本发明涉及功能化建筑材料技术领域，特别涉及一种实现全太阳光谱管理的光伏真空窗。
背景技术：
目前，随着人们对环境、能源和可持续发展问题的认识提升到战略高度，太阳能作为一种可持续的清洁能源，其高效综合利用受到了广泛且深入的研究。太阳辐射包括可以直接用于建筑物室内采光照明的可见光部分(光谱范围为400～700nm)，同时还包含大量的红外光谱成分，充分利用这部分能量是一种有效利用太阳辐射的方式。
另一方面，人们对建筑的节能要求也越来越高。据统计，经过窗户散失的热量接近整个建筑能耗的50％。采用具有高绝热性能的材料制造窗户一直是人们提高建筑物能量利用效率、开展节能减排工作的努力方向。经过多年的发展，制造窗户的材料从单层玻璃开始，逐渐演变出中空玻璃、low-e玻璃、真空玻璃及它们的各种复合体(比如中空+真空玻璃的复合体、中空+真空+中空玻璃的复合体)，从而获得用户所期望的绝热和隔声性能。
为了将建筑节能技术与可持续的太阳能光伏发电技术结合起来，开拓出支撑人类绿色可持续未来生活的节能光伏窗户技术，人们已经进行了多种尝试。光伏建筑一体化(bipv)技术是一种典型的代表，主要包括双玻夹层结构和中空玻璃结构。还有一些研究提出了若干光伏发电层与真空玻璃进行集成的方案，其中包括光伏层位于真空层内侧和真空层外侧的两类方案。如实用新型专利cn202395002u中公开的光伏层位于真空层内侧的结构，或者发明专利cn105470335a中所公开的光伏层位于真空层的外侧通过夹胶层连接的结构，或者发明专利cn102024579b及实用新型专利cn202134552u中公开的通过中空腔并依靠边缘连接的结构。
但是，上述各类方案都仅仅考虑了简单地在结构上将光伏膜层与真空玻璃结合，而没有对入射的太阳光能量进行恰当的管理，导致光伏层吸收波段不合理，转化效率低、热损失严重、散热问题与组件集成性无法兼顾，带来相应产品在实际应用中的发电效率低、温度高(散热差、居住体验性差)。同时，由于光伏膜层吸收了大量可见光范围的太阳辐射，导致玻璃透过率低，采光差，不适合用于建筑窗户和汽车窗户限制了其应用范围，也带来了安全性相对低、成本高等各种问题。即使用仅仅应用于建筑幕墙，太阳辐射中的大量能量最终转化为了热，能源品位低，难以有效利用，同时幕墙的清洗也非常不便。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种实现全太阳光谱管理的光伏真空窗。本发明提供的光伏真空窗使在光谱和能量上将太阳光进行了合理的分配和利用，实现了对太阳光全光谱辐射能量的有效综合管理，同时具有较高的绝热性能、隔声功能和自洁净功能。
本发明提供了一种实现全太阳光谱管理的光伏真空窗，包括由内向外依次设置的真空玻璃层、光伏发电层和自洁净功能层；所述光伏发电层包括依次设置的第一透明电极、光伏薄膜和第二透明电极；所述光伏薄膜为透光性光伏薄膜；所述自洁净功能层包括由内向外依次设置的第三玻璃和纳米光催化薄膜。
优选的，所述光伏薄膜对可见光的透光率为25％以上，光伏薄膜的光伏转换效率为6％以上。
优选的，所述光伏薄膜的材质为单结非晶硅或单结微晶硅薄膜电池、微晶/非晶叠层薄膜和透明有机光伏材料中的一种。
优选的，所述光伏薄膜的厚度为0.5μm以下。
优选的，所述第一透明电极和第二透明电极独立地为tco薄膜或ito薄膜。
优选的，所述纳米光催化薄膜为二氧化钛纳米晶薄膜、钙钛矿光催化薄膜和含铋的光催化薄膜中的一种。
优选的，所述真空玻璃层包括第一玻璃、第二玻璃以及第一玻璃和第二玻璃之间形成的真空层。
优选的，所述第一玻璃和第二玻璃之间设置有支撑柱。
优选的，所述真空层中设置有吸气剂。
优选的，所述真空玻璃层和光伏发电层之间通过夹胶层连接。
