利用新颖微纳结构提高光伏和光热伏太阳能电池的效率结题摘要

光伏和光热伏太阳能电池是实现太阳能转换成电能的两种有效手段，而太阳光吸收效率偏低成为制约其光电转换效率（PCE）的主要因素。为此，本项目主要研究了面向这两种太阳能应用的新颖微纳结构。针对光伏应用，我们制备出结构化硅材料，实现了对入射光的三维调控；基于该材料的光电化学电池的PCE比平面电池提高141.1%；制备出TiO2纳米管与纳米棒复合结构，以此为阳极的光电化学电池效率比纳米管提高了3倍；制备出随机金字塔绒面硅电池和随机结构化硅电池，相比平面电池，PCE分别提高了66.9%和32.1%。建立了光伏电池的光电混合物理模型，构建了基于金碗纳米结构的非晶硅薄膜太阳能电池，对光吸收、载流子产生、复合、传导行为进行了系统分析。对有机薄膜太阳能电池，提出了多种新颖结构设计，制备出的凹凸纳米结构将PCE提高30%；在缓冲层中引入银纳米球，将PCE提高19.2%。还建立了金属热电子跃迁模型，基于锥形TiO2纳米线将热电子太阳能电池的PCE提高1.87倍。针对光热伏应用，我们提出了多种吸波新机制，制备出金锥形同轴孔阵列、介质-金属交替多层薄膜及其锥形等多种宽带等离激元/超构材料吸波器，测得宽带（400 nm - 2.1 μm）、广角（> 60°）、偏振不敏感的高吸收响应（> 90%）。还制备出铁纳米结构和石墨纳米结构，测得两者吸收率在太阳光波段均大于95%。建立了太阳能热光伏系统的物理模型，提出了棋盘状选择性吸波器和核壳纳米小球阵列的选择性辐射器，优化设计出新颖的吸波-辐射纳米复合结构（吸波器：六角密堆的钨三角形阵列，辐射器：钽方块光子晶体），使得太阳能热光伏系统效率突破传统光伏电池的Shockley-Queisser效率极限。研制出可应用于太阳能热电发生器的大面积超薄太阳光加热器，基于吸收/辐射光谱选择性调控，获得高于商业黑漆的工作温度。总之，上述理论和实验研究论证了微纳结构应用于光伏和光热伏太阳能电池的可行性，为太阳能研究领域提供了新颖且有效的理论和技术方法，它们可拓展至集成光学、生物光子学等领域，具有重要的科学意义。 2100433B

光伏和光热伏太阳能电池是实现太阳能转换成电能的两种有效手段，然而太阳光吸收效率普遍偏低成为制约其光电转换效率的主要因素，直接影响它们的推广和应用。基于此，本项目研究面向光伏和光热伏太阳能电池应用的新颖微纳结构，旨在借助先进微纳光学理论提高它们对太阳光的收集及吸收效率，进而提高其光电转换效率。除了光学研究以外，对于光伏太阳能电池，我们还将建立光电物理模型探讨其电学行为；对于光热伏太阳能电池，我们还将对吸波器的辐射谱进行合理调控，并构建光热物理模型揭示吸波器中热能的传导行为。从而揭示相应太阳能电池的光电转换物理机理，从光、热/电等方面优化设计新颖的微纳结构。最后，采用先进的微纳制备工艺对微纳结构及相应的光伏/光热伏太阳能电池进行探索制作，从实验上验证微纳结构在光和电两方面的有效性，开发新颖的太阳能电池。本项目有望为太阳能产业提供新颖的、有效的理论和技术方法。

本书介绍了太阳能光伏光热综合利用技术（PV/T）的基本概念、优点、分类、应用途径及共性问题，详细描述和深入研究非跟踪光伏热水系统（肋管型和热管型）、光伏热空气系统（主动式和被动式）、光伏热泵系统（直膨式和热管复合式）、聚光光伏光热系统（碟式和菲涅尔式）等多种太阳能光伏光热综合利用系统的基本原理、结构设计、理论分析与评价模型、研究方法和应用途径，特别是光伏光热综合利用技术在建筑一体化中的应用（BIPV/T）。

