通过钙钛矿太阳能电池与液态热电电池的协同耦合，实现全谱太阳能源的充分利用

《Renewable Energy》：Toward full-spectrum solar energy utilization via synergistic coupling of perovskite solar cells and liquid-state thermocells

　　

毛倩晖|王元|李海东|张鑫|埃赫萨努尔·拉赫曼

河南工程学院理学院，郑州，451191，中国

摘要

钙钛矿太阳能电池能够高效地将接近半导体带隙的光子转化为电能，而低于带隙的能量和多余能量的光子则主要以热的形式散失，导致严重的光谱和热损失。为了解决这一限制并充分利用全谱太阳能，本文提出并理论研究了了一种结合甲基铵铅碘化物太阳能电池、选择性太阳能吸收器和热电偶的能量级联利用系统。该系统通过耦合的电热模型描述了各子系统之间的相互作用，明确考虑了面积比、用于确定热电偶电极温度的迭代能量平衡以及两个组件中的不可逆损失。在标准大气质量1.5和1.5全球辐照度下，该集成系统的峰值能量转换效率达到20.0%，与单体太阳能电池相比，通过有效回收低级热能提高了10.5%的效率。参数分析表明，太阳能电池的热敏感性主要决定了整个系统的性能，而热电偶通过优化的热耦合提供了效率增益。降低太阳能电池和散热器的温度、减少热泄漏、增强热传导以及选择合适的钙钛矿活性层和热电偶厚度被认为是提高混合系统效率的关键设计因素。这项工作建立了一个系统的建模框架，并为基于钙钛矿的耦合系统提供了设计导向的见解，突出了其在高效利用全谱太阳能和回收废热方面的潜力。

引言

在能源消耗增加和环境问题日益严重的背景下，太阳能被广泛认为是一种重要的可再生能源，因为它资源丰富[1]、分布广泛[2]且本质上是碳中性的[3]。光伏（PV）技术直接将阳光转化为电能，在可持续能源系统中起着核心作用[4]。近年来，钙钛矿太阳能电池（PSC）作为一种极具前景的下一代光伏技术迅速崛起，得益于其高能量转换效率、低材料消耗、灵活的制造工艺以及强大的成本降低潜力[5]。尽管有这些优势，PSC仍受限于对太阳光谱利用不足和显著的热损失[6]。能量低于半导体带隙的光子无法产生载流子，而高于带隙的光子则由于载流子的热化作用迅速转化为热能[7]。这种基本的光谱不匹配限制了单结PSC的理论最大效率，而较高的工作温度进一步降低了其性能[8]。因此，低级热量的积累不仅是主要的能量损失机制，也是设备退化的关键因素[9]。

为了缓解性能下降和热损失，人们提出了多种策略，包括提高高温材料的稳定性[10]、开发低热膨胀或负热膨胀材料[11]、优化串联结构[12]、阐明微观能量转换机制[13]、实施热管理策略[14]以及构建基于PSC的宽带混合能源系统[15]。在这些方法中，将热管理与能量回收相结合越来越受到重视，因为它不仅可以抑制温度升高，还可以在系统层面将废热转化为额外的电能[16]。基于这一概念，已经探索了几种基于PSC的混合系统，其中包括热电发电机（TEGs）[17]、热再生电化学循环（TRECs）[18]、热电制冷机（TIRs）[19]、热再生热容循环（TRTCs）[20]和弹热冷却器[21]。此外，相关光伏-热能技术的研究表明，利用未被利用的太阳光谱部分非常重要。例如，之前关于结合太阳能热收集的混合钙钛矿光伏[22]、光谱分离的光伏-热能制氢[23]和光谱选择性真空光伏/热收集器[24]的研究表明，太阳-热耦合和光谱管理可以提高太阳能的整体利用率。尽管这些系统显示出可测量的性能提升，但它们通常受到低转换效率、高材料成本[25]或复杂系统集成[26]的限制约约。例如，传统的固态热电材料具有较低的热电系数和显著的热损耗，导致转换效率通常低于5%[27]。单个TREC装置无法连续运行，而多循环配置大大增加了系统的复杂性[28]。基于TIR的系统受到空间电荷效应和冷却能力的限制。这些局限性突显了需要开发高效、成本效益高且与PSC运行条件相匹配的废热回收技术。

