太阳能电池冷却装置、冷却方法、污水处理方法、海水淡化方法

1.本发明属于电池冷却领域，具体为钙钛矿太阳能电池冷却。


背景技术：

2.钙钛矿太阳能电池因其高效率、低成本和易加工性而备受关注。电池效率也已超过25.7％。然而，由于钙钛矿材料的固有的环境敏感性，钙钛矿太阳能电池需要在长期稳定性方面进一步提高。影响其稳定性的主要因素之一是水分和氧气。在过去几年中，通过各种封装方法和材料可以抑制水分和氧气的进入。
3.然而，钙钛矿太阳能电池的热稳定性无法通过封装解决。这是因为只有20-25％的吸收太阳能转化为电能，其余的太阳能转化为热能，从而大大提高了工作温度。如此高的热负荷不仅会导致钙钛矿太阳能电池内部的热晶格膨胀和结构分层，而且不可避免地会加速钙钛矿的离子迁移，这对钙钛矿太阳能电池的效率和寿命都是有害的。
4.目前提高钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法有：1.降低ma+的比例，增加钙钛矿薄膜中的fa+和cs+。2.使用添加剂。3.设计新的2d卤化物钙钛矿。4.用无机金属氧化物取代有机空穴传输层。这些方法往往复杂，适用面不普遍，虽然提升了钙钛矿太阳能电池的热稳定性，但这些策略并没有从根本上消除钙钛矿太阳能电池工作时产生的热量，从而导致潜在的风险。


技术实现要素：

5.本发明为了消除太阳能电池在工作中产生的热量，提供了一种太阳能电池冷却装置和冷却方法，同时基于冷却装置，提供了一种污水处理方法、海水淡化方法，太阳能冷却装置通过在太阳能电池底侧设置水蒸气发生器，通过水蒸发将电池热量带走，实现冷却效果，在太阳能电池底侧设计相对于传统喷射冷却，不会削弱照射在电池上的光线，即不会影响电池的吸光效率。
6.基于此，本发明一方面提供了一种太阳能电池冷却装置，包括
7.封装在太阳能电池一侧的玻璃，所述玻璃为亲水玻璃；
8.与所述玻璃接触的亲水面料，所述亲水面料连接水源；
9.所述玻璃通过加压封装在所述太阳能电池底侧，所述太阳能电池底侧为背对太阳能电池吸光面的一侧。
10.作为一种优选方案，所述玻璃在10000～100000pa的压力下封装在所述太阳能电池上。
11.作为一种优选方案，所述太阳能电池为钙钛矿太阳能电池。
12.作为一种优选方案，所述玻璃上设置有氧化钛膜，所述氧化钛膜通过旋涂或浸渍或旋涂与浸渍的结合涂覆在所述玻璃上。
13.作为一种优选方案，所述亲水面料为无纺布或棉布。
14.作为一种优选方案，在太阳能电池和玻璃之间设置有封装用的氩气或氮气或氩气与氮气的混合气体。
15.作为一种优选方案，所述太阳能电池与玻璃之间的气体层厚度为40μm以下。
16.作为一种优选方案，所述太阳能电池与玻璃之间的气体层厚度为20μm以下。
17.作为一种优选方案，所述太阳能电池和玻璃之间通过导热封装胶连接。
18.作为一种优选方案，所述太阳能电池为pb-sn单节、pb单节和叠层钙钛矿电池。
19.作为一种优选方案，所述太阳能电池为pb-sn单节钙钛矿电池。
20.第二方面，提供了一种太阳能电池冷却方法，包括以下步骤
21.a对玻璃进行亲水处理；
22.b在太阳能电池一侧加压封装玻璃；
23.c在玻璃背对太阳能电池的一侧设置亲水面料；
24.d亲水面料连用水源；
25.玻璃在氩气或氮气氛围下封装在所述太阳能电池上。
26.作为一种优选方案，所述玻璃通过加压10000～100000pa封装在所述太阳能电池上。
27.作为一种优选方案，亲水面料浸渍在水源内。
28.作为一种优选方案，亲水面料与水源通过管道连接，水源在外力的作用下泵入或自然流入亲水面料。
29.第三方面，提供了一种污水处理方法，采用上述太阳能电池冷却装置对污水进行蒸发处理，所述亲水面料与所述污水的连接方式为以下其一或多种的结合所述亲水面料浸渍的所述污水中；
30.所述污水泵入至所述亲水面料；
31.所述污水重力作用下自然流动至所述亲水面料。
32.第四方面，提供了一种海水淡化处理方法，采用上述的太阳能电池冷却装置对所述海水进行蒸发淡化；所述亲水面料与所述海水的连接方式为以下其一或多种的结合
33.所述亲水面料浸渍的所述海水中；
34.所述海水泵入至所述亲水面料；
35.所述海水重力作用下自然流动至所述亲水面料。
