(gòu);鈣鈦礦吸光層材料為ch3nh3pbi3,厚度為100~200納米,折射率n=2.74;第二透明電極層作為電池器件陽極,材料為金屬ag,厚度為8~10nm,折射率n=0.45。太陽能從半透明鈣鈦礦太陽能電池的上表面入射。
按上述技術(shù)方案,菲尼爾透鏡的焦距為30mm。
按上述技術(shù)方案,無機(jī)太陽能電池為硅太陽能電池或銅銦鎵硒太陽能電池或砷化鎵太陽能電池。
本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:通過利用半透明鈣鈦礦太陽能電池,達(dá)到了太陽光光伏發(fā)電、分頻、分級利用的目的,有效提高半透明鈣鈦礦電池本身的光伏發(fā)電效率,菲尼爾透鏡實(shí)現(xiàn)太陽光聚光,增加能流密度,節(jié)省裝置制造的成本;聚光反射鏡(二次鏡),縮減了無機(jī)太陽能電池與菲尼爾透鏡之間的距離,同時提高了光斑分布的均勻性,提高無機(jī)太陽能電池的效率,避免由于過熱點(diǎn)的出現(xiàn)損壞無機(jī)太陽能電池;降低半透明鈣鈦礦材料在550~800nm波長范圍內(nèi)的透射率,避免該波長光能透過導(dǎo)致鈣鈦礦電池短路電流損失使電池轉(zhuǎn)換效率下降。
附圖說明
下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明,附圖中:
圖1是本發(fā)明實(shí)施例太陽能分頻復(fù)合發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2是本發(fā)明實(shí)施例太陽能分頻復(fù)合發(fā)電裝置中半透明鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3是本發(fā)明實(shí)施例太陽能分頻復(fù)合發(fā)電裝置光路圖;
圖4是am1.5光譜圖及理想半透明鈣鈦礦太陽能電池的透過率;
圖5是肖克利光伏電池極限轉(zhuǎn)換效率圖;
圖6是下層光伏發(fā)電子系統(tǒng)對復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率圖;
圖7是理想匹配的電池帶隙效率圖;
圖8是鈣鈦礦光伏分頻聚光裝置制備過程流程圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實(shí)施例,對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明實(shí)施例中,提供一種太陽能分頻復(fù)合發(fā)電裝置,包括半透明鈣鈦礦太陽能電池、菲尼爾透鏡、聚光反射鏡、無機(jī)太陽能電池,將導(dǎo)電硅膠真空模塑在半透明鈣鈦礦太陽能電池下表面構(gòu)成菲尼爾透鏡,太陽光從半透明鈣鈦礦太陽能電池的上表面入射,300~800nm的太陽能光譜在半透明鈣鈦礦太陽能電池中經(jīng)過若干次反射而吸收,800~2500nm(不包括邊界點(diǎn))的太陽能光譜經(jīng)過聚光反射鏡會聚到無機(jī)太陽能電池上,無機(jī)太陽能電池進(jìn)行發(fā)電。利用半透明鈣鈦礦電池光譜分頻特性,在半透明鈣鈦礦太陽能電池的透明背電極上原位復(fù)合菲尼爾太陽聚光器,獲得太陽能發(fā)電/分頻/聚光子裝置,首先將分頻透射后的光線進(jìn)行光能聚集,再經(jīng)倒置圓錐形“光漏斗”進(jìn)行多級高倍聚光并使高能流密度光能在接受器表面均勻分布,接受器為太陽能電池。聚光反射鏡與菲尼爾透鏡和無機(jī)太陽能電池相連,目的是增大能留密度,使光線分布均勻,防止由于過熱點(diǎn)的出現(xiàn)而損壞太陽能分頻復(fù)合發(fā)電裝置器件。
進(jìn)一步地,菲尼爾透鏡的下表面與無機(jī)太陽能電池的上表面之間的距離為15mm,不等于菲尼爾透鏡的焦距。
進(jìn)一步地,聚光反射鏡為倒置圓錐形,聚光反射鏡的內(nèi)表面經(jīng)拋光處理。
