荧光集光太阳能光伏器件制备工艺改进及新型器件结构研究

【摘要】：本论文的主要工作为荧光集光太阳能光伏器件(LSC)制备工艺的改进及LSC新型器件结构的研究。论文分为三个部分(三章)：第一部分是文献综述；第二部分是液相夹层LSC和原位聚合工艺制备PMMA-LSC的研究；第三部分是底面耦合电池结构LSC的制备与优化。 第一章主要综述了荧光集光太阳能光伏器件的研究背景和国内外相关工作的最新研究进展。首先,对太阳能电池的原理进行了简单介绍,并对太阳能电池的发展历史、现状与趋势及光伏建筑一体化进行了总结；其次,从荧光集光太阳能光伏器件的损耗机制及降低损耗的路径出发对目前荧光集光太阳能光伏器件的研究进展进行了概括,并对影响荧光集光太阳能光伏器件效率的因素和存在的问题进行了分析；最后,说明了本论文的主要研究内容及意义。 第二章是荧光集光太阳能光伏器件制备工艺的优化研究。(1)通过在玻璃夹层中注入荧光染料溶液制备了78mm×78mm×mm液相夹层LSC,耦合硅电池后光电转换效率达到3.9%,比使用相同染料的同尺寸玻璃夹胶LSC提高了30%。理论计算表明,由于荧光夹层均匀,无杂质缺陷,液相夹层LSC的实测效率接近器件的理论效率极限。此类LSC既能通过玻璃保护荧光层又能保持较高的光电转换效率,且可快速更换荧光染料溶液循环利用,提供了一种LSC光伏建筑一体化应用路径。(2)用原位聚合工艺制备了一系列78mm×78mm×7mm PMMA-LSC,由于PMMA光波导均匀无缺陷,其光传输损耗比玻璃夹胶明显降低,四侧耦合硅电池后光电转换效率最高达到4.10%,接近了目前使用晶体硅电池LSC的最高效率。当PMMA光波导的三侧耦合反射镜,一侧耦合太阳能电池时,耦合电池的功率最高达到109.5mW,实现了等效聚光。在此基础上,考察了PMMA光波导不同区域对侧面耦合电池输出功率的贡献,研究了反射镜和底面白色背景对LSC中荧光传输性能的影响。结果表明,白色背景和三侧反射镜都能有效提高光波导各区域对侧面电池功率的贡献,白色背景对侧面电池功率的提高作用在短距离处较明显,三侧耦合反射镜对电池功率的提高作用则在长距离处更明显。 第三章针对目前LSC中所用荧光材料吸收波段有限和自吸收的问题,开展了LSC新型结构的研究。我们基于PMMA平面光波导制备了一系列78mm×78mm×7mm底面耦合电池结构的LSC (BMP-LSC),该结构不仅能吸收光波导荧光而且能够吸收透射太阳光及部分逃逸光锥内的荧光。研究了PMMA光波导不同区域对底面耦合电池功率的贡献,并考察了电池覆盖面积与LSC性能的关系以及底面耦合电池间的相互影响,探索了提高器件效率和性价比的途径。研究发现,耦合一块太阳能电池BMP-LSC的功率增益最高达到1.38,据我们所知,为已报道的PMMA-LSC效率的最高值；耦合两块太阳能电池时实现了较低的$1.89W-1发电成本；耦合三块太阳能电池时可达到5.03%的光电转换效率。考察了底面两块耦合电池间距对BMP-LSC效率的影响,发现电池中心相距29mm时,电池功率增益较高,相距太近或太远都会由于电池间的荧光竞争吸收及荧光传输路径变长影响到电池效率。最后对BMP-LSC在光伏建筑一体化中的应用进行了展望。 【关键词】：荧光集光太阳能光伏器件 光伏建筑一体化 LSC工艺改进 液相夹层 原位聚合 PMMA 光波导 荧光染料 性价比
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第一章 文献综述11-51
• 1.1 太阳能简介11-17
• 1.1.1 太阳能电池12-17
• 1.1.1.1 太阳能电池的工作原理12-13
• 1.1.1.2 太阳能电池的发展历史、现状与趋势13-15
• 1.1.1.3 光伏建筑一体化15-17
• 1.2 荧光集光太阳能光伏器件17-42
• 1.2.1 荧光集光太阳能光伏器件的工作原理17-18
• 1.2.2 荧光集光太阳能光伏器件的损耗18-22
• 1.2.2.1 光波导介质的传输损耗18-19
• 1.2.2.2 荧光材料的损耗19-21
• 1.2.2.3 太阳能电池的效率损耗21-22
• 1.2.3 荧光集光太阳能光伏器件的研究进展22-40
• 1.2.3.1 光波导介质的选择22-24
• 1.2.3.2 荧光材料筛选24-35
• 1.2.3.2.1 有机荧光染料24-30
• 1.2.3.2.2 半导体量子点材料30-31
• 1.2.3.2.3 稀土发光离子31-33
• 1.2.3.2.4 潜在的LSC荧光材料33-34
• 1.2.3.2.5 金属表面等离子体增强LSC发光34-35
• 1.2.3.3 电池与荧光材料匹配度的优化——叠层LSC的设计和制备35-37
• 1.2.3.4 其它减少逃逸损失的方法37-40
• 1.2.4 LSC的数值模拟40-42
• 1.3 论文主要内容及研究意义42-43
• 参考文献43-51
• 第二章 荧光集光太阳能光伏器件制备工艺的优化51-75
• 2.1 液相夹层荧光集光太阳能光伏器件51-60
• 2.1.1 引言51-53
• 2.1.2 实验部分53-55
• 2.1.2.1 试剂与仪器53
• 2.1.2.2 液相夹层LSC的制备53-54
• 2.1.2.3 液相夹层LSC的性能表征54-55
• 2.1.3 结果和讨论55-57
• 2.1.4 理论模拟57-60
• 2.2 原位聚合PMMA制备荧光集光太阳能光伏器件60-69
• 2.2.1 引言60-61
• 2.2.2 实验部分61-63
• 2.2.2.1 试剂与仪器61
• 2.2.2.2 原位聚合PMMA制备LSC器件61-62
• 2.2.2.3 器件性能表征62-63
• 2.2.3 结果与讨论63-69
• 2.2.3.1 PMMA-LSC性能63-65
• 2.2.3.2 反射镜对PMMA-LSC性能影响65-67
• 2.2.3.3 PMMA光波导各区域对LSC的功率贡献67-69
• 2.3 本章小结69-70
• 参考文献70-75
• 第三章 荧光集光太阳能光伏器件新型结构探索75-91
• 3.1 引言75-77
• 3.2 实验部分77
• 3.3 结果和讨论77-87
• 3.3.1 BMP-LSC性能分析77-79
• 3.3.2 电池耦合方向对BMP-LSC性能的影响79-80
• 3.3.3 PMMA光波导各区域对BMP-LSC效率的贡献80-82
• 3.3.4 底面耦合电池数对BMP-LSC性能的影响82-83
• 3.3.5 BMP-LSC中底面耦合电池间距对效率的影响83-87
• 3.4 本章小结87-88
• 参考文献88-91
• 总结与展望91-92
• 在读期间发表学术论文与成果92-93
• 致谢93

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