36.本发明所产生的有益效果：
37.1、大幅度降低热传递过程中的热阻，移除电池工作中产生的热量；
38.2、将电池的工作温度由60度降低到40度；
39.3、电池效率提升2％以上；
40.4、电池寿命提升200倍以上；
41.5、配合水蒸气收集装置可以通过蒸馏获取净化水，进而实现污水处理和海水淡化。
42.上述有益效果归结为本发明所记载方案或多方案的结合。
附图说明
43.图1(a)未加压封装玻璃氩气层厚度测试图；
44.图1(b)加压封装玻璃氩气层厚度测试图；
45.图2(a)(b)太阳能冷却装置的结构示意图；
46.图3实施例1和对比例1中钙钛矿太阳能电池的温度示意图；
47.图4实施例1和对比例2中钙钛矿太阳能电池的温度示意图；
48.图5在不同光照条件下采用冷却装置和未采用冷却装置的钙钛矿太阳能电池的温度示意图；
49.图6pb-sn单节太阳能电池转换率随时间变化的示意图；
50.图7设置冷却装置和未设置冷却装置的钙钛矿太阳能电池的微观形貌图；
51.图8pb单节太阳能电池转换率随时间变化的示意图；
52.图9全钙钛矿叠层太阳能电池转换率随时间变化的示意图；
53.图中所涉及到的文字说明：
54.control-未设置冷却装置的电池，with iecs-设置有冷却装置的电池；
55.涉及到效率的坐标值单位均为％
56.图中1、钙钛矿太阳能电池，2、氩气层，3、封装胶，4、玻璃，5、亲水面料，6、水汽。
具体实施方式
57.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的介绍，出于简洁的目的，本发明没有逐一列举所有实施例，对所列举实施例的简单替换、所有可能的结合均为记载在本发明中的实施例，值得注意的是，本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。
58.太阳能电池是吸收太阳光转换为电能的一种新能源电池，在光热转换过程中一部分能量被电池吸收转换为电能，另一部分能量吸收产生热量，热量的积聚会危害到电池的稳定性，基于此，本发明提供了一种太阳能电池冷却装置，针对的电池包括硅基电池、薄膜电池，其中硅基电池包括单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池，薄膜电池包括碲化镉太阳能电池、铜铟硒太阳能电池、钙钛矿太阳能电池，基于钙钛矿太阳能电池热稳定性差，温度要求高的特性，以钙钛矿太阳能电池为例进行介绍，可以理解为在装置满足钙钛矿太阳能电池的热稳定性的情况下，自然可以应用于其余太阳能电池。
59.太阳能电池冷却装置包括亲水玻璃、亲水面料，亲水玻璃上负载亲水面料，亲水面料连接水源，本发明对如何获取亲水玻璃、亲水玻璃如何加载在电池上以起到冷却效果，以及亲水面料的特性等进行了限定，以实现冷却效果。同时还对如何获取太阳能电池冷却装置、如何利用该装置进行污水处理、海水淡化进行了阐述说明，并对冷却效果和电池性能以实验数据的形式进行了说明。
60.实施例1
61.一种钙钛矿太阳能电池冷却方法，包括以下步骤
62.a对玻璃进行亲水处理-表面修饰
63.对玻璃进行亲水处理使玻璃一侧带有亲水基，具体为氧化钛旋涂、浸渍或其他能够在玻璃上设置氧化钛膜的工艺，玻璃处理前润湿角为61.7
°
，处理后润湿角为9.8
°
，亲水能力数倍增长，玻璃亲水特性的优化使其与水的接触面积增加，为蒸发冷却降温提供条件。
64.b在电池的底侧通过加压封装玻璃
65.玻璃通过加压封装在电池上，压力为10kpa，在某些实施例中条件允许的情况下压
力可增加至100kpa。
66.电池的底层为相对顶层而言，顶层为太阳能电池吸收太阳光的一侧，即太阳能电池的作用面，由于顶层直接接触阳光，升温速度快，在底侧设置蒸发冷却装置一方面在不影响太阳能电池吸光效率的基础上实现降温，另一方面可仅将电池设置封装玻璃的一侧置于水中，防止全浸渍导致的各种不利可能性。
67.基于钙钛矿太阳能电池与水和氧气接触会降低太阳能电池的稳定性，本实施例采用的封装为在氩气或氮气氛围内进行封装，具体为在充满氩气或氮气的手套箱内封装。加压封装前后氩气层的厚度变化如图1，由加压前的77.9μm减小至4.8μm，氩气层的缩减极大的减小了蒸发冷却过程中的传递热阻，有利用太阳能电池顶层温度传递至底侧，进而通过水蒸发带走热量。
