[论文解读] Experimental determination of power losses in solar cells

Bruno Lorenzi, M. Acciarri+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2018

solar cell performance optimization被引用 1

一句话总结

本文提出了一套实验框架，通过结合外部量子效率、电流-电压特性以及反射率测量，精确量化太阳能电池中的热功率损耗。研究发现，热损耗发生在整个太阳光谱范围内，而不仅局限于红外波段，表明所有光伏技术都需具备宽带热能收集能力。

ABSTRACT

Solar cell thermal recovery is recently attracting more and more attention in the research community as a viable solution to increase photovoltaic efficiency. However the convenience of the implementation of such strategy is bound to the precise evaluation of the recoverable thermal power, and to a proper definition of the losses occurring within the solar device. In this work we establish a framework in which all the solar cell losses are defined and described. Aim is to determine the components of the thermal fraction. We therefore describe an experimental method to precisely compute these components from the measurement of the external quantum efficiency, the current-voltage characteristics, and the reflectivity of the solar cell. Applying this method to three different types of devices (bulk, thin film, and multi-junction) we could exploit the relationships among losses for the main three generations of PV cells available nowadays. In addition, since the model is explicitly wavelength-dependent, we could show how thermal losses in all cells occur over the whole solar spectrum, and not only in the infrared region. This demonstrates that profitable thermal harvesting technologies should enable heat recovery over the whole solar spectral range.

研究动机与目标

• 建立一个全面的框架，以识别并量化太阳能电池中所有的热功率损耗。
• 通过可测量的电学和光学参数，实现对光伏器件中热能占比的精确测定。
• 评估热损耗在不同代际太阳能电池（体结、薄膜、多结）中的变化情况。
• 证明热损耗不仅局限于红外波段，而是发生在整个太阳光谱范围内。
• 通过明确热能可回收的完整光谱范围，为高效热能回收系统的设计提供依据。

提出的方法

• 该方法结合实验测得的外部量子效率（EQE），以确定光子在光谱范围内的吸收与转换效率。
• 利用电流-电压（I-V）特性曲线提取电能输出，并识别电压与电流损耗。
• 引入反射率测量，以考虑未进入电池的光线，从而计入光学损耗。
• 通过比较总入射太阳辐射功率与电能输出及实测损耗之和，计算各项损耗分量。
• 该模型明确具有波长依赖性，可实现对太阳光谱范围内热损耗的光谱分解。
• 该框架应用于三种不同类型的太阳能电池：体结型、薄膜型和多结型，实现跨代际比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同代际太阳能电池中的热功率损耗主要由哪些组分构成？
• RQ2 热损耗在太阳光谱中的分布如何？其贡献是否局限于红外区域？
• RQ3 基于其光学与电学特性，太阳能电池中的热能可回收程度如何？
• RQ4 体结型、薄膜型与多结型太阳能电池之间，光学、电学与热学损耗之间的相互关系有何差异？
• RQ5 能否建立一个统一的、基于实验的框架，以量化光伏器件中的热损耗？

主要发现

• 太阳能电池中的热损耗发生在整个太阳光谱范围内，而不仅限于红外波段。
• 该框架仅通过实验可测参数（EQE、I-V曲线、反射率）即可实现对热功率损耗的精确量化。
• 该方法揭示了热损耗在三种太阳能电池代际中均显著存在——体结型、薄膜型与多结型，凸显了热能回收的潜力。
• 波长依赖性模型表明，热能在整个太阳光谱范围内持续生成，意味着有效的热能收集必须覆盖全光谱范围。
• 本研究证明，热能占比并非单一数值，而是随波长变化，因此必须采用宽带热能回收系统。
• 该方法为评估任何光伏器件的热能回收潜力提供了统一且定量的依据。