科学家可能已经克服了开发高效率、长效太阳能电池的主要障碍之一 - 电池降温，即使在正午的酷热阳光下。 研究人员在光学协会OSA公开发行的杂志上称，加州斯坦福大学的电气工程教授Shanshui Fan带领的团队，通过在普通太阳能电池的表面加上一种压花石英玻璃层，让太阳能电池由散发掉不需要的热辐射，从而达到冷却的效果。 太阳能电池是其中当今市场上最有前途、广泛使用的可再生能源技术。虽然来源和制造都很容易，但即便是最好的设计也只能将从太阳接收到的能量的一小部分转换成电力。 太阳光转换成电能当然有不可避免的损失，而其中很大一部分是由于太阳能电池过热。 正常工作条件下，太阳能电池很容易达到55摄氏度以上。这样苛刻的温度迅速地榨取着转换效率，显着地缩短了太阳能电池的寿命。然而采取积极的方法冷却太阳能电池，不管是通风或采用冷却剂，都是相当昂贵、备受争议的。
此次提出的新设计，采取了被动冷却方法避免了这些问题。通过在一层非常薄的石英玻璃表面的嵌入微小棱锥和圆锥状的金字塔结构，研究人员找到了一种新方法，将不必要热以红外辐射的形式从太阳能电池的表面上，穿过空气，并返回到外界。 “我们的新方法可被动地降低太阳能电池的工作温度，显著提高能源转换效率，增加太阳能电池的预期寿命，”光学论文的主要作者斯坦福大学物理学家朱Linxiao说， “这两点可以推动太阳能电池技术和广泛采用。” 太阳能电池直接将太阳光转化为电能。光子传递到太阳能电池的半导体区域，它们与电子形成光电子，光电子的流动产生电流。但即使是硅半导体最成功和最广泛使用的设计，光电转换效率仍低于30％ - 甚至是峰值效率。 未转换的太阳能产生的余热，不可避免地降低了太阳能电池的性能。每一摄氏度温升，会导致太阳能电池下降约半个百分点的转换效率。 “下降非常显著，”博士后学者Aaswath Raman说,“太阳能电池行业为了提高电池效率投入了巨大的成本。我们对覆盖并封装电池的玻璃进行的改变，帮助玻璃下方的太阳能电池改善了效率。这是本设计特别相关和重要的。” 为了被动冷却太阳能电池，以最小的成本使他们能够释放出多余的热量，我们利用了光的基本属性和特殊的红外“窗口”，通过地球大气层散热。 不同波长的光对太阳能电池的作用不同，可见光是最有效的发电波长，而红外线则对生热更有效。不同的波长其反射和和折射也不同，取决于它们穿过的材料类型和形状。 研究人员利用这些基本原则，设法让可见光通过，让更多长波长的光以热波的形式离开石英层。 “石英对可见光是透明的，但它也有可以微调对特定波长的光产生需要的反射和折射，”光学论文作者范教授说，石英层的精心设计不会降低太阳能电池的性能，但它会在预定的热波长提高辐射，更有效地让太阳能电池的发热远离电池表面。” 为了检验他们的想法，研究人员比较了两种不同的石英层设计：一个平坦的大约5毫米厚的表面，另一个更薄的石英层覆盖着只有几微米厚的任意维度的金字塔结构。这些结构的大小很重要。通过精确控制金字塔和微锥体的宽度和高度，可以把它们调谐到将不需要的红外线波长折射和反射远离太阳能电池，送回空中。 “我们的目标是降低太阳能电池的工作温度，同时保持它的光吸收，”范教授说，“我们非常高兴地看到，尽管平面玻璃也能提供一些被动散热，有微结构的石英层在散热上大大优于平面玻璃，而发电性能相当，确实是理想的方案。” 朱和他的同事们目前正在制造这些设备，并在他们的设计进行实验测试。他们的下一个步骤是展示太阳能电池在室外环境中的辐射冷却。“我们认为，这项工作解决了太阳能电池的运行和优化的一个重要技术问题，有巨大的商业化潜力。” 论文作者：L.朱，A.拉曼，K. Wang，M. Anoma，S.Fan，“太阳能电池的辐射冷却，”光学第一期，32-38（2014）。 |
