斯坦福学者让太阳能电池在夜间发电 可为LED灯或手机充电

研究者表示，他们设计的光伏电池装置可以为 LED 灯或者手机充电。

通过利用太阳能电池板和周围空间之间的温差，工程师们已经制造出了可以在夜间发电的太阳能电池。与日间太阳能电池每平方米发电 100 至 200 瓦相比，夜间功率可以达到 50 毫瓦 / 每平方米。

这项研究近日发表在《应用物理快报》上，论文的标题为《Nighttime electric power generation at a density of 50 mW/m^2 via radiative cooling of a photovoltaic cell》，作者分别来自斯坦福大学和 ASML 公司。

论文作者之一、斯坦福大学电气工程教授 Shanhui Fan 表示，「对于 LED 灯、手机充电或者为小型传感器充电等低功率密度应用来说，夜间发电的太阳能电池在经济上很有趣。」

Fan 及其同事利用了辐射冷却的概念，在这种现象下，材料在吸收了一整天的太阳能之后将热量辐射到天空中。其他人之前已经利用这种现象来制造冷却涂料和节能空调。并且，由于这种现象的影响，朝向天空的标准太阳能电池在夜间的温度低于周围空气的温度，这会导致热量从周围空气流向太阳能电池。Fan 等正是利用这种热流动来发电。

辐射冷却原理图。图源：法国里昂国立应用科学学院。

为此，研究者将一块光伏电池(PV)与商用热电发电机(TEG)模块集成在一起，将温差转换为电能。其中，TEG 位于太阳能电池下方，它们之间的铝镀片材料将热量从太阳能电池传导至 TEG。TEG 的另一侧通过一个散热器连接到周围空气。下图 1 为夜间利用光伏电池的辐射冷却发电流程。

虽然现有太阳能电池板在利用 TEG 改装后可以在夜间发电，但使这些设备协同良好工作的关键是太阳能电池与 TEG 之间的热接触非常紧密，这是改装方案必须克服的一个挑战。

PV-TEG 设备的设计原理图和原型机。

2021 年 10 月，研究团队在斯坦福大学的一处屋顶上对 TEG 集成的太阳能电池原型机进行了为期三天的测试。结果发现，夜间发电达到了 50 毫瓦 / 每平方米。他们估计在更热更干燥的气候中，相同的装置可以达到 100 毫瓦 / 每平方米。

多天的温度和功率测量。

Fan 表示未来还有很大的改进空间，毕竟他们使用的传统太阳能电池不是为辐射冷却而设计的。它发射波长 10 微米左右的中红外范围内的热波。通过调整发射波长，太阳能电池可以在夜间变得更冷，从而增加温差以及 TEG 产生的功率。

他表示，「原则上可以设计太阳能电池的热发射特性，以在不影响太阳能性能的情况下优化它的辐射冷却性能。我们的理论计算表明有可能达到数百毫瓦甚至 1 瓦。」

目前，研究团队计划设计新的太阳能电池来改进夜间发电，并扩展他们的原型机。成本可能是一大难题，这是因为 TEG 通常是由昂贵的材料制成。团队还没有进行详细的成本分析，不过 Fan 认为，他们必须将 24 小时太阳能电池与夜间装置进行比较，后者装置在白天产生太阳能然后再夜间使用电池获得电力。

相比电池通常的五年使用寿命，TEG 模块的使用寿命要长得多，根据研究者的初步计算，在一些应用场景中热电可能要胜过电池方法。