本发明提供了一种实现全太阳光谱管理的光伏真空窗，包括由内向外依次设置的真空玻璃层、光伏发电层和自洁净功能层；所述光伏发电层包括依次设置的第一透明电极、光伏薄膜和第二透明电极；所述光伏薄膜为透光性光伏薄膜；所述自洁净功能层包括由内向外依次设置的第三玻璃和纳米光催化薄膜。本发明以透光性光伏薄膜作为光伏发电层的发电材料，主要利用太阳光谱中的红外线进行发电，使太阳光谱中的可见光能够部分透过光伏真空窗，用于室内的采光照明；同时利用纳米光催化薄膜吸收太阳光谱中的紫外线，进行自清洁，实现了太阳光全光谱的充分转换和利用；本发明采用一体优化设计，集成了真空玻璃高绝热和隔音功能，兼顾了光伏发电性能和可见光透光性能，在通过薄膜发电的同时保证窗户的采光与视野，并具备自清洁功能。
并且，与一般真空玻璃窗相比，本发明集成了光伏薄膜，能通过主动发电进一步减排co2，提升综合效能，更有利于新型绿色节能建筑组件的推广；与夹层真空光伏玻璃窗相比，本发明的光伏层置于真空玻璃的外侧，避免了光伏组件工作时对真空环境的干扰(放气和热辐射)，保证了真空玻璃的性能和使用寿命；与夹层中空光伏玻璃窗相比，本发明在达到同等绝热性能的条件更轻质，没有结露现象，具有更高的使用寿命，且具有更好的透光性能。
附图说明
图1为本发明实施例1中实现全太阳光谱管理的光伏真空窗的结构示意图；
其中，1为第一玻璃，2为第二玻璃，3为第三玻璃，4为支撑柱，5为封接焊料，6为抽气孔，7为纳米光催化薄膜，8为第一透明电极，9为光伏薄膜，10为第二透明电极，11为夹胶层。
具体实施方式
本发明提供了一种实现全太阳光谱管理的光伏真空窗，包括由内向外依次设置的真空玻璃层、光伏发电层和自洁净功能层；所述光伏发电层包括依次设置的第一透明电极、光伏薄膜和第二透明电极；所述光伏薄膜为透光性光伏薄膜；所述自洁净功能层包括由内向外依次设置的第三玻璃和纳米光催化薄膜。
本发明提供的实现全太阳光谱管理的光伏真空窗，包括由内向外依次设置的真空玻璃层、光伏发电层和自洁净功能层。
本发明提供的实现全太阳光谱管理的光伏真空窗包括真空玻璃层。在本发明中，所述真空玻璃层优选包括第一玻璃、第二玻璃以及第一玻璃和第二玻璃之间形成的真空层。本发明对所述第一玻璃和第二玻璃的材质没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备真空玻璃的材质即可。在本发明中，所述第一玻璃和第二玻璃的材质独立地优选为钠钙玻璃或钢化白玻璃。
本发明对所述第一玻璃、第二玻璃和真空层的厚度没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的真空玻璃的厚度即可。在本发明中，所述第一玻璃和第二玻璃的厚度优选为3～5mm，更优选为4mm。在本发明中，所述真空层的厚度优选为0.2～0.5mm。
在本发明中，所述第一玻璃和第二玻璃之间优选通过焊接进行密封；所述焊接的材料优选为多组分玻璃或低熔点金属。
在本发明中，所述第一玻璃和第二玻璃之间优选设置有支撑柱。在本发明中，所述支撑柱的材质优选为气凝胶、不锈钢和陶瓷合金中的一种或多种，更优选为气凝胶。在本发明中，所述气凝胶与其他材料相比具有更好的绝热性能，同时不影响真空光伏窗的机械性能。
在本发明中，所述支撑柱优选为外径为0.5～0.6mm和内径为0.3～0.4mm的空心圆柱。本发明对所述支撑柱的数量没有特殊的限定，能够实现支撑效果即可。在本发明中，所述支撑柱的分布优选为正方点阵，所述点阵的间距优选为30～50mm。在本发明中，所述支撑柱起支撑作用，使第一玻璃和第二玻璃之间形成真空的空间。
在本发明中，所述真空层中优选设置有吸气剂。在本发明中，所述吸气剂优选设置于第一玻璃和第二玻璃边缘的沟槽中。本发明对所述吸气剂的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的吸气剂即可。在本发明中，所述吸气剂能够避免真空层中产生气体导致的真空度下降。
