一种太阳能荧光聚光器

1.本发明属于太阳能聚光器领域，尤其涉及一种喇叭状太阳能荧光聚光器。


背景技术：

2.太阳能荧光聚光器是一种能够将光电转化效率低的太阳光转化为高量子 效率的荧光，同时利用全反射原理将荧光传导到装置边缘的光学器件。在荧 光聚光器边缘安装的太阳能电池，能够有效地吸收高强度的荧光，从而提高 单位面积的太阳能电池的光电转换效率。
3.荧光聚光技术能够利用任意角度入射的太阳光，从而无需配置太阳跟踪 装置。相对于普通的太阳能电池以及聚焦型和反光型的太阳能聚光技术，荧 光聚光技术能够显著降低高效率的单晶硅等太阳能电池的发电成本。除此之 外，荧光聚光器还具有制备工艺简单、质量轻便、透光度可以根据实际需要 进行调节等优势，从而能够广泛应用于城市群的各个角落，例如窗户、屋顶、 公交站台、公园等。
4.通常荧光聚能器在光激发下，通过全内反射，嵌在聚光器内的荧光体产 生的荧光传播到周边，通过附着在聚光器侧壁周边上的光伏条接收并转化为 电能。为了收集聚光器周边传播的所有荧光，需要围绕聚光器侧壁贴多个光 伏条，但是不同光伏条之间的电气不匹配可能会导致额外的太阳能功率转换 效率(pce)损耗。换句话说，串联或并联连接的光伏条的输出受到输出最 低的功率的限制。


