1?kW级热光伏（Thermophotovoltaic，TPV）模块在强非均匀辐照条件下旁路二极管与电池互连研究

《Solar Energy Materials and Solar Cells》：Assessment of bypass diodes and cell interconnections in 1?kW-Class thermophotovoltaic modules under highly non-uniform irradiance conditions

　　

热光伏（Thermophotovoltaic，TPV）系统近期已实现超过40%的电池效率，显示出在高性能热—电能量转换中的潜力。然而，将器件放大到模块级别仍是主要挑战，尤其是在某些实际TPV构型固有的强非均匀辐照与温度分布下。这些非均匀性会引发电池间电学失配，导致大规模系统中尚未完全理解的显著性能损失。研究人员在由2400个锗（Ge）电池组成、采用圆柱架构的1?kW级TPV模块中，研究失配机制与缓解策略。电池被分组为10电池迷你模块，分析两种互连方案：全串联电池，以及由两组各5个并联电池再串联的并联构型。研究结合单个电池与二极管的实验表征和全模块的电热电路建模。单个TPV电池通过温度依赖与辐照依赖的I-V测量表征，提取温度依赖单二极管等效电路模型参数。这些实验标定模型被集成到NGSpice中实现的空间分辨电热仿真框架中，以预测现实工况下的模块级性能。结果表明，全串联迷你模块因对电压损失敏感度更低而优于并联构型。旁路二极管显著缓解失配效应，低正向电压器件如Ge二极管优于Si器件。研究人员确定了兼顾失配保护与电压损失的最优旁路二极管数量。这些发现为不利现实工况下高效大规模TPV模块设计提供指导。

论文《Assessment of bypass diodes and cell interconnections in 1 kW-Class thermophotovoltaic modules under highly non-uniform irradiance conditions》发表于《Solar Energy Materials and Solar Cells》。研究背景方面，热光伏（Thermophotovoltaic，TPV）技术通过光伏效应将高温热源发射的红外辐射直接转为电能，近期电池效率已突破40%，可比拟大规模常规蒸汽热机。但模块级集成研究不足，尤其在大面积、高功率系统中，发射体—模块几何结构会带来强空间变化的辐照与温度梯度。已有文献多关注数十至数百电池的小中型阵列，固定串并联方案下，非均匀性导致电流失配、反向偏置、热斑与寄生功耗。传统光伏中常用的旁路二极管（bypass diode）在TPV中几乎未被研究，而kW级系统为抬高输出电压、限制电流，往往以串联为主，最低性能电池会限制整串，失配传播机制与小模块策略不能直接外推。

研究人员以向外辐射式六面六边形近似圆柱模块为对象，共2400个Ge电池、240个10电池迷你模块，每迷你模块两级、每级5电池，比较每级内全串联与5并后再两级串联两种互连；沿轴向施加一维非均匀view factor（VF，视见因子，表示电池级接收到发射体辐射的立体角占比，0到1）辐照分布。为开展研究，主要关键技术方法包括：对CESI商用1?cm2 Ge TPV电池用多闪充电视模拟器在不同辐照与电池温度（T_C）下测I-V，用黑体辐射传输模型把光生电流I_L映射到发射体温度（T_E），获得I-V-T_E-T_C特性；对Ge旁路二极管做暗I-V表征，Si二极管取商用1N4001数据手册；用单二极管模型I=I_L-I₀(exp[q(V+R_SI)/(nKT)]-1)-(V+R_SI)/R_P拟合参数；以Python模拟退火算法标定电池参数；在NGSpice中搭建空间分辨电热电路模型，注入轴向非均匀辐照/温度分布，扫描每二极管覆盖1到80级即0至480个旁路二极管配置，比较Si、Ge、理想二极管。

研究结果如下。

System description：研究人员定义向外辐射式中央六面接收体环绕石墨发射体，六边形近似圆柱，辐照仅沿轴向变、六面相同。迷你模块为10电池建筑块，240迷你模块蛇形串联成2400电池。旁路二极管反并联到一级或多级，最多480支、最少0支。该部分说明几何与电学拓扑后指出，向外与向内辐射式除辐照分布不同外，互连与保护需求可定性互通。

Methodology：实验上用多闪法降低加热，Peltier控温，参考Ge电池同步辐照；FTIR积分球测半球反射率，锁相技术测外量子效率（External Quantum Efficiency，EQE）；暗I-V确定Ge电池反向击穿电压V_B约4?V。理论上单二极管等效电路描述电池与二极管，Ge二极管I₀=4.02×10^?6?A、n=1.50，Si二极管I₀=4.35×10^?9?A、n=1.91，二者R_S=1?mΩ。电池参数用多辐照I-V同时拟合，使R_S、R_P、n在不同光照区间互相约束。

后续结果小节（原文Results类内容）：全串联迷你模块在非线性负载与电压损失下表现优于每级5并构型，因为并联会把低辐照级电流拖入平均、对温度不均更敏感；串联则受最低I_SC级限制但对电压跌落不敏感。旁路二极管在非均匀下为弱光级提供替代通路，避免其反向偏置耗散；Ge二极管正向压降低于Si，理想二极管无压降但不可实现，因此Ge二极管在效率与可行性间更优。研究人员扫描二极管粒度后发现，二极管过多会增加常通压降、过少则失配保护不足，存在最优覆盖级数使模块输出功率最大。

讨论与结论部分总结：研究人员强调，TPV模块性能由几何、辐照分布、温度梯度与互连拓扑耦合决定。小中规模用局部并联或光学腔均化有效，但kW级受电流管理限制必须以串联为骨；此时旁路二极管是比光学均化更低复杂度、比单纯布局优化更稳健的失配缓解手段。结论可译为：在强非均匀辐照与温度下，1?kW级TPV模块宜采全串联迷你模块；旁路二极管应优先选低正向电压Ge二极管而非Si二极管；每二极管覆盖若干级而非每级一支或完全不用，可在失配保护与附加正向电压损失间取得平衡；上述互连与保护原则在定性上也可用于向内辐射式TPV模块。该研究填补了kW级TPV模块旁路二极管与互连失配机制的空白，为实际燃料发电机、余热回收与热储能用大面积TPV提供设计准则。