中南大學陳梅潔教授Appl. Phys. Lett.：輻射冷卻助力太陽能電池性能提升的理論分析

隨著化石燃料向可持續綠色能源過渡，光伏技術已成為應對能源危機與環境挑戰的重要途徑。然而，太陽能電池在工作過程中不可避免地產生熱量，導致器件溫度升高，從而引發功率下降、效率衰減以及壽命縮短等問題。如何在不增加額外能耗的情況下實現有效的熱管理，成為提升光伏系統性能的關鍵。基于此，本研究提出了一種基于光譜調控與多模態冷卻協同的理論分析框架，系統評估了選擇性光譜覆蓋層、中紅外輻射增強、帶隙以上反射優化以及蒸發冷卻等策略對太陽能電池性能的影響。結果表明，通過合理設計覆蓋層的光譜特性并引入蒸發冷卻機制，可在自然對流條件下有效降低電池溫度并顯著提升輸出功率，展現出實現高效、低能耗被動冷卻的可行性。相關工作以 Theoretical analysis of solar cell performance assisted by passive cooling 為題發表在Applied Physics Letters期刊。

本研究圍繞被動冷卻輔助下的光伏性能提升展開了系統的理論分析。首先，建立了帶有選擇性光譜覆蓋層的太陽能電池模型，結合幾何參數與理想光譜響應，揭示了在不同工作溫度下的性能變化（圖1）。在此基礎上，研究進一步分析了中紅外輻射發射率對電池性能的影響，發現增強大氣窗口范圍內的熱輻射發射有助于降低電池溫度并提升功率輸出（圖2）。隨后，探討了帶隙以上波段反射率的調控作用，結果表明適度增加該波段的反射能夠有效減少多余熱量吸收，從而改善電池效率（圖3）。進一步地，研究評估了帶隙以下波段透過率對性能的影響，指出提升透過率有助于抑制無效光吸收，改善散熱與能量轉化（圖4）。最后，引入蒸發冷卻機制并與光譜調控協同作用，結果顯示蒸發冷卻能夠在不同環境對流條件下進一步降低電池溫度，實現更高的最大輸出功率和穩定的工作性能（圖5）。

圖1：選擇性光譜覆蓋層的太陽能電池模型描述。(a)太陽能電池與選擇性光譜覆蓋層的結構示意圖；(b) SunPower? C60電池的幾何尺寸參數（單位：mm）；(c)覆蓋層的理想光譜；(d)電池的外量子效率（EQE）；(e)實測光譜吸收率；(f)不同工作溫度下的電池性能計算結果。

圖2：中紅外輻射發射率（eMIR > 2.5 μm）對太陽能電池性能的影響。(a)太陽光譜強度、大氣透射窗口以及黑體輻射光譜強度；(b)不同eMIR條件下覆蓋層的理想光譜；(c)不同換熱系數hc和eMIR下的電池溫度；(d)不同hc和eMIR下的最大輸出功率比；(e)不同eMIR下的填充因子（FF）、開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）和溫度（T）；(f)當hc=10 W·m?2·K?1時，不同eMIR條件下的輻射功率（Prad）、非輻射功率（Pnonrad）、大氣輻射功率（Patm）和熱功率（Pheat）。

圖3：帶隙以上（1.2–2.5 μm）反射率（qabove）對太陽能電池性能的影響。(a)不同qabove條件下，太陽能電池覆蓋層的理想光譜；(b)不同換熱系數hc和qabove下的電池溫度；(c)不同hc和qabove下的最大輸出功率比；(d)不同qabove條件下的填充因子（FF）、開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）和溫度（T）；(e)當hc=10 W·m?2·K?1時，不同qabove條件下的輻射功率（Prad）、非輻射功率（Pnonrad）、大氣輻射功率（Patm）和熱功率（Pheat）。

圖4：帶隙以下（0.3–1.2 μm）透過率（ssub）對太陽能電池性能的影響。(a)不同ssub條件下，太陽能電池覆蓋層的理想光譜；(b)不同換熱系數hc和ssub下的電池溫度；(c)不同hc和ssub下的最大輸出功率比；(d)不同ssub條件下的填充因子（FF）、開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）和溫度（T）；(e)當hc=10 W·m?2·K?1時，不同ssub條件下的輻射功率（Prad）、非輻射功率（Pnonrad）、大氣輻射功率（Patm）和熱功率（Pheat）。

圖5：蒸發冷卻對太陽能電池性能的影響。(a)不同蒸發速率條件下，太陽能電池覆蓋層的理想光譜；(b)不同換熱系數hc和蒸發速率下的電池溫度；(c)不同hc和蒸發速率下的最大輸出功率比；(d)不同蒸發速率條件下的填充因子（FF）、開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）和溫度（T）；(e)當hc=10 W·m?2·K?1時，不同蒸發速率條件下的輻射功率（Prad）、非輻射功率（Pnonrad）、大氣輻射功率（Patm）和熱功率（Pheat）。

小結：本研究通過理論模型系統分析了被動冷卻在提升太陽能電池性能中的潛力，重點考察了光譜選擇性覆蓋層的熱輻射特性、帶隙上下波段的光譜調控以及蒸發冷卻機制的綜合作用。結果表明，增強中紅外大氣窗口范圍內的熱發射可有效降低電池工作溫度，從而提升輸出功率；同時，通過調節帶隙以上波段的反射和帶隙以下波段的透過，可以顯著減少無效光吸收與熱積累，進一步改善能量轉化效率。在此基礎上，引入蒸發冷卻機制能夠在不同環境對流條件下進一步擴展降溫幅度和功率增益，實現比單一光譜調控更優的綜合性能。這些結果不僅為光伏電池在高溫工況下的穩定運行提供了新的理論支撐，也為未來結合光譜工程與蒸發冷卻的多機制協同設計提供了重要方向，有望推動高效、低成本且可持續的光伏冷卻解決方案的實現。

論文信息：Ye Q., Yan H., Chen M.. Theoretical analysis of solar cell performance assisted by passive cooling. Appl. Phys. Lett. 2025; 127: 103906. https://doi.org/10.1063/5.0286585.

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