一种用于高效太阳能光伏电池的集成电气优化策略

《Regional Studies in Marine Science》：An integrated electrical enhancement strategy for high-efficiency solar photovoltaic cells

　　青东轩|兴晨范|家伟刘|斌江|斌赵|桂强李| gangsui裴
合肥工业大学新能源科学与工程学院，中国安徽省合肥市屯西路193号，230009

摘要：光伏（PV）电池的效率会随着工作温度的升高而显著下降。为了解决这一问题，本文提出了一种集成的电性能提升策略（IEES），该策略结合了光谱选择性光学聚焦、光谱匹配和被动热调节。该方法采用了一种带有光谱选择性薄膜（SSF）的非对称透镜壁复合抛物面聚光器（ALWCPC）。这种设计不仅能集中可用的阳光，还能过滤掉不可转换的红外波长，并利用透镜壁结构作为被动冷却的集成散热器。光学测量结果显示，SSF在380–1100纳米范围内反射了95.5%的光线，在1100–2500纳米范围内透射了84.0%的光线，这与晶体硅的光谱响应非常接近。实验结果表明，配备SSF的模块（ALWCPC-S）在各种入射角度下均可实现稳定的温度降低，分别为7.0°C和5.4°C，并且电输出分别增加了7.3%和6.6%。经过验证的光热电耦合模型证实了该系统的双重功能。在相同条件下，ALWCPC-S模块的工作温度比非聚光光伏电池低66.1°C，这归功于其透镜壁散热器通过自然对流实现的被动冷却效果。与依靠镜面反射的传统太阳能聚光技术相比，光谱选择性光学聚焦在4×到10×的几何聚光比下可使光伏电池的温度降低18.2-70.7°C。

引言
随着工业化进程的加速，全球气候逐渐恶化，全球变暖已成为我们面临的最紧迫的环境挑战之一[1]。对传统能源的过度依赖是温室气体排放的主要驱动力[2]，而温室气体排放是全球变暖的主要原因。然而，传统产业的扩张和经济增长仍然严重依赖于能源消耗，这凸显了转向可再生和清洁能源的紧迫性[3]。与其他能源类型相比，太阳能是完全清洁的，不会产生污染物或温室气体，从而将环境影响降至最低[4]。在各种太阳能利用技术中，光伏系统由于其较低的安装和维护成本而显示出更大的潜力[5]。近年来，光伏技术的进步不断提高效率，同时降低了制造和维护成本[6]。这一趋势凸显了光伏系统的日益优势。到2024年底，全球累计安装的光伏容量达到了2.247太瓦，新增容量創下了602吉瓦的记录[7]。

太阳能光伏电池的发展可以分为三个阶段：第一代晶体硅技术、第二代薄膜技术和第三代新兴概念电池技术[8]。从市场应用来看，由于其成熟性和可靠性，晶体硅电池技术占据了主导地位，市场份额超过95%[9]。一系列技术创新有效地推动了其光电转换效率（PCE）的持续提升，已超过25%[10]。除了材料和工艺的不断进步外，使用光学聚光器也是提高光伏电池电输出的有效方法[11]。聚光器通过将入射的太阳辐射聚焦到较小的光伏面积上来增强辐射强度。通过增加太阳辐射强度，PCE得到提升，从而使聚光光伏（CPV）系统的性能优于传统的平板光伏系统。具体来说，NREL的最佳研究电池效率图表显示，聚光单晶光伏电池的效率达到了27.3%的记录，比非聚光电池高出2.0%，接近任何单晶光伏电池的整体记录27.6%（2025年）。类似的效果也在CIGS技术中得到体现：聚光CIGS电池的记录效率为22.8%，比最佳非聚光设备高出2.0%，接近CIGS的整体记录23.6%（2025年）[12]。此外，目前光伏电池的最高效率47.6%是在使用多结设计并接受集中阳光的情况下实现的[13]。然而，提高PCE的一个主要限制是大部分太阳辐射被吸收为热量，导致工作温度升高并降低性能[14]。光伏模块中温度的过度升高会导致PCE下降[15]。研究表明，对于晶体硅电池来说，每升高1°C的温度会导致功率输出降低约0.45%[16]。此外，由于昼夜温度波动明显，CPV模块会经历温度变化，这可能在电池和封装材料中产生热应力，最终缩短模块的使用寿命[17]。因此，在光伏系统中，特别是CPV系统中，通过有效的热管理和材料设计保持最佳工作温度对于提高PCE和延长模块寿命至关重要[18]。

