一种太阳能集热发电一体化薄膜，包括依次向上层叠的基板、集热发电复合膜层、顶电极和陷光结构层，该集热发电复合膜层包括由基板往上依次层叠的Al镀层、Ni-Mo多层膜镀层、CZTS镀层、ZnS镀层、i-ZnO镀层、ZnO:Al镀层和MgF2镀层，其中，Ni-Mo多层膜镀层由多层Ni镀层与多层Ni-Mo合金镀层交替叠加而成，CZTS镀层为Cu2ZnSnS4薄膜。本发明专利技术是由不同薄膜层组合而成的光伏发电功能单元及集热功能单元的集合，其中同一薄膜层可以同时成为两功能单元的结构层而作用在两单元中却各不相同，所述一体化薄膜同时具备集热和发电两种功能，具有太阳能利用率高、耐温性能好、体积小、重量轻、结构简单和安全可靠的优点，能够用以构成各种集热发电一体化的太阳能热水器。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种光伏材料和选择性吸热材料的集成材料，具体涉及一种太阳能集热发电一体化薄膜及其构成的发电集热热水器，属于新能源
技术介绍
随着煤炭、石油等不可再生能源总量的日趋减少，能源问题已成为制约国际社会经济发展的瓶颈，而传统能源的使用所导致的环境污染和气候恶化，更成为人类社会急待解决的问题，使用可再生能源代替传统能源无疑成为解决这些问题最好的办法。可再生能源包括风能、水能、地热、潮汐和太阳能等。相对于其他可再生能源，太阳能有其独特的优势，太阳能资源丰富，太阳辐射到地球大气层的能量高达173，000TW,即每秒钟照射到地球上的能量相当于燃烧500万吨煤的热量。在地球表面0. 1%的面积铺上具有10%转换效率的太阳能电池，就能够满足全球的能量供应，此外，太阳能的光热利用和光电转换不受地域的限制，获取能源花费的时间短，可在用热处直接集热或在用电处就近发电而无需运输，利用成本低。从光能利用方面来看，太阳光的光谱是连续的，波长范围是从0. 3 y m紫外光到波长为2.1 y m的红外光，若换算成光子的能量，则约在0. 4eV到4eV之间。由维恩位移定律可知在不同的温度下，黑体辐射的波长有一个极大值，随着温度的升高，波长的峰值向短波方向移动。太阳的表面温度为6000K，辐射波长峰值集中在0. 51 ii m附近，即太阳能辐射的能量主要集中在短波段。光伏发电的原理可简单解释如下；当光线照射到光伏电池半导体材料上时，如果光子能量大于半导体材料的能隙时，相当于半导体能隙的能量将被半导体吸收掉，从而产生电子-空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸弓I，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴；P区带正电，n区带 负电，在n区和p区之间的薄层就产生了电动势，这就是光生伏特效应，超过能隙的过多能量则会以热的形式消耗掉。如果光子能量小于半导体材料的能隙时，这些光子无法使该材料产生电子-空穴对，而是被反射或穿过半导体材料被电池背板吸收后成为热。单晶硅太阳能电池在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池制备工艺影响，致使单晶硅太阳能电池的成本居高不下，而且由于硅的带隙的限制，使得太阳光谱的蓝紫光高能部分的能量被浪费。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，逐步发展了多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池和碲化镉薄膜太阳能电池。但由于镉有剧毒，会严重地污染环境，所以并不能成为普遍替代晶体硅太阳能电池最理想的材料。