文献前沿丨Small：光谱调控双层水凝胶，实现光伏电池全天被动冷却

光伏技术因其绿色、高效、寿命长的优势，逐渐成为可持续能源战略中的核心支柱。然而，在强辐照和高温环境下，光伏组件的工作温度显著升高，造成转换效率下降与材料老化加速。因此，如何在不额外耗能的前提下控制光伏组件温度，是当前光伏技术发展的重要挑战。被动冷却技术因其无需额外能耗而备受关注，其中辐射冷却与蒸发冷却作为两种主要路径各具优势。辐射冷却可将热量以红外形式辐射至外层空间，而蒸发冷却通过水分相变带走热量，尤其适用于高温白天环境。然而，如何将两种机制高效集成于一体，并适配复杂的实际气候条件，仍需创新性的材料与结构设计。本研究提出了一种具有双功能界面的光谱调控吸湿水凝胶系统，结合了上表面辐射冷却与下界面吸湿蒸发的协同效应。该结构兼具红外高发射率与可控的水分输运路径，能在白天实现持续蒸发冷却，在夜间吸湿回补，构建了全天候自驱动的混合型被动冷却策略。此项工作为光伏系统温控与效率提升提供了新思路，并为未来绿色能源系统的多功能热管理材料发展奠定了基础。相关工作以Spectrally-tailored hygroscopic hydrogels with Janus interfaces for hybrid passive cooling of solar cells为题发表在Small期刊。

本研究提出了一种具有Janus界面结构的光谱调控吸湿水凝胶，用于实现辐射冷却与蒸发冷却协同的混合被动冷却策略。如图1所示，该水凝胶由两层不同LiCl含量的聚合物网络构成，具备优异的柔性、透明性与结构稳定性。图2展示了其良好的光学性能和吸湿能力，在可见-近红外波段保持高透过率，同时在中红外波段具有高发射率，具备昼夜冷热管理潜力。图3进一步评估了湿度对吸湿-释水行为的影响，在高湿环境下表现出显著的吸湿与蒸发性能。图4验证了该材料在c-Si太阳能电池应用中的冷却效果和光电性能提升，最高可使电池降温12°C，PCE提升达21.3%。图5展示了户外测试结果，该材料在不同天气条件下均保持稳定的温控能力。图6则证明其在柔性钙钛矿电池上的适用性，兼具高效冷却与良好耐弯曲性，循环1万次后仍维持约95%的效率，展现出广泛的应用潜力。该设计通过界面光谱调控与水管理策略协同集成，为构建高效、全天候光伏温控系统提供了新路径。

图1:吸湿水凝胶薄膜（M3）应用于晶硅（无机）与柔性（有机）太阳能电池，实现混合式被动冷却的示意图、实物照片及其自身性能展示。

图2：(a)双层吸湿膜（M3）集成于晶硅太阳能电池上的制备流程图；(b) M3中顶层（M1）与底层（M2）的设计策略、交联网络及化学结构；(c) M1与M2的XRD图谱；(d) M1与M2在应变扫描下的储能模量G′与损耗模量G″；(e)M1和M2的附着强度对比；(f)不同厚度下M3的透过率；(g)晶硅太阳能电池的吸收率与外量子效率（EQE）光谱；(h) M3的发射率与吸收率光谱。

图3：(a)不同环境温度与相对湿度（RH）下的水蒸气压（Pvapor）以及不同浓度LiCl溶液的饱和蒸汽压（Psol）；(b)不同LiCl含量下M1的吸湿/释湿过程中归一化质量变化；(c)在低RH下M1、M2和M3的去水性能及质量变化情况；(d)在90% RH和25 °C条件下M1、M2和M3的吸湿性能；(e) M3内部渗透压驱动的水分扩散及各向异性膨胀行为示意；(f)在90% RH和25 °C下不同LiCl含量的M1和M3的吸湿量汇总；(g)室外过夜条件下的环境RH、M3的有效RH与实际吸湿量；(h) M3的热诱导脱水性能；(i) M3在连续20次吸湿-释湿循环中的吸水与释水性能表征。

图4：(a)未涂覆与涂覆M3的太阳能电池组件示意图；(b) M1与M3在太阳照射过程中的附着力测试；(c)光伏组件在连续12小时太阳辐照下的表面温度变化曲线；(d) M3在12小时太阳照射下的质量变化；(e)相应冷却功率的变化；(f)涂覆与未涂覆M3的太阳能电池组件在12小时内的光电转换效率（PCE）变化；(g)近年来应用于太阳能电池的吸湿材料被动冷却能力总结对比；(h) M3覆盖的光伏组件在多轮吸湿–脱湿循环过程中的质量变化。

图5:户外实验。(a) c-Si太阳能电池在户外条件下进行被动冷却测试的实验装置；(b)为期7天的户外测试中，太阳能电池及环境的主要参数汇总；(c)不同天气条件下太阳能电池板的红外热像图。

图6：应用适应性表征。(a)柔性钙钛矿太阳能电池（PSCs）中主要光吸收材料的化学结构及器件结构示意图；(b)在标准太阳光照（1 sun）条件下，未加与加装M3涂层的柔性PSCs的初始J−V曲线；(c)在1 sun照射下，未加与加装M3的柔性PSCs表面温度随时间的变化（插图为加装M3的柔性PSCs实物照片）；(d)在弯曲半径为5 mm的条件下经过10,000次弯曲循环后，未加与加装M3的柔性PSCs的归一化光电转换效率（插图为弯曲测试实拍图）。

小结：本研究提出了一种光谱调控的Janus吸湿水凝胶涂层，兼具高透光性、强吸湿性与辐射冷却能力，可实现太阳能电池的全天候被动降温。该材料通过协同调控聚合物配比、LiCl含量、双层结构及界面非对称性，实现了良好的水汽调控与热管理性能。实验表明，在高湿环境下，该水凝胶的最大吸水量可达 282.2 g/m²，且在 45–65°C 的宽温区间具备快速释水能力，支撑稳定的日夜蒸发冷却循环。应用于 c-Si 光伏组件表面后，能在白天使电池温度最高降低约 12°C，显著提升 21.3% 的光电转换效率，在夜间也能实现约 6°C 的降温。该水凝胶还具有良好的柔韧性与机械稳定性，可兼容于柔性光伏器件，在 10000 次弯折循环后依然保持 95% 的电池效率，展现出极佳的耐久性与集成潜力。该策略为提升光伏系统能效、延长使用寿命及实现低成本热管理提供了新路径，具有广泛的推广应用前景。

论文信息：Li S., Wang S., Zhao J., et al. Spectrally-tailored hygroscopic hydrogels with Janus interfaces for hybrid passive cooling of solar cells. Small, 2025; 2505647. https://doi.org/10.1002/smll.202505647.

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