自冷式太阳能电池具有更好的性能和寿命

光学学会

该图展示了太阳能电池如何通过散发出有害的热辐射来自我冷却。由石英玻璃制成的金字塔结构可提供最大的辐射冷却能力。信用：斯坦福大学朱。

科学家可能已经克服了开发高效，持久的太阳能电池的主要障碍之一，即使在正午的烈日下也能保持凉爽。

通过在普通太阳能电池的表面上添加经过特殊图案化的二氧化硅玻璃层，加州斯坦福大学电气工程教授樊善辉带领的一组研究人员找到了一种方法，可以通过散发出多余的热量来使太阳能电池自身冷却辐射。研究人员在《光学学会》（OSA）的新开放存取期刊Optica的第一期中描述了他们的创新设计。

太阳能电池是当今市场上最有前途和最广泛使用的可再生能源技术之一。尽管易于获得且易于制造，但即使是最佳设计，也只能将它们从太阳接收的能量中的一小部分转化为可用的电能。

这种损失的一部分是将阳光转化为电能的不可避免的结果。然而，令人惊讶的令人烦恼的数量是由于太阳能电池过热。

在正常工作条件下，太阳能电池很容易达到130华氏度（55摄氏度）或更高的温度。这些苛刻的条件会迅速降低效率，并会显着缩短太阳能电池的使用寿命。但是，通过通风或冷却剂进行主动冷却的太阳能电池价格高得令人望而却步，并且与优化暴露在阳光下的需求相悖。

新提出的设计通过采用更优雅，更被动的冷却方法避免了这些问题。通过将微小的金字塔形和圆锥形结构嵌入到极薄的二氧化硅玻璃层上，研究人员发现了一种将不需要的热量（以红外线辐射的形式）从太阳能电池的表面重定向到大气的方法，并将其重定向回空间。

斯坦福大学物理学家，Optica论文的主要作者朱林晓说：“我们的新方法可以被动地降低太阳能电池的工作温度，显着提高能量转换效率并提高太阳能电池的预期寿命。”“这两个好处将使太阳能电池技术得以持续成功和采用。”

太阳能电池的工作原理是将太阳光线直接转换成电能。当光子进入太阳能电池的半导体区域时，它们会将原子中的电子击倒，从而使电流自由流动，从而产生电流。然而，最成功且使用最广泛的设计是硅半导体，即使从峰值效率来看，它们也将不到30％的太阳能量转化为电能。

没有转化的太阳能会产生废热，这无疑会降低太阳能电池的性能。温度每升高1摄氏度（1.8华氏度），太阳能电池的效率就会下降大约0.5％。

斯坦福大学的博士后学者，论文的合著者阿斯瓦斯·拉曼（Aaswath Raman）说：“这种下降是非常显着的。”太阳能电池行业投入了大量资金来提高效率。我们仔细更改覆盖和封装太阳能电池的层的方法可以提高任何下面的太阳能电池的效率。这使设计特别相关和重要。

此外，温度升高时，太阳能电池“老化”的速度更快，每升高18华氏度，老化速度就会加倍。

为了被动地冷却太阳能电池，使它们在不消耗能量的情况下散发出多余的热量，需要利用光的基本特性以及穿过地球大气层的特殊红外“窗口”。

不同波长的光与太阳能电池的相互作用方式非常不同-可见光是最有效的发电方式，而红外线则更有效。不同波长的弯曲和折射也不同，这取决于它们通过的材料的类型和形状。

研究人员利用这些基本原理，使可见光不受阻碍地穿过添加的二氧化硅层，同时提高了能够在热波长下从太阳能电池带走的能量。

“二氧化硅对可见光是透明的，但也可以微调其弯曲和折射非常特定波长的光的方式，” Optica论文的通讯作者范说。“精心设计的二氧化硅层不会降低太阳能电池的性能，但会增强预定热波长下的辐射，从而更有效地散发太阳能电池的热量。”

为了检验他们的想法，研究人员比较了两种不同的二氧化硅覆盖设计：一种是约5毫米厚的平坦表面，另一种是覆盖有金字塔和微锥的更薄层，厚度仅为几微米（千分之一毫米）。尺寸。这些功能的大小至关重要。通过精确控制金字塔和微锥的宽度和高度，可以对其进行调整以折射和重定向仅不需要的红外波长，使其远离太阳能电池并返回太空。

范说：“目标是在保持太阳能吸收率的同时降低太阳能电池的工作温度。”“我们很高兴看到，虽然二氧化硅的平坦层提供了一些被动冷却，但是二氧化硅的图案化层却大大优于5毫米厚的均匀二氧化硅设计，并且具有与理想方案几乎相同的性能。”

Zhu和他的同事目前正在制造这些设备，并对其设计进行实验测试。他们的下一步是演示室外环境中太阳能电池的辐射冷却。他总结说：“我们认为这项工作解决了太阳能电池运行和优化中的重要技术问题，因此具有巨大的商业化潜力。”

纸：L. Zhu，A。Raman。，K。Wang，M。Anoma，S。Fan，“太阳能电池的辐射冷却”，Optica 1，32-38（2014）。

最初发表在光学学会网站上。