硅微纳结构光伏/水伏集成器件的太阳能综合利用研究

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中文摘要：高效利用太阳能是发展绿色新能源、解决能源危机的重要途径之一。目前太阳能利用最主要的方式是光伏发电，然而，由于材料带隙限制，广泛商业化的晶硅太阳能电池存在30%的理论效率极限，未被利用的太阳能将转化为热能，这会造成能量浪费，还会导致电池温度升高影响光伏效率。如果将这部分热能也加以利用，将有望更充分利用太阳能、并减轻高温对太阳能电池的影响。基于这一设想，本文提出了将硅基光伏器件和硅基水伏发电器件集成，同时实现光伏发电、水伏发电及水净化三种功能，通过协同作用实现太阳能高效综合利用的研究思路。主要研究工作如下：（1）硅纳米线表面修饰硅氧烷分子构筑高性能水伏发电器件：利用硅氧烷分子对硅纳米线进行修饰，优化对硅纳米线阵列水伏发电器件的性能。经过修饰后，水伏发电器件的开路电压和短路电流密度均提高了约30%，最大输出功率密度提升了220%，表面硅氧烷修饰使得硅纳米线中自由载流子数量增多是使器件性能得到优化的原因。这项工作为优化硅纳米线阵列水伏发电器件性能提供了新的思路。（2）导电多孔纤维电极硅纳米线阵列水伏发电器件的水伏/水净化协同太阳热能利用研究：构筑了利用导电多孔纤维纸作为上电极的硅纳米线阵列水伏发电器件用于水伏和水净化太阳能热能协同利用。通过将导电多孔纤维纸和硅纳米线阵列水伏发电器件集成，导电多孔纤维纸的光致净蒸发率提升了15%，通过利用导电多孔纤维纸作为硅纳米线阵列水伏发电器件的上电极，器件在光照下的开路电压和短路电流密度分别提升了7%和23%。导电多孔纤维纸和水伏发电器件集成使得水净化和水伏发电能力得到协同增强，主要是由于集成后的器件光吸收增强而散热减弱，从而使得系统能够对太阳光热能进行更有效的利用。水伏/水净化协同太阳能热能利用器件的制备为构筑太阳能综合利用系统提供了热能利用模块。（3）基于硅微纳结构的光伏/水伏/水净化协同太阳能利用系统的研究：通过将硅金字塔异质结太阳能电池和导电多孔纤维电极硅纳米线阵列水伏发电器件集成，构筑了具备光伏发电、水伏发电和水净化功能的协同太阳能综合利用系统。相较于单独的硅金字塔异质结太阳能电池和导电多孔纤维电极硅纳米线阵列水伏发电器件，在集成系统中，太阳能电池的效率比单独工作时提升了3.9%，水伏发电器件的开路电压和短路电流密度分别比独立工作时提升了13%和22%，水净化性能也提升了87%，系统的太阳能综合利用效率达到了约56.9%。太阳能电池温度较低时效率较高，而水伏发电器件和水净化在温度较高时性能较好，因此，热平衡引起的温度调控是各功能模块性能优化的原因。这项工作为协同太阳能综合利用提供了新的设计思路，为后续构筑具有多功能模块的协同高效太阳能利用系统奠定了基础。光伏/水伏集成器件

作者：

盛广赏

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关键词：

太阳能综合利用光伏集成器件水伏集成器件硅微纳结构

授予学位：

硕士

学科专业：

光学工程

导师：

张丙昌

学位年度：

2024

学位授予单位：

苏州大学

语种：

中文

中图分类号：