叠层荧光集光太阳能光伏器件的性能模拟和优化

【摘要】：面临世界能源枯竭以及与日俱增的环境问题,寻找符合可持续发展战略的可再生能源成为了全世界人民共同的心愿。在众多可再生能源中,太阳能以独有优势成为人们关注的焦点,也成为了21世纪最具投资潜力的新能源。在太阳能的有效利用中,光伏发电是近些年来发展最快、最具活力的研究领域,是最具潜力的战略替代可再生能源发电技术。目前,光伏发电系统面临最大的挑战是高成本,低效率,上网电价远远超过了水力、火力发电,在经济上没有体现出明显的优势,因此,阻碍了其大规模应用。近些年来,各国政府都在加大光伏发电的补贴,出台了各种优惠政策,以鼓励光伏发电产业的发展。如果想大规模的普及应用光伏发电,最根本的解决办法是降低光伏发电的成本,提高太阳能电池的光电转换效率。经过多年来的长期探索,降低太阳能电池系统发电成本、提高性价比的一个重要方向是发展聚光太阳能电池。 传统的聚光光伏技术在近年来得到了一定的发展,也取得了很好的成果,但其跟踪系统成本过高,限制了发展。采用平面光波导技术,将荧光材料掺入透明介质中制成荧光平面光波导,利用光波导断面聚光效应结合太阳能电池而制成的荧光集光太阳能光伏器件(简称LSC),是一种新型的聚光太阳能电池,可以减少太阳能电池用量,有效降低光伏发电的成本。利用叠层技术,将多个不同吸收波段/发射波长的单层LSC上下叠置,组成叠层荧光集光太阳能光伏器件(简称C-LSC),在各层LSC中掺入不同的荧光材料,从上到下吸收波段/发射波长由短波向长波顺序变化,侧面的太阳能电池与荧光的发射波长相匹配由宽禁带向窄禁带顺序改变。这样的配置,实现分波段吸收太阳光谱,有效利用了太阳光谱,从而最大限度的提高了系统光电转换效率。在实际运用过程中,器件尺寸、荧光材料的吸收波段/发射波长、太阳能电池的带隙、叠层数等会影响总的光电转换效率。本文针对单层以及叠层荧光集光太阳能光伏器件,分析全部物理过程,推导了计算公式,并基于物理模型相应编制了计算机模拟软件。利用计算机模拟软件,可以计算任意LSC及C-LSC的光电转换效率,以及效率与尺寸的关系,并可以实现C-LSC的波段优化。这对实验的展开起到了一定的指导作用。 在文中,介绍了计算机模拟软件的结构组成与用法,并带入了几种常用的有机染料Yellow083、Red305、NileRed和Phthalocyanine,以及GaInp,GaAs,Si三种太阳能电池进行验证,计算结果表明:利用Yellow083与Red305构建的C-LSC总光电转换效率明显高于NileRed与Phthalocyanine构建的C-LSC效率。因此,选择合理的荧光材料对提高器件整体光电转换效率至关重要。同时,荧光在荧光平面光波导中的传输效率随着光波导尺寸呈指数衰减,因此选择合理的光波导尺寸可以得到最佳性价比。文中最后模拟了15.6×15.6 cm~2半理想三叠层、二叠层LSC的最佳波段分配,并做了效率对比。 【关键词】：太阳能电池 性能模拟 荧光平面光波导 光电转换效率
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 文献综述10-19
• 1.1 引言10-11
• 1.2 太阳能电池的发展现状11-15
• 1.2.1 太阳能电池的分类及效率11-13
• 1.2.2 太阳能电池的经济效益13-14
• 1.2.3 聚光太阳能电池14-15
• 1.3 荧光集光太阳能光伏器件15-18
• 1.3.1 荧光集光太阳能光伏器件简介15-17
• 1.3.2 荧光集光太阳能光伏器件的应用前景17-18
• 1.4 主要工作内容18-19
• 第2章 LSC 的工作原理及物理模型19-26
• 2.1 引言19
• 2.2 LSC 的工作原理19-20
• 2.3 LSC 中荧光材料吸收的光子数20-21
• 2.4 光波导对荧光的收集效率21
• 2.5 光波导的传输效率21-24
• 2.6 自吸收修正24-26
• 第3章 C-LSC 的工作原理及物理模型26-28
• 3.1 引言26
• 3.2 C-LSC 的工作原理及物理模型26-28
• 第4章计算机模拟软件28-38
• 4.1 软件的功能概述28-30
• 4.1.1 软件的用途28
• 4.1.2 菜单功能简介28-30
• 4.2 估算30-35
• 4.2.1 设置叠层数30
• 4.2.2 设置荧光材料/电池参数30-32
• 4.2.3 计算光波导传输效率32-33
• 4.2.4 计算总效率/保存结果33-35
• 4.3 精算35-38
• 4.3.1 荧光材料的光谱输入35-36
• 4.3.2 计算光波导传输效率36-38
• 第5章 LSC 与C-LSC 光伏性能的计算及优化38-45
• 5.1 引言38
• 5.2 单层LSC 效率、等效聚光比与器件尺寸的关系38-40
• 5.3 C-LSC 的效率计算40-42
• 5.4 C-LSC 的波段分配优化42-45
• 参考文献45-46
• 致谢46-47
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果47

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