混合型薄膜光伏-吸收热转换系统，用于提升太阳能利用率

《Renewable Energy》：Hybrid thin-film photovoltaic-absorption heat transformer system for enhanced solar energy utilization

该研究提出一种集成薄膜太阳能电池（TFSC）、选择性吸收器（SSA）和吸收热变换器（AHT）的光热耦合系统，通过数值模拟分析发现系统最大电功率密度达246.68 W/m2，能量效率22.18%，?效率26.57%，较传统TFSC提升显著。

　　

刘昌|黄月武|谢青霞|张后成

东华大学环境科学与工程学院，上海201620，中国

摘要

传统光伏电池由于光谱不匹配和热化损失，在总太阳能转换方面存在固有局限性。为了缓解这些限制，所提出的系统集成了薄膜太阳能电池用于发电、选择性吸收器用于亚带隙光子捕获，以及吸收式热转换器将回收的低品位热能提升到更高的温度。一个耦合的数值框架将光伏模拟与热力学吸收式热转换器模型结合起来，通过功率输出密度、能源效率和熵效率来评估系统性能。结果表明，该混合系统实现了246.68 W/m2的最大功率输出密度、22.18%的能源效率和26.57%的熵效率。这些数值代表了理论上的上限，表明与单独使用薄膜太阳能电池相比，通过级联能量利用分别提高了59.5%、43.4%和59.4%。参数分析确定了吸收器厚度、界面缺陷密度和操作温度是影响系统性能的关键因素。研究表明，集成系统提高了光谱利用率和废热回收率，从而提高了太阳能转换效率。

引言

化石燃料资源的枯竭[1]及其相关的环境影响推动了向可再生能源的转型[2]。在这种情况下，光伏等可再生能源技术已成为应对全球能源和环境挑战的关键解决方案[3]。特别是薄膜太阳能电池（TFSC）因其材料利用优势[4]、轻量化设计以及灵活应用潜力[5]而受到广泛关注。作为第三代光伏（PV）技术的一个关键类别，薄膜光伏包括几个先进的子类别。其中，硫化铅（PbS）量子点薄膜因其量子限制效应[6]、可调带隙和溶液加工性[5]而受到特别关注。这种材料系统具有三个关键优势：可调带隙，适用于近红外区域的最佳太阳能捕获[7]；成熟的表面工程策略，可抑制电荷复合并提高稳定性[8]；以及适用于低温、大面积制造的溶液加工性，适用于柔性光伏和建筑集成应用[9]。这种带隙可调性、溶液加工性和有效表面钝化的结合在传统薄膜光伏技术中很少同时实现。

尽管PbS量子点具有优异的光电性能和加工兼容性[10]，但其效率提升仍面临几个关键限制[11]。由于高表面积与体积比导致的表面缺陷状态是非辐射复合的主要来源，显著增加了开路电压损失并限制了器件性能[12]。此外，传统的两步“合成-配体交换”过程复杂且成本高昂[13]，而配体交换过程往往会引入新的表面状态并阻碍量子点间的电荷传输[14]。最后，电子传输层（ETL）-量子点界面的复合、非化学计量表面组成以及环境条件下的稳定性不足也阻碍了器件性能的进一步提高[15]。因此，实现高效稳定的表面钝化和界面工程、简化制造过程以及降低成本是推动PbS量子点太阳能电池商业化应用的核心挑战。例如，Pandey等人[16]使用数值模拟优化了ETL，使用TiO?实现了13.94%的功率转换效率（PCE），优于基于MgZnO的器件。Mahjoory等人[17]提出了一种新颖的反向架构，将功能化的PbS CQDs作为空穴传输层（HTL），与无铅的Cs?TiBr?吸收器结合，通过分级带隙设计实现了20.14%的模拟效率。Rosiles-Perez等人[18]开发了一种超声纳米乳液方法合成高性能PbS CQDs，使得能够制造出效率为0.71%的TiO?敏化太阳能电池。Yang等人[19]开发了一种使用辅助PEAI配体的方法，实现了有效的表面钝化并优化了基于油墨的薄膜太阳能电池中的电荷载流子收集，使功率转换效率提高了约20%，达到了11.29%的冠军效率。虽然克服这些以材料为中心的效率瓶颈的策略至关重要，但在实际操作条件下管理产生的废热是TFSC面临的另一个突出挑战[20]。这种废热不仅限制了电池的稳定性和长期可靠性，还代表了入射太阳能的一部分损失[21]。为了解决这一根本的效率瓶颈，一种经过验证的策略是将TFSC与主动热管理系统集成[22]。这种光伏/热（PVT）协同设计方法不仅仅优化了电池的工作温度[23]，并通过高效冷却提高了电输出和寿命。至关重要的是，它将捕获的热能转化为可用热能，从而将系统从一个单纯的电力生成器转变为一个集热和发电的复合体[24]。这种协同作用显著提高了太阳能利用系统的净能量输出和经济可行性。大量研究表明PVT系统在缓解热问题方面的能力[25]。Aghakhani等人[26]开发了一种带有V形多孔铜板的混合光伏-热系统，并通过响应表面方法实现了71.4%的最大热效率和82.57%的总体效率。Zhang等人[27]开发了一种结合半透明光催化玻璃的级联太阳能利用系统，能够同时净化空气、发电和回收热能。这种双层涂层的光催化PVT系统表现出更高的效率，热效率为44.23%，电效率为9.41%。当与热电发电机（TEG）集成时，能量效率分别达到了73.65%和77.96%。Zhu等人[28]使用扁平铜管循环热管对一种新型PVT系统进行了实验研究，该系统实现了15.7%的平均电效率、43.6%的太阳能热效率和59.3%的总效率，在电输出和效率方面均优于单独的光伏系统。

