一種量子點(diǎn)摻雜型太陽能熒光聚光發(fā)電系統(tǒng)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種太陽能熒光聚光發(fā)電系統(tǒng)及其制造方法，尤其涉及一種量子點(diǎn)摻雜型太陽能熒光聚光發(fā)電系統(tǒng)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球煤炭、石油及天然氣等天然資源的過度開發(fā)使用，大量尾氣的排放使得全球氣候迅速變暖，環(huán)境日益惡化。為響應(yīng)國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略方針，我國正加大對(duì)各種可再生能源的開發(fā)力度，太陽能因其取之不盡用之不竭、綠色環(huán)保、低成本、便利等優(yōu)良特性成為眾多可再生能源中的重點(diǎn)開發(fā)對(duì)象。
[0003]盡管太陽能發(fā)電在國家政策上得到大力支持和推廣，但仍然存在一些致命缺陷，即由于太陽能電池本身結(jié)構(gòu)的不足，如娃基太陽能電池(Solar Cells)需要特定的光線入射角，非晶硅及有機(jī)薄膜電池的發(fā)電成本太高等，使得太陽能發(fā)電只能在特定、寬敞的空間里得到較好的應(yīng)用，而在高度密集化的城市中由于空間區(qū)域的限制卻難以大面積應(yīng)用，從而大大限制太陽能發(fā)電的全面推廣。如今，在現(xiàn)代都市中形成以大量無機(jī)玻璃或半透明有機(jī)材料為幕墻的建筑群，若把太陽能發(fā)電系統(tǒng)嵌入于城市建筑群幕墻或房頂上實(shí)現(xiàn)光伏(PV)建筑一體化，不僅可以保持現(xiàn)代建筑的原貌與美觀，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)大面積太陽能發(fā)電，是一種極具潛力和經(jīng)濟(jì)效益的新型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。
[0004]在建筑密集化的城市里，平板型太陽能聚光器的出現(xiàn)為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的推廣起到推波助瀾的功效，因其顯著的聚光效果，大大改善光線入射角對(duì)太陽能發(fā)電效率的影響。同時(shí)，太陽光照射面從太陽能電池轉(zhuǎn)移至平板聚光器表面，大量熱能可以得到有效轉(zhuǎn)移和分散，從而大大延長(zhǎng)太陽能電池的使用壽命和減少太陽能電池的用量，間接降低太陽能發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)造成本。
[0005]盡管如此，目前的太陽能發(fā)電系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率仍然比較低。這是由于現(xiàn)有聚光器的聚光性能較差，太陽光照射在聚光器上后由于光的吸收、折射及散射等作用，大量太陽光被損失和浪費(fèi)而不能有效轉(zhuǎn)換為電能。鑒于此，新型太陽能熒光聚光器(LSC)的提出能有效改善聚光性能，從而提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0006]至今，與太陽能熒光聚光器相關(guān)的發(fā)明專利也不斷涌現(xiàn)。CN101393941A專利文件(申請(qǐng)?zhí)?00810194449.0)提出一種熒光平面光波導(dǎo)太陽能電池光伏發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)明構(gòu)造出一種熒光平面光波導(dǎo)太陽能電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)，以降低太陽能光伏發(fā)電的成本，實(shí)現(xiàn)用側(cè)面大小的太陽能電池來接收表面大小的光照，達(dá)到等效聚光效果；CN101951189A專利文件(申請(qǐng)?zhí)?01010256149.8)提出一種大面積熒光聚光太陽能電池系統(tǒng)，該發(fā)明旨在解決太陽能電池發(fā)電成本較高的技術(shù)問題，特點(diǎn)是在受光面積較大的熒光聚光器的特定區(qū)域制作發(fā)光面積較小的導(dǎo)光板，為太陽能電池提供聚光效果；CN103117320A專利文件(申請(qǐng)?zhí)?01310025173.4)提出一種基于三碘化銫錫的光波導(dǎo)熒光聚光結(jié)構(gòu)及其制備方法，該發(fā)明通過使用鏡面反射層、內(nèi)分光薄膜層和外分光薄膜層等光學(xué)結(jié)構(gòu)得到光波導(dǎo)熒光聚光結(jié)構(gòu)，從而得到低成本和較高光電轉(zhuǎn)化效率的新型太陽能電池。
