[发明专利]一种基于光谱下转换技术的量子点荧光太阳集光器、平板型聚光光伏器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于光谱下转换技术的量子点荧光太阳集光器、平板型聚光光伏器及其制备方法，该荧光太阳集光器包括量子点荧光太阳集光层，特点是量子点荧光太阳集光层的上表面设置有太阳光谱下转换层，量子点荧光太阳集光层的下表面和太阳光谱下转换层的上表面分别设置有陷光层玻璃片，上层陷光层玻璃片的上表面设置有用于减少太阳光反射的顶部减反层，下层陷光层玻璃片的下表面设置有底部金属反射层，该平板型聚光光伏器为量子点荧光太阳集光器的四周设置有太阳能电池板，太阳能电池板的外侧面固定设置有镀有导电金属的PCB板，优点是可有效减少入射光子反射损耗、有效降低低能量光子透过率，从而显著提高红外波段光子集光效率。

技术领域

本发明属于聚光光伏发电技术领域，尤其是涉及一种基于光谱下转换技术的量子点荧光太阳集光器、平板型聚光光伏器及其制备方法。

背景技术

聚光光伏是指以相对便宜的聚光材料来代替昂贵的太阳能电池板，利用几何聚光原理，将太阳光汇聚集到太阳能电池板表面，从而提高光伏发电效率的一种技术。传统的聚光光伏器件由一系列反光镜和凸透镜阵列构成。一方面，由于传统光伏聚集器具有明显的热效应，传统的光伏聚集器的使用寿命普遍较短。为了降低长时间光照所产生的热效应、进而提高传统光伏聚集器的使用寿命，实际应用中的聚光光伏系统往往需要额外引入的一套较为复杂的冷却系统，这大大提高了聚光光伏器件的单位发电成本；另一方面，由于太阳光入射角度每时每刻都在发生变化，传统光伏聚集器中凸透镜阵列的焦点不断偏移。为了确保光伏聚集器中的光子到达太阳能电池的光子收集区域，需要增加一套对日追踪系统实时追踪入射太阳光，这也大大提高了聚光光伏器件的单位发电成本。总之，复杂的冷却系统与价格不菲的对日追踪系统的使用，极大地增加了传统聚光光伏器件的单位发电成本和铺设场地面积。

量子点荧光太阳集光器(Quantum dots based luminescent solarconcentrators，简称QDs-LSC)是一种新型的光伏聚光器，近年来受到国内外工业界与科研学术界的广泛关注。QDs-LSC的基本原理是：将量子点嵌入到具有高折射率的聚合物光波导材料中，并在平面光波导的侧面耦合到太阳能电池板，即可组成量子点荧光太阳集光原型器件，公开(公告)号为CN109326672A的专利所述。当太阳光从上表面入射进入量子点荧光太阳集光原型器件后，聚合物光波导中的量子点将吸收太阳光谱中的光子，随后产生光致发光过程。发射的光子将以全反射的方式在聚合物光波导中进行传播，最终到达器件边缘形成聚光，随后被放置在侧面的太阳能电池板所吸收进行光电转换，实现高倍聚光太阳能发电。

目前，量子点荧光太阳集光器还没有获得令人十分满意的集光效率和光增益。限制荧光太阳集光器件性能提高的关键因素在于器件内部光子输运效率低下。传统平板型的量子点荧光太阳集光器中光子损耗过程主要存在以下几个方面：(1)由于缺少表面减反层的设计，较多的光子没有进入器件内部，而是在表面直接反射到周围环境中，从而产生较大的光子输运损耗；(2)光子在荧光太阳集光器中传输过程中，容易被附近的发光中心材料重吸收而无法被侧面的太阳能电池板收集，从而产生光子输运损耗；(3)发光中心吸收入射太阳光后再发射的光子，其入射角小于临界角θ_c(θ_c＝sin^-1(n₀/n₁))时会陷入逃逸光锥中，光子便由逃逸光锥逸出器件导致光子表面逃逸，从而产生光子输运损耗；(4)太阳光谱是一个连续的光谱，光子波长由紫外，可见，红外部分组成。其中紫外波段(光子波长小于400纳米)的光子约占整个光谱的7％。然而，对大多数商用的标准太阳能电池板而言，紫外波段的光子能量较高，通常情况下，一个紫外波段的光子只能产生一个电子空穴对，多余的能量将以非辐射复合的形式转换为热能。因此对紫外波段的光子而言，其光电转换效率较低。如果能通过下转换的形式将一个高能量的紫外波段光子转换成两个或多个低能量的可见光子，将极大的提高紫外光子的利用效率，对于提高荧光太阳集光原型器件集光效率至关重要。

发明内容