半透明钙钛矿光伏-聚光太阳热协同收集器：基于光谱分离的电热联产新架构

《Advanced Science》：Hybrid Semi-Transparent Perovskite-Photovoltaics and Concentrated Solar-Thermal Harvesting Collectors

　　

光伏（PV）与太阳热集热器在高效利用太阳能方面均存在局限。研究人员提出一种混合半透明钙钛矿光伏与聚光太阳热（SPV-CST）收集器，通过光谱分离最大化太阳能利用。半透明钙钛矿太阳能电池（SPV）捕获漫射与直射太阳光，将短波长光转为电能，透射近红外谱；透射光经透镜聚焦至太阳热吸收体，产生88.0°C至154.9°C热量，而SPV工作温度被限制在38.5°C，电效率保持13.8%。采用文献中先进半透明钙钛矿电池后，SPV-CST电效率可由13.8%提升至21.3%，100°C出热温度下热效率仅由20.7%微降至19.2%。该研究为混合太阳集热器的设计、建模与运行优化提供依据，可推动多样气候下的可持续太阳能应用。

研究背景方面，太阳能是全球最丰富可再生源，光伏（Photovoltaics，PV）与太阳热（solar thermal）是主要利用路径。常规PV只能利用高于半导体带隙的光子，存在透射损失与热化损失；传统PV-热（PV-thermal）集热器为保电效需将热吸收体控制在60°C以下，电、热性能存在权衡。光谱分离可实现热解耦，薄膜滤光片与纳米流体方案会带来光学损失与系统复杂化。半透明光伏器件可作光学滤波器，而钙钛矿PV具可调带隙（1.5至2.3 eV），比硅（1.12 eV）更高，能透出近红外用于产热，但基于钙钛矿的SPV-CST设计尚不清楚。该论文发表于《Advanced Science》。

关键技术方法上，研究人员制备4 cm²单晶集成式半透明钙钛矿组件（glass/ITO/2PACz/Cs_0.17FA_0.83Pb(I_0.92Br_0.08)₃/LiF/C₆₀/BCP/SnO₂/IZO），用UV-vis-NIR分光光度计测反射透射；以COMSOL Multiphysics 6.0做光线光学（ray optics）与共轭传热及流体动力学（conjugate heat transfer and fluid dynamics）两步仿真；用双灯AAA太阳模拟器与重力驱动水流验证热模型；以AM1.5G（Air Mass 1.5 Global）1000 W/m²为输入，菲涅尔透镜几何聚光比约99，热吸收体置真空腔并覆低发射率涂层。

研究结果部分，2.1 SPV-CST收集器概念：SPV模块约1 m²置于菲涅尔透镜前，吸≤775 nm光发电，>775 nm透射光被聚焦至聚光太阳热（CST）吸收体，SPV与CST焦平面距1.4 m实现热解耦，漫射光可用于发电而不仅聚光直光。

2.2 关键部件特性：SPV光谱加权吸收53%、透射29%、反射18%；菲涅尔透镜透射88.5%；CST吸收体10×10×1.2 cm铝材，表面涂层500至1500 nm吸收>98%，长波发射率低于0.2；近红外反射可借抗反射涂层与氢掺杂氧化铟（IO:H）进一步降损。

2.3 建模与理论/实验验证：光线光学功率SPV 520 W、CST 264 W与理论一致；CST吸收体水工质实验与仿真进出口温差误差<4%，共轭传热流体模型可靠。

2.4 SPV-CST收集器性能评估：直光900 W/m²可聚光、漫射100 W/m²不可聚光；CST平均146°C、出油135°C，SPV恒为38.5°C；流量2.9至7.5 kg/h时出热88.0至154.9°C，电效恒13.8%，热效18.8%至21.0%；辐照降至400 W/m²出热74.5°C而热效仍约19.6%。

2.5 SPV-CST潜力分析：SPV1/SPV2/SPV3电效14.2%/22.0%/19.5%，透射29%/26%/30%；SPV2使系统电效21.3%、100°C热效19.2%；漫射比10%至50%不影响电效但线性降热效；带隙1.5至2.3 eV时理论PV效32.1%降至16.7%，可产热太阳能份额39.4%升至72.4%。

讨论与结论翻译：该研究证明以半透明钙钛矿（SPV）模块置于菲涅尔透镜前、将透射直光聚至CST吸收体可实现PV与高温热接收器热解耦；SPV恒38.5°C免主动冷却，CST可达154.9°C而电效不受吸热体温度影响。未来应推进钙钛矿PV效率与稳定性、降光学损失、接入>26%电池使电效达约25%且少损热性能；该SPV-CST收集器可为同孔径同时供电与中高温热提供可持续方案，适配面积受限且电、热并需场景，助力净零能源转型。