发光型太阳能聚光器的研究进展及展望

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杨雪婷,马瑞丽,陆军*

北京化工大学 化工资源有效利用国家重点实验室,北京 80029

*Emaillujun@mail.buct.edu.cn

  摘 要:太阳能聚光器可将分散的太阳光利用光学原理聚集到一光点原因分析分析一较小的面积从而增强太阳光能量密度,目前存在的太阳能聚光器根据光学原理可分为反射聚光器、折射聚光器、热光伏聚光器、发光聚光器、全息聚光器等。其中,发光型太阳能聚光器原因分析分析还须要直接利用散射光与直射光可是我能对太阳光进行光谱转换匹配已有太阳能电池系统,什么都有有引起了我门都都 的广泛关注。发光太阳能聚光器(LSC)是什儿 生活下发辐射光的装置,饱含覆载或镶嵌在透明基底的高发光性能化合物,该发光化合物吸收辐射光,并充当二次光源发光,发出的光原因分析分析全内反射被LSC捕获,再经波导效应传至LSC边缘的光伏电池。本文综述了发光型聚光器的特点、应用及目前的研究进展,展望了光伏窗在未来建筑行业以及你什儿 领域的潜在应用价值。

  1.前言

  随着工业化和现代化的不断发展与人民生活水平的日益提高,我门都都 对能源的需求量持续上升,可是我传统石化能源的少量开采与使用不仅会加快能源的枯竭,一起去也会少量排放乙炔气体体从而造成温室效应,使环境污染什么的问题日益突出,什么都有有如可合理的开发利用新能源显得尤为重要,目前通过研究新材料实现对新能源的利用原因分析分析成为材料与化学领域的热点[1]

  在目前原因分析分析开发利用的新能源中,太阳能作为最充裕、最清洁的绿色能源受到了广泛的关注。吸收太阳能的光伏材料的价格,是决定光伏发电成本以及其有无能广泛应用于实际生产的关键因素。近年来,太阳能电池光电转换下行速率 的提高以及光伏材料制备和安装价格的降低使太阳能发电成本显著降低。其中,硅基光伏器件性能的提升,使得硅基光伏器件成为在民用和工业建筑中利用可再生能源生产电能的主导技术。但为满足目前深度1城市化的需求,城镇建筑的发展趋势主要在于深度1的增加,而安放到去楼顶上的硅基光伏器件所产生的电能显然只有满足整座楼宇的能量需求。尽管太阳能发电技术已广泛应用于实际生产中,但原因分析分析其什儿 生活具有的局限性如只有充分利用整个太阳光谱、占地面积大、价格相对较高等,使零能源建筑(zero energy consumption buildings)的实现仍具有一定的挑战性,而发光型太阳能聚光器的提出为你什儿 目标的实现提供了技术的支持[2]

  发光型太阳能聚光器(LSC)自1976年由Weber[3]提出后就引起了我门都都 的广泛关注,发光型太阳能聚光器可将传统的能量被动式的玻璃窗系统转变为透明、半透明的光伏窗(PV窗)实现对太阳能的捕获利用,从而并能有效的将城镇建筑物的外墙转化为分布式能源生成单位,不不利于零能源建筑你什儿 目标的实现[4]。另外,发光型太阳能聚光器还须要“无形”的安放到去建筑物上,不不利于公众对LSC的接受力。

  发光太阳能聚光器主要有薄膜LSC与均匀掺杂LSC,薄膜LSC是由涂有掺杂荧光团的可塑波导或活性发光材料层的玻璃板组成,在薄膜LSC中,光线被束缚在薄膜/基底组成的整个混合材料内;而均匀掺杂LSC是将发光材料均匀掺杂在透明基质(如玻璃等)中。目前,我门都都 比较热衷于薄膜LSC的研究,主要原因分析分析其更便于制造,可是我基底的选泽更加广泛,如玻璃基底更加耐用,价格相对较便宜,可是我能吸收原因分析分析存在LSC大主次体积的有害紫外线。什么都有有本文我门都都 主要介绍的是薄膜LSC的研究[5]

