一种太阳能分频复合发电装置的制作方法

本发明属于太阳能发电领域，尤其涉及一种太阳能分频复合发电装置。

背景技术：

将太阳光能转换为电能目前主要有两种技术途径，一种是利用能源转换材料将太阳能直接转换为电能如太阳能光伏电池和热电半导体器件；另一种是通过太阳能热电转换系统进行光-热-电转换，前者目前发展较快，传统的硅基太阳能电池技术已实现了规模化商业应用，但其性价比目前尚无法与传统能源相竞争，研究和发展高转换效率、低成本的太阳能发电技术仍是太阳能利用领域急需解决的重要课题。

由于钙钛矿电池模块的生产成本仅为商业化硅太阳能电池模块的三分之一，另外钙钛矿具有的高消光系数、高载流子迁移率、长载流子寿命、低激子束缚能以及双极性传输等材料本征的优异特性使钙钛矿太阳能电池效率仍具有巨大的提升潜力，因此被认为是未来最重要的太阳能电池材料之一。

尽管钙钛矿太阳能电池转换效率提升速度迅猛，但由于受钙钛矿半导体材料自身带隙的物理限制，只能将太阳光谱中一部分可见光波长范围内太阳光能量转换为电能，而太阳辐射能量的99％集中在200至3000nm的波长范围内，可见光波长范围能量只占到太阳辐射能量约58％，其余的红外光太阳能量均不能被钙钛矿太阳能电池转换利用，因此，存在难以超越的shockley-queisser转换效率理论极限(约30％)。研究如何利用钙钛矿太阳能电池的性能实现太阳全光谱能量利用，是提高钙钛矿太阳能电池转换效率的关键，具有重要的价值。现有光伏太阳能电池受到电池材料自身带隙的物理限制，利用部分光谱范围内的太阳能导致提高光伏太阳能电池的光电转换效率受限。传统的硅基太阳能电池技术已实现了规模化商业应用，但其目前转换效率仍很低，一般不超过17％。波长范围外的光谱能量会增加太阳能电池的热负荷，降低电池效率，在降低单位发电成本的同时又受到太阳光的资源限制，无法突破太阳辐照能量密度低的困境。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中的问题，提供一种太阳能分频复合发电装置，提高太阳能光谱利用率及太阳能发电效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种太阳能分频复合发电装置，包括半透明钙钛矿太阳能电池、菲尼尔透镜、聚光反射镜、无机太阳能电池，将导电硅胶真空模塑在半透明钙钛矿太阳能电池下表面构成菲尼尔透镜，太阳光从半透明钙钛矿太阳能电池的上表面入射，300～800nm的太阳能光谱在半透明钙钛矿太阳能电池中经过若干次反射而吸收，800～2500nm的太阳能光谱经过聚光反射镜会聚到无机太阳能电池上，无机太阳能电池进行发电。利用半透明钙钛矿电池光谱分频特性，在半透明钙钛矿太阳能电池的透明背电极上原位复合菲尼尔太阳聚光器，获得太阳能发电/分频/聚光子装置，首先将分频透射后的光线进行光能聚集，再经倒置圆锥形“光漏斗”进行多级高倍聚光并使高能流密度光能在接受器表面均匀分布，接受器为太阳能电池。聚光反射镜与菲尼尔透镜和无机太阳能电池相连，目的是增大能留密度，使光线分布均匀，防止由于过热点的出现而损坏太阳能分频复合发电装置器件。

菲尼尔透镜的下表面与无机太阳能电池的上表面之间的距离为15mm，不等于菲尼尔透镜的焦距。实现聚光的同时,也保证光线分布的均匀性,避免能流密度分布不均造成器件损坏。

