荧光集光太阳能光伏器件（Luminescent Solar Concentrator,简称LSC）可以减少对太阳能电池的使用,是太阳能光伏技术应用较为前沿的一个研究方向。近年来,研究者对LSC的研究取得一系列进展,然而制作成本高,器件效率低等问题也影响着LSC的进一步应用。此外,由于LSC制作较为复杂、研发周期较长,限制了 LSC的效率优化和新技术在LSC中的应用。本论文利用蒙特卡洛光线追迹模型对LSC的光电效率、颜色性能等进行了优化。本文采用原位聚合法制备了相应的LSC,并基于同步辐射表征技术,对LSC中的有机染料分布做了红外显微成像分析。根据LSC现有的特点和不足,模拟并制作了基于气凝胶的散射集光器件,可视为LSC的一个拓展方向。论文主要分为以下几部分:第一章是背景介绍和相关研究工作的文献综述。首先,对太阳能光伏发电做了较为系统的介绍,包括太阳能电池的工作原理、发展历史、研究现状以及光伏建筑一体化等应用。其次,从LSC的结构,工作原理和损耗机制以及降低损耗的路径出发对目前LSC的研究进展进行了概括,并对LSC的应用前景和目前发展遇到的问题进行了分析。随后,分析了 LSC理论模拟的必要性和可行性,对LSC理论模拟中几种主要模型的原理、优缺点及其应用现状作了阐述,并简介了同步辐射光和LSC同步辐射红外显微成像技术。最后,提出了本论文的研究内容及意义。第二章是大尺寸底面耦合太阳能电池LSC的理论优化。首先通过理论分析LSC中光子传输的各个过程及这些过程中存在的损失机制,再结合这些分析编制了一个蒙特卡洛光线追迹程序。随后利用该程序,对122 cm×61 cm×0.7 cm尺寸、基于Red305和Yellow083荧光材料体系的LSC进行了理论模拟和参数优化,发现荧光材料浓度、LSC厚度和电池宽度均会对LSC的效率产生较为显著的影响,并对出现这些现象的原因进行了深入的研究。本文还分析了 LSC中光子的损耗机制,发现未吸收光损失和逃逸光损失是LSC中光子的主要损耗机制。第三章是大尺寸LSC的颜色优化、制备与同步辐射表征。本章利用蒙特卡洛光线追迹程序对不同染料浓度LSC的透射光谱进行了模拟,随后对这些透射光谱及其透光率进行了分析,计算出了它们对应的颜色、照度和相关色温。结合颜色对人心理状态的影响究,发现40ppm染料浓度的LSC在颜色、照度和色温方面基本满足需求。随后用原位聚合法制备了 120 cm×60 cm×0.7 cm尺寸,40ppm染料浓度的LSC。同步辐射红外显微成像技术的表征结果表明,有机染料在LSC中分布较为均匀,符合预期。该LSC的颜色属性与理论计算所预测的数值基本一致,满足视觉舒适度的需求,且由于底面耦合电池,该LSC的光电效率也高达 2.31%。第四章是基于气凝胶散射的集光器件制备、优化与同步辐射表征。首先通过考虑折射率、质量、成本、吸收系数等影响,分析了气凝胶作为散射材料的优点。根据这些特性,制作了玻璃-EVA夹胶气凝胶散射集光器件。同步辐射红外显微成像技术的表征结果表明,气凝胶在LSC中分布较为均匀,符合预期。该器件光电效率为1.27%,且在色温、显色指数等颜色属性方面相较于荧光材料LSC有较大优势。本文还编制了对应的蒙特卡洛光线追迹程序,模拟结果与实验效率较为一致,且研究表明多重散射会严重损害器件的效率。为了克服多重散射带来的消极影响,我们设计了各向异性散射器件,通过时域有限差分模拟和蒙特卡洛光线追迹模拟,表明各向异性散射器件可以有效抑制多重散射,提高器件效率。第五章是总结与展望。总结了全文在LSC理论模拟、实验及同步辐射表征方面的工作,并对进一步的研究做了展望。