本发明提供的实现全太阳光谱管理的光伏真空窗包括设置于真空玻璃层表面的光伏发电层。在本发明中，所述光伏发电层包括依次设置的第一透明电极、光伏薄膜和第二透明电极。在本发明中，所述光伏薄膜为透光性光伏薄膜。在本发明中，所述透光性光伏薄膜能够利用太阳光谱中的红外线进行发电，使太阳光谱中的可见光能够透过光伏真空窗，实现对太阳不同波段光谱的分别充分利用。
在本发明中，所述光伏薄膜对可见光的透光率优选为25％以上，更优选为30％以上；所述光伏薄膜的光伏转换效率为优选为6％以上，更优选为8％以上。
本发明对所述光伏薄膜的材质和组成没有特殊的限定，使用本领域熟知的薄膜电池的结构即可，具体地根据可见光透过和红外光的高吸收高转化要求来进行材料选择和参数确定。在本发明中，所述光伏薄膜的材质优选为单结非晶硅或单结微晶硅薄膜电池、微晶/非晶叠层电池薄膜和透明有机光伏电池薄膜中的一种。在本发明中，所述光伏薄膜的厚度优选为0.5μm以下。
在本发明中，所述第一透明电极和第二透明电极独立地优选为tco薄膜或ito薄膜。本发明对所述第一透明电极和第二透明电极的厚度没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的光伏电池电极的厚度即可。在本发明中，当所述第一透明电极和第二透明电极为tco薄膜时，所述第一透明电极和第二透明电极的厚度独立地优选为1000～2000nm；当所述第一透明电极和第二透明电极为ito薄膜时，所述第一透明电极和第二透明电极的厚度独立地优选为80～200nm。
本发明提供的实现全太阳光谱管理的光伏真空窗包括设置于光伏发电层表面的自洁净功能层。在本发明中，所述所述自洁净功能层包括由内向外依次设置的第三玻璃和纳米光催化薄膜。在本发明中，所述第三玻璃优选设置于光伏发电层一侧，所述纳米光催化薄膜优选设置于光伏真空窗的最外侧。在本发明中，所述纳米光催化薄膜能够充分利用太阳光谱中的紫外线进行光催化清洁。
在本发明中，所述纳米光催化薄膜优选为二氧化钛纳米晶薄膜、钙钛矿光催化薄膜和含铋的光催化薄膜中的一种。在本发明中，所述二氧化钛纳米晶薄膜优选包括ag、稀土元素或cds掺杂的tio2薄膜以及无掺杂tio2纳米晶薄膜中的一种；所述二氧化钛纳米晶薄膜的晶化温度优选为450～550℃，更优选为500℃。在本发明中，所述二氧化钛纳米薄膜中tio2的晶相类型优选为锐钛矿型。在本发明中，所述锐钛矿型tio2与金红石型和板钛矿型相比，具有更高的催化活性。在本发明中，所述钙钛矿光催化薄膜优选包括nanbo3或lafeo3。在本发明中，所述含铋的光催化薄膜优选包括bi2o3、bivo4或bifeo3。本发明对所述纳米光催化薄膜的厚度没有特殊的限定，能够在保证光催化性能的同时具有较高的可见光透过率即可。
本发明对所述第三玻璃的材质和厚度没有特殊的限定，采用常规玻璃厚度即可。
在本发明中，所述真空玻璃层和光伏发电层之间优选通过夹胶层连接。本发明对所述夹胶层的材质没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的用于玻璃粘结的胶材即可。在本发明中，所述夹胶层的材质优选包括聚乙烯辛烯共弹体(poe)、聚乙烯醇缩丁醛(pvb)或乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(eva)。本发明对所述夹胶层的厚度没有特殊的限定，能够实现真空玻璃层和光伏发电层之间的连接且具有足够高的可见光透光率即可。
本发明对所述实现全太阳光谱管理的光伏真空窗的制备方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的技术方案即可。在本发明中，所述实现全太阳光谱管理的光伏真空窗的制备优选包括以下步骤：
将第一玻璃和第二玻璃进行封闭处理后抽真空，得到真空玻璃层；
在第三玻璃的一个表面制备纳米光催化薄膜，得到自洁净功能层；
