文献前沿丨Adv. Energy Mater. : 辐射制冷用于太阳能电池性能提升

单结太阳能电池在AM1.5太阳光谱下的功率转换效率的理论上限约为33.7%。标准的光伏电池在阳光直射下，有绝大部分能量没有转化成电能，而是产生了热量加热电池。研究表明，光伏电池的温度上升1℃，效率相应下降0.45%。废热对电池的寿命也有影响。因此，给光伏电池降温至关重要。给光伏电池降温的方法有很多，包括喷水、浸水、热管散热或者二次利用余热等等。但是这些方法都需要外部设备或能量的输入，增加了设备复杂性与经济投入。而辐射制冷技术解决了该问题，该技术不需要外部能量的输入，可以将热量直接散发到寒冷的宇宙中，被动降低光伏电池的温度。目前已经开发出各种类型的太阳能电池，本研究从理论角度验证了在应用辐射制冷计技术时，多结太阳能电池是最有效的电池类型，同时指出了所提出的多结太阳能电池不受到亚带隙加热的影响，减少了反射器的负担。此外，制备了技能增强光捕获也可能辐射制冷的光栅玻璃，并将其应用于InGaP/GaAs/Ge 多结太阳能电池。多次室外实验表明，辐射冷却可以使温度下降约6°C。该工作以Determining the Effectiveness of Radiative Cooler-Integrated Solar Cells为题发表在Advanced Energy Materials上。

图1：理论计算下太阳能电池的电效率和潜在加热/冷却功率

实验创新性地制作了一个冷却效果更高的辐射冷却器，该冷却器由一个二维微光栅的凹凸花纹玻璃构成，光栅的周期为8.5 μm，深度为2 μm,占空比为85%，如图2所示。该辐射冷却器的光栅图案增强了辐射冷却和光捕获性能。基于该功能，该冷却器被称为光捕辐射冷却器(LTRC)，作为对比的是没有光栅图案化的辐射冷却器（RC)。在理论分析的基础上，选择了多结电池InGaP/GaAs/ Ge (MJSC）与LTRC集成。图2e给出三种情况下的发射/吸收光谱特征，在保证高度光捕获性能的同时，LTRC在红外波段展现了良好的发射率。图f、g是根据平衡方程计算的三种情况下的温度、效率，LTRC同样展现了最优异的性能。

图2：多结太阳能电池在应用LTRC和RC时的性能

在阳光直射下的LTRC照片如图3a所示，其在长波红外波段具有优异的发射率，在可见光波段又具有与玻璃相当的透过率，如图3b所示。同时，LTRC在光谱范围为8-16μm内表现出了最佳的全角度平均发射率。在中心光波为450、532、635 nm的激光源下对LTRC的光捕获性能进行了测试，同时发现对于较短波长的光，较长波长更容易产生较大的角度弯曲，光捕获能力更强，如图3d所示。

图3：LTRC的光学性能

将MJSC与RC和LTRC分别集成，研究系统的光电热性能，如图4所示。MJSC/LTRC在太阳光谱内表现出了最优异的功率密度。在安装LTRC后，电流密度明显增强，表明LTRC具有更高的光吸收性能，其功率转化效率的增益也是最大的，分别如图4b、c所示。冷却功率主要是红外波段的辐射能力和大气吸收能力决定，热辐射能力越大，大气吸收越少，其冷却功率越高。图4d显示出MJSC/LTRC具有最优异的冷却性能。图4f中对耦合系统的定量分析也证实了这一点。

图4：系统的光电热性能分析

选择MJSC和MJSC/RC作为两组对照组，MJSC/LTRC作为实验组，进行室外实验。室外实验装置设置在阳光直射下的屋顶，用木桌支撑起来，以避免来自地面的热效应，并最大限度地减小对流传热对实验的影响，如图5a所示。热成像的表观温度是由热辐射强度决定的，因此，图5b中最强的热辐射能力证实了其具有最大的冷却效果。实验分别测量了在三个不同天里，图5计算了三个不同天中环境温度、系统温度和开路电压的时间平均值。此外，实验组和两个对照组的电池温度与开路电压的信息都被详细记录下来，如图5d、e所示。MJSC/LTRC表现出了最大的温降和开路电压的增强。图5f显示了在试验期间，MJSC/LTRC具有最大的短路电流，印证了太阳吸收能力的增强。

图5：系统的室外测试

小结：本研究通过对不同类型的太阳能电池类型进行比较，证明了辐射制冷在太阳能电池行业中的巨大潜力。在理论上，证实了多结太阳能电池由于亚带隙加热引起的温度/效率性能降低最小，在理论分析的基础上，选择了多结电池InGaP/GaAs/ Ge SC与LTRC集成。室外现场测试实验表明，MJSC/LTRC具有最低的电池加热效应，使开路电压的退化最小化，并且由于光捕获效应而具有最高的光子吸收。尽管长期室外测量仍是评估使用寿命的未来重点工作，但MJSC/LTRC可能与其他太阳能电池具有相同的使用寿命。同时因为LTRC基于玻璃材料，可以很容易通过清水定期水洗来维护。本研究显示了辐射制冷技术与太阳能电池结合具有巨大的应用潜力。

论文信息：Heo SY, Kim DH, Song YM, Lee GJ. Determining the effectiveness of radiative cooler-integrated solar cells. Adv. Energy Mater. 2022; 12: 2103258.

https://doi.org/10.1002/aenm.202103258.

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