重慶大學孫立東教授課題組Nano Energy：將太陽能同時轉化為電能和熱能的“太陽能管”

【前言】

太陽能電池是一種將太陽能直接轉化為電能的裝置，其單個pn結電池的理論轉化效率約為31%（Shockley-Queisser limit）；而此類電池對太陽輻照光譜的利用率通常小于50％（主要在紫外和可見光區域），因此單個器件對太陽輻照總能量的利用率小于15％，而大部分能量以熱量的形式耗散。鑒于此，開發高度集成的一體化器件，在光電轉化的同時收集耗散的熱能并進一步利用，是一種提高太陽能整體利用率的有效途徑之一。孫立東教授課題組利用金屬鈦管及表面納米管涂層，設計開發了“太陽能管”，同時實現光電和光熱轉化，獲得了約25.2％的總能量效率。該研究成果為太陽能的高效利用提供了新思路。

【成果簡介】

近日，重慶大學孫立東教授、西南大學張善勇教授（共同通訊作者）等人在Nano Energy發表了題為“A Solar Tube: Efficiently Converting Sunlight into Electricity and Heat”的研究論文。該論文報道了將太陽能同時轉化為電能和熱能的一體化器件：太陽能管。該研究的亮點為：選擇具有等離子體頻率較小的金屬鈦實現將低能量光子向熱能的轉換；利用鈦管表面的納米管陣列消除涂層開裂，并用作電子收集電極；開發了高透明、高導電性、可轉移的PEDOT:PSS/Ag NWs/PEDOT:PSS復合膜，用作管式太陽能電池的透明導電電極。

【圖文簡介】

圖一：太陽能管結構

(a) 太陽輻照光譜；

(b) 典型金屬反射率曲線；

(c) 太陽能管結構示意圖；

(d) 太陽能電池能級圖。

圖二：太陽能電池電子傳導層優化

(a, e) 鈦管表面TiO₂致密薄膜/納米管薄膜示意圖；

(b, c, f-h) 鈦管表面TiO₂致密薄膜/納米管薄膜SEM圖；

(d) 相應太陽能電池J-V曲線。

圖三：太陽能電池透明導電電極

(a) 透明導電電極示意圖；

(b-c) 透明導電電極SEM圖；

(d) 可見光透過率曲線；

(e) 透明導電電極性能比較圖。

圖四：太陽能管性能曲線

(a) 管式太陽能電池J-V曲線；

(b) 管式集熱器T-t曲線；

(c-f) 管式一體化器件性能曲線。

論文鏈接：

Xiang, C.; Zhao, X.; Tan, L.; Ye, J.; Wu, S.; Zhang, S.; Sun, L., A solar tube: Efficiently converting sunlight into electricity and heat. Nano Energy 2019, 55, 269-276. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518308048

本文由重慶大學孫立東教授課題組供稿，材料人編輯部編輯。

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