单结光伏电池存在固有的局限，因为低于带隙的低能量光子无法产生电力，从而浪费了太阳能，这里提出了一种混合太阳能采集概念。原型的核心组件是一个半透明的钙钛矿太阳能模块，它以14.3%的效率将高能量太阳光子转化为电能，同时将大约55%的低能量光子引导到太阳热（Solar-Thermal, ST）收集器。该原型的整体外部能效可以达到约30.0%，外部能效是指转化的太阳能的有效性及其进行工作的潜力。这种高效率来自于1) 光伏转化，2) 由于光伏热化损失而产生的低温热量（60°C），以及3) 来自于模型化的大规模高强度比例太阳聚光器中低能量光子产生的高温热量（900°C）。如果使用记录效率的钙钛矿光伏，外部能效可以提高到超过40%。总体而言，这项研究提供了一种高效的解决方案，用于收集整个太阳光谱。
在这里，科学家提出一种使用半透明钙钛矿模块的混合太阳能收集方法的解决方案，这种模块能够有效地将高于带隙的太阳辐射能转化为电能，并选择性地将太阳光谱中的亚带隙红外光子引导至太阳能热（ST）吸收器。我们制造的宽带钙钛矿模块具有约1.6 eV的能量带隙（Eg），相比于其他类型的光伏材料如常见的硅（>1100 nm）和镓砷（>900 nm），它们能够传输或反射更大部分的红外太阳光谱（> 780 nm）到ST吸收器。这种独特的特性使它们非常适合，因为钙钛矿模块高效生成电能，而ST吸收器则吸收和利用被筛选掉的亚带隙光子，这些光子本来会被浪费。
研究提出了一种基于半透明钙钛矿光伏（SPV）的混合钙钛矿光伏和太阳能热能（PVST）太阳能收集方法。这些混合PVST收集方法提供了同时进行电力和热能独立发电的解决方案，最大化太阳能的潜力。我们展示了两种混合PVST太阳能收集方法的可行性和优势。第一种方法是混合太阳能收集（PVST-1）方法，它将选择性透光的SPV与太阳能热（ST）收集器相结合，显示出电和热共发电的潜力。第二种方法是混合太阳能收集（PVST-2）方法，将SPV与红外反射器（IRR）相结合，表现出更好的性能。混合PVST-2方法的整体外部能效达到约30.0%（其中来自SPV电能的比例为13.2%，来自SPV热能的比例为2.4%，来自ST热能的比例为14.4%）。这种效率是在模仿高浓度比太阳能聚光器中ST的高温载热体热产生900°C时实现的。此外，这种外部能效有可能提高到超过40%（其中来自SPV电能的比例为24.0%，来自SPV热能的比例为1.8%，来自ST热能的比例为14.4%），假如结合当前记录效率的钙钛矿电池。进一步提高ST温度无法改善外部能效，因为这会导致热损失，消除任何潜在收益。
所提出的PVST架构在概念上可以扩展到大面积系统。然而，规模扩大带来了与热和光的均匀性相关的潜在挑战。在热方面，保持大面积SPV模块的一致冷却和有效的热量抽取需要精心的流体设计，特别是为了避免可能影响光伏性能和材料稳定性的温度梯度。通过实施优化的流量分配策略，例如使用并联蛇形通道，可以减轻这些挑战，以确保冷却剂流动均匀并有效去除整个表面的热量。在光学方面，由于角度不匹配或不完美的聚光器对准缺陷引起的非均匀照明，可能导致发电不均匀和局部加热。为最小化这种情况，可以采用高精度的太阳能追踪系统和光学均匀化技术（例如，辅助光学）。然而，需要注意的是，辅助光学可能还会引入额外的光学损失，因此需要权衡，这也值得进一步研究。未来的研究应通过大规模系统集成和性能评估，探讨这些方面，以评估在实际操作条件下的热与光的均匀性。
这项研究的结果提供了对混合PVST太阳能收集器材料性能特征和潜在应用的洞察。通过深化对其操作原理的理解和改善材料性能，例如功率转换效率（PCE）和热管理，这些系统在推动可持续和清洁能源未来方面具有广阔前景。将混合PVST收集器整合到各个行业中，可以为高效利用太阳能铺平道路，从而减少对化石燃料的依赖并缓解气候变化。
（消息来源：Adv.Sci.2025,e09692）
