美國(guó)斯坦福大學(xué)研發(fā)太陽(yáng)電池散熱技術(shù)

美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究人員在美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)的新期刊《Optica》上發(fā)布了一項(xiàng)太陽(yáng)電池散熱新技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)是由斯坦福大學(xué)電氣工程教授范善輝（音譯）帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)完成的。他們通過(guò)在晶體硅太陽(yáng)電池表面附加一層特殊的石英玻璃(SiO2)，有效地降低了太陽(yáng)電池多余的熱輻射，從而提高太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率。

太陽(yáng)電池易于制造，但一直存在著太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換率過(guò)低的問(wèn)題。除去不可避免的能量損失，太陽(yáng)電池過(guò)熱是導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率低的主要原因。在正常工作條件下，太陽(yáng)電池很容易達(dá)到55℃以上的高溫，限制光電轉(zhuǎn)換率的同時(shí)也降低了電池壽命。據(jù)介紹，如果在氣溫約27℃的條件下受到能量密度為800瓦/平方米的日照，未采取措施的太陽(yáng)電池的表面溫度就會(huì)上升至約69℃。而室外型太陽(yáng)電池發(fā)電性能的額定值大部分是在25℃下測(cè)定的。而且，晶體硅類(lèi)太陽(yáng)電池對(duì)溫度上升的耐受性較差，溫度每升高1℃，電池效率就降低0.5%。電池表面溫度達(dá)到69℃時(shí)，輸出功率下降約19%，如果是轉(zhuǎn)換效率額定值為20%的太陽(yáng)電池，在這一條件下實(shí)際能發(fā)揮出的效率僅為16%左右。另外，溫度的升高也會(huì)加快太陽(yáng)電池的老化速度，每升高10℃，老化速度加快一倍。

“這種程度的轉(zhuǎn)換率降低是非常嚴(yán)重的?！痹撗芯繄?bào)告的共同作者Aaswath Raman說(shuō)，“在光伏行業(yè)，大量的資金被用來(lái)解決轉(zhuǎn)換率問(wèn)題?！蹦壳暗睦鋮s手段主要是利用通風(fēng)裝置和液體冷卻劑，但這些方式都缺乏經(jīng)濟(jì)性而且影響光伏性能。“我們的新方法可以被動(dòng)地降低太陽(yáng)電池的工作溫度，顯著提高其能源轉(zhuǎn)換效率和使用壽命?！彼固垢４髮W(xué)物理學(xué)家和該論文的第一作者朱林曉（音譯）說(shuō)。

在光譜里，可見(jiàn)光攜帶更多能量，而紅外線攜帶更多熱量。不同光線有著不同的波長(zhǎng)，不同波長(zhǎng)的光線在通過(guò)不同種類(lèi)和形狀的表面時(shí)折射和反射率都不同?！笆?duì)于可見(jiàn)光是可穿透的，但是又能調(diào)整某些特殊波長(zhǎng)光線的折射和反射率?！狈渡戚x解釋說(shuō)，他們?cè)O(shè)計(jì)的石英薄層，在反射掉紅外線的同時(shí)，不會(huì)影響電池對(duì)可見(jiàn)光的吸收，也不會(huì)降低電池性能，是種近乎理想的方案。他們的目標(biāo)是降低太陽(yáng)電池的工作溫度，從而提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換率。

此次開(kāi)發(fā)的技術(shù)是在太陽(yáng)電池表面粘貼約100微米厚、表面形成有棱錐體圖案的石英薄膜。棱錐體的高度為20微米，以4微米的間距緊密排列。將薄膜貼到電池表面后，與不貼薄膜的狀態(tài)相比，可將800瓦/平方米日照下的電池表面溫度控制在約52℃，輸出功率僅下降約11%，而轉(zhuǎn)換效率為20%的太陽(yáng)電池實(shí)際以約18%的效率工作。

該薄膜可抑制溫度上升的原因大致有3點(diǎn)：（1）材料采用石英，石英對(duì)可視光的透射率高，而對(duì)波長(zhǎng)在4微米以上的紅外線的透射率低；（2）實(shí)施了棱錐狀表面加工，其表面形狀對(duì)于波長(zhǎng)4微米以上的紅外線也具有可提高其與空氣的阻抗匹配的作用，這樣，從棱錐體的尖端到底部，實(shí)際折射率會(huì)慢慢發(fā)生變化，有助于降低反射，提高輻射性能；（3）厚度減薄，只有100微米，有利于電池的熱量向薄膜表面?zhèn)鬟f，還可確保可視光的透射率。上述三種技術(shù)已分別被現(xiàn)有技術(shù)單獨(dú)使用。此次斯坦福大學(xué)通過(guò)同時(shí)采取這三項(xiàng)措施，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)電池的高散熱性能。

不過(guò)，以上結(jié)果均是通過(guò)模擬獲得。研究團(tuán)隊(duì)的下一步是演示太陽(yáng)電池在室外環(huán)境的冷卻效果?！拔覀冋J(rèn)為這項(xiàng)工作解決了光伏發(fā)電的一個(gè)重要技術(shù)問(wèn)題，而且優(yōu)化太陽(yáng)電池性能，因此擁有很大的商業(yè)化潛力。”朱林曉說(shuō)。