东北电力大学李浩然副教授/洪文鹏教授团队Renewable Energy：具有高太阳能电池冷却通量的锂基吸湿水凝胶

随着全球太阳能产业的迅猛发展和对CO2零排放目标的持续推进，我们对太阳能电池发电的需求日益增长。然而，现有的光伏（PV）电池仅能将约20%的入射太阳光子转换为电能，其余则转化为热能，这不仅会降低光电转换效率，还可能产生“热斑”而缩短电池寿命。目前采用的光伏冷却方法存在降温效果有限、成本高昂和稳定性不足等问题，迫切需要开发一种既高效又经济的新型冷却技术。东北电力大学洪文鹏教授和李浩然副教授团队提出了一种创新的解决方案：他们研发了一种富含氯化锂的高吸湿性水凝胶（LHAH），这种材料能够自发从大气中收集水分，并利用蒸发冷却原理被动地降低太阳能电池板的工作温度。这一技术不仅有望提高光伏电池的运行性能和寿命，还为实现低碳、环保的光伏板被动冷却提供了有效途径。

通过LHAH实现光伏电池板的冷却涉及两个关键步骤：大气集水和蒸发冷却。在夜间或阴天，LHAH能够自发地吸收周围环境中的水蒸气，并将其凝结成液态水。晴天光伏电池产生的余热传导给LHAH，导致温度上升，从而加速液态水的蒸发。蒸发过程中水的汽化带走大量潜热，并通过冷却通道释放到周围环境中，达到降低光伏电池温度的目的。

图1. 基于LHAH的光伏冷却配置的设计理念（A）光伏冷却策略工作原理图（B）吸水饱和的LHAH贴附在光伏电池背板

LiCl与水的吸附平衡常数较高，水化热也较高，因此可以更有效地吸收空气中的水分子，也更容易释放吸收的水分。LiCl的毒性较低，对环境的影响较小，符合环境保护原则，有助于保持吸附水的高质量。本研究通过高延展性的超声浸渍法、冷冻干燥法和溶液浸渍法将碳纳米颗粒（CNs）和LiCl盐嵌入丙烯酰胺（PAM）中，制备成LHAH。

图2. LHAH的制备过程

制备的LHAH具有良好的柔韧性和延展性，可以轻松拉伸或折叠成各种所需形状。当LHAH干燥时，其表面均匀分布着白色的LiCl颗粒，这些颗粒在粗糙的表面上析出。CNs的嵌入不仅显著增强了LHAH的光吸收能力，而且促进了致密孔隙结构的形成。此外，LHAH的粗糙表面为水分子提供了大量的活性吸附位点，进一步增强了吸附水分子的能力。

图3. (A) LHAH的拉伸性和可折叠性 (B) LiCl颗粒均匀分布在LHAH的粗糙表面 (C) LHAH的EDS图 (D) LHAH的XPS光谱 (E) PAM、PAM-CNs、PAM-LiCl和LHAH的XRD图 (F) PAM、PAM-CNs、PAM-LiCl和LHAH的FTIR光谱

LHAH的柔性膨胀特性使其能够容纳更多的液态水。在25°C和90%相对湿度的条件下，LHAH在10 h内可吸附高达27.2 g的水。即使在低湿度环境中，LHAH也能保持其卓越的吸水性能，这使得它能够适应环境湿度的波动性，确保在各种气候条件下都能发挥出色的冷却效果。

图4. LHAH的吸水性能 (A) 相对湿度为30%、60%和90%，大气温度为25 °C时的吸附性能 (B) LHAH的储水能力比较 (C) LHAH在实验室连续放置7天后质量和直径的变化

随着光照强度的增加，LHAH的蒸发速率提高，进而显著提升了降温效果。在1倍光照强度（Isolar =1.0 sun）下，贴附LHAH的PV电池的背板温度相较于未处理的PV电池板降低了26℃。与其他冷却技术相比，展现了基于LHAH的蒸发冷却技术的独特优势。

图5. PV电池冷却性能 (A) Isolar = 0.8、1.0和1.2 sun时的表面温度分布 (B) 在 Isolar =1.0 sun时PV电池背板温度随时间的变化 (C) 本研究与一些典型冷却方法在Isolar =1.0 sun时的温降比较 (D) 在Isolar = 0.8、1.0和1.2 sun时，光伏电池蒸发冷却过程中LHAH的质量变化

伏安曲线定量的揭示了温度降低对光伏PV电池性能的显著提升，特别是在开路电压的改善上。随着光照强度的增加，LHAH的散热效果也随之增强，与未采用LHAH冷却的PV电池板相比，配置LHAH的PV电池板呈现出更明显的温度下降延迟。在Isolar =1.0 sun时，贴附LHAH的PV电池板开路电压平均提高了6.2%，最大输出功率增加了17%。

图6. Isolar=1.0时LHAH提高的光伏性能 (A) 未贴附LHAH与 (B) 贴附LHAH光伏电池的伏安曲线；未贴附LHAH和贴附LHAH输出的 (C) 开路电压和 (D) 最大功率比较

LHAH的冷却效率与环境条件（如相对湿度和气候状况）有着密切的联系。在晴朗的天气条件下进行的10 h户外测试显示LHAH能够保持约6 h的显著降温效果。在正午时分，LHAH能够实现11.1℃的降温，而系统运行约1 h后，最大降温幅度可达12.7℃。即使在运行5 h后，电压仍能提升0.13V，证实了采用LHAH为PV电池板降温的技术可行性。

图7. 户外降温实验 (A) 户外实验装置 (B) 户外试验的两块PV电池初始性能几乎相同 (C) 当地气象数据，包括Isolar、Tamb和相对湿度；(D) 连续运行10 h的温度和温降（ΔT）曲线 (E) 贴附LHAH和未贴附LHAH的PV电池开路电压变化

研究者从大气集水和蒸发冷却的角度提出了一种高效的光伏电池被动冷却策略。光伏电池背面附有吸湿性LHAH，可收集光伏电池的废热，并通过水蒸发释放到空气中。夜间，水凝胶从周围环境中收集水蒸气，再生LHAH的冷却能力。这种方法使光伏电池在阳光照射下的制冷功率高达 529 Wm -2 。 LHAH的配置将商用多晶硅太阳能电池的工作温度降低了26℃，最大输出功率提高了17%。 该策略摆脱了传统冷却技术对液态水资源获取的限制，为光伏电池冷却提供了一种前景广阔的方法。

论文信息：Li H, Ma J, Yan W, Lan J, Hong W. Lithium-based water-absorbent hydrogel with a high solar cell cooling flux. Renewable Energy, 2024: 121277.

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