具有光谱分光能力与非常规双面特性及最小自遮挡的四端光伏瓦的实验验证与数值评估

《Solar Energy》：Experimental validation and numerical assessment of 4 T spectral-splitting photovoltaic tile with unconventional bifacial capabilities and minimized shading

　　

研究人员制作了一种原型光谱分光四端（4 T）双面光伏（PV）瓦。户外测试证实在低太阳高度角下反照率（albedo）收集得到改善。最佳性能要求较低的离地间隙高度（clearance height），最适合一体化光伏（IPV）应用。在使用硅（Si）与砷化镓（GaAs）电池、系统面积约为1 m2时，预期功率转换效率（PCE）超过30%。改进可见光波段的谱匹配以及采用更高开路电压（Voc）电池可进一步提升效率。单结晶硅（Si）光伏（PV）太阳能电池能量转换效率已达27.9%纪录，接近29.8%理论极限，进一步改良空间有限。建筑与车辆一体化光伏（IPV）需要适配复杂支撑结构，范式转变有益。双面电池可收集背面辐照，双结串联中宽禁带（WBG）顶电池吸收高能光子、窄禁带（NBG）底电池收集透射红外出光，但两端（2 T）多结存在电流匹配与衬底退化限制。四端（4 T）方案将不同电池独立制造并堆叠，各经自有正负端接口，规避上述多数问题，挑战转为光谱分配优化。光谱分光用二向色镜（dichroic mirror）分割入射太阳辐射并驱动各子带至合适禁带电池，放松尺寸与电流匹配约束。研究人员提出结合光谱分光、4 T连接与双面性的双结概念验证瓦：直角楔形棱镜核心、斜边与短直角边各置二向色镜、顶面临光，可见光低倍光学聚集分给WBG GaAs、透射红外出光经全内反射（TIR）限域至NBG双面Si异质结（SHJ）电池；该几何在低纬度低太阳高度角晨昏增益显著，且最小化地面占位，适合IPV积木块。研究人员用商用2.0×2.0 cm2 GaAs（STC下PCE 20%、Voc 1016 mV、Isc 100.3 mA）与3SUN双面Si SHJ切片约6.8×2.0 cm2（STC下Voc≈730 mV、Isc 516.8 mA、双面因子约90%、PCE 24%）装成原型，在意大利卡塔尼亚CNR-IMM露台陶瓷地面、夏至关前后四日9–17时、变离地间隙高度h=19/30/42/90 cm户外测试，并以ZEMAX OpticStudio非序列3D光线追迹（ASTM G173–23谱、反照率0.8、OPR与PCEeff指标）建模。结果确认低h增强背面反照率收集、最佳性能对应低间隙高度；数值评估多瓦成行随地面覆盖率（GCR）增大PCE下降，约1 m2 Si+GaAs系统PCEeff预期超30%；二向色镜在45°入射标称截止805 nm，离角蓝移/红移。讨论指出空气隙杂散反射降级光学效率，未来需理想耦合与更高Voc可见波段电池；该瓦为IPV提供超越标准双面单结的路径。

研究背景与立项依据

单结晶硅（Si）光伏（PV）电池实验室转换效率已达27.9%，逼近29.8%理论极限，常规技术边际增益收窄。建筑一体化与车辆一体化光伏（IPV）要求器件适应复杂承力结构，且当光伏构件兼具功能与美学属性时成本约束可部分放宽。多结叠层（multi-junction）中宽禁带（WBG）顶电池吸紫外蓝光、窄禁带（NBG）底电池收红外出光，但两端（2 T）串联受电流匹配、Si衬底热退化、透明电极等制约。四端（4 T）架构将子电池分体制造、各自正负端引出，免除面积/技术/电流匹配与界面工程约束，双面运行天然兼容，代价是地面占位次优、光谱分配需优化。光谱分光以二向色镜（dichroic mirror）按波段分流，可放松尺寸匹配。研究人员此前提出一种直角楔形棱镜光伏（PV）瓦：顶面临光、斜边与短直角边嵌互补二向色镜、全内反射（TIR）限域，可见光低倍聚于WBG GaAs、透射近红外（NIR）导向NBG双面Si异质结（SHJ）电池，南北极向安装、低纬度低太阳高度角晨昏增益突出，最小化自遮挡与地面足迹，适合作IPV单元。本文在《Solar Energy》报道该双结4 T双面瓦的首个户外实验验证与数值评估。

