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撰稿 | 黄干 王凯
图片来源：Light: Science & Applications
近日，英国帝国理工学院和浙江大学合作构建了基于光谱分裂的太阳能全光谱利用系统数理模型，揭示了该系统的理论效率极限，并提出了关键的光学参数以及光伏材料的选择方法，为设计下一代高效的太阳能全光谱利用系统，提供有价值的指导和参考。本文已于近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题目为“Efficiency limits of concentrating spectral-splitting hybrid photovoltaic-thermal (PV-T) solar collectors and systems”。
太阳能是一种充足的清洁可再生能源。目前主要通过光热或光伏技术对太阳能进行转化利用。其中，光伏由于可以直接将太阳能转化为电能，近些年受到了极大的关注。然而，光伏发电只能利用特定波长范围的太阳能光谱。例如，常见的硅光伏电池只能部分利用波长小于1100nm的光谱，这使得目前市场上硅光伏电池板的效率仅为20%左右。大部分太阳能都在光伏电池中耗散为废热，导致光伏电池过热，从而影响光伏的工作效率和使用寿命。
图1 基于光谱分裂的太阳能全光谱利用的概念
光谱分裂技术可高效地实现太阳能的全光谱利用，极大地突破光伏效率极限，其工作原理如图1所示。首先通过光谱分裂技术将太阳能光谱分割成若干部分，其中可被光伏利用的部分（图1中蓝色区域）被光伏电池吸收后用于发电，而其余不能被光伏高效利用的部分（图1中红色区域）则被光热吸收装置转化为高温热能。从而实现太阳能的全光谱利用，同时产生电能和高品位热能，使得太阳能总的转化效率得到极大提升。该技术被誉为下一代太阳能转化技术。然而，太阳能全光谱利用系统的最优光学设计、光伏材料选型及两者间的匹配原则均尚不明朗。目前现有的文献中对于最佳的光谱分裂位置（即图1中的虚线位置）仍未达成统一共识，因此该系统的理论效率极限也尚不清晰。
近日，英国帝国理工学院和浙江大学合作发展了相关的理论模型，可用于太阳能全光谱利用系统的模拟、优化和设计。该工作提出了不同应用场景中最佳的光学设计参数以及最佳光伏电池材料，并揭示了该系统的理论效率极限。
单一的光伏发电或单一的光热发电技术均具有一定的不足。太阳能全光谱的综合高效利用技术是亟待解决的科学难题。传统的太阳能综合光电/光热（PV/T）收集器是通过在光伏板背面安装换热器来收集太阳能电池中的废热，并同时产出电能和热能，从而大幅提升综合效率。然而，传统的PV/T收集器所能产生的热能的温度较低（仅60-80摄氏度），极大限制了该技术的应用和推广。光谱分裂技术可高效地将太阳能光电/光热过程进行耦合，可实现太阳能全光谱的综合高效利用。
图2 基于光谱分裂的太阳能全光谱利用技术工作原理
如图2所示，入射的光子按照能量等级的不同，被光谱分裂光学元件（spectral-splitting filter）分为两个不同的部分，并分别被光伏和集热器所利用。和传统的PV/T技术相比，基于光谱分裂的PV/T技术可以实现高效率电能以及高品位热能互不干扰的协同产出。作者从光伏的Shockley-Quisser极限出发，推导出了该太阳能全光谱利用系统的理论效率极限。
本文通过光伏/光热耦合数理模型，首次揭示了不同情况下的系统效率极限。如图3所示，研究表明，单结光伏电池在聚光情况下的发电效率极限约为30~40%，而基于光谱分裂的太阳能全光谱利用技术的综合发电效率极限可高达60~70%。不同的光伏电池所对应的系统效率极限不同。为了实现系统效率的最大化，需要根据不同的应用场合来选择不同的光伏材料。现有的商用光伏材料中，碲化镉（CdTe），砷化镓（GaAs），和铜铟镓硒（GIGS）薄膜电池更加适用于基于光谱分裂的太阳能全光谱利用系统。
图3 基于光谱分裂的太阳能全光谱利用系统（SSPVT）的极限效率
为了实现系统效率的最大化，除了选择合适的光伏材料以外，还需要确定最优的光谱分裂的光学参数。图3揭示了不同场景以及不同光伏材料下所对应的最佳光学参数。最佳的光学参数取决于热能与电能的相对价值。热能的相对价值越高，则越多的光谱被分配到集热器。根据具体的应用场景合理地分配光谱，可使得系统的综合效率最大化。通过合理地设计，基于光谱分裂的太阳能全光谱利用系统的综合效率大于单一的光伏或光热技术的效率。
图4 不同场景下最佳的光学参数及光伏材料
作者构建了基于光谱分裂的太阳能全光谱利用系统数理模型，揭示了该系统的理论效率极限，并提出了关键的光学参数以及光伏材料的选择方法。该研究将为设计下一代高效的太阳能全光谱利用系统，提供有价值的指导和参考。
该研究成果以”Efficiency limits of concentrating spectral-splitting hybrid photovoltaic-thermal (PV-T) solar collectors and systems”为题在线发表在Light: Science& Applications。
本文第一作者为帝国理工学院助理研究员黄干，合作者为浙江大学王凯研究员，通讯作者为帝国理工学院Christos N. Markides教授。
该研究成果以“Efficiency limits of concentrating spectral-splitting hybrid photovoltaic-thermal (PV-T) solar collectors and systems"为题在线发表在Light: Science & Applications。
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文章来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心
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