?通过辐射提高光伏性能的方法
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【?通过辐射提高光伏性能的方法】科研人员用于计算理想太阳能电池的极限效率的详细平衡方法 ， 需要平衡进出太阳能电池的粒子 。 在详细的平衡形式中 ， 所有高于半导体带隙的入射光子都被吸收并产生光电流 ， 在开路条件下 ， 器件没有电流流出 ， 入射光子通量必须与来自辐射载流子复合的出射光子通量平衡 ， 因此需要详细的平衡 。 太阳能电池的发射近似为半导体带隙上方的黑体辐射 ， 导致太阳能电池的温度依赖发射光谱 。 随着电池温度升高 ， 黑体辐射增加 。 然而 ， 在光照条件下 ， 器件内部存在准费米能级分裂 ， 当电池处于较高温度时必须降低这种分裂 ， 以保持吸收和发射光子的详细平衡 ， 准费米能级分裂的减少导致开路电压降低 。
因此 ， 电池的效率随着温度的升高而下降 ， 研究人员描述的效率极限是针对在300开尔文的环境温度下与散热器接触的太阳能电池得出的 ， 这是对最佳情况的理想化 ， 实际上太阳能电池在运行条件下会显着高于环境温度 ， 并导致效率显着降低 。 因此 ， 需要一种机制来在操作期间冷却太阳能电池以保持效率 。 已经采用了许多策略来降低电池温度 ， 例如使用光伏/热混合太阳能技术、使用热管被动增强热传导、使用强制风冷和水冷的主动冷却以及自然对流和传导到散热器 。 最近 ， 研究人员提出了一种利用辐射冷却将硅太阳能电池的温度降低到其工作温度以下18.3开尔文的方案 。
然而 ， 该设备仍会在环境温度以上运行 ， 从而导致效率下降 。 在这里 ， 我们提出了一种方法 ， 通过使用被动辐射冷却将太阳能电池温度降低到环境以下 ， 从而将光伏功率转换效率提高到300K计算的极限以上 。 被动辐射冷却的一般方法是利用外层空间的寒冷黑暗作为热力学资源来降低地球物体的温度 。
通过将设备指向天空以通过8至13μm的大气透明窗口将热量辐射到外太空 ， 已经证明了使用该技术在低于环境空气温度的夜间被动冷却 。 最近 ， 研究人员展示了使用光子结构进行白天辐射冷却 ， 该光子结构反射入射的太阳照明 ， 同时热发射到大气透明窗口中 。 与传统的冷却策略不同 ， 辐射冷却机制不需要输入能量 ， 使其成为冷却太阳能电池以提高功率转换效率的非常有吸引力的选择 。
理想太阳能电池的温度依赖性可以利用详细平衡原理确定 ， 在这里 ， 我们忽略了导致带隙偏移或增加的非辐射复合的温度效应 ， 这将特定于所选材料 。 详细的平衡计算是通过平衡吸收的光子数量与从太阳能电池发射的光子数量加上离开电池以向负载供电的载流子数量来执行的 ， 对于能量高于太阳能电池材料的带隙能量的所有光子 ， 假定吸收率为1 。
通过假设每个吸收的光子有一对电子-空穴对 ， 入射光子通量被转换为净电流 ， 然后用于确定太阳能电池的电流-电压关系及其最大效率 。 对于黑体 ， 随着温度的升高 ， 热发射增加 。 然而 ， 详细平衡原则要求在开路条件下发射和吸收通量相等 ， 因此 ， 必须降低器件的准费米能级以减少在光照下流出电池的通量 ， 正是这种准费米能级的降低导致电压响应降低 ， 从而在较高温度下降低了效率 。
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