68.c在玻璃的亲水一侧贴合亲水面料
69.本实施例中玻璃与亲水面料之间为接触贴合，可替换的贴合方式有连接贴合、吸附贴合，具体可以是粘附或磁铁吸附，亲水面料选择无纺布，可替换的为棉布或其他吸水能力强的柔性布料，柔性布料的强亲水特性使其与亲水玻璃之间贴合紧密，有利于热传输。
70.选择无纺布作为冷却装置的蒸发器，有三个优点。第一，它非常灵活，便于携带，方便实际环境。其次，它具有优良的亲水性，保证了界面蒸发的充足供水。第三，它是一种加工简单、成本极低的材料。
71.d亲水面料连接水源
72.水源作为蒸发冷却的介质，具有高蒸发焓和易获取的特点，其蒸发焓为2450kjkg-1，为蒸汽冷却装置提供较高的冷却功率，相对于喷淋降温或水汽降温，本发明对水质没有要求，海水、河水、自来水甚至污水均可利用。
73.本发明通过表面分子修饰对封装玻璃进行处理，采用加压封装的方法将玻璃直接连接到钙钛矿太阳能电池的背面，通过毛细作用连续泵水，然后利用psc面板产生的余热作为能量源，使水蒸发，达到降温冷却的目的，两者共同作用降低了冷却过程中的热阻，使热流有效的从顶部的钙钛矿流向底侧，从而通过液-气相变降低psc的温度。
74.实施例2
75.通过实施例1获取的太阳能电池冷却装置，如图2(a)和图2(b)，包括玻璃4、封装胶3、氩气层2和亲水面料5，玻璃4为进行亲水处理后的亲水玻璃，在玻璃4上旋涂氧化钛形成氧化钛膜或将玻璃浸渍在氧化钛溶液中形成氧化钛膜，由于氧化钛的强亲水性，经过处理后的玻璃，润湿角由61.7
°
减小至9.8
°
，大大提升了亲水性能。
76.封装玻璃与电池底侧通过封装胶3连接，封装胶3采用环氧树脂或丁基橡胶，环氧树脂或丁基橡胶在封装前为液体状态，封装过程中实现液固转化，该封装胶不仅导热性能好，而且液固转化减小在封装过程中的阻力，有利于减小玻璃与太阳能电池之间的间隙。封装胶一方面连接玻璃与电池，另一方面隔绝电池和外界空气和水。
77.封装玻璃与电池底侧之间为氩气，氩气将钙钛矿太阳能电池与空气进行隔绝，增强psc的稳定性，氩气层的厚度在20μm以下，优选5μm以下。
78.亲水面料接触连接玻璃，但应当保证的是与亲水面料连接的是玻璃的亲水侧，由于玻璃为硬质材料，亲水面料为柔性面料，玻璃与亲水面料之间实现紧密贴合，另一方面，玻璃的亲水特性和面料的吸水特性，使两者在水的作用下，贴合更为紧密，两者的紧密连接
进一步增强水的蒸发冷却效果。亲水面料可以是无纺布或棉布，亲水面料上的水经电池加热后转换为水汽6扩散出去。
79.实施例3
80.将实施例1中的太阳能电池冷却方法或实施例2中的太阳能电池冷却装置或两者的结合应用于污水处理领域，水源采用待处理的污水，将亲水面料置于待处理污水中，通过psc产生的热量蒸发污水，回收蒸发后的冷凝水，实现污水处理目的，污水处理过程中，亲水面料定期更换，以确保吸水特性，保证吸水效果。
81.实施例4
82.将实施例1中的太阳能电池冷却方法或实施例2中的太阳能电池冷却装置或两者的结合应用于海水淡化中，水源采用待淡化的海水，将亲水面料置于待淡化海水中，通过psc产生的热量蒸发海水，回收蒸发后的冷凝水，获取淡化后的海水，海水淡化过程中，亲水面料定期更换，以确保吸水特性，保证吸水效果。
83.对比例1
84.与实施例1的区别之处在于，步骤b中的玻璃未通过加压封装在psc底侧，具体为采用封装胶在氩气氛围下将玻璃封装在psc底侧，其余步骤相同，在此不再赘述。封装后的氩气层厚度如图1(a)所示，厚度为77.9μm。
85.对比例2
86.与实施例1的区别之处在于，(1)缺少步骤a，即本对比例中的玻璃未进行亲水处理，采用普通二氧化硅玻璃封装在psc底侧，(2)未通过加压封装在psc底侧，具体为采用封装胶在氩气氛围下将玻璃封装在psc底侧，其余步骤相同，在此不再赘述。
87.实施例5
88.对实施例1和对比例1的冷却方法进行冷却性能的模拟测试，采用comsol模拟psc在1.0kw m-2
辐照下工作30分钟光照达到稳态时，对电池温度进行监测，测试结果如图3所示，得出在相同工作条件及工作时间下采用加压封装玻璃的psc温度为40.6
°
，采用未加压封装玻璃的psc温度为45.5
°