進(jìn)一步地,菲尼爾透鏡的傾角為30°,太陽光入射角為0°。小于800nm的太陽光能在頂電極上發(fā)生全反射,提高半透明鈣鈦礦太陽能電池的吸收性,提高電池效率;大于800nm的太陽光在半透明鈣鈦礦太陽能電池的背電極上發(fā)生全反射,不重新進(jìn)入鈣鈦礦電池。
進(jìn)一步地,半透明鈣鈦礦太陽能電池由下至上依次是:第一透明電極層、半透明功能層、第二透明電極層,半透明功能層由三層結(jié)構(gòu)組成,從下至上依次是空穴傳輸層、鈣鈦礦吸光層、電子傳輸層;第一透明電極層作為電池器件陰極,材料為ito,折射率n=2;空穴傳輸層和電子傳輸層為載流子傳輸層,空穴傳輸層材料為spir-ometad,折射率n=1.76;電子傳輸層材料為tio2,折射率n=2.4,均為透明結(jié)構(gòu);鈣鈦礦吸光層材料為ch3nh3pbi3,厚度為100~200納米,折射率n=2.74,為半透明結(jié)構(gòu);第二透明電極層作為電池器件陽極,材料為金屬ag,厚度為8~10nm,折射率n=0.45。
進(jìn)一步地,菲尼爾透鏡的焦距為30mm。
進(jìn)一步地,無機(jī)太陽能電池為硅太陽能電池或銅銦鎵硒太陽能電池或砷化鎵太陽能電池。
如圖1、圖2所示,本發(fā)明的太陽能分頻復(fù)合發(fā)電裝置,包括無機(jī)太陽能電池101、聚光反射鏡102、半透明鈣鈦礦電池及菲尼爾透鏡103。無機(jī)太陽能電池位于菲尼爾透鏡的下表面15mm處,并不等于菲尼爾透鏡的焦距。半透明鈣鈦礦太陽能電池由下至上依次是:第一透明電極層1-1-5、半透明功能層、第二透明電極層1-1-1,半透明功能層由三層結(jié)構(gòu)組成,從下至上依次是空穴傳輸層1-1-2、鈣鈦礦吸光層1-1-3、電子傳輸層1-1-4。
如圖3所示,是本發(fā)明實(shí)施例太陽能分頻復(fù)合發(fā)電裝置光路圖,從圖中可以看出半透明鈣鈦礦太陽能電池的透光性,透過來的能量經(jīng)由菲尼爾透鏡和聚光反射鏡聚光到無機(jī)太陽能電池上。不同入射角,不同菲尼爾透鏡傾角情況下,發(fā)生全反射現(xiàn)象的不同界面,即不同材料的計算公式具體為:
其中γ為光線經(jīng)過鈣鈦礦電池和菲尼爾透鏡后重新反射到鈣鈦礦層的入射角度;θ0為為太陽光入射進(jìn)入裝置的角度;n為不同材料的折射率;i為發(fā)生全反射界面的代號,取值范圍為0-7,0為空氣層;1為玻璃層;2為ito層;3為spir-ometad層;4鈣鈦礦層;5為tio2層;6為ito層;7為菲涅爾透鏡層。
太陽能電池透過率受電池單層介質(zhì)厚度、消光系數(shù)、折射率的影響:τ=f(d,k,n)。針對不同介質(zhì)的折射率,設(shè)計所需厚度,可實(shí)現(xiàn)所需的透過率。
所述單層介質(zhì)透過率(τ)具體公式為:
所述反射率(r)可由下式表示:
所述鈣鈦礦太陽能電池總的透過率(τtotal)具體公式為:
式中n是介質(zhì)折射率;d為介質(zhì)厚度;α為介質(zhì)材料吸收系數(shù);k為介質(zhì)消光系數(shù);δ為介質(zhì)中缺陷散射吸收系數(shù);i為不同介質(zhì)層;λ0為光線在真空中波長;τtotal為鈣鈦礦太陽能電池總的透過率。可根據(jù)下層不同帶隙的太陽能電池,合理選擇每層介質(zhì)的厚度及折射率,實(shí)現(xiàn)透過率可控,最大程度有效利用太陽光譜,實(shí)現(xiàn)最佳帶隙匹配。
如圖4所示,是am1.5的太陽光譜以及其與理想半透明鈣鈦礦太陽能電池透過率耦合后得到的平均透過率。從圖中可以看出,小于800納米的波長透過率為0,大于800納米的波長透過率為1,其與am1.5光譜耦合后的平均透過率為42%。
