混合钙钛矿光伏-光热协同采集技术：实现全光谱高效太阳能利用的新途径

本文提出了一种创新的混合太阳能采集系统，结合半透明钙钛矿光伏（SPV）与光热（ST）技术，通过光谱分裂实现电热联产。该系统利用SPV选择性吸收高能光子发电（效率14.3%），同时将≈55%亚带隙红外光子导向ST收集器生成高温热能（900°C），整体?效率达≈30.0%，为工业供热和电力供应提供了零碳解决方案。

　　

引言：太阳能采集的挑战与机遇

传统单结光伏技术存在固有局限性，无法利用低于带隙能量的光子，导致大量太阳能被浪费。全球最终能源消耗中，热能和电能分别占比约50%和20%，但其中大部分仍依赖化石燃料，贡献了约50%的二氧化碳排放。工业部门消耗全球约一半的热能，需求涵盖低温（60–100°C）、中温（100–400°C）和高温（>400°C）热源。因此，开发零碳热能和电能生成技术至关重要。

硅基光伏模块的功率转换效率（PCE）通常为15–24%，其理论极限为29.4%。剩余太阳能因热化损失（40–50%）和透射损失（20–30%）而浪费，不仅未充分利用入射阳光，还导致太阳能电池在高温工作时PCE降低。尽管可通过热耦合热交换器回收废热，但输出温度受限（60–85°C），无法满足工业高温需求。热能的价值取决于其温度，电能具有100%?值，而热能的?值受温度限制。

光谱分裂技术可将太阳光谱分离为不同部分，分别导向光伏模块和光热吸收器，实现电力和高温热能的协同生成。然而，传统方法因需集成额外光学滤波器而增加系统复杂性和光学损失。本研究提出一种新方法，直接利用半透明钙钛矿太阳能模块实现光谱分裂，无需外部光学滤波器。

混合钙钛矿光伏-光热（PVST）概念

基于有机-无机卤化铅钙钛矿（APbX₃）的半透明光伏模块近年来备受关注。钙钛矿太阳能模块的带隙可通过调节化学成分在1.5至2.3eV之间调整，从而调控阳光吸收和透射比例，适用于多种叠层太阳能结构。钙钛矿模块不仅具有高PCE潜力，制造成本也低于传统硅模块。

研究提出两种混合PVST概念：PVST-1和PVST-2。PVST-1基于选择性透射半透明钙钛矿光伏（SPV），吸收紫外和可见光谱发电，同时将红外光谱透射至光热吸收器（ST）。PVST-2结合SPV与红外反射器（IRR），将红外光子反射至独立ST吸收器。两种设计均将太阳光谱在≈780nm波长处分离，分别用于发电和产热。

与现有方法相比，本研究无需外部光学滤波器，直接利用SPV的光学特性实现光谱分裂。早期建模工作已验证其可行性，本研究进一步通过实验制备、光学电学表征、?分析和系统级建模实现功能化混合采集器。

核心组件原型：SPV、IRR与ST

SPV结构为玻璃/ITO/2PACz/Cs_0.17FA_0.83Pb(I_0.92Br_0.08)₃/LiF/C₆₀/BCP/SnO₂/IZO，呈现半透明外观。ST和IRR为商用材料，有效面积统一为2cm×2cm。IRR直接置于SPV下方，无需粘合剂。

光学性能显示，SPV吸收率（α_SPV）在短于780nm波长范围内平均值为≈0.79，超过该阈值后急剧下降，表明带隙约为1.6eV。SPV的全局透射率（τ_SPV）在780nm以上显著增至0.55，允许红外光谱透过。约26.7%的红外光谱被SPV反射。ST和IRR分别具有高吸收率和高反射率。

入射角变化影响光学性能：SPV的镜面透射率随入射角增大而降低，而SPV+IRR的镜面反射率在大入射角下能导向更多太阳能至ST吸收器。漫反射和透射率均低于5.0%。

电性能测试显示，SPV在25°C时开路电压7.7V，短路电流12.3mA，最大功率点功率57.6mW，电效率14.3%。效率随温度升高线性下降（温度系数-0.23%/K），随入射角增大而降低（超过60°时低于10.2%）。

太阳能转换过程与?分析

PVST系统中，太阳能转换为电能（ELE）、SPV热（H_SPV）和ST热（H_ST）。电能具有100%?值，热能?值取决于温度，可通过热力学循环计算。?比（ρ_ex-h）公式为：ρ_ex-h = 1 - T₀/(T_out - T_in) * ln(T_out/T_in)，其中T₀为环境温度（300K），T_out为输出温度，T_in为入口温度。

PVST-2性能优于PVST-1，总体能量效率达84.4%（电能13.2%、SPV热44.1%、ST热27.1%），?效率30.0%（电能13.2%、SPV热2.4%、ST热14.4%）。每1kWh太阳能输入可产生0.13kWh电力、0.44kWh低温热和0.27kWh高温热，相当于≈0.3kWh有用功潜力。

采用文献报道的纪录效率钙钛矿电池（η_ele = 27.0%）时，?效率可提升至>40%（电能24.0%、SPV热1.8%、ST热14.4%）。提高ST温度无法进一步增加?效率，因热损失增加抵消收益。

大型混合PVST采集器性能建模

基于菲涅尔透镜（FL）和太阳能碟（SD）聚光器设计混合PVST采集器。PVST-2概念集成SPV+IRR与反射镜，升级传统聚光器。入射光被光谱分离，SPV发电，红外光谱反射至ST生成高温热，SPV废热通过热交换器回收产生低温热。

漫射光比例影响性能：SPV可利用直射和漫射光，但漫射红外光无法被ST利用。漫射比例增加时，ST产热比例下降。系统在直射光下总效率74.4%，漫射光比例20%时仍保持70.7%。

?分析显示，FL聚光器（热温度450°C）最大?效率24.0%，SD聚光器（900°C）可达27.9%。采用纪录效率钙钛矿电池时，?效率可达38.2%。PVST系统?效率优于现有单结光伏技术，理论潜力超过40%。

结论与展望

混合PVST太阳能采集方法基于半透明钙钛矿光伏，实现电力和热能的解耦生成，最大化太阳能潜力。PVST-2?效率≈30.0%，采用高效钙钛矿电池时可达>40%。该系统可扩展至大面积应用，但需解决热管理和光学均匀性挑战。未来研究应通过大规模系统集成评估实际性能，推动可持续清洁能源发展。

实验方法

SPV模块采用激光划片技术制备，层结构为玻璃/ITO/2PACz/Cs_0.17FA_0.83Pb(I_0.92Br_0.08)₃/LiF/C₆₀/BCP/SnO₂/IZO。IRR和ST为商用材料。光学表征使用UV-vis-NIR光谱仪，电性能测试采用AAA级太阳模拟器。?计算基于热力学公式，系统建模考虑实际光学损失和热损失。