  2.发光太阳能聚光器的特点

  2.1发光太阳能聚光器的工作原理

  LSC(如图1)通常由掺杂发光聚光器的透明基板组成,发光聚光器吸收入射光线后荧光团再辐射出其对应波长的光线,原因分析分析发射光线具有各向同性,主次不满足全内反射入射角条件的光线通过逸出锥而损失,而大主次再发射荧光则还须要通过全内反射而被限制在基板内,什么都有有大主次的发射光通过全内反射进入波导模式而被汇聚到聚光器的边缘,由安放到去聚光器边缘的光伏电池转化为电能[5]

图1:光照下边缘配备光伏电池的发光太阳能聚光器

  原因分析分析暴露在太阳光下的基板棘层积比边缘面积(与光伏电池耦联主次)大什么都有有,什么都有有LSC还须要有效的增加入射到光伏电池的光子密度,即显著提高了光通量。我门都都 把基板上棘层积与边缘面积的比值定义为几何因子G,即G=Atop/Aedge。LSC的光学性能是由光转换下行速率 ηopt评估的,光转换下行速率 定义为LSC边缘的输出功率与LSC上棘层的输入功率的比值,即ηopt=Pout/Pin。另外一一一个多决定LSC光学性能的重要参数是光电转化下行速率 PCE,定义为光伏电池输出的电能量与太阳能辐照的能量的比率,即PCE=Isc∙Voc∙FF/P∙Atop。其中,光电转化下行速率 是评估聚光器性能的最重要的参数,其一方面取决于聚光器的外量子光聚下行速率 与荧光团对太阳光的光吸收能力,另一方面还与其所耦联的光伏电池的光电转化下行速率 密切相关[6]

  2.2 发光太阳能聚光器的优点

  传统聚光器是利用光聚原理将太阳光聚集到一较小的面积上,实质上并那么 改变光波的分布,这就原因分析分析研究仍然要朝着寻找更恰当的吸光材料的方向发展,使我门都都 存在通过改变太阳能电池使之适应太阳光你什儿 被动局面。而发光型聚光器的发展无疑扭转了你什儿 传统的思路,使研究者还须要通过光谱转换使之适应已有的太阳能电池系统,什么都有有相较于传统太阳能聚光器,发光型太阳能聚光器具有一定的优势。

  发光型太阳能聚光器还须要吸收散射光,什么都有有在光线较弱的阴天、建筑背阴面原因分析分析非太阳直射环境下,聚光器还须要像利用直射光线一样吸收散射光线从而输出电能,这不仅处置了使用昂贵的太阳追踪系统,也大大拓宽了太阳能电池应用范围;原因分析分析LSC涉及到光的吸收与再发射的过程,也可是我光谱转换的过程,什么都有有再发射的荧光峰位还须要更好的与光伏电池的最佳输出功率波段相匹配,这不仅提高了光伏电池的光电转化下行速率 ,也处置了光伏材料原因分析分析主次光子能量无法利用而以热能散失引起的材料过热什么的问题,不不利于延长光伏电池的使用寿

[7];另外,原因分析分析LSC材料自身的性质,使其在实际应用中具有不同于传统聚光器的优势,LSC的应用不须改变建筑物的外形,我太少 影响到居住者的正常生活,可是我在制备薄膜LSC过程中,还须要通过选泽不什儿 型的荧光团和浓度来定量调控LSC的颜色以及透明程度,并能迎合建筑玻璃的不同需求,使公众更容易接受光伏一体化建筑(building-integrated PV)。

  3.发光型太阳能聚光器的研究进展及应用

  3.1发光型太阳能聚光器的研究进展

  着实LSC具有良好的应用前景,可原因分析分析缺乏最少的发光体,制约了LSC的大面积推广与实际应用。目前,用于LSC的发光体包括有机染料、有机金属荧光团、有机无机复合材料以及量子点材料。Willie课题组[8]研究了有机染料的取向对LSC性能的影响,通过探究一系列不同取代的PBI(苝酰亚胺)染料的立体特征对其在LSC薄膜中的取向与在有机溶液中凝固度的影响,发现当PBI的苯胺基连接有长的烷基链时,使得PBI具有较理想的立体特征,将该取代PBI染料旋转涂布在硼酸盐玻璃盖玻片上,使其排列取向垂直于薄膜制得LSC,通过表征得到该LSC的光量子下行速率 约为74%。Michael课题[9]通过合成新染料苝酮并将其应用于LSC,发现该染料不仅具有较高的荧光量子产率和光稳定性,还拓宽了染料掺杂LSC材料的吸光范围(约80nm),该课题组还尝试了将Lumogen F Red 805与苝酮分别作为上层波导材料与下层波导材料一起去应用于双波导LSC系统,相较于单一染料LSC系统其性能显著提高了约24%。