液态热电偶（TC）通过温度依赖性的电化学氧化还原反应将热能转化为电能，为低级热回收提供了一种有前景的解决方案[29]。与固态热电器件相比，TC具有极高的热电系数，通常可达到几毫伏每开尔文（mV K?1），使其特别适合用于低温热源[30]。最近的技术进步，如热敏结晶策略，通过同时增加热电系数和抑制热导率进一步提高了TC的性能[31]。此外，TC还具有低材料成本、机械柔性和可扩展的集成潜力，使其成为混合能源系统的有吸引力的候选者[32]。尽管TC已经成功与低温燃料电池[33]和PV系统[34]集成用于废热回收，但它们与PSC的结合尚未得到系统研究。特别是，PSC-TC混合系统的耦合电热行为、最佳工作条件以及系统级性能极限仍大部分未被探索。

为了填补这一空白，首次提出了一种结合PSC、选择性太阳能吸收器（SSA）和液态TC的混合能源转换系统，以实现全谱太阳能利用和低级热回收。建立了全面的数学模型来描述耦合的光伏和电化学过程，明确考虑了能量平衡、不可逆损失和几何匹配效应。系统地分析了混合系统的性能特性和最佳工作条件，并通过参数研究确定了提高效率的关键设计参数。本研究的创新和贡献可以总结如下：（1）它建立了光伏-热系统中热电转换与太阳能热利用的耦合框架，实现了全谱太阳能的采集和有效的废热回收。这种新型混合配置旨在同时增加功率输出并提高整体能量转换效率；（2）它提供了全面的性能评估。通过进行性能比较分析和实际评估，系统地研究和验证了所提出的混合系统的实际潜力，突出了其相对于其他基于PSC的混合配置的优势；（3）它为性能改进指明了明确的方向。系统地分析了关键设计参数和工作条件对系统性能的影响，从而明确了可行的性能提升策略。这项工作为高性能基于PSC的混合能源系统的开发和优化建立了严格的理论基础并提供了解决方案。

节片段

系统架构和工作原理

图1(a)示意性地展示了所提出的混合能源转换系统，该系统将钙钛矿太阳能电池（PSC）、选择性太阳能吸收器（SSA）和液态热电偶（TC）垂直堆叠集成在一起。这种架构实现了光谱分割策略：高能量光子（）由顶部的PSC转化为电能，而低于带隙的光子和热化能量则被SSA捕获并转化为热能。

结果与讨论

基于建立的数学框架，本节系统分析了所提出的PSC-TC混合系统的性能特性和最佳工作条件。使用Mathematica在表1中总结的工作条件下进行了数值计算，并使用Origin可视化结果数据。除非另有说明，所有参数在计算过程中均保持不变。

结论

总之，本文提出并分析了一种结合PSC、SSA和TC的耦合能源转换系统，用于级联利用太阳能。开发了一个自洽的电热耦合模型，描述了光伏转换、选择性热吸收、TC发电和系统级热泄漏之间的相互作用。

在标准AM1.5G辐照度下，该集成系统的峰值效率达到20.0%，相对于...

CRediT作者贡献声明

毛倩晖：撰写 – 原稿撰写、验证、软件开发、方法论制定、研究、资金获取、数据管理。王元：软件开发、研究、数据分析、数据管理。李海东：撰写 – 审稿与编辑、研究、数据分析。张鑫：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、方法论制定、研究、数据分析、概念构思。埃赫萨努尔·拉赫曼：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了河南省科学技术发展的关键项目（项目编号262102320217）、河南省高校与企业合作创新项目（项目编号26AXQXT009）以及河南省大学生创新创业培训计划（项目编号S202511517044）的支持。