[论文解读] 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 62

一句话总结

本研究提出并实验验证了一种热耦合、电隔离的混合热电-光伏（HTEPV）系统，采用定制化的铋碲化物热电发电机（TEGs）与宽带隙太阳能电池配对。在真实工作条件下，该系统使钙钛矿太阳能电池的效率最高提升+3.1%（从16.4%提升至19.5%），通过回收光伏损耗的热量显著提升了性能。

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.

研究动机与目标

• 评估将宽带隙太阳能电池与热电发电机（TEGs）混合以提升效率的可行性。
• 建立并优化TEG设计模型，以实现与非晶硅（aSi）、GaInP及钙钛矿太阳能电池的热耦合。
• 通过实验验证理论预测的HTEPV系统效率增益，重点针对钙钛矿太阳能电池。
• 展示热电混合技术在真实工作条件下的实际应用潜力。

提出的方法

• 开发理论模型，以预测HTEPV系统效率随温度、光学聚焦比和冷却条件的变化关系。
• 基于建模结果，选择钙钛矿太阳能电池作为最优光伏材料，因其温度敏感性较低且效率增益潜力更高。
• 设计并制造了专用于与太阳能电池背面实现良好热接触的铋碲化物基TEGs。
• 在不同温度、光学聚焦比、环境气压及冷端冷却条件下，对HTEPV系统进行实验表征。
• 采用稳定功率测量方法准确评估钙钛矿太阳能电池效率，最大限度减少迟滞效应的影响。
• 通过对比不同工作条件下实验结果与理论预测的效率增益，验证了模型预测的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 热电混合是否能显著提升宽带隙太阳能电池（尤其是钙钛矿）的效率？
• RQ2 在非晶硅、GaInP和钙钛矿三种宽带隙太阳能电池中，哪一种与TEGs混合后可获得最高的效率增益？
• RQ3 如何设计最优TEG以最大化热耦合HTEPV系统中的效率增益？
• RQ4 真实工作条件（温度、光学聚焦比、冷却条件）如何影响HTEPV系统性能？
• RQ5 实验结果在多大程度上证实了理论预测的效率提升？

主要发现

• 理论模型预测，钙钛矿太阳能电池在最优条件下效率最高可提升+3.1%（从16.4%提升至19.5%）。
• 实验验证确认了理论预测，表明在HTEPV系统中使用钙钛矿太阳能电池可实现可测量且显著的效率提升。
• 效率增益最大值出现在常规光伏系统的工作温度范围内，表明其具有实际应用价值。
• 由于钙钛矿太阳能电池温度敏感性较低且热回收潜力更高，该混合策略对其效果最为显著。
• 研究证实，热耦合、电隔离的HTEPV系统在回收光伏电池热损失方面优于光学耦合配置。
• 结果表明，基于宽带隙太阳能电池（尤其是钙钛矿）的HTEPV系统在实际能量采集应用中具有巨大潜力。