  着实目前应用于LSC的由苝衍生出的一系列荧光染料具有较高的荧光量子产率、与聚合物较好的相容性以及相对较广的吸收和发射光谱,可是我该系列染料的光不稳定性却限制了其在LSC领域的少量应用,研究发现你什儿 LSC的光降解与染料和聚合物之间的非共价连接有关,什么都有有Diego课题组[10]将功能化苝衍生物发光体XL-red在最少引发剂存在下与含氟聚合物基质经过紫外光照射进行固化,即使我门都都 共价结合,由此制备的薄膜LSC装置表现出了优良的光学性能,一起去该课题组也研究了此交联体系的光稳定性,发现在800h连续光照射下,检测只有交联体系LSC的光学性能变化,而对于主客体系统,相同的条件下检测到其光电转化下行速率 损失约10%。尽管我门都都 做了少量的研究去提高有机染料LSC的光电转化下行速率 ,可是我有机染料自身的缺点如覆盖太阳光谱范围较小、光稳定性差、较小的斯托克斯位移而原因分析分析的荧光再吸收损失等限制了其在LSC的发展。

  然而对于镧系元素为基础的无机有机复合材料,着实其吸收和发射光谱重叠较小[11],可是我荧光量子产率较小、吸收系数较低、光谱覆盖范围小,可是我吸收和发射光谱不易调控,加之稀土元素储量小可是我价格比较昂贵,什么都有有有有哪些因素都限制了镧系元素掺杂无机有机复合材料在LSC方面的商业应用。QDs(量子点)原因分析分析具有较高发光量子产率、吸收范围较宽、发射光谱宽窄可调控(可用于匹配不同太阳能电池)、较大的斯托克斯位移(可有效克服荧光自吸收)、较强的稳定性以及合成妙招简单等优势引起了太少人的关[12],原因分析分析QDs克服了上述缺点,什么都有有QDs将是用于LSC的很有前景的材料。

  Francesco课题[4]将不含重金属的近红外发光CISeS量子点应用于大面积LSC中(如图2所示),原因分析分析在CISeS量子点中跃迁涉及到带隙内空穴态,什么都有有量子点的斯托克斯位移较大,处置了自吸收引起的光子损失,通过在量子点棘层覆盖一层宽带隙ZnS壳层,还须要有效保持量子点在与聚合物基质组装过程中的发光性能,表征得到该LSC体系的光电转化下行速率 约为3.27%,可是我由此妙招制备的LSC几乎无色,我太少 引起特殊的光谱扭曲,不不利于其在光伏玻璃上的大规模应用。

图2:QDs-LSC 的制备过程(上);制备的包括0.3wt% QDs 的LSC 图片: 规格:12×12×0.3cm2

  为进一步降低LSC制备过程的成本,Francesco课题组[2]利用地壳含量较充裕的硅制备了间接带隙硅QDs,得益于吸收光谱与发射光谱的有效分离,将该硅量子点应用于LSC时光里电视剧电转化下行速率 为2.85%,可是我发现该LSC每主次输出功率比较均匀,当增加LSC规模时输出功率较均匀增大,这将不不利于硅QDs-LSC的工业化放大生产,原因分析分析该硅QDs-LSC的曲度对其光学性能无显著影响,什么都有有其还须要满足各种特殊的建筑需求。尽管目前对于量子点应用于LSC的研究原因分析分析你什儿 进展,可是我单一的量子点LSC器件仍旧无法达到能广泛应用于世纪建筑的要求,另外什儿 生活还须要有效提高光电转化下行速率 的妙招可是我将多种QDs-LSC串联制备层叠式发光型太阳能聚光器。李红博课题组[13]基于涂布技术制备了层叠式LSC,实现了太阳能光谱的光子分级,通过利用什儿 生活不同的荧光量子点,什儿 生活是基于锰离子掺杂的CdZnS量子点(可吸收高能量紫外光与主次蓝光,发射出800nm的荧光),用于层叠式LSC的上层;另什儿 生活为CISe量子点(可吸收大主次可见光,一起去发出800nm的荧光),用于层叠式LSC的下层(如图3所示),该LSC器件可实现太阳光光谱中不同能量光子的分离,从而实现高下行速率 的光伏输出(约3.8%)。这项研究为我门都都 指明了一一一个多新的研究方向,可是我还须要通过串联单一量子点LSC原因分析分析制备多样化的多层量子点LSC来提高光电转化下行速率 。

