研究背景

光伏-热电（PV-TE）混合系统为提升光伏器件的能量转换效率提供了一个平台。然而，由于寄生热能利用不足以及光伏和热电组件之间的电参数不匹配，这些系统仍然存在能量损失和效率提升受限的问题。

鉴于此，南开大学有机新物质创造前沿科学中心陈永胜院士、马儒军教授课题组在期刊《Nature Communications》发表题为“Solution-processed photovoltaic and thermoelectric hybrid systems with efficiency exceeding 50%”的论文，南开大学有机新物质创造前沿科学中心为论文通讯单位。

研究内容

基于PV-TE热电耦合模型，提出了一套全面的理论分析和仿真方法，预测采用目前最先进的光伏和商用热电技术，该系统的最高效率可达60.34%。基于该模型，制备了由有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池与热电电池耦合而成的混合系统，在AM 1.5G光照条件下，于298 K和313 K下分别实现了34.85%和42.03%以及43.16%和50.28%的创纪录效率，并实现了串联光伏和热电模块之间最佳的热利用率和电流匹配。这项工作突出了光伏-热电混合系统的潜力，并可为设计更高效率的系统提供指导，从而推动光伏技术的未来发展。

创新点

• 高效率：通过理论分析和模拟，预测并实验验证了光伏-热电（PV-TE）混合系统的最大效率可以达到60.34%，使用最先进的单结光伏电池和商业化的热电材料。

• 记录高效率：在环境温度为298 K和313 K下，分别实现了34.85%、42.03%和43.16%、50.28%的高效率，刷新了现有文献中的记录。

• 优化热能利用：构建了PV-TE热电耦合模型（PT-TECM），通过模拟优化了热能利用和电流匹配条件。

未来展望

• 由于热电材料的zT值较低（约为0.9而非模拟中的1.0）和忽略了界面热阻，实际效率略低。

• 材料和工艺局限：OSCs和PSCs的稳定性和效率仍有待提高，大面积制备和集成以及动态环境下的性能波动是需要进一步研究的问题。

• 成本问题：PV-TE混合系统的LCOE（平准化能源成本）目前高于单一的PV和TE模块，降低TE模块成本和延长系统运行时间将是未来研究的重点。

来源：印刷钙钛矿光电器件