本發明屬于太陽能發電領域，尤其涉及一種基于半透明鈣鈦礦電池、熱電器件的太陽能發電裝置。

背景技術：

將太陽光能轉換為電能目前主要有兩種技術途徑，一種是利用能源轉換材料將太陽能直接轉換為電能如太陽能光伏電池和熱電半導體器件；另一種是通過太陽能熱電轉換系統進行光-熱-電轉換，前者目前發展較快，傳統的硅基太陽能電池技術已實現了規模化商業應用，但其性價比目前尚無法與傳統能源相競爭，研究和發展高轉換效率、低成本的太陽能發電技術仍是太陽能利用領域急需解決的重要課題。

由于鈣鈦礦電池模塊的生產成本僅為商業化熱電發電裝置模塊的三分之一，另外鈣鈦礦具有的高消光系數、高載流子遷移率、長載流子壽命、低激子束縛能以及雙極性傳輸等材料本征的優異特性使鈣鈦礦太陽能電池效率仍具有巨大的提升潛力，因此被認為是未來最重要的太陽能電池材料之一。

盡管鈣鈦礦太陽能電池轉換效率提升速度迅猛，但由于受鈣鈦礦半導體材料自身帶隙的物理限制，只能將太陽光譜中一部分可見光波長范圍內太陽光能量轉換為電能，而太陽輻射能量的99％集中在200至3000nm的波長范圍內，可見光波長范圍能量只占到太陽輻射能量約58％，其余的紅外光太陽能量均不能被鈣鈦礦太陽能電池轉換利用，因此，存在難以超越的shockley-queisser轉換效率理論極限(約30％)。研究如何利用鈣鈦礦太陽能電池的性能實現太陽全光譜能量利用，是提高鈣鈦礦太陽能電池轉換效率的關鍵，具有重要的價值。現有光伏太陽能電池受到電池材料自身帶隙的物理限制，利用部分光譜范圍內的太陽能導致提高光伏太陽能電池的光電轉換效率受限。傳統的硅基太陽能電池技術已實現了規模化商業應用，但其目前轉換效率仍很低，一般不超過17％。波長范圍外的光譜能量會增加太陽能電池的熱負荷，降低電池效率，在降低單位發電成本的同時又受到太陽光的資源限制，無法突破太陽輻照能量密度低的困境。

技術實現要素：

本發明針對現有技術中的問題，提供一種基于半透明鈣鈦礦電池、熱電器件的太陽能發電裝置，提高太陽能光譜利用率及太陽能發電效率。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種基于半透明鈣鈦礦電池、熱電器件的太陽能發電裝置，包括半透明鈣鈦礦太陽能電池、菲尼爾透鏡、聚光反射鏡、熱電發電裝置，將導電硅膠真空模塑在半透明鈣鈦礦太陽能電池的下表面構成菲尼爾透鏡，太陽光從半透明鈣鈦礦太陽能電池上表面入射，300～800nm的太陽能光譜在半透明鈣鈦礦太陽能電池中經過若干次反射而吸收，200～300nm的太陽能光譜及800～2500nm的太陽能光譜經過聚光反射鏡會聚到熱電發電裝置上，熱電發電裝置進行發電。利用半透明鈣鈦礦電池光譜分頻特性，在半透明鈣鈦礦太陽能電池的透明背電極上原位復合菲尼爾太陽聚光器，獲得太陽能發電/分頻/聚光子裝置，首先將分頻透射后的光線進行光能聚集，再經倒置圓錐形“光漏斗”進行多級高倍聚光并使高能流密度光能在接受器表面均勻分布，接受器為太陽能電池。聚光反射鏡與菲尼爾透鏡和熱電發電裝置相連，目的是增大能留密度，使光線分布均勻，防止由于過熱點的出現而損壞基于半透明鈣鈦礦電池、熱電器件的太陽能發電裝置器件。菲尼爾透鏡的下表面與熱電發電裝置的上表面之間的距離為15mm，不等于菲尼爾透鏡的焦距。實現聚光的同時,也保證光線分布的均勻性。

按上述技術方案，聚光反射鏡為倒置圓錐形，聚光反射鏡的內表面經拋光處理。

按上述技術方案，菲尼爾透鏡的傾角為30°，太陽光入射角為0°。進入半透明鈣鈦礦太陽能電池的300～800nm的太陽光不反射出去，被封在組件內，增加了光子傳輸光程，提高基于半透明鈣鈦礦電池、熱電器件的太陽能發電裝置的太陽光吸收特性，提高半透明鈣鈦礦電池的轉換效率，進而極大提高太陽能利用率。