铜铟硒CuInSe2或铜铟硫CuInS2等，简称CIS (禁带宽度为1. 04eV左右)，具有非常高的光学吸收系数，且不存在光致衰退问题。由于太阳能能量集中于1.1eV到1. 7eV之间，所以太阳能电池吸收层的理想禁带宽度应为1. 4eV(则只有波长小于0. 88 ii m的光才有足够的能量来产生光伏效应)，因而需要增大CIS材料的禁带宽度，使其与太阳光谱有更好的匹配，提高电池的转换效率，因此在Cis的基础上参入适量的Ga以部分取代同族的In原子形成CIGS (CuIn(1_x)GaxSe2)，实现材料禁带宽度可在1.Or1. 7eV的范围内可调，在电池的制备中一般选择X=O. 3，即CuIna7Gaa3Se2为吸收层材料。CIGS用作高转换效率、成本低廉、性能良好和工艺简单的薄膜太阳能电池材料弓I起了人们的注目，其主要结构主要包括基底、底电极、吸收层、缓冲层、窗口层和顶电极。基底通常为钠钙玻璃，底电极一般为Mo，吸收层和缓冲层材料分别为CIGS和CdS，窗口层采用本征ZnO和Al参杂ZnO的双层结构，顶电极一般采用梳状结构的Al，来增加光的利用效率。铜、锌、锡、硫、硒、铟在地壳中的含量分别为50、75、2. 2、260、O. 05、O. 049ppm(百万分比浓度)。镓在地壳中含量约占十万分之二，虽然比锡的含量多，但镓在自然中很分散，没有形成集中的镓矿，提炼非常困难。传统CIGS薄膜太阳能电池中的镓含量的提高能使CIGS的带隙逐渐提高，但是它的电学特性在x>0. 3时反而有所下降，比如减弱了其对短波的光谱响应，导致短路电流减小等。单纯增加CIGS中Ga的含量并不能得到理想的高效太阳能电池。要想充分利用太阳能，还需要寻找更低价高效的太阳光伏吸收层材料，来使太阳能电池的光谱响应尽可能与太阳光谱有相同或相近的分布，以便能充分吸收不同能量的光子。另一方面，光热转化的原理可简单解释如下当光能通过吸收物质时，某些频率的光能被吸收物质所组成的粒子(包括离子、分子或原子)吸收，得到的能量使得吸收物质组成粒子由基态(低能级)向激发态(高能级)跃迁，当粒子由激发态跃迁回基态时，其吸收的热量将以热能的形式释放出去。所有太阳能集热器的选择性吸收涂层的构造基本上分为两个部份红外反射底层(铜、铝等高红外 反射比金属)和太阳光谱吸收层(金属化合物或金属复合材料)。对于温度不超过600K的集热器，其向外辐射的能量主要集中在红外段，其辐射波长峰值在6 μ m以上与太阳光辐射的短波段(波长O. 3 2.1 μ m)的光谱线不重合。从理论上讲，对于集热器表面的涂层材料，其吸收表面在太阳光谱范围内应具有较高的吸收比，来最大限度地吸收太阳辐射，同时在红外光谱范围内(波长为2. 1-5. Oym)应保持尽可能低的热发射比，来最大限度地减小其辐射热损失，这样就可以充分地利用太阳能，提高太阳能的利用效率，从而集热器既可以吸收太阳光中的红外部分与可见光部分，又能阻止集热器辐射的能量散失。然而，并不是所有的材料都可以当做集热材料使用。普通的硅光电池板，温度每上升1°C，其效率就会降低O. 39ΓΟ. 5%，并且在强光下时间一长就会起泡，在夏日中午温度达到75°C以上时，在5倍太阳光强下普通的硅光电池板10分钟就会起泡，并被氧化，从而降低效率，严重的会导致受热不均匀，电池片炸裂，由此可见太阳能电池的散热是一个问题。如果太阳能电池板使用金属散热片进行自然散热，则需要大量的散热片，大大增加了造价；如果使用强制风冷，不仅需要大量的电能，得不偿失，而且风扇的寿命与可靠性不高；如果使用水冷，冷却水仅仅起到散热作用，在不能有效集热的情况下，会直接向环境散热，也是得不偿失的。