[发明专利]一种基于平面波导的光伏玻璃窗

说明书

本发明公开了一种基于平面波导的光伏玻璃窗，特点是：包括用于提供机械强度的普通窗玻璃基底层、用于平面波导传输的光学薄膜层以及用于接收日光而发电的光伏电池，光学薄膜层覆盖在基底层的上表面，光学薄膜层包括上下设置的导光层和缓冲层，导光层采用掺杂发光体的杂化材料制得，缓冲层采用杂化材料制得，导光层的折射率大于缓冲层的折射率，光伏电池设置在导光层的上方或下方或四周；优点是：本发明的光伏玻璃窗以普通窗玻璃为基底，在其上覆盖由掺杂发光体的高折射率导光层和未掺低折射率缓冲层构成的日光发光平面波导，能大面积吸收玻璃窗的透射光而发光，这些发出的光频下移的散射光由波导传输至边缘的光伏电池而发电，以实现零能源建筑。

技术领域

本发明涉及发光太阳能聚光器领域，尤其涉及一种基于平面波导的光伏玻璃窗。

背景技术

根据《联合国2030年可持续发展议程》，未来十五年的主要目标是：包括采取紧急行动应对气候变化，可持续管理自然资源、生产和消费，以保护地球免受退化。为此，使用清洁和可持续的能源是一项关键挑战。欧盟在促进建造能源产生大于消耗的零能源建筑，我国也把发展清洁可持续能源作为国家战略之一。

太阳能是可再生的清洁能源之一，光伏（PV）技术能把太阳光能转换成电能。但PV电池的吸收光谱与太阳光谱之间存在失配（Ferreira R A S, Correia S F H, MonguzziA, et al. Spectral converters for photovoltaics - What’s ahead. Mater. Today.2020, 33, 105-121.），导致PV电池的效率较低。为了减小这种失配，人们正在研发发光太阳能聚光器（LSC, Luminescent Solar Concentrator）材料，从而提高PV电池来增加效率，并应用于建筑物的立面和玻璃窗，实现零能源建筑，因而具有广阔的应用市场前景。我国是太阳能硅电池生产大国，发展高性能LSC材料可大大地促进我国在绿色建筑等领域的发展，消除或减少对化石能源的需求和对环境的污染。

LSC由发光体和光波导基质材料构成，通常为发光体分布在光波导基质材料内，基质材料的两端设置太阳能电池，太阳光入射后经发光体配合物传导至两端的太阳能电池而发电。目前，LSC的发光体是镧系有机配合物如Eu(TTA)₃(TTPO)₂(TTA=三氟丙酮，TTPO=三苯基膦氧化物)、[Eu(Phen)₂]Cl₃（Phen=邻菲罗啉）或[Tb(bpy)₂]Cl₃(bpy=2,2’-联吡啶)等（Wang T X, Zhang J, Ma W, et al. Luminescent solar concentrator employingrare earth complex with zero self-absorption loss. Sol. Energy. 2011, 85(11),2571-2579.）。量子点如CdS/CdSe、CdSe/CdPbS、PbS/CdS、CdSe/CdxZn1-xS、Zn0.87Cd0.11Mn0.02Se/ZnS等（Meinardi F, Colombo A, Velizhanin K A, et al.Large-area luminescent solar concentrators based on Stokes-shift-engineerednanocrystals in a mass-polymerized PMMA matrix. Nat. Photonics, 2014, 8(5),392-399; Zhao H G, Daniele B, Lei J, et al. Absorption Enhancement in GiantCore/Alloyed-Shell Quantum Dots for Luminescent Solar Concentrator. Small.2016, 12, 5354-5365.）。有机染料如Lumogen Violet/Yellow染料、罗丹明、香豆素和二甲苯（双酰亚胺）衍生物等（Kinderman R, Slooff L H, Burgers A R, et al. I-Vperformance and stability study of dyes for luminescent plate concentrators.J. Sol. Energy Trans. ASME. 2007, 129(3), 277-282.; Reisfeld R, Eyal M,Chernyak V, et al. Luminescent solar concentrators based on thin films ofpolymethylmethacrylate on a polymethylmethacrylate support. Sol. EnergyMater. 1988, 17(6), 439-455.）。以及上转换材料如镧系材料（Almeida R M, Sousa N,Rojas-Hernandez R E, et al. Frequency conversion in lanthanide-doped sol-gelderived materials for energy applications. J. Sol-Gel Sci.  Technol. 2020,95, 520-529.; Liang L L, Liu Y M, Zhao X Z, et al. Double-shell β-NaYF4:Yb3+,Er3+/SiO2/TiO2 submicroplates as a scattering and upconverting layer forefficient dye-sensitized solar cells. Chem. Commun. 2013, 49(38): 3958-3960.）。