总之，需要开发一种能够管理薄膜太阳能电池散热并利用其未被吸收的光子进行热能升级的系统。提出了一种TFSC–SSA–AHT混合系统，可以同时发电并将从未被吸收的太阳光子中回收的低品位热能提升到更高的温度。通过将光谱分离与吸收式热转换器集成，该系统能够在无需电力输入的情况下实现高温热应用，而传统的PVT系统只能回收低品位废热。通过数值模拟和分析确定了TFSC、AHT和混合系统的关键性能指标。具体来说，评估了功率输出密度（POD）以评估电性能，计算了能源效率（EE）以量化系统的能量利用情况，并分析了熵效率（EXE）以评估能量转换的质量。此外，本研究还详细研究了影响混合系统效果的各种设计和环境因素。我们分析了混合系统的几个关键参数：TFSC吸收层的厚度（控制光子吸收和电荷载流子行为）、界面缺陷密度（影响电荷复合）、TFSC的操作温度以及AHT吸收器的热传输性能和操作温度。这一过程旨在确定指导此类混合系统设计和优化的配置。

系统描述

混合系统描述

图1展示了混合系统的概念设计，其中TFSC与SSA和AHT集成在一起。TFSC的操作温度用$$表示，环境温度用$$表示，加热空间用$$表示。AHT是一种包含吸收器、发生器、蒸发器和冷凝器的系统，在$$到$$的温度范围内工作。同时，$$和$$表示TFSC和AHT产生的功率输出。

TFSC暴露在标准的AM 1.5G太阳光谱（ASTM）下

模型验证

到目前为止，尚未有关于这种新型混合系统的实验数据或理论建模结果。幸运的是，组成TFSC[34]和AHT[31]的组件已在之前的研究中分别进行了评估。所提出的TFSC–AHT混合系统的详细模拟过程如图2所示。

平均相对误差（MRE）可用于评估两条曲线数据点之间的相似程度。公式如下：$$

在整个研究中，

混合系统的一般性能特性

基于经过验证的组件模型，本节探讨了混合系统的整体性能。图4（a）展示了总功率密度$$、TFSC功率输出$$和AHT功率输出$$作为TFSC操作电压$$的函数的变化。随着$$从低电压区域增加到其最大功率点电压$$，$$和$$都向各自的峰值上升，对应于TFSC的最佳工作点。这种行为是由于载流子传输的增强

结果与讨论

在本节中，系统性能受到以下TFSC参数的影响进行了系统分析：TFSC的操作温度、吸收层的厚度、ETL与吸收层之间以及吸收层与HTL之间的界面缺陷密度。

除了上述TFSC参数外，AHT的操作条件（包括热传递系数和吸收器温度）对整个系统性能的影响也是

结论

提出了一种创新的集成系统，包括TFSC、SSA和AHT，以提高能源效率并实现太阳能的全谱利用。推导了关键性能指标并对集成系统模型进行了验证。数值模拟表明，混合系统在功率密度、能源效率和熵效率方面取得了显著改进。与单独的TFSC相比，这些改进主要源于

CRediT作者贡献声明

张后成：软件。谢青霞：软件。黄月武：写作 – 审稿与编辑、监督、方法论、概念化。刘昌：写作 – 原稿撰写、可视化、软件、数据整理

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