技术实现要素：

5.针对以上问题，本发明提供了一种太阳能荧光聚光器，能够将荧光引导 到一侧，而不是四周，因此只需要在一侧贴覆一个光伏条即可收集荧光，避 免了电失配，进一步降低了光伏材料成本。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
7.一种太阳能荧光聚光器，包括第一透明板、第二透明板、荧光纳米粒子 悬浮液、透明板框架和光伏条，
8.所述第一透明板、透明板框架和第二透明板自上而下设置，所述第一透 明板、第二透明板和透明板框架内部设有一封闭腔体，所述荧光纳米粒子悬 浮液位于所述封闭腔体内；
9.所述第一透明板和第二透明板在水平面的投影分别为梯形，且所述第一 透明板和/或第二透明板的第一侧面高度均大于第二侧面高度；所述光伏条的 吸光面固定在所述聚光器的第一侧面，也就是说所述光伏条的吸光面面向所 述聚光器的第一侧面；
10.其中，所述第一侧面为所述梯形中相互平行的长边的一侧，所述第二侧 面为第一侧面相对的另一侧。
11.优选地，所述聚光器还包括反射镜，所述反射镜分别安装在所述聚光器 剩余的侧面。
12.优选地，所述第一透明板和/或第二透明板的第一侧面相对于第二侧面的 高度差d，0cm＜d≤1cm，进一步优选地，所述高度差d＝0.15cm。
13.优选地，所述第一透明板的第一侧面的高度大于第一透明板的第二侧面 的高度。
14.优选地，所述荧光纳米粒子悬浮液为荧光纳米粒子分散在有机聚合物溶 液中形成的纳米粒子悬浮液，所述荧光纳米粒子选自cdse-cds量子点、 inp-zno量子点、inas-in(zn)p-znse-zns巨壳量子点或1-辛烯钝化的硅量 子点、cuins2量子点、cuinsexs
2-x
量子点、cucdsse量子点或mn
2+
掺杂的 znse量子点。
15.优选地，所述荧光纳米粒子悬浮液为1-辛烯钝化的硅量子点(siqds) 分散在非极性有机溶剂中的悬浮液。
16.优选地，所述非极性有机溶剂为己烷、甲苯或1-十八烯。
17.优选地，所述荧光纳米粒子悬浮液的浓度为0.25-1mg ml-1。
18.本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和 积极效果：
19.本发明通过将第一透明板和第二透明板两者均设计成梯形，并且将梯形 中相互平行长度较长的边的厚度大于长度较短的边的厚度，使最终的聚光器 呈现喇叭形状，采用喇叭状的聚光器，可引导荧光从喇叭状聚光器开口较大 的一侧射出，只需要将光伏条设置在开口较大的一侧即可，避免了聚光器四 周设置光伏条，进而避免pce损耗，提高聚光器的光学效率。
附图说明
20.图1为本发明太阳能荧光聚光器的立体结构示意图；
21.图2为本发明实施例1的太阳能荧光聚光器平面示意图；
22.图3为本发明实施例1的太阳能荧光聚光器平面示意图；
23.图4为本发明对比例1的太阳能荧光聚光器平面示意图；
24.图5为本发明对比例2的太阳能荧光聚光器平面示意图；
25.图6为本发明实施例1-2和对比例1-2的聚光器的光学效率图；
26.图7a为本发明实施例1的聚光器中的光路图；
27.图7b为本发明对比例1中的聚光器中的光路图；
28.图8为本发明实施例2的不同硅量子点与聚光器光学效率关系图；
29.图9为本发明实施例中采用的硅量子点悬浮液的吸收光谱和pl光谱， 图中分别对应siqd的浓度等于0.25mg ml-1
(实线e)，1mg ml-1
(实线d)， 2mg ml-1
(实线c)，4mg ml-1
(实线b)和8mg ml-1
(实线a)。
30.图10为本发明实施例中采用的硅量子点分散在1-辛烯钝化的光谱图。
31.附图标记说明：1-第一透明板；2-第二透明板；3-荧光纳米粒子悬浮液； 4-透明板框架；5-光伏条；6-反射镜。
具体实施方式
32.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种太阳能荧光聚光器作进 一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
33.参看图1和图2，一种太阳能荧光聚光器(lsc)，包括第一透明板1、 第二透明板2、荧光纳米粒子悬浮液3、透明板框架4和光伏条5，
34.第一透明板1、透明板框架4和第二透明板2自上而下设置，第一透明 板1、第二透明板2和透明板框架4内部设有一封闭腔体，玻璃框架内部为 规则长方体的环状玻璃形状，玻璃框架外围框架形状与第一透明板1或第二 透明板2形状相同，荧光纳米粒子悬浮液3位于封闭腔体内，因此封闭腔体 内的荧光纳米粒子悬浮液3在聚光器呈现规则长方体形状；
35.第一透明板1和第二透明板2在水平面的投影均为梯形，且第一透明板 1和/或第二透明板2的第一侧面的高度均大于第二侧面高度，两者的高度差 d，0cm＜d≤1cm，进一步优选地，高度差d＝0.15cm；光伏条5的吸光面面 向贴覆在聚光器的第一侧面；
36.其中，第一侧面为梯形中相互平行的长边的一侧，第二侧面为第一侧面 相对的另一侧。
37.聚光器还包括反射镜6，反射镜6分别安装在聚光器剩余的侧面。
38.荧光纳米粒子悬浮液3为荧光纳米粒子分散在有机聚合物溶液中形成的 纳米粒子悬浮液，为了降低荧光纳米粒子的重吸收，荧光纳米粒子选自具有 大斯托克斯位移的荧光团，具体可选cdse-cds量子点、inp-zno量子点、 inas-in(zn)p-znse-zns巨壳量子点或siqds量子点、cuins2量子点、 cuinsexs
2-x
量子点、cucdsse量子点或mn
2+
掺杂的znse量子点。
39.荧光纳米粒子悬浮液3的浓度为0.25-1mg ml-1。
40.实施例1
41.参看图1-2，本实施例中第一透明板1和第二透明板2在水平面的投影 均为梯形，第一透明板1的第一侧面高度大于第一透明板1的第二侧面高度， 第二透明板2的第一侧面与第二侧面的高度相同，硅光伏条5(si pv)的吸 光面面向贴覆在第一侧面所在的聚光器侧面。硅量子点主要吸收紫外线(uv)， 轻微吸收蓝色光，并通过与氧相关的表面缺陷状态重新发射红色至近红外 (nir)的光致荧光。因此本实施例中荧光纳米粒子悬浮液3选用siqds量 子点分散在非极性有机溶剂中的悬浮液，其中非极性有机溶剂为己烷、甲苯 或1-十八烯等。
42.实施例2
43.参看图1和图3，聚光器除第一侧面所在的侧面，其他的侧面固定安装 反射镜6。
44.对比例1
45.参看图4，除了第一透明板1和第二透明板2为规则的长方体，其他设 置与实施例1相同。
46.对比例2
47.参看图5，除了第一透明板1和第二透明板2为规则的长方体，其他设 置与实施例2相同。
