基于微纳结构的光谱调控及其在太阳能热光伏中的应用

发布时间：2020-07-29 23:59

【摘要】：太阳能热光伏是一个可以实现高效光电转换的技术,它吸收太阳的全光谱能量,再转换为窄带辐射到热光伏电池上,理论上可以突破传统单结太阳能电池的极限,达到85.4%的效率。本论文从这一技术的基本原理和结构要求出发,设计制备了其中关键的光谱调控器件,包括吸收体、滤波器和集成吸收发射器件,针对系统中的辐射损耗问题提出有效解决方案,并搭建了光谱调控型的太阳能热光伏系统。选择性吸收体的截止宽度是指其吸收光谱从高吸收率向低吸收率过渡的波长宽度。太阳能热光伏系统中,选择性吸收体的太阳能光热转换效率会随着截止宽度的减小而增大。我们提出以减小吸收截止宽度来提高太阳能吸收效率的方法,设计并制备了基于硅纳米线的吸收体,由于半导体的本征的光谱选择性,其截止宽度仅有200 nm,小于大多数报道的吸收体的截止宽度,有效降低系统中的辐射损耗,这一器件适用于低聚光倍数下的太阳能热光伏系统。对于系统中的电池,对应带隙能量的窄带光谱的光电转换效率最高,但是目前报道的大多数发射体的发射光谱都很宽,大于1000nm,大大降低了发射光谱的光电转换效率,我们设计并制备了基于布拉格反射镜结构的窄带滤波器,从而优化发射体的发射光谱性能。我们制备的器件在2 μm波段构建了带宽130 nm的高透射率通带,有效减小了发射光谱带宽,并提高了系统效率。虽然系统的吸收和发射光谱得到了优化,但是开放的太阳能热光伏结构仍然会存在大量辐射逃逸损耗从而降低系统效率。我们发现吸收和发射功能的集成能够用于辐射逃逸损耗的抑制,并降低系统的工程难度。我们设计并制备了集成吸收和发射双功能的光谱调控器件,器件在400-1000 nm的可见光波段达到了 0.8的高吸收率,在红外目标波长达到0.97的高发射率,且具有很好的高温稳定性。这一器件适用于笼式太阳能热光伏系统,有效降低系统的辐射逃逸损耗。在以上器件设计制备的基础上,我们进而发现和总结了太阳能热光伏系统的两个基本要求,器件工作温度的维持和高效的辐射传递。我们设计并制造了一套光谱调控型的太阳能热光伏系统,系统在16W的输入功率下,加热吸收体和发射体到达1241 K,取得了 5.04%的实验效率。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM615;TB302
【图文】：

单结,太阳能电池,极限,效率

光伏的概念是比较简单的，但是实验上由于聚光、隔热、冷却等要求，结构复杂，逡逑效率一直低于如Ｄａｔａｓ和Ａｌｇｏｒａ在２０１２年发表的文章中搭建的太阳能逡逑热光伏装置（图１．２）邋［１１］，在他们的装置中，包括聚光系统，柱状太阳能吸收发逡逑射体（主要材料是氧化铪保护的金属钨），以及２４个围绕在吸收发射体周围的锗逡逑电池，电池背面绑定循环冷却水系统。实验上测得了邋０．９５邋Ａ／ｃｍ２的短路电流，６７逡逑ｍＷ／ｃｍ２的输出电能密度，和约０．８％的系统效率。在这一实验中，作者认为，如逡逑此低的效率主要源于两点，一是系统运行过程中电池温度过高，高达１２０°Ｃ，另逡逑一点是聚光系统的光学损耗比较大。实际上还有一个重要的缺点是，实验中所用逡逑的吸收发射共同体对于光谱并没有达到很好的调制效果，接近于黑体的吸收虽然逡逑能够全谱吸收太阳光，但这样一来也同样意味着，宽谱的发射导致的低效率。逡逑２逡逑

光伏系统,发射体,带隙,吸收体

吸收体是由垂直排列的多壁碳纳米管组成，提供接近百分百的全光谱吸收，逡逑发射体是一个一维光子晶体，由硅和氧化硅多层膜构成，每一层的厚度通过优化逡逑使得其发射光谱对应铟镓砷锑（ＩｎＧａＡｓＳｂ）电池的带隙（图１．３）。光子晶体发射逡逑体在带隙波长处发射率截｜丨：，从而抑制低ｒ－带隙的能Ｍ辐射。吸收发射体和电池逡逑共同置丁？茛空坏境屮以减小热传导和热对流带来的损耗。通过－个氙灯聚光加热，逡逑吸收发射体达到『１３００邋Ｋ的高温，并最终获得了邋３．２％的效率，相比前人的实验逡逑提闻很大。逡逑在这一工作的实验体系中，实验人员发现了邋－个屯要的控制效率的参数，就逡逑是吸收发射体的面积比。这是源ｒ？吸收体在吸收的ｎ时也在向人阳辐射能量，降逡逑低吸收面的相对面积，能够提高整体效率。不过，降低相对面积也会造成发射体逡逑３逡逑

光子学,光伏系统,纳米

将纳米光子学应用到太阳能热光伏系统中有着很好的前景。同一年，他们继续逡逑进了实验方案，将具有高温稳定性的难熔金属光子晶体运用到发射吸收体的设逡逑中［１４］，如图１．４所示，通过在金属钽的表面制备大面积周期性孔阵结构，实逡逑在不同波长吸收截止，一方面制成了选择性的太阳能吸收体，另一方面也可以逡逑成发射率在光谱上呈台阶式的选择性发射体。将总效率提高到了邋３．７４％，相比逡逑前提升很小，根据作者的分析，所制备的选择性太阳能吸收体的平均吸收率为逡逑

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