杨雪婷，马瑞丽，陆军*
北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室，北京 100029
*Email：lujun@mail.buct.edu.cn
摘 要：太阳能聚光器可将分散的太阳光利用光学原理聚集到一光点或者一较小的面积从而增强太阳光能量密度，目前存在的太阳能聚光器根据光学原理可分为反射聚光器、折射聚光器、热光伏聚光器、发光聚光器、全息聚光器等。其中，发光型太阳能聚光器由于可以直接利用散射光与直射光并且能对太阳光进行光谱转换匹配已有太阳能电池系统，所以引起了人们的广泛关注。发光太阳能聚光器(LSC)是一种收集辐射光的装置，包含覆载或镶嵌在透明基底的高发光性能化合物，该发光化合物吸收辐射光，并充当二次光源发光，发出的光由于全内反射被LSC捕获，再经波导效应传至LSC边缘的光伏电池。本文综述了发光型聚光器的特点、应用及目前的研究进展，展望了光伏窗在未来建筑行业以及其他领域的潜在应用价值。
1.前言
随着工业化和现代化的不断发展与人民生活水平的日益提高，人们对能源的需求量持续上升，但是传统石化能源的大量开采与使用不仅会加快能源的枯竭，同时也会大量排放二氧化碳从而造成温室效应,使环境污染问题日益突出，所以如何合理的开发利用新能源显得尤为重要，目前通过研究新材料实现对新能源的利用已经成为材料与化学领域的热点[1]。
在目前已经开发利用的新能源中，太阳能作为最充足、最清洁的绿色能源受到了广泛的关注。吸收太阳能的光伏材料的价格，是决定光伏发电成本以及其是否能广泛应用于实际生产的关键因素。近年来，太阳能电池光电转换效率的提高以及光伏材料制备和安装价格的降低使太阳能发电成本显著降低。其中，硅基光伏器件性能的提升，使得硅基光伏器件成为在民用和工业建筑中利用可再生能源生产电能的主导技术。但为满足目前高度城市化的需求，城镇建筑的发展趋势主要在于高度的增加，而安装在楼顶上的硅基光伏器件所产生的电能显然不能满足整座楼宇的能量需求。尽管太阳能发电技术已广泛应用于实际生产中，但由于其本身具有的局限性如不能充分利用整个太阳光谱、占地面积大、价格相对较高等，使零能源建筑(zero energy consumption buildings)的实现仍具有一定的挑战性，而发光型太阳能聚光器的提出为这一目标的实现提供了技术的支持[2]。
发光型太阳能聚光器(LSC)自1976年由Weber[3]提出后就引起了大家的广泛关注，发光型太阳能聚光器可将传统的能量被动式的玻璃窗系统转变为透明、半透明的光伏窗(PV窗)实现对太阳能的捕获利用，从而能够有效的将城镇建筑物的外墙转化为分布式能源生成单位，有利于零能源建筑这一目标的实现[4]。另外，发光型太阳能聚光器可以“无形”的安装在建筑物上，有利于公众对LSC的接受力。
发光太阳能聚光器主要有薄膜LSC与均匀掺杂LSC,薄膜LSC是由涂有掺杂荧光团的可塑波导或活性发光材料层的玻璃板组成,在薄膜LSC中，光线被束缚在薄膜/基底组成的整个混合材料内;而均匀掺杂LSC是将发光材料均匀掺杂在透明基质(如玻璃等)中。目前，人们比较热衷于薄膜LSC的研究，主要因为其更便于制造，并且基底的选择更加广泛，如玻璃基底更加耐用，价格相对较便宜,并且能吸收可能占据LSC大部分体积的有害紫外线。所以本文我们主要介绍的是薄膜LSC的研究[5]。
2.发光太阳能聚光器的特点
2.1发光太阳能聚光器的工作原理
LSC(如图1)通常由掺杂发光聚光器的透明基板组成,发光聚光器吸收入射光线后荧光团再辐射出其对应波长的光线，由于发射光线具有各向同性，部分不满足全内反射入射角条件的光线通过逸出锥而损失，而大部分再发射荧光则可以通过全内反射而被限制在基板内，所以大部分的发射光通过全内反射进入波导模式而被汇聚到聚光器的边缘，由安装在聚光器边缘的光伏电池转化为电能[5]。
由于暴露在太阳光下的基板表面积比边缘面积(与光伏电池耦联部分)大很多，所以LSC可以有效的增加入射到光伏电池的光子密度，即显著提高了光通量。我们把基板上表面积与边缘面积的比值定义为几何因子G,即G=Atop/Aedge。LSC的光学性能是由光转换效率ηopt评估的，光转换效率定义为LSC边缘的输出功率与LSC上表面的输入功率的比值，即ηopt=Pout/Pin。另外一个决定LSC光学性能的重要参数是光电转化效率PCE,定义为光伏电池输出的电能量与太阳能辐照的能量的比率，即PCE=Isc∙Voc∙FF/P∙Atop。其中，光电转化效率是评估聚光器性能的最重要的参数，其一方面取决于聚光器的外量子光聚效率与荧光团对太阳光的光吸收能力,另一方面还与其所耦联的光伏电池的光电转化效率密切相关[6]。
2.2 发光太阳能聚光器的优点