[論文レビュー] Practical development of efficient thermoelectric – Photovoltaic hybrid systems based on wide-gap solar cells

Bruno Lorenzi, Paolo Mariani+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Perovskite Materials and Applications参考文献 55被引用数 62

ひとこと要約

本研究では、特製のビスマスチルルール化物熱電デバイス（TEGs）を用いた、熱的に結合され電気的に分離されたハイブリッド熱電-太陽電池（HTEPV）システムの提案と実験的検証を報告する。広帯域ギャップ太陽電池と組み合わせた場合、実運用条件下でペロブスカイト太陽電池の効率が+3.1%（16.4%から19.5%）向上し、太陽電池の損失から生じる熱を回収することで顕著な性能向上を実証した。

ABSTRACT

The decrease of solar cell efficiency with temperature is a known problem for photovoltaics (PV). Temperature sensitivity can lead to a considerable amount of energy losses over the lifetime of solar panels. In this perspective Hybrid Thermoelectric-Photovoltaic (HTEPV) systems, which recover solar cell heat losses to produce an additional power output, can be a suitable option. However only hybridization of wide-gap solar cells is convenient in terms of efficiency gains and deserves investigation to evaluate HTEPV devices effectiveness. In this work we report the modeling and the development of customized bismuth telluride thermoelectric generators, optimized to be hybridized with amorphous silicon (aSi), Gallium Indium Phosphide (GaInP) or Perovskites solar cells. The model results showed in all three cases efficiency gains with a maximum of +3.1% for Perovskites (from 16.4% to 19.5%). These enhancements were then experimentally validated for the case of Perovskites solar cells, for which maximum gains were found to occur at typical operating temperatures of conventional PVs. This experimental evaluation demonstrated in an accurate fashion the real potential of thermoelectric hybridization of solar cells.

研究の動機と目的

• 広帯域ギャップ太陽電池と熱電デバイス（TEGs）をハイブリッド化することで効率を向上させることの可能性を評価すること。
• 非晶性シリコン（aSi）、ガリウムインジウムホスファイド（GaInP）、ペロブスカイト太陽電池と熱的に結合するTENGの設計をモデル化・最適化すること。
• ペロブスカイト太陽電池に焦点を当て、理論的予測されたHTEPVシステムの効率向上を実験的に検証すること。
• 実運用条件下における熱電ハイブリッド化の実用的潜在能力を示すこと。

提案手法

• 温度、光濃縮率、冷却条件を関数とするHTEPVシステム効率を予測する理論的モデルを開発した。
• 温度依存性が低く、潜在的な効率向上が大きいことから、モデル化の結果、ペロブスカイト太陽電池を最適なPV材料として選定した。
• 太陽電池の裏面との熱的接触を最適化した、特製のビスマスチルルール化物ベースのTEGsを設計・製造した。
• 温度、光濃縮率、大気圧、冷却側の冷却条件を変化させた条件下で、HTEPVシステムの実験的特性評価を実施した。
• ヒステリシス効果を低減するために、安定化した出力測定を用いてペロブスカイト太陽電池の効率を正確に評価した。
• 理論的予測と実験結果を比較することで、異なる運用条件下における理論的効率向上の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱電ハイブリッド化は、特にペロブスカイトを含む広帯域ギャップ太陽電池の効率を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 非晶性シリコン（aSi）、ガリウムインジウムホスファイド（GaInP）、ペロブスカイト太陽電池の中で、TEGsとハイブリッド化した場合に最も高い効率向上を示すのはどれか？
• RQ3 熱的に結合されたHTEPVシステムで効率向上を最大化するための最適なTEG設計は何か？
• RQ4 実運用条件（温度、光濃縮率、冷却）はHTEPVシステムの性能にどのように影響するか？
• RQ5 実験結果は、理論的予測による効率向上の程度をどの程度裏付けているか？

主な発見

• 理論的モデルは、最適化条件下でペロブスカイト太陽電池の最大効率向上が+3.1%（16.4%から19.5%）であると予測した。
• 実験的検証により理論的予測が確認され、ペロブスカイト太陽電池を搭載したHTEPVシステムにおいて、測定可能な顕著な効率向上が実証された。
• 通常の太陽電池システムの運転温度帯で最も高い効率向上が観察されたことから、実用的意義が示された。
• ペロブスカイト太陽電池は温度依存性が低く、熱回収の可能性が高いため、熱電ハイブリッド化戦略が特に効果的であった。
• 本研究では、熱的に結合され電気的に分離されたHTEPVシステムが、光的に結合された構成よりも、太陽電池からの熱損失をより効果的に回収できることを確認した。
• 広帯域ギャップ太陽電池、特にペロブスカイトを基盤とするHTEPVシステムは、実用的なエネルギー回収応用において顕著な実現可能性を示した。