通过光伏-热电容混合技术实现全光谱太阳能收集：具有类似斯特林循环的集成串联电池

《Energy》：Full-spectrum solar energy harvesting via photovoltaic-thermocapacitive hybridization: integrated tandem cell with Stirling-like cycle

全无机钙钛矿叠层太阳电池（TSC）与斯特林型热电电容循环（STC）耦合系统实现41.38%综合光能利用率，通过AgTaS3/BaSnS3异质结优化光谱吸收，热电循环回收废热提升功率密度至413.84 W/m2。

　　这项研究提出了一种创新的综合系统，结合了全无机硫属化物串联太阳能电池（TSC）、斯特林式热电容循环（STC）以及太阳能选择性吸收器（SSA），以应对全光谱太阳能收集和光伏转换中的挑战。该系统通过优化材料选择和结构设计，实现了更高效的能量利用，同时减少了热损失。这种多组件协同工作的设计不仅提升了系统的整体性能，还为未来太阳能技术的发展提供了新的思路。

随着全球经济增长的持续加速，传统化石燃料的消耗速度也在加快，这导致了资源枯竭和环境污染问题的加剧。为了解决这些问题，清洁能源的开发和利用变得尤为迫切。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，因其广泛存在、环境友好和易于转换的特性而受到高度重视。在太阳能利用技术中，光伏（PV）技术以其直接将太阳光转化为电能的能力成为核心。近年来，光伏材料和器件结构取得了显著进展，包括硅基、薄膜和新兴的钙钛矿光伏器件，这些技术都致力于在效率、稳定性和可扩展性之间取得平衡。

然而，传统的单结太阳能电池仍然受到肖克利-奎瑟（Shockley-Queisser）效率极限的制约，其理论最大效率仅为33.7%。这一限制主要源于两个关键因素：一是半导体带隙无法有效吸收低能量光子，二是高能量光子的多余能量通过热化损失，无法转化为电能。为了突破这一瓶颈，串联太阳能电池（TSC）应运而生。TSC通过垂直堆叠多个具有互补带隙的光电活性层，使得更宽的光谱可以被有效利用，从而提高整体效率并减少热损失。特别是钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光吸收性能、可调的带隙以及低成本的制造工艺而备受关注。

在TSC的开发过程中，带隙工程成为提升性能的关键策略。理论研究表明，1.6-1.7 eV的带隙范围是理想的选择，因为它能够有效减少热化损失，同时确保足够的光子传输至底层子电池。因此，研究者们开始关注硫属化物钙钛矿材料，这些材料不仅具有丰富的地壳元素，还表现出优异的热和化学稳定性。其中，钡锡硫化物（BaSnS?）因其接近理想的1.62 eV直接带隙而受到青睐，同时它还具备超高吸收系数和出色的载流子迁移率，这使得在最佳缺陷钝化条件下，其体复合损失可降至5%以下。与此互补的是银钽硫化物（AgTaS?），其0.97 eV的窄带隙能够高效吸收近红外光，从而为TSC的电流匹配提供支持。

尽管TSC在提升太阳能转换效率方面取得了显著进展，但仍有约15-20%的太阳辐射能量因未被完全利用而以低级热能的形式损失。这种热能如果得不到有效回收，不仅会限制系统的最大效率，还可能导致设备温度升高，进而影响其长期运行的稳定性。因此，如何有效回收和再利用这部分废热成为提升太阳能利用率的重要课题。传统的废热回收技术主要包括热电发电机（TEGs）、有机朗肯循环（ORCs）和联合冷却、加热与发电（CCHP）系统。这些方法虽然在一定程度上能够提高能量转换效率，但往往存在材料稀缺、毒性问题或复杂的流体机械结构等限制，影响了其在实际应用中的可行性。

鉴于传统废热回收技术的局限性，研究者们开始探索新兴的固态替代方案，其中斯特林式热电容循环（STC）展现出巨大的潜力。STC通过利用温度依赖的电双层电容变化，实现热能到电能的直接转换，而无需移动部件或流体介质。这种设计不仅简化了系统结构，还提高了其在空间受限环境中的适应性，特别是在ΔT（温差）较小的情况下，STC相较于传统方法更具优势。此外，STC还表现出良好的材料兼容性，便于与现有的光伏系统集成。尽管目前关于STC的研究仍处于初步阶段，但已有实验表明其在热电转换方面具有较高的可行性。例如，Chen等人开发了一种基于Ti?C?Tx MXene复合电极和多通道离子凝胶电解质的热电容超级电容器，实现了55.4 mV/K的Seebeck系数和6.48%的转换效率。这些成果为STC的进一步发展提供了坚实的理论基础和实验支持。

