美国斯坦福大学研发太阳电池散热技术

美国斯坦福大学的研究人员在美国光学学会的新期刊《Optica》上发布了一项太阳电池散热新技术。该项技术是由斯坦福大学电气工程教授范善辉（音译）带领研发团队完成的。他们通过在晶体硅太阳电池表面附加一层特殊的石英玻璃(SiO2)，有效地降低了太阳电池多余的热辐射，从而提高太阳电池的转换效率。

太阳电池易于制造，但一直存在着太阳能转换率过低的问题。除去不可避免的能量损失，太阳电池过热是导致转换效率低的主要原因。在正常工作条件下，太阳电池很容易达到55℃以上的高温，限制光电转换率的同时也降低了电池寿命。据介绍，如果在气温约27℃的条件下受到能量密度为800瓦/平方米的日照，未采取措施的太阳电池的表面温度就会上升至约69℃。而室外型太阳电池发电性能的额定值大部分是在25℃下测定的。而且，晶体硅类太阳电池对温度上升的耐受性较差，温度每升高1℃，电池效率就降低0.5%。电池表面温度达到69℃时，输出功率下降约19%，如果是转换效率额定值为20%的太阳电池，在这一条件下实际能发挥出的效率仅为16%左右。另外，温度的升高也会加快太阳电池的老化速度，每升高10℃，老化速度加快一倍。

“这种程度的转换率降低是非常严重的。”该研究报告的共同作者Aaswath Raman说，“在光伏行业，大量的资金被用来解决转换率问题。”目前的冷却手段主要是利用通风装置和液体冷却剂，但这些方式都缺乏经济性而且影响光伏性能。“我们的新方法可以被动地降低太阳电池的工作温度，显著提高其能源转换效率和使用寿命。”斯坦福大学物理学家和该论文的第一作者朱林晓（音译）说。

在光谱里，可见光携带更多能量，而红外线携带更多热量。不同光线有着不同的波长，不同波长的光线在通过不同种类和形状的表面时折射和反射率都不同。“石英对于可见光是可穿透的，但是又能调整某些特殊波长光线的折射和反射率。”范善辉解释说，他们设计的石英薄层，在反射掉红外线的同时，不会影响电池对可见光的吸收，也不会降低电池性能，是种近乎理想的方案。他们的目标是降低太阳电池的工作温度，从而提高太阳能转换率。

此次开发的技术是在太阳电池表面粘贴约100微米厚、表面形成有棱锥体图案的石英薄膜。棱锥体的高度为20微米，以4微米的间距紧密排列。将薄膜贴到电池表面后，与不贴薄膜的状态相比，可将800瓦/平方米日照下的电池表面温度控制在约52℃，输出功率仅下降约11%，而转换效率为20%的太阳电池实际以约18%的效率工作。

该薄膜可抑制温度上升的原因大致有3点：（1）材料采用石英，石英对可视光的透射率高，而对波长在4微米以上的红外线的透射率低；（2）实施了棱锥状表面加工，其表面形状对于波长4微米以上的红外线也具有可提高其与空气的阻抗匹配的作用，这样，从棱锥体的尖端到底部，实际折射率会慢慢发生变化，有助于降低反射，提高辐射性能；（3）厚度减薄，只有100微米，有利于电池的热量向薄膜表面传递，还可确保可视光的透射率。上述三种技术已分别被现有技术单独使用。此次斯坦福大学通过同时采取这三项措施，实现了太阳电池的高散热性能。

不过，以上结果均是通过模拟获得。研究团队的下一步是演示太阳电池在室外环境的冷却效果。“我们认为这项工作解决了光伏发电的一个重要技术问题，而且优化太阳电池性能，因此拥有很大的商业化潜力。”朱林晓说。