[论文解读] Ultraviolet and Near-Infrared Dual Band Selective-Harvesting Transparent Luminescent Solar Concentrators

Chenchen Yang, Wei Sheng+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2020

Photochemistry and Electron Transfer Studies参考文献 30被引用 5

一句话总结

本研究提出了一种双波段透明发光太阳能聚光器（TLSC），通过使用磷光纳米簇和荧光有机分子选择性捕获紫外（UV）和近红外（NIR）光，实现了超过3%的功率转换效率（PCE），且平均可见光透光率（AVT）超过75%，将光利用效率（PCE × AVT = 2.6）提升至新基准，超越了非波长选择性透明光伏器件的实际性能极限。

ABSTRACT

Visibly transparent luminescent solar concentrators (TLSCs) can optimize both power production and visible transparency by selectively harvesting the invisible portion of the solar spectrum. Since the primary applications of TLSCs include building envelopes, greenhouses, automobiles, signage, and mobile electronics, maintaining aesthetics and functionalities is as important as achieving high power conversion efficiencies (PCEs) in practical deployment. In this work, we combine massive-downshifting phosphorescent nanoclusters and fluorescent organic molecules into a TLSC system as ultraviolet (UV) and near-infrared (NIR) selective-harvesting luminophores, respectively, demonstrating UV and NIR dual-band selective-harvesting TLSCs with PCE over 3%, average visible transmittance (AVT) exceeding 75% and color metrics suitable for the window industry. With distinct wavelength-selectivity and effective utilization of the invisible portion of the solar spectrum, this work reports the highest light utilization efficiency (PCE x AVT) of 2.6 for a TLSC system, the highest PCE of any transparent photovoltaic device with AVT greater than 70%, and outperforms the practical limit for non-wavelength-selective transparent photovoltaics.

研究动机与目标

• 开发一种在实际应用（如窗户和移动设备）中保持高美观性和功能性表现的可见透明发光太阳能聚光器（TLSC）。
• 通过实现对不可见太阳光谱波段的选择性捕获，克服透明光伏器件中功率转换效率（PCE）与可见透明度之间的权衡。
• 通过将UV和NIR选择性发光体集成于单一TLSC平台，实现高光利用效率（PCE × AVT）。
• 展示一种TLSC系统，其在PCE和AVT方面均超越非波长选择性透明光伏器件的实际性能极限。
• 实现太阳能能量捕获在建筑外墙、温室和消费电子产品中的可行集成，同时不牺牲光学清晰度或色彩质量。

提出的方法

• TLSC平台集成了大规模下转换的磷光纳米簇用于紫外（UV）光捕获，以及荧光有机分子用于近红外（NIR）光捕获。
• 该系统采用波长选择性发光体，吸收UV和NIR光子，同时透射可见光，从而保持高平均可见光透光率（AVT）。
• 被发光体吸收的光子在更长波长下重新发射，并通过全内反射引导至器件边缘的光伏电池。
• 该设计利用两种发光体的发射光谱差异，最小化光谱重叠，最大化对两个不可见波段的能量收集。
• 光学与光子学特性经过工程设计，以最小化再吸收损失，并优化波导内光路的约束。
• 使用标准工业参数评估颜色指标与透明度，以确保适用于窗户和显示应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 透明发光太阳能聚光器能否通过选择性捕获UV和NIR光，在保持高可见光透光率的同时实现高功率转换效率？
• RQ2 在双波段选择性捕获的TLSC系统中，光利用效率（PCE × AVT）的最大可实现值是多少？
• RQ3 与单波段或非选择性捕获相比，双波段捕获在性能和实际可行性方面有何差异？
• RQ4 磷光纳米簇与荧光分子的集成能否同时实现高PCE和高AVT？
• RQ5 该方法是否超越了非波长选择性透明光伏器件的理论性能极限？

主要发现

• 该TLSC实现了超过3%的功率转换效率（PCE），为迄今为止在可见光透光率高于70%的任何透明光伏器件中报告的最高PCE。
• 该系统保持了超过75%的平均可见光透光率（AVT），确保了适用于窗户和显示应用的高光学清晰度。
• 光利用效率（PCE × AVT）达到2.6，为迄今报道的任何TLSC系统中最高值。
• 双波段捕获策略有效利用了太阳光谱中的UV和NIR部分，同时最小化对可见光透射的干扰。
• 该器件的颜色指标被证实适用于窗户行业，表明其与实际建筑和消费应用的兼容性。
• 该系统超越了非波长选择性透明光伏器件的实际性能极限，展示了实现高效透明太阳能能量捕获的可行路径。