本發(fā)明的一個實(shí)施例中,硅太陽能電池放置于菲尼爾透鏡下方的15毫米處。太陽光入射到半透明鈣鈦礦電池的太陽能發(fā)電/分頻/聚光裝置及其應(yīng)用系統(tǒng),半透明鈣鈦礦太陽能電池將太陽光譜進(jìn)行分頻,透過電池的能量,經(jīng)菲尼爾透鏡這一聚光單元,將透過來的太陽光進(jìn)行低倍聚光,聚光后的能量到達(dá)硅太陽能電池發(fā)電單元。此方案的原理為:入射太陽光經(jīng)過半透明鈣鈦礦太陽能電池部分被吸收后轉(zhuǎn)換為電能,而未被吸收轉(zhuǎn)換的550~780nm范圍部分可見光和紅外光,總共約占入射太陽光能量的36~40%,該能量經(jīng)聚光透鏡聚集后可轉(zhuǎn)換為電能,硅太陽能電池與鈣鈦礦太陽能電池形成了較好的能量利用補(bǔ)充關(guān)系,可提高整個系統(tǒng)的太陽能轉(zhuǎn)換效率;另外,太陽能發(fā)電/分頻/聚光子裝置由于具有分頻聚光功能可使太陽光能聚集,提高到達(dá)硅太陽能電池上的太陽光能流密度,可提高光電轉(zhuǎn)換效率,并使太陽能電池用量減少。由圖5可以看出,半透明鈣鈦礦太陽能電池的平均透過率為33%,下方放置的硅太陽能電池可利用800-1100nm的能量。若用帶隙為1.5ev的鈣鈦礦太陽能電池,經(jīng)由硅太陽能電池復(fù)合,總效率為38.6%。如圖6所示。
通過圖7可以很容易的得出不同帶隙配合不同下層電池帶隙的復(fù)合系統(tǒng)總效率。若用帶隙為1.5ev的鈣鈦礦太陽能電池電池,帶隙為1.1ev的下層太陽能電池,復(fù)合系統(tǒng)的總效率為44%。如圖5所示是不同帶隙的光伏電池的肖克利極限轉(zhuǎn)換效率,圖6是不同上層電池帶隙情況下太陽能電池發(fā)電單元的極限轉(zhuǎn)換效率。由圖5,6可以看出,下層太陽能發(fā)電單元的轉(zhuǎn)換效率也具有像光伏電池那樣具有與帶隙匹配的極限效率,由圖7可以看出與不同帶隙的太陽能電池復(fù)合,下層太陽能發(fā)電的貢獻(xiàn)率可在6~18%之間,,另外,下層電池發(fā)電單元與上層光電能量利用上存在明顯的互補(bǔ)關(guān)系,通過兩種相同的能量轉(zhuǎn)換方式復(fù)合可以拓寬太陽光譜的利用范圍,使整個系統(tǒng)效率提高,效率可達(dá)到44%以上,理想匹配的太陽能電池材料的帶隙范圍在1.4~1.7ev之間。圖8是鈣鈦礦光伏分頻聚光裝置制備過程流程圖。其制備過程為:(1)準(zhǔn)備好工裝/設(shè)備和夾具,菲尼爾透鏡角度的成型主要靠不同角度的磨具,準(zhǔn)備完成后,等待;(2)將液態(tài)的透明有機(jī)硅膠倒在模具上;(3)用真空模塑工藝將鈣鈦礦太陽能電池壓在注有有機(jī)硅膠的模具上;(4)在中低溫的條件下,等待固化,固化之后脫模,形成鈣鈦礦光譜分頻聚光裝置.優(yōu)點(diǎn):有機(jī)硅膠處于電池背面,部分紫外光被玻璃過濾,硅膠非直接接觸太陽光紫外線照射,減弱了有機(jī)硅膠老化的問題;有機(jī)硅膠透鏡鈣鈦礦太陽能電池整體覆蓋還可以起到電池二次封裝保護(hù)作用。
沿著太陽光入射方向從上往下依次為半透明鈣鈦礦太陽能電池、菲尼爾透鏡、聚光反射鏡、無機(jī)太陽能電池。無機(jī)太陽能電池可利用800~2500nm的太陽光譜能量。經(jīng)倒置圓錐形“光漏斗”聚光反射鏡進(jìn)行多級高倍聚光并使高能流密度光能在接受器表面均勻分布,接受器為無機(jī)太陽能電池。
本發(fā)明基于半透明鈣鈦礦電池的太陽能發(fā)電裝置,不僅大幅簡化了全光譜太陽能復(fù)合裝置發(fā)電單元的結(jié)構(gòu),而且也使太陽光能量在光電復(fù)合發(fā)電單元中傳輸、能量吸收與轉(zhuǎn)換的過程更加合理,首先,太陽光在聚光前被吸收轉(zhuǎn)化,可充分利用太陽光中的散射光,提高了太陽能量的利用率,其次,不能被轉(zhuǎn)換的低能光子分頻透射后,減小了鈣鈦礦薄膜太陽能電池的熱負(fù)荷,降低了溫度對電池轉(zhuǎn)換效率的影響,最后,采用了菲尼爾透鏡加倒置錐形封閉腔體限光的設(shè)計方案,可減小紅外光線的反射損失。
應(yīng)當(dāng)理解的是,對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說,可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換,而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。