按上述技术方案，聚光反射镜为倒置圆锥形，聚光反射镜的内表面经抛光处理。

按上述技术方案，菲尼尔透镜的倾角为30°，太阳光入射角为0°。进入半透明钙钛矿太阳能电池的300～800nm的太阳光不反射出去，被封在组件内，增加了光子传输光程，提高太阳能分频复合发电装置的太阳光吸收特性，提高半透明钙钛矿电池的转换效率，进而极大提高太阳能利用率。

半透明钙钛矿太阳能电池由下至上依次是：第一透明电极层、半透明功能层、第二透明电极层，半透明功能层由三层结构组成，从下至上依次是空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层；第一透明电极层作为电池器件阴极，材料为ito,折射率n＝2；空穴传输层和电子传输层为载流子传输层，空穴传输层材料为spir-ometad，折射率n＝1.76；电子传输层材料为tio2，折射率n＝2.4，均为透明结构；钙钛矿吸光层材料为ch3nh3pbi3，厚度为100～200纳米，折射率n＝2.74；第二透明电极层作为电池器件阳极，材料为金属ag，厚度为8～10nm，折射率n＝0.45。太阳能从半透明钙钛矿太阳能电池的上表面入射。

按上述技术方案，菲尼尔透镜的焦距为30mm。

按上述技术方案，无机太阳能电池为硅太阳能电池或铜铟镓硒太阳能电池或砷化镓太阳能电池。

本发明产生的有益效果是：通过利用半透明钙钛矿太阳能电池，达到了太阳光光伏发电、分频、分级利用的目的，有效提高半透明钙钛矿电池本身的光伏发电效率，菲尼尔透镜实现太阳光聚光，增加能流密度，节省装置制造的成本；聚光反射镜(二次镜)，缩减了无机太阳能电池与菲尼尔透镜之间的距离，同时提高了光斑分布的均匀性，提高无机太阳能电池的效率，避免由于过热点的出现损坏无机太阳能电池；降低半透明钙钛矿材料在550～800nm波长范围内的透射率，避免该波长光能透过导致钙钛矿电池短路电流损失使电池转换效率下降。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例太阳能分频复合发电装置结构示意图；

图2是本发明实施例太阳能分频复合发电装置中半透明钙钛矿太阳能电池结构示意图；

图3是本发明实施例太阳能分频复合发电装置光路图；

图4是am1.5光谱图及理想半透明钙钛矿太阳能电池的透过率；

图5是肖克利光伏电池极限转换效率图；

图6是下层光伏发电子系统对复合发电系统的贡献率图；

图7是理想匹配的电池带隙效率图；

图8是钙钛矿光伏分频聚光装置制备过程流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种太阳能分频复合发电装置，包括半透明钙钛矿太阳能电池、菲尼尔透镜、聚光反射镜、无机太阳能电池，将导电硅胶真空模塑在半透明钙钛矿太阳能电池下表面构成菲尼尔透镜，太阳光从半透明钙钛矿太阳能电池的上表面入射，300～800nm的太阳能光谱在半透明钙钛矿太阳能电池中经过若干次反射而吸收，800～2500nm(不包括边界点)的太阳能光谱经过聚光反射镜会聚到无机太阳能电池上，无机太阳能电池进行发电。利用半透明钙钛矿电池光谱分频特性，在半透明钙钛矿太阳能电池的透明背电极上原位复合菲尼尔太阳聚光器，获得太阳能发电/分频/聚光子装置，首先将分频透射后的光线进行光能聚集，再经倒置圆锥形“光漏斗”进行多级高倍聚光并使高能流密度光能在接受器表面均匀分布，接受器为太阳能电池。聚光反射镜与菲尼尔透镜和无机太阳能电池相连，目的是增大能留密度，使光线分布均匀，防止由于过热点的出现而损坏太阳能分频复合发电装置器件。

