应用于硅太阳电池被动冷却的基于光子结构的近完美光谱选择镜的设计
The Design of Near-Perfect Spectrum-selective Mirror Based on Photonic Structures for Passive Cooling of Silicon Solar Cells
Nanomaterials 2020, 10(12), 2483; https://doi.org/10.3390/nano10122483
研究背景
晶体硅太阳能电池（CSSC）在阳光照射下产生电能的同时还会被太阳辐射加热。这种自热效应使得CSSC的工作温度高出环境温度20-40℃，导致CSSC的效率和可靠性降低。CSSC工作温度的升高主要是由于吸收了不能转化为电子的光子。由于光伏板的部分高温归因于亚带隙吸收，因此提出了选择性吸收冷却来防止太阳能电池吸收太阳光的亚带隙光子。以CSSC为例，在0.3~1.1μm波长范围内能量高于硅带隙的光子被CSSC吸收产生电子-空穴对，在1.1~2.5μm波长范围内能量低于硅带隙的光子被CSSC反射以减少余热的产生。然而，实际的光伏板在亚带隙波长范围内有大量的吸收。而且由于大多数选择性吸收冷却器采用多层光学薄膜设计，很难使冷却器在0.4-1.1μm波长范围内具有低反射率，在1.1-2.5μm波长范围内具有高反射率。此外，面向天空的地面物体可以通过增加辐射层来实现辐射冷却效果，所以通常在太阳能电池面向阳光的一侧放置辐射冷却层。然而，辐射冷却层很容易影响太阳能电池的光吸收，很难同时达到优化辐射冷却和选择性吸收冷却效果。
性能表征
本研究设计的用于冷却CSSC的一种近乎完美的光谱选择性反射镜如图1所示。CSSC冷却步骤如下：入射太阳光照射至光谱选择镜，波长范围为0.3-1.1µm的光将被反射到CSSC上，并进一步产生电子-空穴对，而波长范围为1.1-2.5µm的光将透过光谱选择镜，防止CSSC自热。在本研究中，CSSC的背面朝向天空并添加辐射冷却层，这使得辐射冷却效果很容易实现。在强非辐射冷却和弱非辐射冷却条件下，利用辐射冷却和选择性吸收冷却的作用，对CSSC进行了有效的冷却。
图1 光谱选择镜的反射率
所设计的光谱选择性反射镜的反射率如图2所示。0.3~1.1μm和1.1~2.5μm波长范围内的平均反射率分别约为93%和4%。由于设计基于带通滤波器，阻带边缘清晰锐利。当波长达到1.1μm时，反射率值明显下降。阻带的边缘与CSSC的吸收截止波长匹配良好。
图2 光谱选择镜的反射率
光谱选择镜在不同入射角下的平均反射率值如图3所示。该光谱选择镜在入射角为10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°和80°时的平均反射率分别为96.63%、95.38%、92.96%、88.49%、81.77%、76.32%、70.83%和70.17%。结果表明，该反射镜在10~40°的入射角范围内能有效地反射光线。在入射角为10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°和80°时，反射镜的平均反射率分别为3.34%、2.71%、2.23%、1.87%、2.68%、4.16%、9.62%和28.98%。结果表明，1.1-2.5μm波长范围内的大部分太阳光可以透过反射镜，直到入射角达到70°。对太阳光斜入射的模拟结果表明，在实际应用中，光谱选择性反射镜的安装系统应慎重设计。
图3 光谱选择镜在不同入射角下的平均反射率值
通过设置不同的入射太阳加热功率，计算了空白CSSC（Bare CSSC）、带选择性吸收冷却器的CSSC（CSSC-SC）、带辐射冷却器的CSSC（CSSC-RC）和带选择性吸收冷却器和辐射冷却器的CSSC（CSSC-SC-RC）的工作温度。随着太阳能加热功率的增加，Bare CSSC的工作温度显著升高，当太阳能加热功率达到1000W/m2时，工作温度可达353.7K。然而，在太阳能加热功率为1000W/m2的情况下，CSSC-SC和CSSC-RC可分别降低工作温度约11.9K和15.6K。如果同时采用上述两种被动冷却策略，冷却温度可达到23.2K。
图4 空白CSSC、带选择性吸收冷却器的CSSC（CSSC-SC）、带辐射冷却器的CSSC（CSSC-RC）和带选择性吸收冷却器和辐射冷却器的CSSC（CSSC-SC-RC）的计算工作温度。非辐射换热系数为h1=12W/m2 K和h2=6W/m2 K。顶部和底部的环境温度都是300K
机理分析
光伏板的自热效应来源于不完全热辐射和亚带隙吸收。因此，光谱选择性冷却方法的基本原理可以归类为增强太阳能电池的热辐射和减少亚带隙光子的吸收（不能产生电子-空穴对）。这两种被动冷却方法分别命名为辐射冷却和选择性吸收冷却。辐射冷却的主要原理是提高太阳电池表面的热辐射，从而降低太阳电池的温度。辐射冷却的效果很大程度上取决于当地的地形和气象条件。
本章小结
为了在不需要额外能量输入的情况下降低CSSC的工作温度，设计了一种光谱选择性反射器。该光谱选择镜具有近乎完美的光谱吸收特性，在0.3~1.1µm波长范围内的平均反射率约为93%，在1.1~2.5µm波长范围内的平均反射率约为4%。通过这种方式，该设计防止CSSC吸收不能产生电子-空穴对的无用光子。此外，它在不改变CSSC光吸收的情况下应用辐射冷却策略，以进一步增强太阳能电池的热辐射，使其在低风速和高风速气象条件下都具有强大的冷却效果。此外，在1000W/m2的太阳热功率下，CSSC的工作温度可降低23.2K。因此，将选择性吸收冷却和辐射冷却这两种极具潜力的冷却技术结合在一起，该设计成为一种性能优越的被动冷却方法。
