PbS量子点在荧光集光太阳能光伏器件上的应用

荧光集光太阳能光伏器件在平面光波导效应的作用下实现等效聚光,可以减少太阳能电池的用量,有效降低光伏发电的成本。将胶体化学法制备的吸收和发射在近红外波段的单分散球状PbS量子点荧光材料封装于两片光伏超白玻璃间的正己烷溶液中,构成溶液夹层封装的平面光波导,并和效率为17%的单晶硅太阳能电池耦合,制作出了吸收在700～1000nm,效率约为1.31%的近红外荧光集光太阳能光伏器件。     

基于LR305的平面荧光太阳能聚光波导研制

光伏发电是目前太阳能最佳的利用方式之一,但发电成本高。利用聚光结构提高光的转换和收集效率,是提高太阳能电池效率、减少电池用量、降低光伏发电系统成本的重要途径。以Lumogen F Red 305 (LR305) 染料作为荧光材料,将其掺杂到PMMA中,通过本体聚合法制作出尺寸为50 mm×50 mm×5 mm的PMMA平面荧光太阳能聚光波导,对其光学特性进行表征,同时将太阳能电池粘贴到聚光波导的输出端面,通过测试平面荧光太阳聚光波导对太阳能电池性能的影响研究了荧光太阳能聚光波导的聚光特性。     

迈向效率大于30%的钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池技术的研究进展

双结叠层太阳能电池由两个具有不同带隙吸收体的电池组成,通过差异化吸收更宽范围波长的太阳光,降低光子热化损失,已展现出打破单结太阳能电池Shockley-Queisser极限效率的巨大优势.获益于钙钛矿电池带隙可调和制备成本低的优点以及晶硅电池产业化的优势,钙钛矿/晶硅叠层太阳电池成为光伏领域的研究热点.本文系统的梳理了钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的最新研究进展,重点从钙钛矿顶电池、中间互联层和晶硅底电池的结构出发,总结出高效叠层器件在光学和电学方面的设计原则.本文还详细地分析了限制钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池继续提效的关键因素及解决措施,这对于钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的产业化之路是非常重要的.最后,对下一代更高效率的低成本叠层太阳能电池进行了展望.我们认为随着对光伏器件效率要求越来越高,基于钙钛矿/晶硅叠层结构的三结电池将会成为下一代低成本高效电池的研究热点.     

掺杂Rhodamine 6G的平面波导型PMMA聚光器研制

通过聚光波导提高光的转换和收集效率,是提高太阳能电池效率、减少电池用量、降低光伏发电系统成本的重要途径。利用PMMA作为波导基质材料,Rhodamine 6G(罗丹明6G)作为荧光染料,通过涂覆方法,在表面积为50 mm×50 mm、厚度为5 mm的洁净PMMA衬底上制备出了荧光层厚度约为32 μm的平面波导型聚光器,并研究了荧光染料的掺杂浓度对其聚光比和光伏性能的影响。结果表明,当掺杂浓度为0.250%时,聚光器的聚光比和器件的光伏性能达到了最优,分别为0.45%和0.49%。     

利用叠层一维光子晶体调控半透明有机太阳能电池的性能

利用叠层一维光子晶体提高半透明有机太阳能电池的光电转换效率和调控器件的透视颜色.采用传输矩阵法计算了基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池中活性层的吸收光谱和器件的透过率光谱,进而计算了器件的光电转换效率和透视颜色.研究结果表明,通过合理设计叠层一维光子晶体中顶光子晶体和底光子晶体的禁带中心波长,可以将器件的光电转换效率提高24.4%.此外,通过控制顶光子晶体和底光子晶体的禁带中心波长,可以调控半透明有机太阳能电池的透视颜色,获得透视颜色分别为蓝色、绿色和红色的半透明电池器件.与单层一维光子晶体相比,叠层一维光子晶体可以使器件获得更高的光电转换效率,并能在更大光谱范围内调控器件的透视颜色.     

聚光光伏与温差联合发电装置的研究

针对太阳能量利用率较低的现状,设计了基于砷化镓多结太阳能电池、半导体温差发电片的聚光光伏与温差联合发电装置.通过测量得出单独聚光光伏发电模块在几何聚光比为75时光电转换效率最大,达31.87%;而在加了半导体温差发电模块之后在几何聚光比为112时系统光电转换效率达32.81%,提高了整体光能量转化电能效率.     

半透明有机太阳能电池

与其他利用太阳能的电池相比,有机太阳能电池成本低、易加工,而且拥有柔性,可大面积制备成半透明和不同颜色的器件,引起了科学工作者的广泛兴趣,这使有机太阳能技术在市场上具有巨大的应用前景,例如,智能传感器、发电玻璃窗、房屋建筑、温室、户外生活等.将讨论有机太阳能电池的基本光伏过程以及如何实现半透明有机太阳能电池光电转换效率和可见光透射率的最优化.     

