荧光平面光波导太阳能电池光伏发电系统技术方案

本发明专利技术涉及荧光平面光波导太阳能电池光伏发电系统。通过荧光材料、平面光波导技术与太阳能电池的结合，构造一种荧光平面光波导太阳能电池的光伏发电系统，以降低太阳能光伏发电的成本。本发明专利技术包括荧光平面光波导和太阳能电池；所述荧光平面光波导为一种片状光学结构，包括一层透明介质层和另一层荧光材料层；荧光平面光波导侧面分别通过透明胶设有太阳能电池。本发明专利技术的有益技术效果是：实现用侧面大小的太阳能电池来接受表面大小的光照，达到很大的等效聚光效果。由于荧光平面光波导的成本远低于太阳能电池，极大降低了太阳能电池的用量，也就极大地降低了太阳能光伏发电的成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及本专利技术涉及一种利用荧光材料制作的平面光波导捕捉阳 光、并将其转换成荧光输入太阳能电池的光伏发电系统。
技术介绍
随着全球经济的快速发展，能源的消耗急剧增长。化石燃料的巨量使 用不仅造成了石油、煤、天然气等不可再生资源的日渐枯竭，威胁到人类社会的能源安全，而且大量C02的排放也造成了日益严重的社会环境问题。因此，各种可再生能源的开发利用受到越来越大的重视。在各种可再生能源中，太阳能以其取之不尽、用之不竭、无污染、便 利等特点成为了重点发展的对象。太阳能的利用方案主要包括光热和光伏两大类，其中光伏发电以其高 效、系统简洁、长寿命、维护简单而备受青睐，成为太阳能利用的主流技术。光伏发电的核心元件是太阳能电池。太阳能电池按材料的种类可分成无机、有机、复合(燃料敏化)；按结构可分为体材、薄膜、叠层；而按 材料的形态又可分为单晶、多晶和非晶。在众多种类的太阳能电池中，以 单晶Si和多晶Si的技术最为成熟，市场份额最大(~90%),是目前市场 上的主流。太阳能电池大规模应用的最大瓶颈是价格。目前Si太阳能电池的价格 在3.5S/Wp左右，全寿命发电成本 0. 15￥/kWh,约为火力发电的10倍， 难以普及。因此，提高效率、降低成本是太阳能电池的研究重点。人们已尝试了许多途径来提高太阳能电池的效率、降低太阳能电池的 成本，但都未能很好地解决这对矛盾。例如化合物太阳能电池、叠层太 阳能电池的效率比Si太阳能高，但成本也高；而利用光学聚焦的聚光太阳 能电池可以大幅度减少太阳能电池的用量，但发热造成的效率下降，冷却系统和跟踪系统的成本上升又抵消了太阳能电池用量的减少。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过荧光材料、平面光波导技术与太阳能电池的结合， 构造一种荧光平面光波导太阳能电池的光伏发电系统，以降低太阳能光伏 发电的成本。荧光平面光波导太阳能电池光伏发电系统包括荧光平面光波导和太阳能电池；所述荧光平面光波导是一种长度、宽度远大于厚度的片状光学结构。所述荧光平面光波导包括透明介质层和荧光材料层。 所述透明介质层是玻璃或透明聚合物(有机玻璃)或其它透明介质。 所述荧光材料是能够吸收某一波长(或波段)的辐射，放出另一波长 (或波段)辐射的物质。本专利技术所述的荧光材料是指能够吸收阳光，发出 太阳能电池能够吸收波长荧光(对晶体硅太阳能电池，波长〈1100nm;对于 砷化镓太阳能电池，波长〈840nm;对于磷镓铟太阳能电池，波长〈650nm等) 的物质。受平面光波导的限制，满足一定条件的荧光，可以在平面光波导 内传播4艮长的距离。在荧光平面光波导的四个侧面设置太阳能电池形成耦合光路。片状荧光平面光波导为平行四边形，荧光平面光波导四个侧面中的一 个到三个设置^^射膜，剩余的侧面设置太阳能电池，所述反射膜材料为铝、 或4艮、或金。所述荧光平面光波导的荧光材料层和透明介质层表面设置选择性反射 层，其中非阳光入射面可设置反射膜；所述选择性反射层为光子晶体，或 光学高反镀层，所述反射膜材料为铝、或银、或金。本专利技术的结构如图1所示。荧光平面光波导太阳能电池光伏发电系统 包括焚光平面光波导和太阳能电池3;荧光平面光波导由透明介质层l，焚 光材料层2组成，四个侧面设置太阳能电池3。其工作原理是当阳光4从 上方或从下方照射在荧光平面光波导时，焚光材料吸收阳光，发出荧光。 所产生的荧光在各个方向上均匀分布。 