对于市场化的光伏电池来说，其太阳能发电的转换效率基本在15%左右，而其他85%的光能则未能得到有效利用，这部分光能不是被反射掉，就是转化成热能而直接释放到环境中。单位面积的光电池，如果同时具备发电和集热的功能，则可以在发电的同时，在保证太阳能电池正常工作的情况下，将未被发电利用的光能转化成热能收集再利用，所产生的热能可用于洗浴、采暖、制冷或用热源再次发电，从而对于光能的利用可以达到极高的效率，具有重要的理论研究意义和市场开发利用价值。经过对现有相关技术文献检索发现，中国专利号ZL201110189919. 6，名称薄膜太阳能电池，记载了一种薄膜太阳能电池，其特征是将现有平板薄膜型太阳能电池的基底下部直接设置用于容置冷却介质的收容装置。中国专利号ZL201010116906. 1，名称复合抛物面型光伏热水集热器，记载了一种复合抛物面型光伏热水集热器，其特征是通过C本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种太阳能集热发电一体化薄膜，其特征在于：所述一体化薄膜包括依次向上层叠的基板、集热发电复合膜层、顶电极和陷光结构层，所述集热发电复合膜层包括由基板往上依次层叠的Al镀层、Ni?Mo多层膜镀层、CZTS镀层、ZnS镀层、i?ZnO镀层、ZnO:Al镀层和MgF2镀层，其中，Ni?Mo多层膜镀层由多层Ni镀层与多层Ni?Mo合金镀层交替叠加而成，CZTS镀层为Cu2ZnSnS4薄膜。
【技术特征摘要】
1.一种太阳能集热发电一体化薄膜，其特征在于所述一体化薄膜包括依次向上层叠的基板、集热发电复合膜层、顶电极和陷光结构层，所述集热发电复合膜层包括由基板往上依次层叠的Al镀层、N1-Mo多层膜镀层、CZTS镀层、ZnS镀层、i_ZnO镀层、ZnO = Al镀层和MgF2镀层，其中，N1-Mo多层膜镀层由多层Ni镀层与多层N1-Mo合金镀层交替叠加而成，CZTS镀层为Cu2ZnSnS4薄膜。2.根据权利要求1所述的太阳能集热发电一体化薄膜，其特征在于所述的基板采用高硼硅玻璃，所述的Al镀层和N1-Mo多层膜镀层均采用磁控溅射方法得到，该N1-Mo多层膜镀层的N1-Mo合金镀层中Mo的含量为80at%，所述的CZTS镀层采用射频磁控溅射方法得至IJ，所述的ZnS镀层采用射频磁控溅射方法得到，所述的1-ZnO镀层采用射频磁控溅射ZnO靶材制备，所述的ZnO = Al镀层采用掺有2wt% Al2O3的ZnO陶瓷靶进行直流磁控溅射制备，所述的MgF2镀层采用射频磁控溅射方法得到，所述的顶电极为梳状结构，其采用铝浆通过印刷烧结工艺制作，所述的陷光结构层采用疏水的二氧化硅气凝胶对整个膜层上表面进行覆盖封装。3.一种由权利要求1所述的太阳能集热发电一体化薄膜构成的一体化平板发电集热热水器，其特征在于所述的一体化平板发电集热热水器包括太阳能集热发电一体化薄膜、正电极、负电极、框体、玻璃盖板、基板换热结构和保温外壳，其中，保温外壳由盒状的金属壳体与内部充填的硬质聚氨酯泡沫塑料绝热材料构成，其两端设有工质流道接口，框体连接于保温外壳的上端且两端设有导线引出口，玻璃盖板盖置于框体的上端并将框体封口，太阳能集热发电一体化薄膜设置于框体之中，其包括自下而上依次层叠的基板、集热发电复合膜层、顶电极和陷光结构层，位于下部的基板以及集热发电复合膜层中Al镀层和N1-Mo多层膜镀层的长度...
【专利技术属性】
技术研发人员：李元阳，刘振华，赵峰，肖红升，
申请(专利权)人：上海交通大学，桑夏太阳能股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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