用于太阳能光伏发电的高倍聚光系统

 研究了基于三结型（InGaP/InGaAs/Ge）高效太阳能电池的太阳能光伏发电的高倍聚光系统。该系统采用高次非球面光学玻璃卡塞格林系统,运用Zemax和Tracepro光学设计软件完成200~500倍太阳能聚光系统的设计,同时设计了单片型高倍太阳能聚能光学组件,用热压成型方法研制了太阳能聚能透镜（副镜）。采用16个性能相同的聚光光学组件和相同数量的三结型太阳能电池组成高倍聚光型太阳能光伏组件,极大地提高了聚光比,为太阳能光伏发电的高倍聚光器设计提供参考和依据。     

基于钙钛矿量子点荧光太阳集光器的蒙特卡洛光子追踪模拟

传统光聚集器热效应明显、结构复杂、成本昂贵。作为替代,荧光太阳集光器具有许多显著优势并能够有效降低太阳能电池的发电成本,因此受到广泛关注。本文通过传统热注入法合成了全无机钙钛矿CsPbBr_3量子点,并在此基础上设计了基于CsPbBr_3量子点的荧光太阳集光原型器件。通过TEM测试和必要的光学表征,证实本文合成的CsPbBr_3量子点具有典型的立方体结构、76.8%的荧光量子产率、512 nm的发光中心波长和22 nm的中心波长半高宽。此外,结合蒙特卡洛智能优化算法,建立了基于CsPbBr_3量子点的荧光太阳集光器的理论计算模型,确定了全无机钙钛矿量子点最优掺杂浓度和最佳平均波长集光效率。仿真结果表明,在量子点掺杂浓度为2.1×10~(-5) mol/L时,最优的集光效率达到5.4%。本文提出的蒙特卡洛光子追踪模拟过程将为未来荧光太阳集光器参数设计提供科学的计算方法。     

溶液法制备全无机钙钛矿太阳能电池的研究进展

太阳能光伏技术,能实现太阳能与电能的高效转换,是实现人类文明可持续发展的关键绿色能源技术.其中,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池具有优异的光电特性、低廉的制备成本、高效的转换效率,已成为该领域的研究前沿.虽然有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已约高达24%,但其体系中的有机物组分易受环境中的光、热、潮等因素影响而分解,致使器件稳定性存在严重的缺陷,极大地限制了钙钛矿太阳能电池的产业化进程.因此,如何制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池,是目前该领域的研究热点与难点,而发展具有更高环境稳定性的全无机钙钛矿太阳能电池具有重要意义.本文回顾了近年来全无机钙钛矿太阳能电池领域的研究成果,重点审视了钙钛矿薄膜的湿法制备工艺,并探讨了器件在光热稳定性方面的改善,为进一步推动钙钛矿太阳能电池的实用化进程提供可行性参考.     

基于CPV技术的LED路灯聚光器的研究

以120W大功率LED路灯太阳能电池板为研究对象,通过聚光光伏技术,利用光学透镜(聚光器)提高太阳能电池的光电转换效率。利用聚焦作用增大光照密度,有效地降低了太阳能光照面积,极大地减少了光电材料的使用量,大幅度降低了太阳能电池的成本。通过光学仿真软件TracePro进行仿真,验证了其可行性。     

Monocrystalline silicon photovoltaic luminescent solar concentrator with 4.2% power conversion efficiency

We report conversion efficiencies of experimental single and dual light guide luminescent solar concentrators. We have built several 5 cm×5 cm and 10? cm×10 cm luminescent solar concentrator (LSC) demonstrators consisting of c-Si photovoltaic cells attached to luminescent light guides of Lumogen F Red 305 dye and perylene perinone dye. The highest overall efficiency obtained was 4.2% on a 5 cm×5 cm stacked dual light guide using both luminescent materials. To our knowledge, this is the highest reported experimentally determined efficiency for c-Si photovoltaic-based LSCs. Furthermore, we also produced a 5 cm×5 cm LSC specimen based on an inorganic phosphor layer with an overall efficiency of 2.5%.     

基于杂质光伏效应的镍掺杂对砷化镓太阳电池性能的影响

利用杂质光伏效应能够使太阳电池充分利用那些能量小于禁带宽度的太阳光子,从而提高电池的转换效率.为了更好地利用杂质光伏效应提高砷化镓太阳电池的转换效率,本文利用数值方法研究在砷化镓太阳电池中掺入镍杂质以形成杂质光伏太阳电池,分析掺镍对电池的短路电流密度、开路电压以及转换效率的影响;同时,探讨电池的陷光结构对杂质光伏太阳电池器件性能的影响.结果表明:利用杂质光伏效应掺入镍杂质能够增加子带光子的吸收,使得电池转换效率提高3.32%;转换效率的提高在于杂质光伏效应使电池的红外光谱响应得到扩展;另外,拥有良好的陷光结构是取得好的杂质光伏效应的关键.由此得出:在砷化镓太阳电池中掺镍形成杂质光伏太阳电池是一种能够提高砷化镓太阳电池转换效率的新方法.     