图3:具有2cm 间隙的层叠式LSC( 规格: 232 cm2)

  3.2发光型太阳能聚光器的应用

  基于审美学要求及公众的接受程度,原因分析分析将不透明的太阳能光伏材料直接应用在建筑物窗户以及外墙体是不现实的,而LSC作为什儿 生活新型的聚光材料,是还须要直接应用在光伏一体化建筑中的。发光型太阳能聚光器相较昂贵的太阳能光伏材料来说成本较低、制备简单,可是我省略了昂贵的太阳能追踪系统,这进一步降低了制备LSC-PV的成本;通过选泽不同的发光材料以及不同的材料浓度还须要调控LSC的透明度及颜色,不同颜色的LSC玻璃可用于装饰建筑物(如图4所示),着实该博物馆的玻璃可是我基于美学要求,并有的是LSC器件,可是我这正阐明了LSC玻璃在未来经典建筑物中的潜在应用价值;另外,LSC的光学性能不受外形的影响,应用较为灵活,可是我不仅还须要满足不同的建筑需求,可是我可将LSC玻璃应用于各种领域如航空、航海等。将LSC应用于建筑玻璃,其过滤效果还须要为室内空调、照明系统等提供电力,还能降低室外阳光照进屋内造成的增温,可是我,LSC技术还须要潜在地不利于城市朝向零能耗的环保目标迈进。研究发现通过将LSC玻璃与热敏器件结合,还还须要实现智能窗(如图5所示)的装备,该智能窗还须要在晴天或阴天自主的调动遮光系[14]

图4:西班牙艺术博物馆

  LSC系统不仅还须要应用于BIPV中,其在光化学微反应器饱含的是广泛的应用前景。通过在LSC配备波长滤过器,使其发射光与光催化剂最佳波长范围相匹配,你什儿 聚集的特定波长的光还须要有效增加光化学反应的反应动力学。通过将其应用在光化学反应生成燃料中,可将太阳能转化为燃料,不不利于实现太阳能的可持续发展。不仅那么 ,LSC还还须要应用于太阳能噪声屏障等领域,相信随着LSC技术的发展与开花结果期图片 期期期期 ,其应用领域会更加广泛。

图5:通过将LSC 玻璃与热敏元件结合而装备的智能窗

  4.发光型太阳能聚光器的前景

  尽管近年来我门都都 对LSC技术进行了少量的研究,可是我LSC的光电转化下行速率 依然较低,远达只有商业要求(>10%),可是我只有在保证光电性能的基础上对LSC器件尺寸进行放大处置,再加无法工业化合成像量子点原先高效的发光材料,使得LSC的大规模实际应用具有很大的挑战。什么都有有未来的研究趋势会偏向于寻找高效的发光体以及如可大规模合成发光体,以目前研究热点量子点为例,研究方向应插进如可大规模生产具有高荧光量子产率、较大斯托克斯位移、较强稳定性的无毒量子点,比如还须要通过优化量子点特征提高荧光量子产率与增大斯托克斯位移;通过选泽适宜的壳层材料保护量子点以提高其稳定性;优化合成条件(降低反应温度、选泽无毒试剂)以实现量子点的大规模生产。

  LSC技术仍有很大的发展空间,拓展吸收光谱范围、增加光稳定性、降低再吸收损失、降低光子逃逸损失等有的是提高光电转化下行速率 的研究重点,只有克服了有有哪些限制因素,LSC技术并能广泛应用于实际生产。

  参考文献

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  [14] N. Aste, C. Del Pero, M. Buzzetti, R. Fusco, D. Testa,F. Leonforte and R. Adhikari, presented in part at 6th International Conference on Clen Electrical Power, Santa Margherita Ligure, August, 2017.