CN101728996A - 基于太阳能电池和温差电池的复合能源器件 - Google Patents
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Abstract
基于太阳能电池和温差电池的复合能源器件，属于电子器件技术领域，涉及太阳能电池和温差电池。本发明将染料敏化太阳能电池和热电温差电池集成在一起，并在两个单元之间加装透明隔热层和太阳能集热层，对太阳光中的近红外进行充分吸收，开对整个器件的热传递进行有效控制，实现了对太阳光各波段全面高效利用，从而整合太阳能电池和太阳能集热温差发电两种方式，大大提高对太阳能的利用效率。与现有的光伏/热电集成器件比较，本器件采用低成本的染料敏化太阳能电池，并利用其透光性优势，在更简单的构造和工艺基础上获得了更高的光电转换效率。本发明既可作为小体积低功率便携式能源器件，又适于大面积生产和使用。
Description
技术领域
本发明属于电子器件技术领域，涉及太阳能电池和温差电池，具体涉及一种透明染料敏化太阳能电池和温差电池的复合能源器件。
背景技术
地球上的能源储备量相对人们的需求量来说极其有限，同时随着世界人口的急剧增加，经济的快速发展，对能源的需求量也越来越大，能源短缺已经成为日益紧迫的影响人类社会发展的重大问题。太阳能具有能量巨大，对环境友好，不会破坏地球热平衡等众多优点，因而是一种非常重要的可再生能源。
在太阳辐射光谱中，大约45％的太阳辐射能量在可见光谱区(波长0.4～0.76微米)，约5％在紫外光谱区(波长＜0.4微米)，约45％在近红外光谱区(波长0.76～3微米)。但是，目前的太阳能电池，包括硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池和染料敏化太阳能电池，几乎都只利用太阳光谱的短波段，主要是紫外光和可见光部分，而红外光部分被目前的太阳能电池利用很少，导致太阳能电池的效率很低，使太阳能这一天然清洁用之不尽的能源利用受到限制。而另一方面，太阳能集热温差发电则利用太阳能产生的热量通过温差电池实现光-热-电的转换。太阳能产生的热量主要是由太阳光中近红外光的热辐射造成的。这两种主要的太阳能利用方式利用的是太阳光不同波段的能量，且都仅仅是利用了太阳光能量中的一部分能量。
热电温差电池作为一种无污染的可再生能源可以灵活利用各种不同形式的热能，只要存在温差，即可利用。它无需化学反应且无机械移动部分，因而具有无噪音，无污染，无磨损，重量轻，使用寿命长等种种优点。被广泛地用于工业余热，废热的回收利用，航天辅助电力系统等。
太阳能集热涂层可以有效将太阳能转变成热能，具有太阳辐射高吸收率及长波辐射高传送率，对於太阳能有极高绩效的利用。太阳能集热涂层在太阳能光热利用领域有着广泛应用，如太阳能热水器、太阳能游泳池供热系统等。
现有的太阳能光伏温差混合发电系统总是集成传统的硅太阳能电池。这种电池生产过程中污染和能耗高、价格昂贵而且几乎没有透光性，与温差电池复合难以控制光伏电池本身的工作温度，易使电池过热。
发明内容
本发明提供基于太阳能电池和温差电池的复合能源器件，通过将染料敏化太阳能电池、太阳能集热涂层和温差电池集成在一起，形成一种复合能源器件，具有成本低(硅电池成本的1/5～1/10)、理论转换效率高、制备工艺简单等众多优点，对于太阳光全波段能量的利用，提高提高对太阳能的利用效率具有重大的意义。
本发明技术方案为：
基于太阳能电池和温差电池的复合能源器件，如图1所示，包括染料敏化太阳能电池200、太阳能集热层材料400和热电温差电池500；还包括一层透明隔热层材料300，所述染料敏化太阳能电池200、透明隔热层材料300、太阳能集热层材料400和热电温差电池500顺序紧贴在一起，且所述染料敏化太阳能电池的负电极和所述热电温差电池的正电极相互连接。