基于量子点的荧光型太阳能聚光器

近年来,量子点在结构可控、光谱调节和光学稳定方面的研究进展,表明基于量子点的聚光器件表现出优于基于传统有机染料分子的光输出性能。量子点聚光器成为目前量子点研究领域的新方向。量子点在宏量制备和绿色制备方面的深入研究,使得量子点的制造成本逐步降低,基于量子点的聚光器具有光电转换效率和成本上的优势。本文综述了量子点聚光器的研究进展,主要包括荧光型聚光器的优点、聚光器对量子点光学性质的要求、器件制备的工艺和器件的性能表征方法。重点阐述了量子点的太阳光吸收能力、荧光量子产率和重吸收等关键因素对聚光器件性能的影响,同时介绍了该领域目前最新的研究方向,展望了廉价太阳能窗户在未来城镇建筑上的潜在应用。     

Spectral-splitting concentrator photovoltaic modules based on AlGaAs/GaAs/GaSb and GaInP/InGaAs(P) solar cells

A concentrator photovoltaic module with sunlight spectral splitting by Fresnel lens and dichroic filters is developed. The photoelectric conversion efficiency of such a module is estimated at a level of 49.4% when three single-junction cells are used and may reach 48.5–50.6% when a tandem two-junction cell is combined with narrow-band cells. Single-junction AlGaAs, GaAs, GaSb, and InGa(P)As solar sells are fabricated by zinc diffusion from the vapor phase into an n-type epitaxial layer. GaInP/GaAs cascade solar cells are prepared by MOS hydride epitaxy. The overall efficiency of the three single-junction solar cells developed for the spectral-splitting module is 38.1% (AM1.5D) at concentration ratio K _c = 200x. The combination of the solar cells with the cascade structure demonstrates an efficiency of 37.9% at concentrations of 400–800 suns. The parameters of the spectral-splitting photovoltaic module are measured. The photovoltaic efficiency of this module reaches 24.7% in the case of three single-junction cells and 27.9% when the two-junction and single-junction cells are combined.     

Theoretical simulation and analysis of large size BMP-LSC by 3D Monte Carlo ray tracing model

Luminescent solar concentrators(LSC) can reduce the area of solar cells by collecting light from a large area and concentrating the captured light onto relatively small area photovoltaic(PV) cells, and thereby reducing the cost of PV electricity generation. LSCs with bottom-facing cells(BMP-LSC) can collect both direct light and indirect light, so further improving the efficiency of the PV cells. However, it is hard to analyze the effect of each parameter by experiment because there are too many parameters involved in the BMP-LSC. In this paper, all the physical processes of the light transmission and collection in the BMP-LSC were analyzed. A three-dimensional Monte Carlo ray tracing program was developed to study the transmission of photons in the LSC. A larger-size LSC was simulated, and the effects of dye concentration, the LSC thickness, the cell area, and the cell distance were systematically analyzed.     

Nano Ag-enhanced photoelectric conversion efficiency in all-inorganic,hole-transporting-layer-free CsPbIBr2 perovskite solar cells

All-inorganic, hole-transporting-layer-free CsPbIBr₂ perovskite solar cells have great potential for development, but their device performance needs to be further improved. Recently, metal nanostructures have been successfully applied in the field of solar cells to improve their performance. Nano Ag-enhanced power conversion efficiency (PCE) in one CsPbIBr₂ perovskite solar cell utilizing localized surface plasmons of Ag nanoparticles (NPs) on the surface has been researched experimentally and by simulation in this paper. The localized surface plasmon resonance of Ag NPs has a near-field enhancement effect, which is expected to improve the light absorption of CsPbIBr₂ perovskite photovoltaic devices. In addition, Ag NPs have a forward-scattering effect on the incident light, which can also improve the performance of CsPbIBr₂-based perovskite photovoltaic devices. By directly assembling Ag NPs (with a size of about 150 nm) on the surface of fluorine-doped tin oxide it is found when the particle surface coverage is 10%, the CsPbIBr₂ perovskite photovoltaic device achieves a best PCE of 2.7%, which is 9.76% higher than that of the control group. Without changing any existing structure in the ready-made solar cell, this facile and efficient method has huge applications. To the best of our knowledge, this paper is the first report on nano Ag-enhanced photoelectric conversion efficiency in this kind of CsPbIBr₂ perovskite solar cell.     

新型高效聚合物/富勒烯有机光伏电池研究进展

有机聚合物/富勒烯本体异质结光伏电池以其不断提高的能量转换效率受到了研究人员的广泛关注, 近年来成为光伏电池研究领域的热点之一. 本文主要通过对聚合物/富勒烯太阳能电池的内部机理,包括光吸收、激子扩散和解离以及自由载流子输运和提取等关键科学问题, 从器件材料和结构优化、形貌控制和界面修饰等不同侧面介绍了提高聚合物/富勒烯太阳能电池性能的方法, 讨论了各种器件的结构和能量转换效率, 对于进一步开展这方面的研究工作指明了方向, 最后对其未来的发展前景做出了展望.