Solar RRL:光伏组件的光热协同管理——透明微结构薄膜的超宽带光谱调控

被动式制冷技术,即将物体的热通过大气窗口向外高效辐射以降低自身温度的技术,近年来受到广泛关注。在光伏组件实际应用条件下,组件工作温度的升高将会导致电功率输出特性的衰退,以单晶硅电池为例,工作温度升高会使其输出功率降低约0.4-0.5%/oC,更为严重的是高温可能导致组件不可逆转的转换效率衰减和器件损坏。除环境因素外,高于光伏材料带隙光子的热化过程,载流子的非辐射复合和电荷传输等本征过程也会致使实际工作温度升高。因此光伏组件中光、电、热三者是紧密联系在一起的,光伏组件不仅是个光电系统也是热力学系统。因此,如能把被动式制冷技术应用于光伏组件中,降低组件实际应用情况下的工作温度,将有助于提升其在实际工作环境中的输出功率和稳定性,并延长其使用寿命。

针对这一问题,中国科学院宁波材料技术与工程研究所宋伟杰研究团队与合作者在前期光伏玻璃减反射膜技术基础上,通过溶胶凝胶纳米压印方法制备了一种微结构,该结构可同时与300-1200纳米波长的紫外/可见/近红外以及2.5-25微米波长的中红外光波发生相互作用,具备了光热协同管理的功能。

该类微结构的制备并不需要图形曝光技术的介入,仅通过对单晶硅湿法刻蚀时间的控制得到特征尺寸在2微米左右的制绒硅片,利用溶胶凝胶纳米压印技术将硅片上的形貌转印至二氧化硅溶胶层。由于微结构的特征尺寸和形貌特点,使得其对于紫外和部分可见光产生几何光学相互作用,实现了减反效应;对部分可见和近红外光具有波动光学效应,使入射光方向发生改变,从而实现了陷光效应;而对于中红外光它作为一种亚波长结构改善了表面阻抗匹配特性,在8-13微米的大气透明窗口平均发射率高达0.96,具备了被动辐射制冷特性。因此,该结构的存在不仅增加了进入组件的光通量,并减少了其逃逸,同时具有降低组件工作温度的作用。高加速温湿压老化测试显示该压印层相对于传统紫外固化压印层具有更优异的耐候性。这种光热协同管理方法无需借助图形曝光技术,具有可扩展的特点,基本不改变现有典型光伏组件构造并且未引入过度复杂的结构体系,与光伏产业现有技术具有良好的兼容性。该方法还具有较强的通用性,它不仅可用于光伏组件,而且在其它存在着光、电和热耦合过程的光电类器件中均具有极大的应用空间。相关结果发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201700084)上。

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