[发明专利]基于半透明钙钛矿电池、热电器件的太阳能发电装置

说明书

技术领域

本发明属于太阳能发电领域，尤其涉及一种基于半透明钙钛矿电池、热电器件的太阳能发电装置。

背景技术

将太阳光能转换为电能目前主要有两种技术途径，一种是利用能源转换材料将太阳能直接转换为电能如太阳能光伏电池和热电半导体器件；另一种是通过太阳能热电转换系统进行光-热-电转换，前者目前发展较快，传统的硅基太阳能电池技术已实现了规模化商业应用，但其性价比目前尚无法与传统能源相竞争，研究和发展高转换效率、低成本的太阳能发电技术仍是太阳能利用领域急需解决的重要课题。

由于钙钛矿电池模块的生产成本仅为商业化热电发电装置模块的三分之一，另外钙钛矿具有的高消光系数、高载流子迁移率、长载流子寿命、低激子束缚能以及双极性传输等材料本征的优异特性使钙钛矿太阳能电池效率仍具有巨大的提升潜力，因此被认为是未来最重要的太阳能电池材料之一。

尽管钙钛矿太阳能电池转换效率提升速度迅猛，但由于受钙钛矿半导体材料自身带隙的物理限制，只能将太阳光谱中一部分可见光波长范围内太阳光能量转换为电能，而太阳辐射能量的99％集中在200至3000nm的波长范围内，可见光波长范围能量只占到太阳辐射能量约58％，其余的红外光太阳能量均不能被钙钛矿太阳能电池转换利用，因此，存在难以超越的Shockley-Queisser转换效率理论极限(约30％)。研究如何利用钙钛矿太阳能电池的性能实现太阳全光谱能量利用，是提高钙钛矿太阳能电池转换效率的关键，具有重要的价值。现有光伏太阳能电池受到电池材料自身带隙的物理限制，利用部分光谱范围内的太阳能导致提高光伏太阳能电池的光电转换效率受限。传统的硅基太阳能电池技术已实现了规模化商业应用，但其目前转换效率仍很低，一般不超过17％。波长范围外的光谱能量会增加太阳能电池的热负荷，降低电池效率，在降低单位发电成本的同时又受到太阳光的资源限制，无法突破太阳辐照能量密度低的困境。

发明内容

本发明针对现有技术中的问题，提供一种基于半透明钙钛矿电池、热电器件的太阳能发电装置，提高太阳能光谱利用率及太阳能发电效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于半透明钙钛矿电池、热电器件的太阳能发电装置，包括半透明钙钛矿太阳能电池、菲尼尔透镜、聚光反射镜、热电发电装置，将导电硅胶真空模塑在半透明钙钛矿太阳能电池的下表面构成菲尼尔透镜，太阳光从半透明钙钛矿太阳能电池上表面入射，300～800nm的太阳能光谱在半透明钙钛矿太阳能电池中经过若干次反射而吸收，200～300nm的太阳能光谱及800～2500nm的太阳能光谱经过聚光反射镜会聚到热电发电装置上，热电发电装置进行发电。利用半透明钙钛矿电池光谱分频特性，在半透明钙钛矿太阳能电池的透明背电极上原位复合菲尼尔太阳聚光器，获得太阳能发电/分频/聚光子装置，首先将分频透射后的光线进行光能聚集，再经倒置圆锥形“光漏斗”进行多级高倍聚光并使高能流密度光能在接受器表面均匀分布，接受器为太阳能电池。聚光反射镜与菲尼尔透镜和热电发电装置相连，目的是增大能留密度，使光线分布均匀，防止由于过热点的出现而损坏基于半透明钙钛矿电池、热电器件的太阳能发电装置器件。菲尼尔透镜的下表面与热电发电装置的上表面之间的距离为15mm，不等于菲尼尔透镜的焦距。实现聚光的同时,也保证光线分布的均匀性。

按上述技术方案，聚光反射镜为倒置圆锥形，聚光反射镜的内表面经抛光处理。

按上述技术方案，菲尼尔透镜的倾角为30°，太阳光入射角为0°。进入半透明钙钛矿太阳能电池的300～800nm的太阳光不反射出去，被封在组件内，增加了光子传输光程，提高基于半透明钙钛矿电池、热电器件的太阳能发电装置的太阳光吸收特性，提高半透明钙钛矿电池的转换效率，进而极大提高太阳能利用率。

半透明钙钛矿太阳能电池由下至上依次是：第一透明电极层、半透明功能层、第二透明电极层，半透明功能层由三层结构组成，从下至上依次是空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层；第一透明电极层作为电池器件阴极，材料为ITO,折射率n＝2；空穴传输层和电子传输层为载流子传输层，空穴传输层材料为Spir-OMeTAD，折射率n＝1.76；电子传输层材料为TiO₂，折射率n＝2.4，均为透明结构；钙钛矿吸光层材料为CH₃NH₃PbI₃，厚度为100～200纳米，折射率n＝2.74；第二透明电极层作为电池器件阳极，材料为金属Ag，厚度为8～10nm，折射率n＝0.45。太阳光从半透明钙钛矿太阳能电池上表面入射。