熒光集光太陽能光伏器件制備工藝改進及新型器件結構研究

【摘要】：本論文的主要工作為熒光集光太陽能光伏器件(LSC)制備工藝的改進及LSC新型器件結構的研究。論文分為三個部分(三章)：第一部分是文獻綜述；第二部分是液相夾層LSC和原位聚合工藝制備PMMA-LSC的研究；第三部分是底面耦合電池結構LSC的制備與優(yōu)化。 第一章主要綜述了熒光集光太陽能光伏器件的研究背景和國內(nèi)外相關工作的最新研究進展。首先,對太陽能電池的原理進行了簡單介紹,并對太陽能電池的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與趨勢及光伏建筑一體化進行了總結；其次,從熒光集光太陽能光伏器件的損耗機制及降低損耗的路徑出發(fā)對目前熒光集光太陽能光伏器件的研究進展進行了概括,并對影響熒光集光太陽能光伏器件效率的因素和存在的問題進行了分析；最后,說明了本論文的主要研究內(nèi)容及意義。 第二章是熒光集光太陽能光伏器件制備工藝的優(yōu)化研究。(1)通過在玻璃夾層中注入熒光染料溶液制備了78mm×78mm×mm液相夾層LSC,耦合硅電池后光電轉換效率達到3.9%,比使用相同染料的同尺寸玻璃夾膠LSC提高了30%。理論計算表明,由于熒光夾層均勻,無雜質(zhì)缺陷,液相夾層LSC的實測效率接近器件的理論效率極限。此類LSC既能通過玻璃保護熒光層又能保持較高的光電轉換效率,且可快速更換熒光染料溶液循環(huán)利用,提供了一種LSC光伏建筑一體化應用路徑。(2)用原位聚合工藝制備了一系列78mm×78mm×7mm PMMA-LSC,由于PMMA光波導均勻無缺陷,其光傳輸損耗比玻璃夾膠明顯降低,四側耦合硅電池后光電轉換效率最高達到4.10%,接近了目前使用晶體硅電池LSC的最高效率。當PMMA光波導的三側耦合反射鏡,一側耦合太陽能電池時,耦合電池的功率最高達到109.5mW,實現(xiàn)了等效聚光。在此基礎上,考察了PMMA光波導不同區(qū)域?qū)让骜詈想姵剌敵龉β实呢暙I,研究了反射鏡和底面白色背景對LSC中熒光傳輸性能的影響。結果表明,白色背景和三側反射鏡都能有效提高光波導各區(qū)域?qū)让骐姵毓β实呢暙I,白色背景對側面電池功率的提高作用在短距離處較明顯,三側耦合反射鏡對電池功率的提高作用則在長距離處更明顯。 第三章針對目前LSC中所用熒光材料吸收波段有限和自吸收的問題,開展了LSC新型結構的研究。我們基于PMMA平面光波導制備了一系列78mm×78mm×7mm底面耦合電池結構的LSC (BMP-LSC),該結構不僅能吸收光波導熒光而且能夠吸收透射太陽光及部分逃逸光錐內(nèi)的熒光。研究了PMMA光波導不同區(qū)域?qū)Φ酌骜詈想姵毓β实呢暙I,并考察了電池覆蓋面積與LSC性能的關系以及底面耦合電池間的相互影響,探索了提高器件效率和性價比的途徑。研究發(fā)現(xiàn),耦合一塊太陽能電池BMP-LSC的功率增益最高達到1.38,據(jù)我們所知,為已報道的PMMA-LSC效率的最高值；耦合兩塊太陽能電池時實現(xiàn)了較低的$1.89W-1發(fā)電成本；耦合三塊太陽能電池時可達到5.03%的光電轉換效率?？疾炝说酌鎯蓧K耦合電池間距對BMP-LSC效率的影響,發(fā)現(xiàn)電池中心相距29mm時,電池功率增益較高,相距太近或太遠都會由于電池間的熒光競爭吸收及熒光傳輸路徑變長影響到電池效率。最后對BMP-LSC在光伏建筑一體化中的應用進行了展望。 【關鍵詞】：熒光集光太陽能光伏器件 光伏建筑一體化 LSC工藝改進 液相夾層 原位聚合 PMMA 光波導 熒光染料 性價比