1.推动实施一批光伏光热产业重大项目

合肥光伏光热研究院立足现在的人才与科技优势，面向企业，以

提高产业“持续发展力和核心竞争力”为核心，重点研究企业急需的太阳能光伏高新技术产品，光伏并网发电关键技术装备和高效率、低成本的太阳能电池，重点突破环保型高纯硅材料，低消耗大面积单晶硅棒的制备技术、太阳能光伏组件辅助材料国产化技术、高效率并网控制设备和大规模光伏电站运行与控制、规模化光热应用产品等行业共性关键技术。

2.支持培育一批龙头企业和知名品牌

优化合肥市光伏光热产业布局，打造从硅料、太阳能电池（组件）到系统集成、电厂工程总承包的完整产业链，扩大示范，推进并网发电，促进产业集聚发展，建设国家重要的太阳能光伏光热技术研发和产业基地。接受国家、行业、企业委托的与光伏光热产业相关技术和零部件有关的工艺、技术、装备的研究、设计和开发任务；

3.为推进光伏光热技术发展产业化提供充足的人才资源

研究院以优秀的人才资源，为光伏光热产业的设计与制造提供优质的信息、咨询、服务、人才培训和试验检测等技术支持；通过应用技术产业化研究与开发的过程，培养高水平的工程技术人员和管理人才，为推进光伏技术发展产业化提供人才资源。

4.整体目标

研究院以先进的技术水平、强大的研发能力、丰硕的科技成果、和完善的检测环节，汇聚更多优秀企业落户合肥，建设布局合理、类别齐全、链条完整的光伏光热高新技术产业集群。到2012年，上市企业1-2家，实现百亿元以上的企业3家，十亿元以上的企业5家，光伏光热产业工业产值达到500亿元，利税50亿元，新增就业岗位2万个；力争到2015年，成为国家重要的光伏光热产业基地、科学研究基地、成果转化和人才培养基地，上市企业4-5家，实现百亿元以上的企业10家，十亿元以上的企业20家，光伏产业工业值达到2500亿元，利税250亿元，新增就业岗位8万个；光伏光热产业真正成为新兴的高新技术支柱产业，步入快速发展的轨道 。2100433B

该系统通过充分利用太阳能的光伏和光热能量来驱动热泵空调系统为建筑物供冷、供暖和供热水，节约现有电网的电能。研究了新型光伏光热蓄能热泵空调循环系统在各种工况下的性能，分析了不同结构的光伏光热蓄能热泵系统的动态性能，依据光伏转换和光热转换理论，研究了该系统的光伏转换和光热转换性能，优化了光伏、光热转换系统的匹配。依据热力学理论和热物性数据，对该系统中的蓄能材料的构成和热物理性能进行了研究,合成了相变温度适宜的复合相变蓄能材料，分析了复合蓄能材料的热物理性能。研究了光伏光热蓄能器性能，获得了光伏光热蓄能器性能参数的变化规律，分析了工作温度对光伏光热蓄能器性能的影响，研究了复合相变蓄能材料在光伏光热蓄能器中的蓄能动态特性和能量输出特性。建立了光伏光热蓄能热泵空调系统实验装置，通过理论和实验研究了光伏光热蓄能器和热泵空调循环系统的动态性能，为优化匹配光伏光热蓄能热泵空调系统提供了理论依据。通过上述研究获得了该系统在不同工况下的动态性能和能源利用效率，使该系统的光伏转换效率比常规光伏系统提高15%以上，太阳能总利用效率达到80%以上；获得了光伏光热蓄能器光伏、光热转换特性和相变换热特性；制备了相变温度适宜、相变潜热大于180 kJ/kg，导热系数大于0.5W/m.℃的复合相变蓄能材料。该系统将光伏光热太阳电池、相变蓄能和热泵空调技术结合起来，能做到夏季供冷、冬季供热、全年供热水，能够全年运行，充分利用了太阳能资源，节约了电能和运行费用、保护了生态环境。 2100433B