[0007]然而在現(xiàn)有太陽能熒光聚光器的發(fā)明技術(shù)中，仍存在許多局限性。在熒光材料的選擇中，常見技術(shù)提出使用有機(jī)染料作為熒光材料，然而有機(jī)染料長(zhǎng)期在太陽光的照射下易分解，光、熱穩(wěn)定性較差且能量自吸收損耗嚴(yán)重；也有技術(shù)提出使用無機(jī)量子點(diǎn)(QDs)硫化鎘、砸化鎘、硫化鉛或碲鎘汞中任何一種或其組合作為熒光材料，這類量子點(diǎn)材料由于含有重金屬等有毒離子，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，嚴(yán)重限制其商品化推廣。
[0008]另外，還有技術(shù)提出把太陽能電池安裝在大面積熒光受光面上直接暴露于太陽光下，由于太陽光中有近40%的無光電效應(yīng)的紅外光會(huì)被聚焦到太陽能電池上，造成太陽能電池長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境中工作，加上高能紫外線的老化作用，導(dǎo)致太陽能電池使用壽命大大縮短；同時(shí)，太陽能電池本身的吸收光和不透光特性，光線不能穿透太陽能電池而被阻擋光照射進(jìn)入建筑室內(nèi)，從而限制該套發(fā)電系統(tǒng)在建筑群幕墻或房頂上的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供一種通過光穩(wěn)定性好、高效、綠色環(huán)保的量子點(diǎn)熒光材料，與平面光波導(dǎo)技術(shù)和太陽能電池相結(jié)合，構(gòu)造出一種新型平面熒光光波導(dǎo)聚光太陽能電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)，并將該發(fā)電系統(tǒng)嵌入于建筑群幕墻或房頂上，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電與建筑一體化。
[0010]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種量子點(diǎn)摻雜型太陽能熒光聚光發(fā)電系統(tǒng)，包括平面熒光光波導(dǎo)和太陽能電池，所述平面熒光光波導(dǎo)由熒光物質(zhì)和平面光波導(dǎo)復(fù)合而成，所述熒光物質(zhì)是三元或三元以上無機(jī)量子點(diǎn)材料。
[0011 ] 進(jìn)一步地，所述熒光物質(zhì)的化學(xué)組成為AInB2,其中，A為Cu、Ag中的一種或其組合，B為S、Se、Te中的一種或其組合。
[0012]進(jìn)一步地，所述熒光物質(zhì)的外層包裹一層化學(xué)組成為XY的化合物，其中，X為Zn，Y為S、Se、Te中的一種或其組合。
[0013]進(jìn)一步地，所述焚光物質(zhì)的斯托克斯(Stokes)位移大于或等于50nm。
[0014]進(jìn)一步地，所述平面光波導(dǎo)為上、下表面面積是其側(cè)面面積的10倍以上的塊狀光學(xué)結(jié)構(gòu)。
[0015]上表面是空氣/光波導(dǎo)界面，太陽光照射面；下表面是光波導(dǎo)/空氣界面，太陽光透射面。
[0016]進(jìn)一步地，所述平面光波導(dǎo)是扇形、圓形、矩形、多邊形和不規(guī)則圖形中的一種或其組合。
[0017]平面光波導(dǎo)的外觀呈現(xiàn)多樣化。
[0018]進(jìn)一步地，所述平面光波導(dǎo)以高分子材料作為基體。
[0019]進(jìn)一步地，所述高分子材料是聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚二甲基硅氧烷。
[0020]進(jìn)一步地，所述平面熒光光波導(dǎo)按以下三種方法之一制備:將熒光物質(zhì)通過摻雜進(jìn)入平面光波導(dǎo)基體中復(fù)合形成熒光板，或?qū)晒馕镔|(zhì)通過印刷、旋涂、噴涂工藝在平面光波導(dǎo)上、下表面形成熒光薄膜，或通過層壓技術(shù)將熒光材料封裝于平面光波導(dǎo)中。
[0021]進(jìn)一步地，所述太陽能電池為單晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜和有機(jī)聚合物太陽能電池中的一種。
[0022]一種上述量子點(diǎn)摻雜型太陽能熒光聚光發(fā)電系統(tǒng)的制造方法，具體為:先采用高分子材料制備平面光波導(dǎo)，然后按以下三種方法之一制備平面熒光光波導(dǎo):將熒光物質(zhì)通過摻雜進(jìn)入光波導(dǎo)基體中復(fù)合形成熒光板，或?qū)晒馕镔|(zhì)通過印刷、旋涂、噴涂工藝在平面光波導(dǎo)上、下表面形成熒光薄膜，或通過層壓技術(shù)將熒光材料封裝于平面光波導(dǎo)中；再將太陽能電池安裝于平面熒光光波導(dǎo)的側(cè)面，得到量子點(diǎn)摻雜型太陽能熒光聚光發(fā)電系統(tǒng)。