如图2所示，所述染料敏化太阳能电池包括两块玻璃基板201、纳米氧化钛光阳极薄膜202、吸附了染料光敏化剂的多孔膜203、封装结构材料204、含氧化还原电对的电解质205和铂金负电极206。所述纳米氧化钛光阳极薄膜202和所述铂金负电极206分别位于两块玻璃基板201表面；所述吸附了染料光敏化剂的多孔膜203和含氧化还原电对的电解质205通过封装结构材料204密封在纳米氧化钛光阳极薄膜202和铂金负电极206之间的空间里，其中吸附了染料光敏化剂的多孔膜203与纳米氧化钛光阳极薄膜202相连，而含氧化还原电对的电解质205处于吸附了染料光敏化剂的多孔膜203与铂金负电极206之间。
作为优选，所述染料敏化太阳能电池200的纳米氧化钛光阳极薄膜202所在玻璃基板201的另一表面还可具有一层防反射层材料100；所述防反射层材料100可通过低温汽相沉积工艺沉积于透明导电基板的上表面，具体防反射层材料可以是含有二氧化钛和五氧化二铌的混合物。
所述透明隔热层材料300位于染料敏化太阳能电池200和太阳能集热层400之间，它一方面可以透过染料敏化太阳能电池不能利用的太阳光能量，另一方面可以阻断热电温差电池向染料敏化太阳能电池的热传递，这样既可以使热电温差电池热端保持尽可能高的温度，又能使染料敏化太阳能电池工作在正常温度下。具体透明隔热材料可选用透光率在90％以上的真空玻璃。
所述太阳能集热层400位于透明隔热层材料300和热电温差电池500之间，为对近红外光高吸收低发射的涂层材料，以尽可能多的吸收近红外光而减少热辐射。所述太阳能集热层400可采用多层复合结构，如图3所示，从上往下依次为防反射层401、低金属体积比陶瓷合金吸收层402、高金属体积比陶瓷合金吸收层403、红外反射层404和金属衬底405。
所述热电温差电池500由上下两个绝缘导热陶瓷基板501、502和它们之间的半导体材料构成；其中热端绝缘导热陶瓷基板502与太阳能集热层400紧密接触；所述半导体材料由多个N型半导体504和P型半导体505依次相间排列而成，相邻两个N型半导体504和P型半导体505的端面采用金属导流片503连接，从而形成多个N型半导体504和P型半导体505依次串联的结构；所述N型半导体504和P型半导体505的两个端面通过金属导流片503分别与热端绝缘导热陶瓷基板502和冷端绝缘导热陶瓷基板501紧密接触。所述热电温差电池由于塞贝克效应，通过两个基底的温度差，在它们之间的半导体中产生电流。
本发明工作原理：以光入射方向为上，染料敏化太阳能电池处于结构的最上层，在其向光面贴有一层防反射膜，防止太阳光反射。染料敏化太阳能电池吸收了阳光中的可见光部分，把它们转化为电能。并把剩余的红外光线透射给透明隔热层下面的集热层。隔热层阻止了集热层和染料敏化电池之间的热传递，以防止太阳能电池过热。集热层在吸收了阳光中绝大多数的近红外线后，温度迅速升高，并把热量不断地传递到温差电池的热端，温差电池在温差作用下开始工作。染料敏化太阳能电池的铂金负电极通过导线连接了温差电池的负极，从而把两个电池串联起来。太阳能电池结构的光阳极成为整个器件的负极，温差电池结构的正极成为整个器件的正极。
本发明的优点是：
本发明克服了传统光伏-热电复合器件对太阳光谱利用不佳的情况，可对太阳光中的各波段优化利用，从而提供更高的光电转换效率。染料敏化太阳能电池和温差电池的生产工艺日趋成熟，染料敏化太阳能电池光电效率已达8％～11％，温差电池在100K温差下，效率最高可达6％～8％，因此，本发明器件理论效率可达14～19％。同时本发明器件生产成本低，其中染料敏化太阳能电池模块仅为同面积硅电池成本的1/5～1/10；温差电池组件也基本实现批量工业化生产，加之其它组件价格低廉。因此，本发明具有很高的实用性和性价比。
相比于其它光伏-热电复合器件，本发明既可以使温差电池的热端尽可能保持高的温度(最高可达200摄氏度)，同时又保证了太阳能电池工作在正常温度下(不高于60摄氏度)，不至于过热影响效率和寿命。