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第一章 文獻綜述11-51
• 1.1 太陽能簡介11-17
• 1.1.1 太陽能電池12-17
• 1.1.1.1 太陽能電池的工作原理12-13
• 1.1.1.2 太陽能電池的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與趨勢13-15
• 1.1.1.3 光伏建筑一體化15-17
• 1.2 熒光集光太陽能光伏器件17-42
• 1.2.1 熒光集光太陽能光伏器件的工作原理17-18
• 1.2.2 熒光集光太陽能光伏器件的損耗18-22
• 1.2.2.1 光波導介質(zhì)的傳輸損耗18-19
• 1.2.2.2 熒光材料的損耗19-21
• 1.2.2.3 太陽能電池的效率損耗21-22
• 1.2.3 熒光集光太陽能光伏器件的研究進展22-40
• 1.2.3.1 光波導介質(zhì)的選擇22-24
• 1.2.3.2 熒光材料篩選24-35
• 1.2.3.2.1 有機熒光染料24-30
• 1.2.3.2.2 半導體量子點材料30-31
• 1.2.3.2.3 稀土發(fā)光離子31-33
• 1.2.3.2.4 潛在的LSC熒光材料33-34
• 1.2.3.2.5 金屬表面等離子體增強LSC發(fā)光34-35
• 1.2.3.3 電池與熒光材料匹配度的優(yōu)化——疊層LSC的設計和制備35-37
• 1.2.3.4 其它減少逃逸損失的方法37-40
• 1.2.4 LSC的數(shù)值模擬40-42
• 1.3 論文主要內(nèi)容及研究意義42-43
• 參考文獻43-51
• 第二章 熒光集光太陽能光伏器件制備工藝的優(yōu)化51-75
• 2.1 液相夾層熒光集光太陽能光伏器件51-60
• 2.1.1 引言51-53
• 2.1.2 實驗部分53-55
• 2.1.2.1 試劑與儀器53
• 2.1.2.2 液相夾層LSC的制備53-54
• 2.1.2.3 液相夾層LSC的性能表征54-55
• 2.1.3 結果和討論55-57
• 2.1.4 理論模擬57-60
• 2.2 原位聚合PMMA制備熒光集光太陽能光伏器件60-69
• 2.2.1 引言60-61
• 2.2.2 實驗部分61-63
• 2.2.2.1 試劑與儀器61
• 2.2.2.2 原位聚合PMMA制備LSC器件61-62
• 2.2.2.3 器件性能表征62-63
• 2.2.3 結果與討論63-69
• 2.2.3.1 PMMA-LSC性能63-65
• 2.2.3.2 反射鏡對PMMA-LSC性能影響65-67
• 2.2.3.3 PMMA光波導各區(qū)域?qū)SC的功率貢獻67-69
• 2.3 本章小結69-70
• 參考文獻70-75
• 第三章 熒光集光太陽能光伏器件新型結構探索75-91
• 3.1 引言75-77
• 3.2 實驗部分77
• 3.3 結果和討論77-87
• 3.3.1 BMP-LSC性能分析77-79
• 3.3.2 電池耦合方向?qū)MP-LSC性能的影響79-80
• 3.3.3 PMMA光波導各區(qū)域?qū)MP-LSC效率的貢獻80-82
• 3.3.4 底面耦合電池數(shù)對BMP-LSC性能的影響82-83
• 3.3.5 BMP-LSC中底面耦合電池間距對效率的影響83-87
• 3.4 本章小結87-88
• 參考文獻88-91
• 總結與展望91-92
• 在讀期間發(fā)表學術論文與成果92-93
• 致謝93

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