主要关键技术方法

研究人员采用ZEMAX OpticStudio非序列模式3D光线追迹，入射源合ASTM G173–23谱与晴空直射/ circumsolar/朗伯漫射/反照率0.8地面反射，定义光学功率比（OPR）与基于顶面临光面积的有效效率PCE_eff=（P_GaAs+P_Si）/（G·A_input），由追迹光子通量乘各电池外量子效率（EQE）积分得I_sc，乘厂商STC的V_oc与填充因子（FF）估MPP电功率。原型楔形体为SCHOTT N-BK7玻璃、顶角φ=14.47°±30′，顶表面6.5×2.0 cm²，GaAs面2.0×2.0 cm²、Si面6.8×2.0 cm²，二向色镜截止805 nm（AOI 45°），树脂3D打印支座装配商用Rera GaAs与3SUN双面Si SHJ（切片）。户外在卡塔尼亚CNR-IMM露台陶瓷地、2025年5月末至7月中四日9–17时、按正午太阳高度与α_L=25°设负倾角（顶面朝北）、变离地间隙h=19/30/42/90 cm，三台EKO MS-80Spyranometer测G_h/G_t/G_r、两台MS-711分光辐射计校谱，每5 s记录。阵列推广以条形楔扩展、Si串N_Si=12与GaAs串N_GaAs=9并联稳压，用视角因子模型算自遮阴下背面反照率辐照，单二极管模型推I-V与最大功率点（MPP）。

研究结果

2.1 光学性能与PCE建模

研究人员由TIR阈值式sinα≥sinα_L（α_L依楔折射率n与顶角φ推得）定安装倾角β=90°?φ_s,noon?α_L。光线追迹显示VIS经短通镜入GaAs、NIR经长通镜入Si，空气隙致杂散反射为实际原型主要光学损失源。OPR与PCE_eff公式以顶面临光面积为归一化基准，解耦传统活跃/受光面积等同假设。理想参数下（反照率0.8、二向色镜标称）先前理论予25°46′N与37°30′N年相对单面增益39%与52%。

2.2 4 T PV概念在发电机与GCR中的用途

条形瓦将多Si沿斜边、多GaAs沿短直角边排成单行，N_Si串与N_GaAs串取V_oc近似匹配（12×0.73 V≈9×1.016 V）后并联加流。四条形单元（每条约9 GaAs+12 Si）组阵、h=30 cm、行距d=2/5/10 cm对应GCR=0.82/0.65/0.48。视角因子法算可见地面各向同性反照对背面Si的立体角投影积分，得I_sc,back加前侧I_sc,front，单二极管模型扩至双面子模块，GaAs子模块仅受前光，两MPP功率相加。GCR升高因自遮阴使PCE_eff下降。

2.3 原型制作与建模

N-BK7楔φ=14.47°±30′，顶6.5×2.0、GaAs背2.0×2.0、Si底6.8×2.0 cm²，背底AR镀膜，二向色镜装Corning 79800F、截止805 nm、AOI偏移致蓝/红移。GaAs为带引线封装片，Si裸片铜带手联。3D数字复现追迹（含实测镜谱、留标称截止）比理想模型降级，主因空气隙。图5示VIS红/NIR黑射线在楔内TIR与部分透射损失。

2.4 户外测试装置

卡塔尼亚CNR-IMM露台陶瓷地，夏至关前后四日9–17时晴好，h=19/30/42/90 cm，β负（顶面北向、Si背面南向），三pyranometer测G_h/G_t/G_r、两MS-711分光辐射计补DNI/GHI谱积分。日变化显示前侧辐照曲线类同，背面反照贡献随h在10–20 cm增、大h饱和，确认低h利好 albedo 收集。

讨论与结论翻译

讨论指出实际原型因空气隙杂散反射光学效率低于理想；二向色镜AOI偏离45°引谱移需安装角容差设计；低离地间隙h为IPV立面/遮阳构件天然适配，但行阵GCR增大因自遮阴损背面增益。结论：研究人员实验验证双结4 T光谱分光双面PV瓦概念，户外确认低太阳高度角与低h增强反照率收集；数值估约1 m² Si+GaAs系统PCE_eff超30%；后续需消空气隙、提可见波段谱匹配与更高V_oc WBG电池以逼近理想。该瓦为IPV提供超越标准双面单结的路径。