许多研究人员研究了多种用于光伏系统的冷却技术，以解决温度引起的效率损失问题[19]。两种常用的方法是通过散热通道和使用光谱分离薄膜来降低光伏电池的工作温度：前者通过外部散热设备降低光伏温度，后者通过过滤掉不可转换的低能量光子来降低温度，但这不会影响光伏发电。在光谱分离策略方面，梁等人使用SiO2/TiO2干涉薄膜来降低CPV的温度。这种薄膜在400-1100纳米范围内具有高反射率，在1100-2500纳米范围内具有高透射率，从而使输出功率增加了9.4%[20]。胡等人使用了一种太阳反射率为94.5%、中红外发射率为96.4%的水泥复合材料进行光伏热管理，与裸光伏模块相比，温度降低了5.0%[21]。刘在CPV中使用了过滤器，该过滤器在700-1100纳米范围内的透射率约为0.8，在其他波长范围内的反射率约为0.9。仿真研究表明，与单独的光伏系统相比，其电输出增加了4.0%[22]。在散热通道方面，王等人研究了带 fin 的散热器和hydrogel组合的性能，将対流热传递与相变蒸发冷却相结合，在无风条件下使光伏电池的输出功率增加了17.6%[23]。Rajvikram和Sivasankar提出了一种结合散热器和相变材料的散热结构，与未冷却的光伏系统相比，中午时的输出功率增加了14.2%[24]。周等人通过将铜板连接到光伏背面并优化其内部结构来改善散热效果，利用拓扑优化增强了対流热传递，5天的自然对流测试显示温度最大降低了2.7°C，功率最大增加了1.3%[25]。李等人使用双层相变材料与散热器结合，使电池温度比没有散热器的光伏电池降低了6.47%[26]。

根据文献，开发高效光伏材料和实施太阳能聚光器是提高光伏电池PCE的成熟方法。然而，一个根本性的挑战是入射太阳辐射与电池量子效率之间的光谱不匹配问题。这种不匹配导致低能量光子的吸收，这些光子主要产生热量而非电能，从而提高电池温度并显著降低其工作PCE。虽然太阳能聚光在标准测试条件下已被证明能有效提高PCE，但随之增加的太阳通量强度会加剧热效应，从而在运行阶段产生限制，最终抵消了最初的效率提升。通过适当的结构设计，聚光器本身可以充当散热器，通过自然对流吸收和散发热量，这一点在很大程度上被忽视了。为了解决这个问题，本研究提出了一种结合光谱选择性光学聚焦、太阳光谱匹配利用和对流散热的集成方法，以提升光伏电池的整体PCE。该方法采用光学聚光器作为关键组件，SSF作为核心功能层，以实现太阳光谱的最优利用进行光电转换。聚光器单元不仅作为光谱选择性薄膜的基底，还作为光伏的热交换器，通过自然对流从电池表面散发热量，从而进一步提高光伏转换效率。总之，光学聚光器和SSF的集成使用是提高光伏电池性能的主要策略。这种方法通过协同结合光谱选择性光学聚焦和光谱匹配来增加电池的有效光子吸收，从而提高电效率并缓解低能量光子引起的问题。此外，聚光器还作为光伏电池的散热单元，通过自然对流改善热管理，从而提升光伏转换性能。

