串联太阳能电池与热电装置协同集成系统的性能优化及废热回收研究

本文创新性地提出了一种集成串联太阳能电池(TSC)、太阳能选择性吸收器(SSA)、热电发电机(TEG)和热电制冷器(TEC)的混合系统(TPGC)，通过光谱互补吸收和废热热电转换双重机制，将系统功率密度提升至227.161 Wm-2（较单结电池提高28.6%），为可再生能源高效利用提供了新型优化框架。

　　

Highlight

本研究通过整合串联太阳能电池(TSC)与热电装置(TEG-TEC)，开发出具有光谱互补吸收和废热协同回收功能的TPGC混合系统。该系统突破传统太阳能电池能带限制，利用顶部电池(CsSn_0.5Ge_0.5I₃)和底部电池(CIGS)的能级匹配实现宽光谱捕获，同时通过太阳能选择性吸收器(SSA)将未利用的红外辐射转化为驱动TEG的热能，最终由TEC实现主动冷却，形成能量闭环。

Model validation

由于尚无TSC与TEG集成的实验报道，研究采用分体验证策略：图5(a)-(c)显示顶部电池(TC)、底部电池(BC)及整体TSC的J-V曲线与Kumari团队实验数据高度吻合；图5(d)进一步验证了TEG模型在温差发电场景下的准确性，为系统级仿真奠定基础。

Generic performance prediction

图6揭示了TSC、TEG-TEC及TPGC系统的电流密度(J_op)与功率密度动态关系。当TSC工作电流达最优值时，系统呈现228.7 Wm^-2的峰值功率输出，此时TEG利用150°C温差产生额外31.4 Wm^-2电力，TEC则维持5.2°C的主动冷却温差。

Results and discussion

关键参数分析表明：CIGS吸收层厚度增至2.5μm可使BC转换效率提升17.3%；当热电单元(TE)数量增至128对时，系统效率达24.1%；而考虑汤姆逊效应后，TEG输出功率出现6.8%的非线性波动。缺陷密度分析揭示，当AL区缺陷低于10¹⁵ cm^-3时，载流子复合率下降40%。

Conclusion

TPGC系统通过能带工程和热管理协同设计，实现光谱吸收-热电转换-主动冷却的三重增效。优化后系统较传统单结电池功率提升28.6%，为光伏-热电耦合系统提供了可扩展的设计范式。