进一步地，菲尼尔透镜的下表面与无机太阳能电池的上表面之间的距离为15mm，不等于菲尼尔透镜的焦距。

进一步地，聚光反射镜为倒置圆锥形，聚光反射镜的内表面经抛光处理。

进一步地，菲尼尔透镜的倾角为30°，太阳光入射角为0°。小于800nm的太阳光能在顶电极上发生全反射，提高半透明钙钛矿太阳能电池的吸收性，提高电池效率；大于800nm的太阳光在半透明钙钛矿太阳能电池的背电极上发生全反射，不重新进入钙钛矿电池。

进一步地，半透明钙钛矿太阳能电池由下至上依次是：第一透明电极层、半透明功能层、第二透明电极层，半透明功能层由三层结构组成，从下至上依次是空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层；第一透明电极层作为电池器件阴极，材料为ito,折射率n＝2；空穴传输层和电子传输层为载流子传输层，空穴传输层材料为spir-ometad，折射率n＝1.76；电子传输层材料为tio2，折射率n＝2.4，均为透明结构；钙钛矿吸光层材料为ch3nh3pbi3，厚度为100～200纳米，折射率n＝2.74，为半透明结构；第二透明电极层作为电池器件阳极，材料为金属ag，厚度为8～10nm，折射率n＝0.45。

进一步地，菲尼尔透镜的焦距为30mm。

进一步地，无机太阳能电池为硅太阳能电池或铜铟镓硒太阳能电池或砷化镓太阳能电池。

如图1、图2所示，本发明的太阳能分频复合发电装置，包括无机太阳能电池101、聚光反射镜102、半透明钙钛矿电池及菲尼尔透镜103。无机太阳能电池位于菲尼尔透镜的下表面15mm处，并不等于菲尼尔透镜的焦距。半透明钙钛矿太阳能电池由下至上依次是：第一透明电极层1-1-5、半透明功能层、第二透明电极层1-1-1，半透明功能层由三层结构组成，从下至上依次是空穴传输层1-1-2、钙钛矿吸光层1-1-3、电子传输层1-1-4。

如图3所示，是本发明实施例太阳能分频复合发电装置光路图，从图中可以看出半透明钙钛矿太阳能电池的透光性，透过来的能量经由菲尼尔透镜和聚光反射镜聚光到无机太阳能电池上。不同入射角，不同菲尼尔透镜倾角情况下，发生全反射现象的不同界面，即不同材料的计算公式具体为：

其中γ为光线经过钙钛矿电池和菲尼尔透镜后重新反射到钙钛矿层的入射角度；θ0为为太阳光入射进入装置的角度；n为不同材料的折射率；i为发生全反射界面的代号，取值范围为0-7，0为空气层；1为玻璃层；2为ito层；3为spir-ometad层；4钙钛矿层；5为tio2层；6为ito层；7为菲涅尔透镜层。

太阳能电池透过率受电池单层介质厚度、消光系数、折射率的影响：τ＝f(d，k，n)。针对不同介质的折射率，设计所需厚度，可实现所需的透过率。

所述单层介质透过率(τ)具体公式为：

所述反射率(r)可由下式表示：

所述钙钛矿太阳能电池总的透过率(τtotal)具体公式为：

式中n是介质折射率；d为介质厚度；α为介质材料吸收系数；k为介质消光系数；δ为介质中缺陷散射吸收系数；i为不同介质层；λ0为光线在真空中波长；τtotal为钙钛矿太阳能电池总的透过率。可根据下层不同带隙的太阳能电池,合理选择每层介质的厚度及折射率,实现透过率可控,最大程度有效利用太阳光谱,实现最佳带隙匹配。

如图4所示，是am1.5的太阳光谱以及其与理想半透明钙钛矿太阳能电池透过率耦合后得到的平均透过率。从图中可以看出，小于800纳米的波长透过率为0,大于800纳米的波长透过率为1,其与am1.5光谱耦合后的平均透过率为42％。