48.(1)实施例1-2和对比例1-2的lsc的光学效率
49.实施例1-2和对比例1-2中硅量子悬浮液中硅量子的浓度均为1mg ml-1
， 采用波长为356nm的光均匀照射聚光器，计算聚光器内部光学效率(η
opt,internal
)， 同时也得出仿真数据，其定义为si pv接收到的siqd荧光光子除以聚光器 内产生的总荧光光子；同时测量光伏条5产生的短路电流，siqd荧光区域 为9cm
×
9cm。
[0050][0051]
其中，δi
sc
表示si pv相较于siqd浓度为0时所增加的的短路电流，q ＝1.6
×
10-19
c为元电荷，(约0.95)为在siqd荧光的峰值波长，即625 nm照射下si pv带的量子效率，i
light
(1.5mw cm-2
)为365nm光强度， w
lsc2
(9cm
×
9cm，图1-3)为光吸收面积，a
siqd
(33.71％，图9中的实线d)为siqd在365nm光照射下的的吸收率,hν
365nm
(5.44
×
10-19
j)为365 nm光子能量，(30.54％,图10)为siqd悬浮液在365nm激发下的光 致发光量子效率(plqy)。siqd浓度始终为1mg ml-1
。
[0052]
图10为硅量子点分散在1-辛烯钝化的绝对光致发光量子效率，用光谱 仪(zolix omnifluo-960)测量得到的光谱图，采用25μm光致发光量子效率为 93.91％的罗丹明6g乙醇溶液对光学系统进行预校准。图中h曲线为单独测 量十八烯所得曲线，f曲线为测量加入了siqd后的悬浊液所得曲线，激发所 用波长为365nm。siqd悬浮液的光致发光量子效率＝从500nm到850nm (f曲线下的积分面积
–
h曲线下的积分面积)/从350nm到380nm(h曲线 下的积分面积
–
f色曲线下的积分面积)。
[0053]
聚光器内部光学效率(η
opt,internal
)测量结果如图6(3c)所示，从图中可以 看到实施例1和2中的光学效率是高于对比例1、2，实施例1中随着高度差 d的增大，光学效率先增大后一直保持稳定，实施例2则随着高度差d增大， 光学效率先增大后减小，在d＝0.15cm使光学效率最高，d在0-0.5范围内的 光学效率高于对比例2，对比例2的光学效率大于对比例1。
[0054]
因此，本实施例的喇叭状聚光器确实能增加光学效率。
[0055]
(2)探讨如何将荧光引导到lsc的一侧
[0056]
如图7a实施例1喇叭状聚光器的光路图，和7b对比例1传统的聚光器， 图中点光源代表一颗硅量子点，n1是玻璃介质，n2是硅量子点悬浮液介质， 对于对比例1顶部和底部彼此平行的传统聚光器(图7b)，顶部和底部表面 的逃逸锥具有相同的立体角，等于2π
×
(1
–
cosθc)sr，其中θc是全内反射的 临界角，而从点光源发射的总光束的cosθc部分可以通过全内反射传播到周 围的边缘。如果只考虑yz-平面，从点光源发出的总光束的(π
–
2θc)/2π可以 通过全内反射向(+)y方向传播。而对于本技术的聚光器，如果聚光器的顶 面向上倾斜θ
t
(图7a)，在yz平面上，总光束的(π
–
2θc+θ
t
)/2π可以向(+)y 方向传播，这比没有倾斜顶面的要高。此外，传播光束的入射角在每次全内 反射时增加θ
t
。例如，光束(i)的入射角在第一次反射时为θc，在第二次反 射时为θc+θt，在第n次反射时为θc+(n-1)
×
θ
t
。相反，对于向(
–
)y方向传 播的光束，入射角在每次全内反射时减小θ
t
。例如，光束(ii)虽然在第一次 全内反射时刚好具备足够的入射角，但当其入射角减小至θ
c-θ
t
时，将从lsc 逸出。总而言之，虽然顶面倾斜允许更多的光束向(+)y方向传播，并通过使 入射角每反射一次增加θ
t
来确保全内反射的发生，但相较于没有表面倾斜时， 光束更容易从lsc中向(-)y方向逸出，因为入射角在每次全内反射时都会 减小θ
t
。基于这一理论分析，在这项工作中，我们开发了一个喇叭状的lsc， 其第一侧面从立体上成喇叭状(透明玻璃呈梯形，透明玻璃第一侧面高度高 于透明玻璃的第二侧面)，以引导siqd荧光朝向lsc的一侧传播。
[0057]
(3)不同siqd浓度的喇叭状siqd-lsc的光学效率
[0058]
图8为实施例2中高度差d＝0.15cm，不同siqd浓度与lsc光学效率的 关系图，如图
8所示，左侧的纵坐标为η
opt,internal
，右侧的纵坐标为η
opt,external
， siqd-lsc(d＝0.15cm)在不同siqd浓度下的η
opt,internal
(圆圈)和η
opt,external (菱形)，此处的η
opt,internal
和η
opt,external
是基于δi
sc
计算的，即si pv相较于 siqd浓度为0时所增加的的短路电流。右下方插图显示了不同siqd浓度下 的365nm的a
siqd
。η
opt,external
定义为si pv带接收的siqd荧光光子量除以入 射在9cm
×
9cm光吸收区域上的总激发光子量，修改自η
opt,internal
的方程计 算：在测量过 程中，不同siqd浓度的siqd-lsc被365nm光均匀照射，同时测量si pv 带产生的短路电流。随着siqd浓度从0.25mg ml-1
增加到4mg ml-1
到8mgml-1
，η
opt,internal
首先从38.70％略微增加到44.83％，然后略微下降到39.78％ (图4中的绿色圆圈)。一般来说，η
opt,internal
稳定地保持在40％左右，表明 即使在较高siqd浓度的情况下siqd重吸收损失也不严重。鉴于相对稳定 的η
opt,internal
,η
opt,external
基本上与a
siqd
成正比，随着siqd浓度的增加，ηopt, internal
逐渐饱和(图4的插图)。因此，尽管siqd浓度加倍，但8mg ml-1
(＝10.30％)的η
opt,external
仅略高于4mg ml-1
(＝9.54％)的η
opt,external
。
[0059]
因此，本发明提供了一种喇叭状的太阳能荧光聚光器，能够将纳米荧光 光子产生的荧光引导到聚光器的一侧，只需要将在一侧固定光伏条5，避免 了电失配并进一步降低光伏条5的材料成本。
[0060]
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于 上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利 要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。