中南大学陈梅洁教授Appl. Phys. Lett.：辐射冷却助力太阳能电池性能提升的理论分析

随着化石燃料向可持续绿色能源过渡，光伏技术已成为应对能源危机与环境挑战的重要途径。然而，太阳能电池在工作过程中不可避免地产生热量，导致器件温度升高，从而引发功率下降、效率衰减以及寿命缩短等问题。如何在不增加额外能耗的情况下实现有效的热管理，成为提升光伏系统性能的关键。基于此，本研究提出了一种基于光谱调控与多模态冷却协同的理论分析框架，系统评估了选择性光谱覆盖层、中红外辐射增强、带隙以上反射优化以及蒸发冷却等策略对太阳能电池性能的影响。结果表明，通过合理设计覆盖层的光谱特性并引入蒸发冷却机制，可在自然对流条件下有效降低电池温度并显著提升输出功率，展现出实现高效、低能耗被动冷却的可行性。相关工作以 Theoretical analysis of solar cell performance assisted by passive cooling 为题发表在Applied Physics Letters期刊。

本研究围绕被动冷却辅助下的光伏性能提升展开了系统的理论分析。首先，建立了带有选择性光谱覆盖层的太阳能电池模型，结合几何参数与理想光谱响应，揭示了在不同工作温度下的性能变化（图1）。在此基础上，研究进一步分析了中红外辐射发射率对电池性能的影响，发现增强大气窗口范围内的热辐射发射有助于降低电池温度并提升功率输出（图2）。随后，探讨了带隙以上波段反射率的调控作用，结果表明适度增加该波段的反射能够有效减少多余热量吸收，从而改善电池效率（图3）。进一步地，研究评估了带隙以下波段透过率对性能的影响，指出提升透过率有助于抑制无效光吸收，改善散热与能量转化（图4）。最后，引入蒸发冷却机制并与光谱调控协同作用，结果显示蒸发冷却能够在不同环境对流条件下进一步降低电池温度，实现更高的最大输出功率和稳定的工作性能（图5）。

图1：选择性光谱覆盖层的太阳能电池模型描述。(a)太阳能电池与选择性光谱覆盖层的结构示意图；(b) SunPower™ C60电池的几何尺寸参数（单位：mm）；(c)覆盖层的理想光谱；(d)电池的外量子效率（EQE）；(e)实测光谱吸收率；(f)不同工作温度下的电池性能计算结果。

图2：中红外辐射发射率（eMIR > 2.5 μm）对太阳能电池性能的影响。(a)太阳光谱强度、大气透射窗口以及黑体辐射光谱强度；(b)不同eMIR条件下覆盖层的理想光谱；(c)不同换热系数hc和eMIR下的电池温度；(d)不同hc和eMIR下的最大输出功率比；(e)不同eMIR下的填充因子（FF）、开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）和温度（T）；(f)当hc=10 W·m⁻²·K⁻¹时，不同eMIR条件下的辐射功率（Prad）、非辐射功率（Pnonrad）、大气辐射功率（Patm）和热功率（Pheat）。

图3：带隙以上（1.2–2.5 μm）反射率（qabove）对太阳能电池性能的影响。(a)不同qabove条件下，太阳能电池覆盖层的理想光谱；(b)不同换热系数hc和qabove下的电池温度；(c)不同hc和qabove下的最大输出功率比；(d)不同qabove条件下的填充因子（FF）、开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）和温度（T）；(e)当hc=10 W·m⁻²·K⁻¹时，不同qabove条件下的辐射功率（Prad）、非辐射功率（Pnonrad）、大气辐射功率（Patm）和热功率（Pheat）。

图4：带隙以下（0.3–1.2 μm）透过率（ssub）对太阳能电池性能的影响。(a)不同ssub条件下，太阳能电池覆盖层的理想光谱；(b)不同换热系数hc和ssub下的电池温度；(c)不同hc和ssub下的最大输出功率比；(d)不同ssub条件下的填充因子（FF）、开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）和温度（T）；(e)当hc=10 W·m⁻²·K⁻¹时，不同ssub条件下的辐射功率（Prad）、非辐射功率（Pnonrad）、大气辐射功率（Patm）和热功率（Pheat）。

图5：蒸发冷却对太阳能电池性能的影响。(a)不同蒸发速率条件下，太阳能电池覆盖层的理想光谱；(b)不同换热系数hc和蒸发速率下的电池温度；(c)不同hc和蒸发速率下的最大输出功率比；(d)不同蒸发速率条件下的填充因子（FF）、开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）和温度（T）；(e)当hc=10 W·m⁻²·K⁻¹时，不同蒸发速率条件下的辐射功率（Prad）、非辐射功率（Pnonrad）、大气辐射功率（Patm）和热功率（Pheat）。

小结：本研究通过理论模型系统分析了被动冷却在提升太阳能电池性能中的潜力，重点考察了光谱选择性覆盖层的热辐射特性、带隙上下波段的光谱调控以及蒸发冷却机制的综合作用。结果表明，增强中红外大气窗口范围内的热发射可有效降低电池工作温度，从而提升输出功率；同时，通过调节带隙以上波段的反射和带隙以下波段的透过，可以显著减少无效光吸收与热积累，进一步改善能量转化效率。在此基础上，引入蒸发冷却机制能够在不同环境对流条件下进一步扩展降温幅度和功率增益，实现比单一光谱调控更优的综合性能。这些结果不仅为光伏电池在高温工况下的稳定运行提供了新的理论支撑，也为未来结合光谱工程与蒸发冷却的多机制协同设计提供了重要方向，有望推动高效、低成本且可持续的光伏冷却解决方案的实现。

论文信息：Ye Q., Yan H., Chen M.. Theoretical analysis of solar cell performance assisted by passive cooling. Appl. Phys. Lett. 2025; 127: 103906. https://doi.org/10.1063/5.0286585.

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