半透明鈣鈦礦太陽能電池由下至上依次是：第一透明電極層、半透明功能層、第二透明電極層，半透明功能層由三層結構組成，從下至上依次是空穴傳輸層、鈣鈦礦吸光層、電子傳輸層；第一透明電極層作為電池器件陰極，材料為ito,折射率n＝2；空穴傳輸層和電子傳輸層為載流子傳輸層，空穴傳輸層材料為spir-ometad，折射率n＝1.76；電子傳輸層材料為tio2，折射率n＝2.4，均為透明結構；鈣鈦礦吸光層材料為ch3nh3pbi3，厚度為100～200納米，折射率n＝2.74；第二透明電極層作為電池器件陽極，材料為金屬ag，厚度為8～10nm，折射率n＝0.45。太陽光從半透明鈣鈦礦太陽能電池上表面入射。

按上述技術方案，菲尼爾透鏡的焦距為30mm。

本發明產生的有益效果是：通過利用半透明鈣鈦礦太陽能電池，達到了太陽光光伏發電、分頻、分級利用的目的，有效提高半透明鈣鈦礦電池本身的光伏發電效率，菲尼爾透鏡實現太陽光聚光，增加能流密度，節省裝置制造的成本；聚光反射鏡(二次鏡)，縮減了熱電發電裝置與菲尼爾透鏡之間的距離，同時提高了光斑分布的均勻性，提高熱電發電裝置的效率，避免由于過熱點的出現損壞熱電發電裝置；降低半透明鈣鈦礦材料在550～800nm波長范圍內的透射率，避免該波長光能透過導致鈣鈦礦電池短路電流損失使電池轉換效率下降。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發明實施例基于半透明鈣鈦礦電池、熱電器件的太陽能發電裝置結構示意圖；

圖2是本發明實施例基于半透明鈣鈦礦電池、熱電器件的太陽能發電裝置中半透明鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖；

圖3是本發明實施例基于半透明鈣鈦礦電池、熱電器件的太陽能發電裝置光路圖；

圖4是本發明實施例基于半透明鈣鈦礦電池、熱電器件的太陽能發電裝置中半透明鈣鈦礦太陽能電池光路圖；

圖5是am1.5光譜圖及半透明鈣鈦礦太陽能電池的透過率；

圖6是肖克利光伏電池極限轉換效率圖；

圖7是熱電材料轉換效率圖；

圖8是熱電子系統對復合發電系統的貢獻率圖；

圖9是最佳的復合效率的電池帶隙選擇圖；

圖10是本發明實施例鈣鈦礦光伏分頻聚光裝置制備過程流程圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

本發明實施例中，提供一種基于半透明鈣鈦礦電池、熱電器件的太陽能發電裝置，包括半透明鈣鈦礦太陽能電池、菲尼爾透鏡、聚光反射鏡、熱電發電裝置，將導電硅膠真空模塑在半透明鈣鈦礦太陽能電池的下表面構成菲尼爾透鏡，太陽光從半透明鈣鈦礦太陽能電池上表面入射，300～800nm的太陽能光譜在半透明鈣鈦礦太陽能電池中經過若干次反射而吸收，200～300nm(不包括邊界點)的太陽能光譜及800～2500nm(不包括邊界點)的太陽能光譜經過聚光反射鏡會聚到熱電發電裝置上，熱電發電裝置進行發電。利用半透明鈣鈦礦電池光譜分頻特性，在半透明鈣鈦礦太陽能電池的透明背電極上原位復合菲尼爾太陽聚光器，獲得太陽能發電/分頻/聚光子裝置，首先將分頻透射后的光線進行光能聚集，再經倒置圓錐形“光漏斗”進行多級高倍聚光并使高能流密度光能在接受器表面均勻分布，接受器為太陽能電池。聚光反射鏡與菲尼爾透鏡和熱電發電裝置相連，目的是增大能留密度，使光線分布均勻，防止由于過熱點的出現而損壞基于半透明鈣鈦礦電池、熱電器件的太陽能發電裝置器件。菲尼爾透鏡的下表面與熱電發電裝置的上表面之間的距離為15mm，不等于菲尼爾透鏡的焦距。

