【论文故事】新型太阳能电池表层,更凉爽、更持久、更有效

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如何制造更持久、更高效的自冷式太阳能电池?答案是添加一层薄薄的玻璃表层。太阳能电池将太阳辐射转换为电能,而这一过程中会有大量的能量损失。其中,太阳能电池过热会造成惊人的能量消耗。在限制电池光电转换效率的同时,过热还会降低电池的寿命。

斯坦福大学的研究人员将嵌有微小圆锥状和金字塔状结构的一层薄薄的石英玻璃覆盖在硅质太阳能电池的表面。他们发现这能够大幅降低电池的工作温度,从而减弱“过热”效应。果壳网就此采访了论文的第一作者朱林晓(Linxiao Zhu),请他介绍更多的研究细节。

研究人员发现,这层崎岖不平的石英玻璃可以反射多余的热辐射。通过消除过量红外辐射,太阳能电池能够维持在一个合适的温度,提高光电转换效率。“如果温度升高,开路电压将急剧下降,这会降低光伏性能。”朱林晓对果壳网说道,“虽然此时电流会略微上升,但和降低的效率相比仍然不足为道。”

研究表明,单一硅太阳能电池的能量转换效率的上限为33.7%。朱林晓补充道:“摄氏温度每上升一度,太阳能电池的效率会下降0.5%。电池的能量效率随着温度的升高而降低,这在不同类型的太阳能电池中是相似的。”目前,一些冷却电池的主动方法,比如通风装置或者使用液体冷却剂,存在成本大于收益的问题,仍然无法解决过热的能量损失问题。朱林晓的研究结果则可能有助于开发出效益更高的太阳能电池。

太阳能电池与石英玻璃表层示意图。玻璃表层上嵌有有金字塔状突起,能够反射不需要的热辐射,从而冷却底部的电池。图片来源:研究论文

更高效的太阳能电池可能是未来代替化石燃料的有力竞争者之一。这种崎岖玻璃表层的工作原理利用了太阳辐射里不同波长的光。在光谱内,可见光携带更多能量,而红外光则携带更多热量。研究人员经过计算表明,石英玻璃表层在反射红外光的同时,不会影响电池对可见光的吸收。朱林晓表示,他们将含有微型硅金字塔的玻璃表层与太阳能电池组合起来,或者将两者直接集成,从而最大限度地冷却太阳能电池。他同时说道:“适宜的工作温度可以显著增加电池的寿命,这也从另一个方面降低了成本。”

但科学界对此有不同的声音。澳大利亚国立大学的安德鲁·布雷克斯(Andrew Blakers)认为,尽管这项研究有着扎实的理论基础,但实践起来或许没那么容易:“文章中的太阳能电池是裸露着的,但实际应用中,它们需要有韧性、耐摩擦、强度高并且防水的包裹涂层来经受风吹日晒的考验。”

不过朱林晓依然很乐观:“在太阳能电池行业,大量的资金被用来解决效率问题。我们这种用特殊玻璃表层覆盖太阳能电池方法能够有效提高太阳能电池效率,并且延长它的寿命,这是相当重要的。”研究人员已经开始研究该成果的实际应用。他们“通过精确的数值方法验证了该设计,并且正在努力通过实验证明他们的第一个原型的可行性。”(编辑:球藻怪)

PS:其实崎岖表层也可以是这样的:

参考文献:

  1. L. Zhu, A. Raman., K. Wang, M. Anoma, S. Fan,(2014) Radiative Cooling of Solar Cells, Optica

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