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光谱分频材料及纳米流体材料
提纲
分频薄膜
聚光-分光综合利用系统
纳米流体功能材料
背景——能谱分级利用新思路
光伏发电
热利用
硅禁带宽度:1.12 eV
1. 聚光系统可以提高光热品级,进一步用于发电;更为重要的是以低廉的反射镜替代了昂贵的半导体材料。
2. 通过分光技术,把适合太阳电池工作的太阳辐射光谱段投射到电池表面,其余部分的辐射能可以投射到合适的光热元件上加以利用,不仅可以降低光伏电池废热,提高转换效率,还可以提升总的太阳能利用效率。
背景——分频系统特点
基于太阳能利用的分频技术发展情况
全息滤光
全息滤光太阳能利用装置,是全息记录材料在太阳能方面的应用,其依据是非均匀性布喇格-李谱曼反射全息图的理论
液体滤光
利用液体的特殊光学特性,特别是对特定光谱段的强吸收性,采用液体介质滤光,是一种便捷的滤光方案
干涉薄膜滤光
全息滤光
理想纳米流体滤光液与水的透射吸收性能比较
干涉薄膜滤光
(A)单层薄膜干涉,(B)多层薄膜干涉
(A)短波截止长波通滤光,(B)长波截止短波通滤光
薄膜材料
薄膜材料的数量有上百种,但是针对具体的设计要求,在全面考虑其光学性能、机械性能和化学稳定性等的情况下,合适的选择并不多。总体上,可以分为金属材料和介质及半导体材料两大类;而单独使用这两类材料构成的薄膜分别称之为金属膜和介质膜。
薄膜材料
薄膜设计材料的主要特性
薄膜材料
氟化镁(MgF2)作为一种薄膜制备的常用材料,其牢固度是所有低折射率
卤化物中最高的。常与ZnS 组合使用。由于MgF2 的高张应力,制得的MgF2 - ZnS存在容易破裂的问题。
硫化锌(ZnS)是用于可见光和红外段的重要膜料。在可见光段,常与低折
射率的氟化物联用;在红外段常与高折射率的半导体材料联用。沉积在室温基板
上的ZnS 膜牢固性差,一般需要通过离子轰击、基板烘烤或者老化处理等手段进
行改善。
二氧化钛(Ti2O)性能优异,各项指标都非常突出,在可见和近红外区均
透明。但是制作Ti2O 薄膜的过程中, 往往会伴生高吸收的亚氧化钛 Ti nO2n-1(n=1,2,…,10)。Ti2O 膜的氧化程度直接决定其膜层吸收特性,一般来说通过在空气中的加热处理,可以减少亚氧化钛含量,优化膜层性能。
二氧化硅(Si2O)光吸收极小,膜层牢固且抗磨、耐腐蚀,应用广泛。制
作时,与Ti2O 类似,会伴生低价氧化物,但是程度远不及Ti2O 。
分频策略的确定——系统构建
太阳能
电
PV 电池
光热/热电转换
热/电
聚光系统
分频器
综合利用
分频策略的确定
将波长在600-1050nm范围内的辐射能量反射给光伏电池使用,波长在600nm以下及1050nm以上的辐射能量透射给太阳能热机发电系统,如碟式斯特林热发电系统使用。
左图为根据典型硅电池的外量子效率(EQE)曲线计算的对应的单位波长光电转化效率(EFF)。
引入常规的温差发电件发电效率(设为8%)即图中TEG(thermoelectric generator)线,以及典型太阳能热机发电的利用效率(设为20%)即图中TG(thermal power generator)线,可以确定分频方案的波段选取范围。
将波长在400-1100nm范围内的辐射能量反射给光伏电池使用,其余辐射能量透射给温差电池利用;
2种分频方案
分频器的设计
图(a)分光干涉薄膜示意图; b)光路干涉原理图
基本思路:Needle Optimization 全局优化方法; 真空镀膜技术
基本原理:基于每层材料之间的光学干涉原理,分光器可以反射选定波段的光束,同时其余光束均透射过分光薄膜,满足系统的分频要求,在特定波段实现高反射率或透射率。
材料:零吸收率,反射率不同的电介质薄膜材料;玻璃基片
入射光束
投射光束
反射光束
Layer n
Layer n-1
Layer n+1
衬底 (BK7 Glass)
分光薄膜
分光薄膜
~ mm
~ μm
~ μm
分频器的设计——器件结构及特点
光学选择性透过或反射,低吸收率;
陶瓷材料,可实现低廉成本
分频器的设计
分频器物理结构
分频方案一: PV-TEG系统
400~1100nm
R→1
PV-TEG 分光薄膜涂层结构
分频器的设计
(b)PV-TG分光方案薄膜涂层结构
分频方案二: PV-TG系统
600~1050nm
R→1
设计结果显示分光薄膜对太阳辐射波段有较好的分频作用:对于选定的高反射目标波段,有理想的反射效果;而在其它太阳光谱段,反射率很低,
分频器物理结构
PV-TEG联用系统结构图
菲涅尔透镜
分频器
热电池
晶硅光伏电池
太阳能聚光-分光综合发电系统(一) ——PV-TEG系统
分频工况下电池性能测试结果
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