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新公式解锁光伏电池背阴侧发电能力

来源:环球科学

(图片来源:CC0 Public Domain)

如今的大多数光伏电池只能在向阳侧捕获阳光,转化为电能。如果光伏电池背阴侧也能转化地面的反射光,将有望提高发电量。

双面光伏电池已经可以竖直安装在地面或屋顶上,甚至可以水平置于加油站顶棚上,但目前尚不清楚这类电池的发电总能力或成本节约量。

最新的热力学公式表明,在考虑草地、沙地、混凝土、泥地等各类地形的情况下,双面光伏电池相比现有的单面光伏电池,其发电量平均提高15% ~ 20%。

这个由普渡大学两位物理学家开发的公式,可用于计算不同环境下,满足热力学极限的双面光伏电池的最大发电量(以分钟计)。

普渡大学电子与计算机工程Jai N. Gupta教授Muhammad “Ashraf” Alam说:“新公式只涉及一个简单的三角形,但要将极为复杂的物理问题提炼成简单优雅的公式,需要多年的建模和研究积累。这个三角关系将帮助企业在投资下一代光伏电池时做出更好的决定,还能找出更高效电池的设计方法。”

Alam与共同作者、孟加拉国东西大学(East West University)助理教授Ryyan Khan,在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上发表的论文中,还展示了利用该公式计算过去50年来开发的所有光伏电池热力学极限的方法。这些结果可推广至未来20 ~ 30年内有望开发的技术。

此举希望能帮助光伏电站尽早地充分利用双面光伏电池。

Alam说:“经过近50年的时间,单面电池才达到如今的高性价比水平。单面电池非常成功,但我们现在知道,它已经不能再大幅提高效率或降低成本。新公式将在更短时间内,指导、加快双面电池技术的发展。”

这篇论文也许及时地解决了计算问题:专家估计,到2030年,将近一半的全球光伏电池市场份额会由双面光伏电池占据。

因为Alam的新方法建立在William Shockley和Hans-Joachim Queisser对单面光伏电池最大理论效率的预测之上,因此被称为“Shockley-Queisser三角”。这一最大效率点,或称为热力学极限,可在由向下倾斜的直线族构成的三角图中找出。

公式表明,双面光伏电池的效率增益随表面反射光的增加而增加。比如,与植被表面相比,混凝土表面反射光可转化的能量大幅提升。

研究人员利用新公式为农田、人口稠密城市的建筑窗户提供更好的双面光伏电池设计。透明的双面光伏电池,可在农田里利用太阳能发电,而不形成阻碍作物生长的阴影。同时,建筑使用双面光伏电池有助于城市利用更丰富的可再生能源。

论文还提出通过操纵半导体材料之间的边界数——称之为结——来最大限度激发双面光伏电池潜能的方法,促进电流流动。相比单面光伏电池,单结双面光伏电池能提供最大的效率增益。

Khan说,“虽然相对增益较小,但绝对增益很可观。当增加结的数量时,虽然初始相对增益会消失,但绝对增益会继续增加。”

论文详细描述的公式,已获得充分验证,可直接用于企业的双面光伏电池设计决策。

作者:Kayla Wiles

翻译:巢栩嘉

审校:赵欢

引进来源:美国普渡大学

引进链接:https://techxplore.com/news/2019-12-solar-power-dark-side-formula.html

 

本文来自:环球科学
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