在所述第三玻璃的另一表面依次沉积第二透明电极、光伏薄膜和第一透明电极，得到自洁净光伏玻璃；
将所述真空玻璃层与所述自洁净光伏玻璃复合，使第二玻璃与第一透明电极相连接，得到实现全太阳光谱管理的光伏真空窗。
本发明优选将第一玻璃和第二玻璃进行封闭处理后抽真空，得到真空玻璃层。本发明优选在第一玻璃表面放置支撑柱，在第一玻璃边缘放置吸气剂，然后覆盖第二玻璃后进行封闭处理。
在本发明中，所述封闭处理优选为在封接炉中用玻璃焊料封接边缘。在本发明中，所述封接的温度优选为340～360℃，更优选为350℃。在本发明中，所述封接温度能够保证形成的真空玻璃满足国家标准规定的钢化玻璃要求。
本发明对所述抽真空的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的真空玻璃抽真空的方式即可。
本发明优选在第三玻璃的一个表面制备纳米光催化薄膜，得到自洁净功能层。在本发明中，所述纳米光催化薄膜的制备优选为溶胶凝胶法或溅射法。本发明对所述溶胶凝胶法和溅射法制备纳米光催化薄膜的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备纳米光催化薄膜的技术方案即可。
得到自洁净功能层后，本发明优选在所述第三玻璃的另一表面依次沉积第二透明电极、光伏薄膜和第一透明电极，得到自洁净光伏玻璃。本发明对所述第二透明电极、光伏薄膜和第一透明电极的沉积的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的沉积的技术方案即可。在本发明中，当所述第一透明电极和第二透明电极为ito薄膜时，所述第一透明电极和第二透明电极的沉积优选为溅射法沉积；当所述第一透明电极和第二透明电极为tco薄膜时，所述第一透明电极和第二透明电极的沉积优选为lpcvd(低压化学气相沉积)；所述光伏薄膜的沉积优选为pecvd(等离子体增强化学气相沉积)或vhf(甚高频)-pecvd，更优选为pecvd沉积；所述光伏薄膜的沉积的温度优选为200℃以下。
本发明优选将所述真空玻璃层与所述自洁净光伏玻璃复合，使第二玻璃与第一透明电极相连接，得到实现全太阳光谱管理的光伏真空窗。在本发明中，所述真空玻璃层与所述自洁净光伏玻璃优选通过夹胶层复合。在本发明中，所述当所述夹胶层复合时的工艺涉及加热时，本发明优选保证真空玻璃双面均匀受热。
本发明提供的制备方法不仅将各功能膜层集成，还保证了工艺的相容性，保证了制造过程对各功能膜层的性能影响最小，使得本发明产品的多功能集成可行且具有实效。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的实现全太阳光谱管理的光伏真空窗进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1:
本实施例制备的实现全太阳光谱管理的光伏真空窗的结构示意图如图1所示，包括由内向外依次设置的真空玻璃层、光伏发电层和自洁净功能层。所述真空玻璃层包括第一玻璃1、第二玻璃2以及第一玻璃1和第二玻璃2之间形成的真空层。所述光伏发电层包括依次设置的第一透明电极8、光伏薄膜9和第二透明电极10；所述光伏薄膜为透光性光伏薄膜；所述自洁净功能层包括由内向外依次设置的第三玻璃3和纳米光催化薄膜7；第一透明电极8和第二透明电极10为tco层；真空玻璃层和光伏发电层之间通过夹胶层11连接，夹胶层材料为聚乙烯辛烯共弹体(poe)。
本实施例中的光伏薄膜为单结非晶硅电池薄膜，单结非晶硅层的厚度为80～120nm范围内，可见光区的平均透光率为25～30％，光伏转换效率为6～8％，与常用的商用薄膜电池的立面发电效率接近；并未出现明显的视差，影响人眼的疲劳度和舒适感。
制备方法如下：