染料敏化太阳能电池封装工艺在经过长期的发展后封装寿命已达十年以上，温差电池属于全固态器件，寿命更长。本发明继承了先进的电池封装工艺，并通过设计控制了热量传递、使模块温度得到了有效控制，本器件使用寿命可在十年以上。本发明既可作为小体积低功率便携式能源器件，又适于大面积生产和使用。
附图说明
图1为本发明提供的基于太阳能电池和温差电池的复合能源器件的结构示意图。图中：100为防反射层，200为染料敏化太阳能电池，300为透明隔热层材料，400为太阳能集热层材料，500为热电温差电池，202为纳米氧化钛光阳极薄膜，206为铂金负电极，503为金属导流片。
图2为染料敏化太阳能电池的结构示意图。图中：201为玻璃基板，202为纳米氧化钛光阳极薄膜，203为吸附染料的多孔膜，204为封装结构材料，205为电解质，206为铂金负电极。
图3为太阳能集热层的结构示意图。图中：401为防反射层，402为低金属体积比陶瓷合金吸收层，403为高金属体积比陶瓷合金吸收层，404为红外反射层，405为金属衬底。
图4为温差电池模块示意图。图中：501为冷端绝缘导热板，502为热端绝缘导热板，503为金属导流片，504为N型半导体，505为P型半导体。
图5为整个器件的等效电路图。图中：染料敏化太阳能电池和温差电池串联，R为本器件的等效电阻。
具体实施方式
参照图1，本发明提供的基于太阳能电池和温差电池的复合能源器件依次由防反射层100、染料敏化太阳能电池200、透明隔热层材料300、太阳能集热层400和热电温差电池500五大部件等面积紧密堆叠而成。面积大小可根据实际应用和安装场合随意更改。
图2中，染料敏化太阳能电池是以高温培烧工艺，将厚度为5um～15um的吸附了染料光敏化剂的多孔膜203封装在100nm～300nm纳米氧化钛光阳极薄膜202和表面涂敷有100nm～500nm铂金负电极206的两片玻璃基板201之间，通过封装材料204控制厚度，在内部形成一个25um～50um的空间。往空间内注满电解质205后，此燃料敏化太阳能电池即可正常工作。燃料敏化太阳能电池的向阳面沉积了一层0.1um～0.5um高透光度防反射层100，背面紧贴5mm～20mm透明隔热层材料300。透明隔热层材料300下面固定着热端沉积有太阳能集热层400的温差电池500。
图3太阳能集热层为叠层结构，表层为防反射层401，下面依次是低金属体积比陶瓷合金吸收层402、高金属体积比陶瓷合金吸收层403、红外反射层404，这是一种对近红外光高吸收低发射的复合涂层材料，以尽可能多的吸收近红外光而减少热辐射。同时，集热层下部为具有高导热的金属衬底405，使集热层收集到的热量最快地传到温差电池的热端。
图4温差电池发电模块示意图。热端绝缘导热板502工作时温度高于冷端绝缘导热板501，它们之间交替排列着N型504和P型半导体505，这些半导体通过金属导流片503串联在一起。在载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散形成了电势差。一对P-N结的工作电压为V＝a(T1-T2)，a是塞贝克系数，它由电池材料属性决定，T1、T2为热、冷端温度。
器件正常工作时，太阳光透过防反射膜100，照射到染料敏化太阳能电池模块。模块中吸附了染料的多孔膜203吸收了阳光中的可见光部分，染料分子被激发，释放出电子通过透明导电膜202进入回路。受激发的染料分子立即被电解质205还原回到稳态，I-被氧化为I3 -。电解质中的I3 -从回路中得到电子，又被还原成I-，反应得以循环进行。未被吸收和利用的红外光线透射到透明隔热层300下面的集热层400。隔热层阻止了集热层和染料敏化电池之间的热传递，以防止光伏电池过热。集热层在吸收了阳光中绝大多数的近红外线后，温度迅速升高，并把热量不断地传递到温差电池模块500的热端，温差电池在温差作用下开始工作。