進一步地，聚光反射鏡為倒置圓錐形，聚光反射鏡的內表面經拋光處理。

進一步地，菲尼爾透鏡的傾角為30°，太陽光入射角為0°。小于800nm的太陽光能在頂電極上發生全反射，提高半透明鈣鈦礦太陽能電池的吸收性，提高電池效率；大于800nm的太陽光在半透明鈣鈦礦太陽能電池的背電極上發生全反射，不重新進入鈣鈦礦電池。

進一步地，半透明鈣鈦礦太陽能電池由下至上依次是：第一透明電極層、半透明功能層、第二透明電極層，半透明功能層由三層結構組成，從下至上依次是空穴傳輸層、鈣鈦礦吸光層、電子傳輸層；第一透明電極層作為電池器件陰極，材料為ito,折射率n＝2；空穴傳輸層和電子傳輸層為載流子傳輸層，空穴傳輸層材料為spir-ometad，折射率n＝1.76；電子傳輸層材料為tio2，折射率n＝2.4，均為透明結構；鈣鈦礦吸光層材料為ch3nh3pbi3，厚度為100～200納米，折射率n＝2.74，為半透明結構；第二透明電極層作為電池器件陽極，材料為金屬ag，厚度為8～10nm，折射率n＝0.45。

進一步地，菲尼爾透鏡的焦距為30mm。

如圖1、圖2所示，本發明的基于半透明鈣鈦礦電池、熱電器件的太陽能發電裝置，包括熱電發電裝置101、聚光反射鏡102、半透明鈣鈦礦電池及菲尼爾透鏡103。熱電發電裝置位于菲尼爾透鏡的下表面15mm處，并不等于菲尼爾透鏡的焦距。半透明鈣鈦礦太陽能電池由下至上依次是：第一透明電極層121、半透明功能層、第二透明電極層125，半透明功能層由三層結構組成，從下至上依次是空穴傳輸層122、鈣鈦礦吸光層123、電子傳輸層124，還包括玻璃基板126。

如圖3所示，是本發明實施例基于半透明鈣鈦礦電池、熱電器件的太陽能發電裝置光路圖，從圖中可以看出半透明鈣鈦礦太陽能電池的透光性，透過來的能量經由菲尼爾透鏡和聚光反射鏡聚光到熱電發電裝置上。不同入射角，不同菲尼爾透鏡傾角情況下，發生全反射現象的不同界面，即不同材料的計算公式具體為

其中γ為光線經過鈣鈦礦電池和菲尼爾透鏡后重新反射到鈣鈦礦層的入射角度；θ0為為太陽光入射進入裝置的角度；n為不同材料的折射率；i為發生全反射界面的代號，取值范圍為0-7，0為空氣層；1為玻璃層；2為ito層；3為spir-ometad層；4鈣鈦礦層；5為tio2層；6為ito層；7為菲涅爾透鏡層。

太陽能電池透過率受電池單層介質厚度、消光系數、折射率的影響：τ＝f(d，k，n)。針對不同介質的折射率，設計所需厚度，可實現所需的透過率。

所述單層介質透過率(τ)具體公式為：

所述反射率(r)可由下式表示：

所述鈣鈦礦太陽能電池總的透過率(τtotal)具體公式為：

式中n是介質折射率；d為介質厚度；α為介質材料吸收系數；k為介質消光系數；δ為介質中缺陷散射吸收系數；i為不同介質層；λ0為光線在真空中波長；τtotal為鈣鈦礦太陽能電池總的透過率。可根據下層不同帶隙的太陽能電池,合理選擇每層介質的厚度及折射率,實現透過率可控,最大程度有效利用太陽光譜,實現最佳帶隙匹配。

如圖4所示，本發明實施例基于半透明鈣鈦礦電池、熱電器件的太陽能發電裝置中半透明鈣鈦礦太陽能電池光路圖，菲尼爾透鏡的傾角為30°，在半透明鈣鈦礦太陽能電池背后集成復合有機硅菲涅耳透鏡改善600～800nm波長范圍內太陽光子的吸收特性，從而提高電池轉換效率，因為菲涅爾透鏡使入射光線在按設計角度的斜面上產生折射使光線匯聚，光線能量被反射回電池從而增加光子傳輸光程提高吸收，半透明鈣鈦礦薄膜疊層太陽能電池在600～800nm波長范圍內有較高比例的透射，這部分光線被復合在背電極上的有機硅菲涅耳透鏡斜面反射。