本发明的一个实施例中，硅太阳能电池放置于菲尼尔透镜下方的15毫米处。太阳光入射到半透明钙钛矿电池的太阳能发电/分频/聚光装置及其应用系统，半透明钙钛矿太阳能电池将太阳光谱进行分频，透过电池的能量，经菲尼尔透镜这一聚光单元，将透过来的太阳光进行低倍聚光，聚光后的能量到达硅太阳能电池发电单元。此方案的原理为：入射太阳光经过半透明钙钛矿太阳能电池部分被吸收后转换为电能，而未被吸收转换的550～780nm范围部分可见光和红外光，总共约占入射太阳光能量的36～40％，该能量经聚光透镜聚集后可转换为电能，硅太阳能电池与钙钛矿太阳能电池形成了较好的能量利用补充关系，可提高整个系统的太阳能转换效率；另外，太阳能发电/分频/聚光子装置由于具有分频聚光功能可使太阳光能聚集，提高到达硅太阳能电池上的太阳光能流密度，可提高光电转换效率，并使太阳能电池用量减少。由图5可以看出，半透明钙钛矿太阳能电池的平均透过率为33％，下方放置的硅太阳能电池可利用800-1100nm的能量。若用带隙为1.5ev的钙钛矿太阳能电池，经由硅太阳能电池复合，总效率为38.6％。如图6所示。

通过图7可以很容易的得出不同带隙配合不同下层电池带隙的复合系统总效率。若用带隙为1.5ev的钙钛矿太阳能电池电池，带隙为1.1ev的下层太阳能电池，复合系统的总效率为44％。如图5所示是不同带隙的光伏电池的肖克利极限转换效率，图6是不同上层电池带隙情况下太阳能电池发电单元的极限转换效率。由图5,6可以看出，下层太阳能发电单元的转换效率也具有像光伏电池那样具有与带隙匹配的极限效率，由图7可以看出与不同带隙的太阳能电池复合，下层太阳能发电的贡献率可在6～18％之间，，另外，下层电池发电单元与上层光电能量利用上存在明显的互补关系，通过两种相同的能量转换方式复合可以拓宽太阳光谱的利用范围，使整个系统效率提高，效率可达到44％以上，理想匹配的太阳能电池材料的带隙范围在1.4～1.7ev之间。图8是钙钛矿光伏分频聚光装置制备过程流程图。其制备过程为:(1)准备好工装/设备和夹具,菲尼尔透镜角度的成型主要靠不同角度的磨具,准备完成后,等待；(2)将液态的透明有机硅胶倒在模具上；(3)用真空模塑工艺将钙钛矿太阳能电池压在注有有机硅胶的模具上；(4)在中低温的条件下,等待固化,固化之后脱模,形成钙钛矿光谱分频聚光装置.优点:有机硅胶处于电池背面,部分紫外光被玻璃过滤,硅胶非直接接触太阳光紫外线照射,减弱了有机硅胶老化的问题；有机硅胶透镜钙钛矿太阳能电池整体覆盖还可以起到电池二次封装保护作用。

沿着太阳光入射方向从上往下依次为半透明钙钛矿太阳能电池、菲尼尔透镜、聚光反射镜、无机太阳能电池。无机太阳能电池可利用800～2500nm的太阳光谱能量。经倒置圆锥形“光漏斗”聚光反射镜进行多级高倍聚光并使高能流密度光能在接受器表面均匀分布，接受器为无机太阳能电池。

本发明基于半透明钙钛矿电池的太阳能发电装置，不仅大幅简化了全光谱太阳能复合装置发电单元的结构，而且也使太阳光能量在光电复合发电单元中传输、能量吸收与转换的过程更加合理，首先，太阳光在聚光前被吸收转化，可充分利用太阳光中的散射光，提高了太阳能量的利用率，其次，不能被转换的低能光子分频透射后，减小了钙钛矿薄膜太阳能电池的热负荷，降低了温度对电池转换效率的影响，最后，采用了菲尼尔透镜加倒置锥形封闭腔体限光的设计方案，可减小红外光线的反射损失。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。