《Journal of Alloys and Compounds》：Improving PV thermoelectric power generation using bandgap-engineered metal oxides
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光伏-热电耦合系统中Black TiO?光热界面层的研究及其能量转换效率提升
作者：Parkavi、K Jayabal、Pandiyarasan Veluswamy
地点：印度金奈Kancheepuram的印度信息技术设计与制造研究所（Indian Institute of Information Technology Design and Manufacturing），能源设备智能创新实验室（Smart and Innovative Laboratory for Energy Devices），邮编600127
摘要
TiO?因其化学稳定性、低成本和高光催化活性而成为能源收集应用中最主要的直接带半导体。然而，由于其带隙限制，它们只能吸收太阳光的紫外区域。因此，通过带隙工程来减小带隙，使其能够吸收近红外区域的光。此外，太阳能热电技术在利用面板产生的废热和提高发电量方面发挥着重要作用。本研究提出了将TiO?转化为黑TiO?的方法，并分析了其在太阳能热电应用中作为光热材料的性能。将热电发电机（TEG）与光伏（PV）面板集成后，其性能优于传统的冷却方法。为了增大TEG两侧的温差，在其冷侧安装了散热器，从而改善了热管理。实验结果表明，由PV面板、TEG和散热器组成的集成系统产生的输出功率比单独使用PV面板高出4.2伏特和30毫瓦。进一步在碳织物上涂覆黑TiO?作为PV模块和TEG之间的光热界面层，可以减少热损失，显著提高整体能量转换效率，达到约5.54%。因此，PV面板与TEG及光热界面的协同集成为更高效、更可持续的太阳能系统提供了有前景的途径。
引言
全球能源危机凸显了可再生能源在稳定全球能源供应方面的重要性。太阳能是最重要的可再生能源之一[1][2]。每年到达地球表面的太阳辐射量约为3×10^24焦耳。然而，光伏（PV）面板只能利用其中的一小部分能量。此外，PV面板面临的一个挑战是热量吸收问题。为了解决这一问题，太阳能热电技术在利用面板产生的废热和提高整体设备效率方面发挥了重要作用。
太阳能热电技术通过温差将太阳能转化为电能，广泛应用于制冷、空调和发电等领域，以满足节能和环境保护的需求[3]。许多研究人员致力于将太阳能热电技术集成到各种应用中。尽管这些技术已在多个领域得到应用，但由于其相对较低的性能系数和能量转换效率，其广泛应用受到限制。随着高性能热电材料的发展，太阳能热电系统的效率有望得到提升。它们通常与平板集热器集成，适用于小规模能源应用；对于中等规模应用，则采用抛物面聚光器；而对于大规模应用，结合冷却机制的混合系统更为合适。为了提高太阳能热电系统的性能，人们探索了多种策略，如使用光学聚光器、先进的热管理系统和光谱吸收材料来增强太阳能吸收并维持高温梯度。然而，即使经过持续研究，其效率仍低于10%，而理论极限在理想条件下也低于20%[3]。由于这些技术无法吸收近红外区域的光，因此在PV和TEG之间引入了光热材料来吸收这部分光。
光热材料能够将吸收的光转化为热能，具有较高的热导率，有助于增强热传递和声子传播[6]。贵金属、半导体和碳基材料常被用作光热材料[7]。最近的研究探讨了二维半导体材料在光热应用中的潜力[8]。TiO?因其能带结构和载流子传输特性而被用于光伏领域，但其3.2电子伏特的宽带隙限制了其对全光谱光的吸收。通过缺陷工程（如制造氧空位或引入缺陷）可以减小TiO?的带隙，从而提高可见光吸收能力。黑TiO?的带隙约为2.2至2.5电子伏特，低于锐钛矿型TiO?[9]。从白色到黑色的颜色变化扩展了光的可见范围，提高了电荷分离效率[10]。黑半导体（如黑硅[11]、黑钨氧化物[12]、黑钒氧化物[13]和黑铜氧化物[14]）有助于更有效地捕获和利用太阳能。尽管文献中展示了多种光热材料在能源收集应用中的作用，但在PV-TEG集成中的应用仍相对滞后[15]。基底对于涂覆光热材料至关重要，它提供机械支撑并改善热管理。碳基材料（如碳织物）具有接近理想黑体的光学特性，具有高太阳吸收率和低反射率，能有效将入射辐射转化为热能，并促进热电发电机表面的均匀热分布，降低界面电阻，支持高效的电荷传输[16][17]。
本研究将PV面板与TEG串联连接。在碳织物上涂覆黑TiO?或改性TiO?浆料作为光热材料，置于PV和TEG之间。将带有光热层的集成设备性能与单独的PV面板进行比较，以优化光热材料并提高发电效率，为发展更可持续的能源系统做出贡献。
集成器件（PV-光热层-TEG）的制备
一个尺寸约为80毫米×40毫米的光伏（PV）面板与一个尺寸为40毫米×40毫米的传统热电发电机（TEG）集成在一起。光伏电池主要从阳光的紫外和可见光部分获取能量，而热电发电机则利用PV面板产生的余热。为了减少热损耗并提高系统的整体太阳能利用率，在PV和TEG之间特意设置了光热界面。
相组成和形态学研究
采用X射线衍射（XRD）分析了TiO?和黑TiO?纳米颗粒的晶体相，如图2(a)所示。涂层样品的XRD图谱在多个2θ角度显示出明显的衍射峰，对应于锐钛矿相TiO?的（101）、（004）、（002）、（105）、（211）、（116）和（215）晶面（参考JCPDS卡片编号00-002-0387）。黑TiO?的衍射峰向更高角度略微偏移。
结论
本研究通过集成两种能量收集器提高了整体发电效率，证明集成技术的性能优于单一技术。黑TiO?通过化学还原法制备，并作为光热材料涂覆在碳织物上。通过表征技术验证了合成材料的性质。光热层提高了PV模块的效率，增加了发电量。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢科学技术部（DST）通过DST/INSPIRE/04/2017/002629、IIITDM/SMIRE/2023/003项目以及科学工程研究委员会（CRG/2021/006188）提供的支持。
