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南京大学唐少春教授/徐飞教授、UCLA陈俊教授Sci. Bull.: 多层智能热管理模块显著提升光伏效率

2025/12/6 11:11:39 admin

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近日，南京大学唐少春教授/徐飞教授和加州大学洛杉矶分校陈俊教授团队合作，提出一种通过热管理高效提升太阳能电池效率的通用策略。构建了多层结构的光伏热管理模块（M-PV/TM），通过热蒸发-辐射冷却以及废热回收发电协同，显著提升太阳能电池的实际效率。该模块实现了332 W/m²冷却功率、超过20 °C的降温和1.1%绝对效率提升，并提供了713 mW/m²的额外热电输出。基于光纤光栅的原位温度测量揭示了M-PV/TM独特的热缓冲效应，显著抑制了光伏组件的温度时空波动，极大的提升了稳定性。

【背景介绍】

近年来，全球光伏累计装机量快速攀升，预计未来仍将保持高速扩张。从 1954 年首个效率为6%的硅太阳能电池问世以来，提高光伏器件的能量转换效率一直是该领域最核心的研究目标。尽管过去几十年在不同类型的光伏技术上取得了持续进展，但进一步提升效率依然十分艰巨。例如，近年来要使单晶硅组件的效率提升1%，往往需要将近十年的研发与工艺迭代。然而，太阳能电池在标准测试条件下（1000 W/m²、25 ℃）的标称效率，并不能代表其真实工作状态下的性能。实际运行中，光伏组件温度通常显著升高，导致其工作效率明显下降。研究表明，太阳能电池的最佳工作温度约为25 ℃；超过该温度后，不同类型的光伏器件（包括单晶硅、多晶硅、砷化镓和钙钛矿等）实际效率都会随温度升高而持续下降，通常在每升高1 ℃时损失0.08%–0.5%的效率。温度升高带来的效率衰减显著削弱了光伏系统的能量产出与经济效益。

为应对光伏组件在实际工况中因高温导致的效率衰减，本研究提出了一种通用的分层光伏热管理模块（M-PV/TM）。该模块集成了吸湿-蒸发与辐射协同冷却层以及热电废热回收层，能够在无需外部能量的情况下提供超过332 W/m²的冷却功率，使组件温度降低20 ℃以上，并提升实际工作效率。同时，模块可回收运行过程中产生的废热，输出高达713 mW/m²的热电功率。基于光纤光栅的原位监测还显示，该结构能够有效抑制光伏电池温度的时空波动，提高输出稳定性并延长组件寿命。

【图文速览】

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图1 光伏技术的演化及高温对太阳能电池性能的影响。

单晶硅、多晶硅、砷化镓及钙钛矿光伏器件/组件的世界纪录效率演化历程。提升能量转换效率一直是光伏研发的核心目标。(b) 在太阳能电池的 P–N 结中，高温导致准费米能级、势垒高度及带隙发生变化。

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图2. M-PV/TM 的示意图及其内部结构。

(a) M-PV/TM 的整体结构示意图，主要由(b)冷却层与(c)废热回收层组成。(d) FBG传感器提供先进的温度检测技术，构建综合热管理体系，实现高效冷却、废热回收及原位温度监测。(e) M-PV/TM的侧视结构示意图。

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图3. M-PV/TM 的冷却性能。

(a) M-PV/TM 对光伏组件展现出显著的冷却效果。(b) 在 1 sun 条件下，空白组、商用风扇组（2 m/s）与 M-PV/TM 组的表面温度变化曲线。插图为 30 次吸湿–脱湿循环的吸水量稳定性。(c) 冷却层在 1 sun 条件下的质量损失曲线。(d) 空白组、风扇冷却组及 M-PV/TM 的冷却功率比较。(e) 本研究与已报道的先进辐射冷却及蒸发冷却方法的性能对比。(f) 空白组与 M-PV/TM 组在不同输出电压下的电流曲线与功率曲线比较。(g) 四项关键参数（FF、Pmax、η、Voc）的比较。(h) 以上四项参数安装 M-PV/TM 后的百分比提升。

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图4. M-PV/TM 的热缓冲效应。

(a) 温度测量流程图。(b) 安装 FBG 传感器前后光伏组件的 CV 曲线比较。(c) FBG 温度标定曲线。(d) 在 1 sun 下，空白组、风扇组与 M-PV/TM 组的温度变化曲线。(e) 三组温度波动的标准差。(f) 空白组与 M-PV/TM 组在稳定后开路电压的比较；插图为电压波动的标准差。(g) 在面积为 245 × 145 mm 的组件表面布置 2 × 6 FBG 阵列进行温度测量。图中展示 12 个测量点的温度分布。(h)、(i) 分别为空白组与 M-PV/TM 组的温度热图，可见 M-PV/TM 显著提升表面温度均匀性。

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图5. M-PV/TM 的废热回收性能。

(a) 比较完整 M-PV/TM 系统与仅装配 TEG 的对照组。(b, c) 在有冷却层（b）与无冷却层（c）条件下，光伏表面、TEG 冷端与热端的温度热图。(d, e) 比较完整 M-PV/TM 与仅 TEG 组在不同光照强度下冷端与热端的温差变化趋势。(f) 在 0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 sun 下，两组的 TEG 开路电压比较。 (g) 空白光伏、仅 TEG 光伏与完整 M-PV/TM 系统的能量流示意图。

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图6. 户外测试与系统模拟结果。

(a) 户外测试平台示意图。(b) 户外温度变化曲线。(c) 两块光伏组件的输出电压比较。(d) 利用 TEG 的热电能量对不同电容（0.5、0.6、1.0、1.2 F）进行充电的性能。插图为电容储能随时间的变化。(e) 光伏—热电混合发电站的概念模型示意图。(f) 在为期 7 日的户外测试中，两块光伏组件的温度差变化。

【总结】

该研究工作通过构建蒸发冷却、辐射散热与热电回收耦合的多层光伏热管理模块，突破了传统光伏降温方案在冷却能力不足、能量浪费及工况适应性差等方面的限制，实现了光伏组件从高温运行向低温稳态的跨尺度调控。系统利用水凝胶的吸湿–蒸发循环构建无能耗冷却路径，在实测条件下提供超过332 W/m²的冷却功率和20 ℃以上的降温效果，整体效率提升1.1%，并通过热电单元回收废热，输出功率密度达713 mW/m²。该技术未来有望服务于高温荒漠及分布式电站等复杂场景，为提升光伏发电效率、延长组件寿命和促进可持续能源利用提供新的系统化解决思路。

相关研究成果以题为“A general approach for enhancing efficiency of solar cell via a multilayer hydrogel-based thermal management module”发表在国际知名期刊Science Bulletin上（Science Bulletin 2026, doi: 10.1016/j.scib.2025.11.052）。南京大学现代工程与应用科学学院硕士研究生郭瑞、博士研究生丁昊天、硕士研究生潘浩宇为论文共同第一作者，南京大学唐少春教授、南京大学徐飞教授和加州大学洛杉矶分校陈俊教授为该论文的通讯作者。

本工作同时获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省科技厅重点研发计划、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项、江苏省自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金以及南京大学大学生创新创业训练计划等项目的联合资助。