如图2所示，所述荧光在荧光材料层2和透明介质层1的界面上发生 一系列的反射、折射，到达荧光平面光波导的上(透明介质/空气界面)、 下(荧光材料/空气界面)表面，当其处于透明介质折射率(上表面)、荧 光材料折射率(下表面)所决定的全反射角内时，所述荧光将在上、下表 面发生全反射，折回荧光平面光波导。这样，荧光通过逐次反射、折射在 荧光平面光波导内向荧光平面光波导的侧面传输，直至达到四个侧面出射， 耦合进入太阳能电池3，转换为电能输出。考虑边长/、宽c/、厚度(包括透明介质层和荧光层)f的矩形荧光平面 光波导，其面积为S"xrf, 4个侧面的总面积为2(/ +力？。荧光材料的荧光量 子效率为7，满足全反射条件的荧光占全部荧光的比例为"，则进入太阳能 电池的光通量为<formula>formula see original document page 5</formula>其中/。为阳光的强度。同阳光直接照射太阳能电池相比，光强增加了<formula>formula see original document page 5</formula>倍。由此可见，本专利技术的有益技术效果是将荧光平面光波导表面的光照， 通过荧光转换结合平面光波导传输集中到荧光平面光波导很小的侧面上， 从而实现用侧面大小的太阳能电池来接受表面大小的光照，达到很大的等 效聚光效果。由于荧光平面光波导的成本远低于太阳能电池，本专利技术极大 地降低了太阳能电池的用量，也就极大地降低了太阳能光伏发电的成本。同常规的光学聚光相比，本专利技术无需跟踪系统，也不会产生严重的热 效应，因为进入太阳能电池的只是有用的荧光，阳光中仅产生热效应的红 外辐射只能照射到荧光平面光波导上，而不能进入太阳能电池。参见图3，为了防止荧光从荧光平面光波导的下表面逸出，可在焚光平 面光波导的下表面设置反射膜5 (为了表达清楚，正面的太阳能电池未画 出)，此时阳光只能从上表面入射。所述反射膜材料为铝、或银、或金。参见图4,为了进一步减少太阳能电池的用量，可在荧光平面光波导的 表面设置平行凹凸槽6,使荧光只能沿平行于凹凸槽6的方向向两个侧面传输，即只在垂直于凹凸槽6的荧光平面光波导两侧面设太阳能电池，从而 将太阳能电池乂人四个减为两个。进一步地，还可将垂直于凹凸槽6的两个 太阳能电池中的一个用侧面反射膜7替代，如图4中的7所示。側面反射 膜7将到达此侧面的荧光反射回去，从另一侧耦合进入太阳能电池。参见图5，为了减少太阳能电池的用量，也可不设置平行凹凸槽，直接 将四个侧面太阳能电池中的三个替换为侧面反射膜7。参见图6，为了增加传输荧光占全部荧光的比例(也即增大a)，还可 在荧光光波导上表面设置针对荧光波长的选择性反射层8，或上下表面都设 置针对荧光波长的选择性反射层(此时下表面不设置反射层)。选择性反射 层为光子晶体或光学高反镀层。光子晶体是由两种不同折射率的物质周期 排列而形成的一种材料。光子晶体对不同波长的光有不同的反射率和透射 率，并且这种波长依赖关系可通过光子晶体两种物质的形状、折射率，排 列周期的大小等加以调整。本专利技术中的光子晶体专门针对光纤所发射的荧 光波长进行选择，反射荧光，透过太阳光。所述光子晶体也可以在光纤表 面设置周期性凸凹来实现，如图7。此时，空气和透明介质、空气和焚光材 料构成了光子晶体两种不同折射率的材料。而光学镀膜是一项成熟的技术， 广泛应用于镜头表面的增透和干涉滤光片等光学元件中。其中高反镀膜由 交替沉积的高、低折射率材料层构成，每个镀层的厚度为所反射光波长的 四分之一。本专利技术所述光学高反镀层专门针对荧光光纤所发射的荧光波长， 反射荧光，透过阳光。参见图8、图9和图10，为了更进一步减少太阳能电池的用量，可将 平面光波导^L成楔形、或截本文档来自技高网...

【技术保护点】
荧光平面光波导太阳能电池光伏发电系统，其特征在于：　包括荧光平面光波导和太阳能电池；　所述荧光平面光波导为一种片状光学结构，包括一层透明介质层和另一层荧光材料层；　荧光平面光波导侧面分别设置太阳能电池。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高琛，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：34[]