，加压封装使psc的温度降低4.9
°
，发明人通过两者的微观形貌观察得到，在40
°
时钙钛矿内的碘离子未扩散，即没有因温度的升高而进行明显的迁移，晶格有序，在超过45
°
后碘离子有明显迁移，晶格明显杂乱，表面轻微粗糙，说明加压封装对于psc的稳定性起到关键作用。
89.实施例6
90.对实施例1和对比例2的冷却方法进行冷却性能的模拟测试，采用comsol模拟psc在1.0kw m-2
辐照下工作30min，电池温度达到稳态后，对温度进行监测，测试结果如图4，由图得，未进行亲水处理和加压处理的psc顶层温度在45
°
以上，底侧温度在40
°
以下，说明热传输效果差，未能及时带走psc产生的热量，进行加压处理和亲水处理的装置，psc顶层和底侧温度均稳定在39
°
，实现良好的热传导，保证psc的稳定性，防止晶格膨胀和离子迁移带来的工作效率降低。
91.实施例7
92.对未使用实施例1中太阳能电池冷却方法或未使用实施例2中太阳能电池冷却装置的psc性能进行测试，并与采用实施例1中太阳能电池冷却方法或实施例2中太阳能冷却装置的psc性能进行对比。
93.以pb-sn单节太阳能电池为例进行对比测试，未使用冷却装置和使用冷却装置的pb-sn单节太阳能电池在1.0kw
·
m-2
和1.36kw
·
m-2
太阳辐射下工作30分钟后电池温度达到稳态，其温度对比如图5所示，在1.0kw
·
m-2
太阳光辐射下(对应图中1.0sun)未采用冷却装置的电池(对应图中control)温度为61.2
°
，采用冷却装置的电池(对应图中with iecs)温度为40.0
°
，温度降低21.2
°
，降温效果明显；在1.36kw
·
m-2
太阳光辐射下(对应图中1.36sun)未采用冷却装置的电池温度为66.7
°
，采用冷却装置的电池温度为47.8
°
，温度降低19.9
°
，降温效果明显，上述数据说明在强光照下，冷却装置发挥了重要作用。
94.对pb-sn单节太阳能电池的光转化效率分析，如图6，实验环境温度为25℃，光照强度为1.0kw m-2
，以初始效率为基准，未通过冷却装置进行冷却的太阳能电池转换效率在初始阶段就表现出明显降低，在30分钟内，效率降低至初始效率的80％，通过冷却装置进行冷却的太阳能电池转换效率维持在初始效率附近，对其进行超过250小时的以最大功率点运行mpp跟踪，仍未见明显降低。
95.未使用冷却装置的psc与使用冷却装置的psc在1.0kw
·
m-2
下运行48h后对其进行sem和eds观察分析，如图7所示，由图得出，未使用冷却装置的psc已出现明显的离子扩散，使用冷却装置的psc未见离子扩散。
96.实施例8
97.以pb单节钙钛矿太阳能电池为例，对设置有冷却装置的钙钛矿太阳能电池和未设置冷却装置的钙钛矿太阳能电池进行模拟试验，对使用寿命进行测试。模拟环境为1.0kw
·
m-2
太阳光照射，环境温度为25
°
，通过mpp跟踪测试电池转换效率，测试结果如图8，设置有冷却装置的钙钛矿太阳能电池连续运行1895h后仍保持其初始性能的91％，未设置冷却装置的钙钛矿太阳能电池在900h后效率低于80％，说明冷却装置极大提高了pb单节钙钛矿太阳能电池稳定性和转换率。
98.实施例9
99.以全钙钛矿叠层太阳能电池为例，对设置有冷却装置的钙钛矿太阳能电池和未设置冷却装置的钙钛矿太阳能电池进行性能测试；psc在1.0kw
·
m-2
太阳光照射下进行模拟试验，环境温度为25
°
，在电池工作15分钟后，测试结果如表1，由表得出，设置有冷却装置的电池在开路电压、短路电流、填充因子和电池效率方面均具有优势。通过mpp跟踪获取电池转换效率，测试结果如图9，由图得设置有冷却装置的钙钛矿太阳能电池跟踪操作1000小时后仍保持了81％的初始性能，而未设置冷却装置的钙钛矿太阳能电池在226小时内即衰减到初始的80％，说明冷却装置极大提高了全钙钛矿叠层太阳能电池的稳定性和转换率。
100.表1全设置冷却装置和未设置冷却装置的钙钛矿叠层太阳能电池性能
101.102.最后应当说明的是，以上实施例仅用于对本发明进行解释说明，而非限制，所属领域的普通技术人员在本发明的具体实施方式基础上进行的简单修改、替换或合理推测得到的方案均涵盖在本发明的保护范围内。