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物理系现代热力学研究组研究进展

光子增强电子型太阳能电池通过结合光伏效应和热离子效应,可同时对太阳光谱进行光伏利用和热利用。该新型太阳能电池一经提出就受到广泛关注。当太阳光透过聚光系统到达阴极半导体表面,光谱高频的部分将被吸收激发产生电子空穴对,低频的部分则通过热吸收层转化成热使阴极温度升高。同等光照条件下,热的阴极发射电子将比从室温或者更冷的阴极发射的显著得多。该电池充分利用由于非吸收损失和晶格热振动损失的部分能量,相对于常规光伏器件,可显著增大能量转换效率,且有望突破传统p-n结太阳能电池的理论极限,与较复杂的多结叠层太阳能电池的光电转化效率相匹敌。物理系现代热力学研究组2012级博士生苏山河对这种新型电池开展研究,于201310月承担厦门大学中央高校基本科研业务费资助的“光增热离子太阳能电池耦合系统的构型设计与参数优化研究”项目, 一年来在JCR一区《Solar Energy Materials and Solar Cells》和《Applied Energy》刊物上发表了3篇学术论文相关的内容简介如下:

1. 空间电荷对光增热离子太阳能电池最大效率和参数设计的影响[Space charge effects on the maximum efficiency and parametric design of a photon-enhanced thermionic solar cell. Solar Energy Materials and Solar Cells. 121 (2014) 137–143]基于麦克斯韦统计理论和Langmuir空间电荷理论,研究空间电荷积累对光增热离子太阳能电池的影响首次发现电极极板距离设计在微米尺度或者更大,空间电荷积累将严重影响电池的光电转化效率。研究综合讨论了几类不同的约束边界条件对电池最大输出功率的影响。结果发现只要合理设计极板间距,可减少空间电荷积累,使这种电池的效率优于传统的太阳能电池

2. 光增热离子太阳能电池的参数优化设计[Material optimum choices and parametric design strategies of a photon-enhanced solar cell hybrid system. Solar Energy Materials and Solar Cells. 128(2014)112–118]基于光增热离子太阳能电池工作机理,结合半导体温差发电器的工作特性,建立光增热离子太阳能电池与半导体温差发电器耦合的新型太阳能热电利用系统。以最优控制理论及数值模拟等为手段,研究新型耦合系统的性能优化特性;在系统设计方面着重于分析和研究它们在材料选用和结构设计上对系统优化特性的影响;而在对系统工作运行方面则着重于研究和分析耦合系统的参数优化配置以及工作状况等因素对能量转化效率的影响,为光增太阳能电池耦合系统的可行性和优化设计等提供新方案。

3. 太阳能电池热电耦合器件的性能优化分析和参数设计判据[Performance optimization analyses and parametric design criteria of a dye-sensitized solar cell thermoelectric hybrid device. Applied Energy. 120 (2014) 16–22]。基于电化学与热力学模型,建立以太阳能电池和半导体热电器耦合的新颖高效耦合系统,探索开发利用太阳能全光谱的新途径。结合实验观察,分析得到太阳能电池的温度特性。进而讨论工作电流和工作温度对耦合系统的性能的影响。在理论分析与实验对比的基础上,根据系统的内部结构探讨了部分特性变化的理论原因,为实际太阳能电池热电耦合器件研究提供了科学依据。