[0023]本發(fā)明的工作原理為:太陽光以任意角度入射到平面光波導(dǎo)后，通過平面光波導(dǎo)本身對(duì)光的吸收和折射，一大部分太陽光進(jìn)入到平面光波導(dǎo)內(nèi)，這部分太陽光傳播方向均不相同，分別向四周傳播。其中一部分光入射到光波導(dǎo)與空氣的界面(下表面)時(shí)，由于入射角大于全反射臨界角Θ，其中G=Sin1(IA1), n為光波導(dǎo)折射率，在光波導(dǎo)內(nèi)部會(huì)發(fā)生全發(fā)射現(xiàn)象，在經(jīng)過多次全發(fā)射后最終傳輸?shù)焦獠▽?dǎo)側(cè)面被太陽能電池吸收；而對(duì)于另一小部分入射角小于臨界角的光線，由于折射或透射從光波導(dǎo)下表面?zhèn)鬏敵鰜?，進(jìn)入建筑室內(nèi)實(shí)現(xiàn)建筑室內(nèi)太陽光照明。更重要的是，光波導(dǎo)中的熒光材料吸收短波長(zhǎng)光后，通過自身的光轉(zhuǎn)換特性，會(huì)向四周發(fā)射出能被太陽能電池有效吸收的長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，該長(zhǎng)波長(zhǎng)光經(jīng)過多次內(nèi)全反射傳輸?shù)絺?cè)面被太陽能電池吸收。如此結(jié)構(gòu)起到吸收、傳輸或發(fā)射、匯聚光能的多重作用，從而增加太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0024]本發(fā)明具有以下有益效果:
I本發(fā)明選用高效、穩(wěn)定性好且無污染的新型無機(jī)量子點(diǎn)材料充當(dāng)太陽能熒光聚光器的熒光材料，該熒光材料具有合適的禁帶寬度、光吸收系數(shù)高及超寬帶發(fā)射等光學(xué)特性，將不能被太陽能電池有效吸收的高能光子轉(zhuǎn)換為太陽能電池高效吸收的低能光子，增加太陽能電池單位面積入射光子數(shù)，以提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率；該熒光材料不含有毒物質(zhì)、對(duì)環(huán)境無污染，而且熒光物質(zhì)的原材料豐富、價(jià)廉，合成工藝簡(jiǎn)單，能夠加快太陽能熒光、聚光發(fā)電系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化推廣。
[0025]2本發(fā)明的平面熒光光波導(dǎo)選用高折射率、優(yōu)良光學(xué)特性、透明度好、物理化學(xué)性能穩(wěn)定且易成型加工的高分子材料作為基體，通過物理或化學(xué)方法將熒光材料與基體復(fù)合制作成平面熒光光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)自然光和熒光的雙層輸出效果，能夠代替太陽能電池收集太陽光，進(jìn)而傳遞給太陽能電池，避免太陽能電池面在太陽光下直接暴曬，減緩太陽能電池的老化，有利于延長(zhǎng)太陽能電池的使用壽命；同時(shí)，為光伏建筑一體化提供足夠的可能性。
[0026]3本發(fā)明提出一種新型太陽能熒光聚光器，以三元或三元以上無機(jī)量子點(diǎn)材料作為熒光轉(zhuǎn)換中心，能夠把太陽光中的藍(lán)紫光轉(zhuǎn)換成紅光，能夠很好的克服熒光材料使用壽命短、光熱穩(wěn)定性差、光電轉(zhuǎn)換效率低以及環(huán)境污染嚴(yán)重等缺陷，加快推進(jìn)光伏建筑一體化進(jìn)程。
[0027]4本發(fā)明將太陽能電池貼裝于平面熒光光波導(dǎo)的側(cè)邊，側(cè)邊貼裝數(shù)量至少一側(cè)或四側(cè)不等，用于吸收光進(jìn)而發(fā)電，節(jié)省太陽能電池的用量，降低光伏發(fā)電成本。
[0028]5本發(fā)明的太陽能熒光聚光發(fā)電系統(tǒng)，降低光伏發(fā)電受光入射角的影響，可以與現(xiàn)代化和密集化的建筑群實(shí)現(xiàn)完美融合。將平面熒光光波導(dǎo)代替建筑用材料直接安裝于建筑群的幕墻、窗及房頂上，實(shí)現(xiàn)光伏建筑一體化，不僅可以保持現(xiàn)代建筑的藝術(shù)性，在保障一定程度透光性的前提下，還可以把一部分太陽光轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)太陽光的高效利用；同時(shí)，也可以單獨(dú)作為太陽能電池的輔助系統(tǒng)使用，大幅度降低光伏組件系統(tǒng)的制造成本，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的大面積實(shí)用化，大大提升光伏發(fā)電的性價(jià)比，可以為可再生能源的開發(fā)增添實(shí)質(zhì)性的經(jīng)濟(jì)效益，因此是一種極具潛力和經(jīng)濟(jì)效益的新型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。
【附圖說明】