兼具辐射冷却与防反射镀膜的光伏技术：多参数分析与区域性能验证

《Energy》：Photovoltaics with Radiative Cooling and Anti-Reflective Coatings: Multi-Parameter Analysis and Regional Performance Validation

　　

• •
  经验证的多物理场模型，用于RCA-PV预测，均方根偏差（RMSD）小于2%。
• •
  工作温度的降低对环境条件较为敏感，而功率增强在±10%范围内保持稳健。
• •
  RCA-PV在5个气候区中实现了3.19–3.74%的年度功率增益。

引言

光伏（PV）技术已成为全球能源转型的基石[1]，但其在实际条件下的效率仍受到热损失和光损失的制约。电池板温度升高通常会降低转换效率，每升高1°C约降低0.4–0.5%[2]，而表面反射则进一步限制了光子吸收[3]。这些问题在太阳辐照度和环境温度波动较大的炎热潮湿地区尤为突出[4]。因此，改善光伏系统的热光管理对于提高其在不同气候条件下的稳定性和能量产出至关重要。

在光伏电池表面应用减反涂层已被证明是减少光反射引起的光损失的有效方法。He等人[5]通过液相沉积技术为太阳能电池开发了氮化硅（SiN）和二氧化硅（SiO₂）双层减反涂层，在634 nm波长下实现了低至2.83%的反射率。Alkallas等人[6]采用溶胶-凝胶法合成了氟化镁（MgF₂），并通过静电喷涂技术将其涂覆在太阳能电池表面。实验结果表明，改性太阳能电池的吸收率高达93%，在开放工作条件下的功率转换效率（PCE）为19.38%，在受控工作条件下为21.41%。

除减少表面反射引起的光损失外，在光伏电池板中实施适当的温控和冷却技术对于提高能量转换效率和延长使用寿命同样至关重要[7]。目前的光伏冷却技术一般可分为主动冷却、被动冷却和混合冷却三种方式。主动冷却包括强制风冷[8]、液体热交换[9]和热电冷却系统[10]，可以快速降低电池板温度，但需要为泵或风扇提供辅助电力，限制了其大规模应用的可能性。因此，越来越多的研究关注被动冷却策略，如相变材料（PCM）[11]、[12]、散热器[13]、吸湿水凝胶[14]、[15]和辐射冷却（RC）[16]。然而，单一被动冷却技术的效率提升仍然有限，这促使了结合多种机制优势的混合冷却配置的发展。

Praveenkumar等人[17]研究了一种混合PV/TEG/纳米流体系统，该系统有效利用了热电转换和增强的对流热传递，与基准电池板相比，温度降低了41.2%，电效率提高了8.5%。这类混合设计显著改善了散热效果，但依赖于外部组件和能量输入，可能会增加系统复杂性和成本。相比之下，Praveenkumar等人[18]开发了一种将低成本铝反射器与PCM层相结合的新型结构，通过光集中和潜热存储的同步作用，实现了电池温度降低28.3%和功率输出提高18.2%。这种光热耦合设计代表了光伏系统中集成光热管理的一个重要创新步骤。

在此基础上，将被动辐射冷却与减反功能相结合的方案因其结构简单和效率高而受到越来越多的关注。Tu等人[19]和Alshammari等人[20]证明，在光伏电池表面涂覆PDMS基涂层可以提供双重效益：一方面减少表面反射以增强光吸收，另一方面通过大气窗口增加红外热辐射以消散多余热量。因此，该方法有效地降低了光伏电池板的工作温度并提高了总发电量。

我们之前的实验研究[21]进一步验证了将辐射冷却和减反功能集成在PDMS-SiO₂复合薄膜中可以显著降低电池板温度并提高输出功率，证实了辐射-光学耦合提升光伏性能的可行性。然而，仅靠实验方法无法阐明太阳辐照度、环境温度、风速和大气水柱等环境参数对系统行为的定量影响，也无法预测不同气候下的大规模能量产出和经济可行性。因此，需要一个经验证的多物理场模型，在真实边界条件下耦合光学、热学和电学过程，以实现辐射-光学集成光伏系统的气候适应性和技术经济优化。

为解决上述挑战，本研究基于我们此前开发的辐射冷却和减反光伏（RCA-PV）系统[21]，重点关注辐射冷却与减反功能之间的相互作用机制。研究建立了一个耦合的光学-热学-电学多物理场模型，并通过室外测量数据进行了实验验证，为预测RCA-PV系统在真实工作条件下的热学和电学性能提供了可靠框架。基于该框架，定量评估了辐射冷却和减反效应的单独和协同贡献，以阐明其相互作用机制及对光伏性能的影响。此外，本研究还评估了RCA-PV概念在不同环境条件和代表性气候区中的鲁棒性。研究结果为光伏系统中热学和光学管理策略的集成提供了新见解，并为多功能光伏涂层的设计与部署提供了指导。

章节摘要

材料与实验装置

在我们之前的研究中[21]，成功制备了基于PDMS/SiO₂的辐射冷却与减反（RCA）薄膜。鉴于薄膜厚度和SiO₂含量对RCA-PV性能具有关键影响，研究以工作温度和发电量为双重评价指标，进行了一系列优化实验。结果表明，300 μm的薄膜厚度可实现最低的太阳反射率，同时保持高发射率，在

物理模型

为确保模拟模型的准确性，基于实际物体建立了1:1比例的物理模型。该物理模型主要包括RCA薄膜、封装玻璃、EVA、单晶硅片、TPT背板和隔热棉。每个组件尺寸均为7.9 cm × 7.9 cm。但需要注意的是，由于单晶硅片为脆性材料，必须由EVA包裹保护以实现防止

结果与讨论

室外实验结果受多种环境因素影响，如太阳辐射、环境温度、湿度和风速。这些因素之间的相互作用往往复杂且多元，难以通过室外测试准确分离和分析单一因素对RCA-PV性能的影响。为了深入探究每个因素的影响及其影响程度，本研究采用了上述

结论

本研究使用COMSOL Multiphysics 6.1模拟平台对PV和RCA-PV系统的工作特性进行了计算评估。采用P_nonrad、P_rad、P_elec、ΔT和P_imp等性能指标来评估系统性能，重点关注环境参数的影响。归纳数值模拟结果，可得出以下三个主要结论：

• (1)
  在模拟条件下，PV和RCA-PV的工作温度变化趋势为

CRediT作者贡献声明

阚志鹏：撰写—审阅与编辑，资金获取，形式分析。王泽鹏：撰写—初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理。刘中宝：撰写—审阅与编辑，调查，形式分析，概念化。孔凡照：撰写—审阅与编辑，方法论，形式分析。姚树义：撰写—审阅与编辑，形式分析。杨大峰：撰写—审阅与编辑，形式分析，数据

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能对本研究产生影响的可知的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到重庆市自然科学基金（项目编号：CSTB2023NSCQ-MSX0733）和英国皇家化学会研究基金（项目编号：R23-8089911052）的支持。

Zepeng Wang|Zhongbao Liu|Dafeng Yang|Linna Hu|Fanzhao Kong|Shuyi Yao|Zhipeng Qie