图5所示，染料敏化太阳能电池模块的的对电极通过导线连接了温差电池的负极，从而把两个电池串联起来，他们遵循串联电流不变电压叠加的原则。太阳能电池结构的光阳极成为整个器件的负极，温差电池结构的正极成为整个器件的正极。
Claims (8)
1.基于太阳能电池和温差电池的复合能源器件，包括染料敏化太阳能电池(200)、太阳能集热层材料(400)和热电温差电池(500)；其特征在于，还包括一层透明隔热层材料(300)，所述染料敏化太阳能电池(200)、透明隔热层材料(300)、太阳能集热层材料(400)和热电温差电池(500)顺序紧贴在一起，且所述染料敏化太阳能电池的负电极和所述热电温差电池的正电极相互连接。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能电池和温差电池的复合能源器件，其特征在于，所述染料敏化太阳能电池包括两块玻璃基板(201)、纳米氧化钛光阳极薄膜(202)、吸附了染料光敏化剂的多孔膜(203)、封装结构材料(204)、含氧化还原电对的电解质(205)和铂金负电极(206)；所述纳米氧化钛光阳极薄膜(202)和所述铂金负电极(206)分别位于两块玻璃基板(201)表面；所述吸附了染料光敏化剂的多孔膜(203)和含氧化还原电对的电解质(205)通过封装结构材料(204)密封在纳米氧化钛光阳极薄膜(202)和铂金负电极(206)之间的空间里，其中吸附了染料光敏化剂的多孔膜(203)与纳米氧化钛光阳极薄膜(202)相连，而含氧化还原电对的电解质(205)处于吸附了染料光敏化剂的多孔膜(203)与铂金负电极(206)之间。
3.根据权利要求2所述的基于太阳能电池和温差电池的复合能源器件，其特征在于，所述染料敏化太阳能电池(200)的纳米氧化钛光阳极薄膜(202)所在玻璃基板(201)的另一表面还具有一层防反射层材料(100)。
4.根据权利要求3所述的基于太阳能电池和温差电池的复合能源器件，其特征在于，所述防反射层材料(100)是含有二氧化钛和五氧化二铌的混合物。
5.根据权利要求1所述的基于太阳能电池和温差电池的复合能源器件，其特征在于，所述透明隔热层材料(300)位于染料敏化太阳能电池(200)和太阳能集热层(400)之间，为透光率在90％以上的真空玻璃。
6.根据权利要求1所述的基于太阳能电池和温差电池的复合能源器件，其特征在于，所述太阳能集热层(400)位于透明隔热层材料(300)和热电温差电池(500)之间，为对近红外光高吸收低发射的涂层材料。
7.根据权利要求6所述的基于太阳能电池和温差电池的复合能源器件，其特征在于，所述太阳能集热层(400)为多层复合结构，从上往下依次为防反射层(401)、低金属体积比陶瓷合金吸收层(402)、高金属体积比陶瓷合金吸收层(403)、红外反射层(404)和金属衬底(405)。
8.根据权利要求1所述的基于太阳能电池和温差电池的复合能源器件，其特征在于，所述热电温差电池(500)由上下两个绝缘导热陶瓷基板(501、502)和它们之间的半导体材料构成；其中热端绝缘导热陶瓷基板(502)与太阳能集热层(400)紧密接触；所述半导体材料由多个N型半导体(504)和P型半导体(505)依次相间排列而成，相邻两个N型半导体(504)和P型半导体(505)的端面采用金属导流片(503)连接，从而形成多个N型半导体(504)和P型半导体(505)依次串联的结构；所述N型半导体(504)和P型半导体(505)的两个端面通过金属导流片(503)分别与热端绝缘导热陶瓷基板(502)和冷端绝缘导热陶瓷基板(501)紧密接触。
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