一种通过多层水凝胶基热管理模块来提高太阳能电池效率的通用方法

《Science Bulletin》：A general approach for enhancing efficiency of solar cell via a multilayer hydrogel-based thermal management module

提升太阳能电池效率的热管理策略研究

　　

郭睿|丁浩天|潘浩宇|陈宇|何家军|邢环|徐飞|陈俊|唐少春

中国江苏省南京市工程与应用科学学院材料科学与工程系，先进微结构协同创新中心，固态微结构国家重点实验室，人工功能材料江苏省重点实验室，邮编210093

摘要

在过去的十年中，单晶硅光伏（PV）面板的功率转换效率（PCE）仅提高了1%。提高太阳能电池的PCE仍然是一个关键任务。本文提出了一种通过集成分层热管理模块来提升太阳能电池实际PCE的通用策略。该设计结合了蒸发冷却和辐射散热技术，可实现高达332 W m^?2的冷却功率，并将太阳能电池温度降低20°C以上。在实际的高温波动条件下，太阳能电池的实际工作PCE显著提高了1.1%。通过原位温度监测，我们的热管理系统还观察到了巨大的热缓冲效应，这减少了温度波动对电网的影响，并延长了太阳能电池的寿命。此外，该系统还能回收废热，产生额外的713 mW m^?2的热电（TE）功率。这种可扩展的热管理模块适用于多种类型的太阳能电池，包括晶体硅、砷化镓和钙钛矿，为现有的光伏发电厂带来了显著的环境和经济效益。

引言

光伏（PV）系统在全球可再生能源技术中经历了最快的增长和新投资[1]、[2]、[3]。2019年至2023年间，全球光伏安装量年均增长率为28%。2024年全球光伏装机容量超过了2 TW，并预计到2050年将达到约22 TW[4]、[5]、[6]。1954年，研究人员开发出了功率转换效率（PCE）为6%的太阳能电池，使得太阳能电池的商业化成为可能[7]。在过去70年中，进行了大量研究[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]，以提升各种太阳能电池的PCE（图1a）。提高PCE是一个极具挑战性的目标。例如，近年来，单晶硅光伏面板的PCE仅提高了1%就花费了近10年的时间。

另一方面，光伏电池在1000 W m^?2和25 ℃条件下的最佳PCE并不能反映其实际工作PCE。在运行过程中，光伏电池的温度会上升，导致其实际工作PCE下降。对于传统的光伏技术（如硅（Si）和砷化镓（GaAs），高温会导致晶格膨胀和声子密度增加，从而减小带隙（图1b），进而降低开路电压（V_oc），最终降低实际工作PCE[17]、[18]。对于新兴的光伏技术（如钙钛矿太阳能电池），高温会负面影响钙钛矿材料的吸收性能，降低短路电流（I_sc），从而降低实际工作PCE[17]。定量分析表明，太阳能电池的最佳工作温度为25 ℃[19]、[20]、[21]。超过这一温度后，Si、GaAs和钙钛矿太阳能电池的实际工作PCE每升高1 ℃会降低约0.08%至0.5%[18]、[20]、[22]、[23]、[24]、[25]。这种现象显著降低了光伏发电的环境和经济效益。

在这里，我们开发了一种使用有效热管理策略来提升太阳能电池实际工作PCE的通用方法。具体来说，我们创建了一种多功能光伏热管理模块（M-PV/TM），该模块集成了冷却层和热回收层，能够在光伏系统中实现散热和废热回收。当与普通太阳能电池结合使用时，M-PV/TM的分层设计在1000 W m^?2的条件下可实现超过332 W m^?2的冷却功率，使光伏面板温度降低20°C以上，实际工作PCE提高1.1%。此外，光伏面板产生的废热被回收用于产生额外的713 mW m^?2的热电（TE）功率。冷却层通过大气水的吸收和蒸发循环实现持续的热调节，无需外部能量输入。高精度的原位实时监测进一步表明，M-PV/TM还具有巨大的热缓冲效应，有效减少了光伏面板在空间和时间尺度上的温度波动。这减少了光伏发电波动对电网的影响，并通过缓解不均匀的热应力延长了光伏面板的寿命。总之，我们提出了一种高度创新的光伏热管理策略，预计可广泛应用于各种类型的光伏电池，适用于大规模电网或离网的高温区域。

材料

N,N,N′,N′-四亚甲基二胺（TEMED）和聚乙烯醇（PVA）购自上海麦克林生化科技有限公司。硅酸钠（Na₂SiO₃）购自皮特医疗科技有限公司。氯化锂和过硫酸钾（KPS）购自迈瑞尔实验设备（上海）有限公司。丙烯酰胺单体（AM）购自天津（上海）化工发展有限公司。N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）购自安徽...

M-PV/TM的制备

M-PV/TM的示意图如图2a所示。整个M-PV/TM的横截面图见图2e。FBG传感器（图2d）粘贴在光伏面板表面，通过光栅中心波长的变化实现原位实时检测表面温度变化，从而提供热管理模块工作状态的反馈[26]。光伏面板下方是一个精心设计的双网络水凝胶冷却层（图2b）...

结论

总之，我们通过采用分层结构实施了有效的热管理策略，开发了一种提升光伏面板性能的通用方法。具体而言，M-PV/TM中的冷却层结合了蒸发冷却和辐射散热技术，可实现332 W m^?2的冷却功率，并将光伏面板温度降低20°C以上。同时，废热回收层实现了高效的能量回收，产生了713...

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2022YFA1602700和2022YFB2502104）、国家自然科学基金（22375089、61925502和62135007）、江苏省科技厅重点研发计划（BE2022332）、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项基金（BE2022605）以及江苏省自然科学基金（BK20243014）的支持。