如圖5所示，是am1.5的太陽光譜以及其與半透明鈣鈦礦太陽能電池透過率耦合后得到的平均透過率。從圖中可以看出，半透明鈣鈦礦太陽能電池的最高透過率達77％，平均透過率為32％。

熱電發電裝置放置于菲尼爾透鏡下方的15毫米處。太陽光入射到半透明鈣鈦礦電池的太陽能發電/分頻/聚光裝置及其應用系統，半透明鈣鈦礦太陽能電池能將太陽光譜進行分頻，自身利用300～800nm的能量，其余低于300nm和高于800nm的能量將透過電池，經菲尼爾透鏡這一聚光單元，將透過來的太陽光進行低倍聚光，聚光后的能量到達熱電發電裝置。此方案的原理為：入射太陽光經過半透明鈣鈦礦太陽能電池部分被吸收后轉換為電能，而未被吸收轉換的550～780nm范圍部分可見光和紅外光，總共約占入射太陽光能量的36～40％，該能量經聚光透鏡聚集后可先被轉換為熱能后由熱電器件轉換為電能，可大幅度提高整個系統的太陽能轉換效率；另外，太陽能發電/分頻/聚光子裝置由于具有分頻聚光功能可使太陽光能聚集，提高到達硅太陽能電池上的太陽光能流密度，可提高光電轉換效率，并使太陽能電池用量減少。通過圖6可以很容易的得出不同帶隙配合不同zt值的熱電材料的復合系統總效率。若用帶隙為1.5ev的鈣鈦礦太陽能電池電池，zt值為2的熱電材料，復合系統的總效率為40.5％。如圖8所示是不同帶隙的光伏電池的肖克利極限轉換效率，圖8是不同熱電材料性能優值情況下熱電發電裝置的極限轉換效率。由圖7，8可以看出，熱電發電裝置的轉換效率并不像光伏電池那樣具有與帶隙匹配的極限效率，由圖9可以看出與不同帶隙的太陽能電池復合，熱電發電的貢獻率可在6～18％之間，比電池疊層效率提升空間更大，另外，熱電與光電能量利用上存在明顯的互補關系，通過兩種不同的能量轉換方式復合可以全光譜利用太陽能，使整個系統效率提高，效率可達到42％以上，根據此圖選出最適合與熱電發電單元復合的電池帶隙,并得出最佳的復合效率，匹配的太陽能電池材料的帶隙范圍在1.4～1.7ev之間。圖10所示是鈣鈦礦光伏分頻聚光裝置制備過程流程圖。其制備過程為:(1)準備好工裝/設備和夾具,菲尼爾透鏡角度的成型主要靠不同角度的磨具,準備完成后,等待；(2)將液態的透明有機硅膠倒在模具上；(3)用真空模塑工藝將鈣鈦礦太陽能電池壓在注有有機硅膠的模具上；(4)在中低溫的條件下,等待固化,固化之后脫模,形成鈣鈦礦光譜分頻聚光裝置.優點:有機硅膠處于電池背面,部分紫外光被玻璃過濾,硅膠非直接接觸太陽光紫外線照射,減弱了有機硅膠老化的問題；有機硅膠透鏡鈣鈦礦太陽能電池整體覆蓋還可以起到電池二次封裝保護作用。

沿著太陽光入射方向從上往下依次為半透明鈣鈦礦太陽能電池、菲尼爾透鏡、聚光反射鏡、熱電發電裝置。熱電發電裝置可利用200～300nm的太陽能光譜及800～2500nm的太陽光譜能量。經倒置圓錐形“光漏斗”聚光反射鏡進行多級高倍聚光并使高能流密度光能在接受器表面均勻分布，接受器為熱電發電裝置。

本發明基于半透明鈣鈦礦電池的太陽能發電裝置，不僅大幅簡化了全光譜太陽能復合裝置發電單元的結構，而且也使太陽光能量在光電復合發電單元中傳輸、能量吸收與轉換的過程更加合理，首先，太陽光在聚光前被吸收轉化，可充分利用太陽光中的散射光，提高了太陽能量的利用率，其次，不能被轉換的低能光子分頻透射后，減小了鈣鈦礦薄膜太陽能電池的熱負荷，降低了溫度對電池轉換效率的影響，最后，采用了菲尼爾透鏡加倒置錐形封閉腔體限光的設計方案，可減小紅外光線的反射損失。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。