与外部散热器和基于纳米流体的冷却等传统冷却方法相比，IEES不需要复杂的流体循环系统或额外的能源消耗，因此结构更简单、可靠性更高、运行成本更低。刘对SSF系统进行了经济评估，报告称其整体系统成本与CPV系统相当，而平准化电力成本（LCOE）可降低约9%[22]。相比之下，许多基于纳米流体的冷却策略使用金属纳米颗粒来提高光学和热性能，这显著增加了材料成本，如Kumar的研究所指出的[27]。此外，梁报告称，即使成本相对较低的甘醇–ZnO混合物纳米流体乙烯也可能需要长达17年的资本回收期，主要是因为光伏模块成本的下降降低了额外冷却设备的经济竞争力[28]。另外，由于其更复杂的结构，所需的维护成本也会增加[28]。杜发现，配备蠕动泵和冷却通道的光伏冷却系统的平准化电力成本约为1.09元人民币/千瓦时，接近中国当前的电网连接电价[29][30]。此外，IEES系统结构简单，可以同时调节入射太阳光谱、发电和减轻热负荷。因此，从提高建筑能源效率和热舒适度的角度探索其在建筑集成光伏（BIPV）中的应用是一个当前的热点[31]。研究表明，配备光伏窗户的典型办公楼结合简单的几何优化，每年可减少约10,000–40,000吉焦的能源消耗[32]。

为了验证这一概念，本研究进行了实验测量和数值模拟。实验中使用了太阳模拟器来研究所提出的IEES在不同入射角度下对光伏电池温度降低和功率提升的效果，并与ALWCPC-M和裸电池配置进行了比较。随后，开发并验证了一个光热耦合仿真模型，以检查系统在更广泛运行条件下的性能。这些模拟包括：（1）ALWCPC结构提供的热调节性能，（2）在不同聚光比下的热行为，以及（3）系统在真实太阳条件下的温度和功率变化。

综合电性能提升策略（IEES）的工作原理
综合电性能提升策略（IEES）的工作原理如图1所示。关键组件是一个低浓度光学聚光器，它具有非对称透镜壁结构，可以将来自较大孔径区域的太阳辐射聚焦到较小的光伏区域，从而增加电输出。光谱选择性光学聚焦过程由SSF实现，它可以聚焦380纳米到1100纳米范围内的太阳能量。

材料与方法
通过实验测试和数值模拟研究了IEES对光伏电池电性能的改进效果。制造了与光伏电池集成的ALWCPC原型：一种配备了SSF（称为ALWCPC-S），另一种配备了普通的镜面反射（RSR）薄膜（称为ALWCPC-M）。同时，使用实验结果开发并验证了一个传热模型，用于评估整个系统。

实验结果
图7展示了在10°和45°的太阳入射角度下，ALWCPC-S和ALWCPC-M的温度变化。需要注意的是，在实验过程中，ALWCPC-S和ALWCPC-M模块被倾斜以创建10°和45°的太阳入射角度，而不是倾斜光源。ALWCPC-S和ALWCPC-M模块直接安装在太阳模拟器下方，同时连续记录光伏电池的温度，并测试其电输出。为了提高光伏电池的运行电输出，提出了一种改进的散热策略（IEES）。通过实验和仿真分析验证了该策略的有效性。在10°和45°的入射角度下，ALWCPC-S的稳态温度分别比ALWCPC-M低7°C和5.4°C，从而使得电输出分别增加了7.3%和6.6%。此外，ALWCPC-M的功率衰减率分别高出了1.67倍和1.84倍。

作者贡献声明：
李贵强：撰写初稿、监督、概念构思。
赵斌：撰写、审阅与编辑。
范兴辰：撰写初稿、实验研究、数据分析。
宣庆东：撰写初稿、资金申请、数据分析、概念构思。
姜斌：撰写初稿。
刘继伟：撰写、审阅与编辑。
裴刚：撰写、审阅与编辑、监督。

利益冲突声明：
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢：
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52306237）、安徽省自然科学基金（项目编号：2308085QE172）、中央高校基本科研业务费（项目编号：JZ2025HGTB0202）以及中国科学院国际合作伙伴计划（项目编号：123GJHZ2022055M1）的财政支持。