以钢化处理的第一玻璃1和第二玻璃2制造形成真空玻璃：在清洗后的钢化玻璃1上布放支撑柱4，覆盖钢化第二玻璃2，送入封接炉中，用封接焊料5封接边缘。通过抽气孔6抽气满足真空需要后封接抽气孔。其中支撑柱4采用气凝胶支撑柱，具有更好的绝热效果；其中玻璃焊料封接温度低至350℃，保证形成的真空玻璃满足国家标准规定的钢化玻璃要求。
纳米光催化薄膜的制备负载：采用溶胶凝胶法或溅射方法制备纳米光催化薄膜7，并将其负载于第三玻璃3的一侧。其中所述的自洁净材料选用tio2，其晶化温度为500℃左右。
薄膜光伏电池组件的制备：在第三玻璃3负载了纳米光催化薄膜7的另一侧依次沉积第一透明电极8、光伏薄膜9和第二透明电极10。各层采用pecvd方法沉积，沉积温度均不超过200℃。
功能组件的集成：将真空玻璃、沉积好薄膜光伏组件和负载了自洁净光催化层的玻璃通过夹胶层11连接起来，加热过程中保证真空玻璃均匀受热。
实施例2:
本实施例制备的实现全太阳光谱管理的光伏真空窗的结构示意图如图1所示，包括由内向外依次设置的真空玻璃层、光伏发电层和自洁净功能层。所述真空玻璃层包括第一玻璃1、第二玻璃2以及第一玻璃1和第二玻璃2之间形成的真空层。所述光伏发电层包括依次设置的第一透明电极8、光伏薄膜9和第二透明电极10；所述光伏薄膜为透光性光伏薄膜；所述自洁净功能层包括由内向外依次设置的第三玻璃3和纳米光催化薄膜7；第一透明电极8和第二透明电极10为tco层；真空玻璃层和光伏发电层之间通过夹胶层11连接，夹胶层材料为聚乙烯辛烯共弹体(poe)。
本实施例中的光伏薄膜为非晶硅/微晶硅叠层电池，非晶硅层厚度为80nm，微晶硅层厚度为320～500nm，可见光区的平均透光率为20～25％，光伏转换效率为7～9％，与常用的商用薄膜电池的立面发电效率接近；并未出现明显的视差，影响人眼的疲劳度和舒适感。
实施例3:
本实施例制备的实现全太阳光谱管理的光伏真空窗的结构示意图如图1所示，包括由内向外依次设置的真空玻璃层、光伏发电层和自洁净功能层。所述真空玻璃层包括第一玻璃1、第二玻璃2以及第一玻璃1和第二玻璃2之间形成的真空层。所述光伏发电层包括依次设置的第一透明电极8、光伏薄膜9和第二透明电极10；所述光伏薄膜为透光性光伏薄膜；所述自洁净功能层包括由内向外依次设置的第三玻璃3和纳米光催化薄膜7；第一透明电极8和第二透明电极10为tco层；真空玻璃层和光伏发电层之间通过夹胶层11连接，夹胶层材料为聚乙烯辛烯共弹体(poe)。
本实施例中的光伏薄膜为有机聚合物电池(主体为七甲基乙胺盐和c60量子点，具体结构可参照公开发表的文献j.s.bangsund,c.j.traverse,m.yong,t.j.patrick,y.zhao,r.r.lunt,adv.energymater.2016,6,1501659.)，ito透明电极约为100nm，光伏膜层为200～300nm，可见光区的平均透光率为40～60％，光伏转换效率为3～5％，与常用的商用薄膜电池的立面发电效率接近；并未出现明显的视差，影响人眼的疲劳度和舒适感。
从以上实施例可以看出，本发明提供的实现全太阳光谱管理的光伏真空窗采用一体优化设计，集成了真空玻璃高绝热和隔音功能，兼顾了光伏发电性能和可见光透光性能，在通过薄膜发电的同时保证窗户的采光与视野，并具备自清洁功能；并且，与一般真空玻璃窗相比，本发明集成了光伏薄膜，能通过主动发电进一步减排co2，提升综合效能，更有利于新型绿色节能建筑组件的推广；与夹层真空光伏玻璃窗相比，本发明的光伏层置于真空玻璃的外侧，避免了光伏组件工作时对真空环境的干扰(放气和热辐射)，保证了真空玻璃的性能和使用寿命；与夹层中空光伏玻璃窗相比，本发明在达到同等绝热性能的条件更轻质，没有结露现象，具有更高的使用寿命，且具有更好的透光性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。