为了更全面地利用太阳能，本研究提出了一种创新的混合能量架构，将高效率、无毒且稳定的全无机硫属化物TSC与STC和SSA相结合。该系统通过分层的能量转换链，实现了全光谱的高效利用：TSC将可见光到近红外光范围内的光子转化为电能和废热，SSA则捕捉未被吸收的红外辐射并将其转化为低级热能，而STC则通过热电容循环回收这些热能，进一步转化为电能。这种多层级的能量转换机制不仅提高了系统的整体能量利用率，还有效缓解了传统光伏技术在效率、稳定性和可持续性方面的瓶颈。

在系统设计中，关键的优化策略之一是实现子电池之间的电流匹配。电流匹配对于TSC的性能至关重要，因为不匹配的电流会导致能量损失和效率下降。为了实现这一目标，研究者们采用了一种基于光谱过滤的策略，使得未被顶层宽带隙吸收器吸收的长波长光子能够被底层窄带隙子电池高效捕获。这一策略不仅提高了TSC的电流匹配度，还增强了整个系统的协同效应，从而显著提升了其整体性能。

此外，系统效率和功率输出的理论模型也是研究的重要组成部分。这些模型综合考虑了各个子系统中的不可逆损失，为系统的优化提供了理论依据。通过详细的参数分析，研究者们量化了关键设计和运行参数对系统性能的影响，包括工作温度、环境温度、钙钛矿吸收层（AL）的厚度和缺陷密度、充电终点电压和放电终点电压、再生器的比系数、电解质的初始离子浓度以及热传导系数等。这些参数的优化路径不仅为系统的实际应用提供了指导，还揭示了不同组件之间相互作用的机制，有助于未来混合光伏-热能系统的协同设计。

实验结果表明，该混合系统在峰值功率输出密度方面取得了显著提升，达到了413.84 W/m2，整体能量效率也提高至41.38%，比单一TSC提高了16.63%。这一性能的提升主要归功于STC的引入，它不仅能够高效回收废热，还通过热电容循环进一步增强了系统的能量转换能力。同时，研究还发现，SSA的引入对于红外辐射的捕获和热能的转化起到了关键作用，为系统的全光谱利用提供了保障。

本研究的成果不仅为混合光伏-热能系统的优化提供了实用的指导，还为下一代光伏-热能耦合架构的设计和开发提供了深入的理论支持。通过合理选择材料、优化结构设计和控制关键参数，该系统能够在不依赖复杂流体机械装置的前提下，实现高效、稳定和可持续的太阳能利用。这种设计思路为未来太阳能技术的发展指明了方向，同时也为解决全球能源危机提供了新的解决方案。

从更广泛的角度来看，这一研究展示了跨学科合作在推动新能源技术发展中的重要性。通过将光伏技术与热电容循环技术相结合，研究人员不仅克服了传统光伏系统在效率和稳定性方面的限制，还为实现更高效的太阳能利用开辟了新的路径。这种创新的系统设计表明，未来的能源解决方案将越来越依赖于多技术的融合和协同工作，以应对日益严峻的能源和环境挑战。

此外，本研究还强调了材料创新在推动太阳能技术发展中的核心地位。全无机硫属化物钙钛矿材料因其优异的光吸收性能、热稳定性以及环境友好性，成为TSC和SSA的理想选择。这些材料的特性不仅提升了系统的能量转换效率，还降低了对稀有或有毒材料的依赖，为实现可持续的能源系统提供了可能。同时，研究还指出，通过优化材料的带隙匹配和缺陷钝化条件，可以进一步减少能量损失，提高系统的整体性能。

最后，该研究为未来太阳能技术的发展提供了重要的启示。在应对全球能源和环境问题的过程中，单一技术的突破往往难以满足复杂的需求，而多技术的协同工作则能够实现更高效、更稳定的能量转换。通过将光伏、热电容循环和选择性吸收器等技术有机整合，本研究提出的混合系统不仅提升了太阳能的利用率，还为实现更加环保和可持续的能源解决方案提供了新的思路。这种跨学科的创新模式有望在未来推动太阳能技术的进一步发展，为全球能源转型提供强有力的技术支持。