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 5029

*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可是我一较小的面积从而增强太阳光能量密度,目前处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可是我都可以 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,好多好多 引起了亲戚亲戚大伙儿的广泛关注。发光太阳能聚光器(LSC)是本身分类分类整理辐射光的装置,中有 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,发出的光可是我全内反射被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我想要 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,亲戚亲戚大伙儿对能源的需求量持续上升,可是我传统石化能源的多量开采与使用不仅会加快能源的枯竭,一起去也会多量排放甲烷气体从而造成温室效应,使环境污染大大问题日益突出,好多好多 怎样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可是我成为材料与化学领域的热点[1]

  在目前可是我开发利用的新能源中,太阳能作为最宽裕、最洁净车间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是否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速率单位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。但为满足目前深层城市化的需求,城镇建筑的发展趋势主要在于深层的增加,而安装进楼顶上的硅基光伏器件所产生的电能显然要能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,但可是我其本身具有的局限性如要能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这俩 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]提出后就引起了亲戚亲戚大伙儿的广泛关注,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,从而要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,能够零能源建筑这俩 目标的实现[4]。另外,发光型太阳能聚光器都可以 “无形”的安装进建筑物上,能够公众对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,亲戚亲戚大伙儿比较热衷于薄膜LSC的研究,主要可是我其更便于制造,可是我基底的挑选更加广泛,如玻璃基底更加耐用,价格相对较便宜,可是我能吸收可是我处在LSC大每项体积的有害紫外线。好多好多 本文亲戚亲戚大伙儿主要介绍的是薄膜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,可是我发射光线具有各向同性,每项不满足全内反射入射角条件的光线通过逸出锥而损失,而大每项再发射荧光则都可以 通过全内反射而被限制在基板内,好多好多 大每项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,由安装进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

  可是我暴露在太阳光下的基板皮层积比边缘面积(与光伏电池耦联每项)大好多好多 ,好多好多 LSC都可以 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。亲戚亲戚大伙儿把基板上皮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速率单位ηopt评估的,光转换速率单位定义为LSC边缘的输出功率与LSC上皮层的输入功率的比值,即ηopt=Pout/Pin。另外另一个 决定LSC光学性能的重要参数是光电转化速率单位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,光电转化速率单位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速率单位与荧光团对太阳光的光吸收能力,此人 面还与其所耦联的光伏电池的光电转化速率单位密切相关[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,实质上并这么改变光波的分布,这就意味着研究仍然要朝着寻找更恰当的吸光材料的方向发展,使亲戚亲戚大伙儿处在通过改变太阳能电池使之适应太阳光这俩 被动局面。而发光型聚光器的发展无疑扭转了这俩 传统的思路,使研究者都可以 通过光谱转换使之适应已有的太阳能电池系统,好多好多 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都可以 吸收散射光,好多好多 在光线较弱的阴天、建筑背阴面可是我非太阳直射环境下,聚光器都可以 像利用直射光线一样吸收散射光线从而输出电能,这不仅正确处理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;可是我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,好多好多 再发射的荧光峰位都可以 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速率单位,也正确处理了光伏材料可是我每项光子能量无法利用而以热能散失引起的材料过热大大问题,能够延长光伏电池的使用寿

[7];另外,可是我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的应用难能可贵改变建筑物的外形,我过多 影响到居住者的正常生活,可是我在制备薄膜LSC过程中,都可以 通过挑选不类似型的荧光团和浓度来定量调控LSC的颜色以及透明程度,要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

  随便说说LSC具有良好的应用前景,可是我可是我不足英文共要的发光体,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)染料的立体内部结构对其在LSC薄膜中的取向与在有机溶液中挥发性度的影响,发现当PBI的苯胺基连接有长的烷基链时,使得PBI具有较理想的立体内部结构,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的光量子速率单位约为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50nm),该课题组还尝试了将Lumogen F Red 505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%。

  随便说说目前应用于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领域的多量应用,研究发现这俩 LSC的光降解与染料和聚合物之间的非共价连接有关,好多好多 Diego课题组[10]将功能化苝衍生物发光体XL-red在共要引发剂处在下与含氟聚合物基质经过紫外光照射进行固化,即使亲戚亲戚大伙儿共价结合,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50h连续光照射下,检测要能交联体系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速率单位损失约10%。尽管亲戚亲戚大伙儿做了多量的研究去提高有机染料LSC的光电转化速率单位,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意味着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,随便说说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,好多好多 那此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)可是我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方法简单等优势引起了这么来过多人的关[12],可是我QDs克服了上述缺点,好多好多 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),可是我在CISeS量子点中跃迁涉及到带隙内空穴态,好多好多 量子点的斯托克斯位移较大,正确处理了自吸收引起的光子损失,通过在量子点皮层覆盖一层宽带隙ZnS壳层,都可以 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体系的光电转化速率单位约为3.27%,可是我由此方法制备的LSC几乎无色,我过多 引起特殊的光谱扭曲,能够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]利用地壳含量较宽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蹉跎旧时光电转化速率单位为2.85%,可是我发现该LSC每每项输出功率比较均匀,当增加LSC规模时输出功率较均匀增大,这将能够硅QDs-LSC的工业化放大生产,可是我该硅QDs-LSC的曲度对其光学性能无显著影响,好多好多 其都可以 满足各种特殊的建筑需求。尽管目前对于量子点应用于LSC的研究可是我我想要 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,另外本身都可以 有效提高光电转化速率单位的方法可是我将多种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,通过利用本身不同的荧光量子点,本身是基于锰离子掺杂的CdZnS量子点(可吸收高能量紫外光与每项蓝光,发射出500nm的荧光),用于层叠式LSC的上层;另本身为CISe量子点(可吸收大每项可见光,一起去发出50nm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,从而实现高速率单位的光伏输出(约3.8%)。这项研究为亲戚亲戚大伙儿指明了另一个 新的研究方向,可是我都可以 通过串联单一量子点LSC可是我制备僵化 的多层量子点LSC来提高光电转化速率单位。

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,可是我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作为本身新型的聚光材料,是都可以 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;通过挑选不同的发光材料以及不同的材料浓度都可以 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),随便说说该博物馆的玻璃可是我基于美学要求,并都是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,可是我不仅都可以 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,其过滤效果都可以 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技术都可以 潜在地能够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,还都可以 实现智能窗(如图5所示)的装备,该智能窗都可以 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系统不仅都可以 应用于BIPV中,其在光化学微反应器中都是广泛的应用前景。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,这俩 聚集的特定波长的光都可以 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,能够实现太阳能的可持续发展。不仅这么,LSC还都可以 应用于太阳能噪声屏障等领域,相信随着LSC技术的发展与成熟是什么期 的句子期,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

  尽管近年来亲戚亲戚大伙儿对LSC技术进行了多量的研究,可是我LSC的光电转化速率单位依然较低,远达要能商业要求(>10%),可是我要能在保证光电性能的基础上对LSC器件尺寸进行放大正确处理,加进无法工业化合成像量子点曾经高效的发光材料,使得LSC的大规模实际应用具有很大的挑战。好多好多 未来的研究趋势会偏向于寻找高效的发光体以及怎样大规模合成发光体,以目前研究热点量子点为例,研究方向应倒入怎样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,比如都可以 通过优化量子点内部结构提高荧光量子产率与增大斯托克斯位移;通过挑选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、挑选无毒试剂)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都是提高光电转化速率单位的研究重点,要能克服了那此限制因素,LSC技术要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.

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