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 “城规学术”栏目不定期推送北京大学城市规划与设计学院各研究方向的最新研究成果，让大家了解学院最新学术动态。

编者按：

本文综述了四种潜在的被动冷却方法，包括辐射冷却、被动蒸发冷却、化学吸热反应冷却和集成被动冷却。首先，文章介绍了各种冷却方法的工作原理，澄清了它们在光伏冷却中的详细机制以及在不同应用中的潜在优势。随后，文章总结了辐射光伏冷却的最新进展，重点关注了纳米颗粒在减小折射率和增强光吸收方面的巨大优势，特别是对UV光子的吸收。被动蒸发冷却部分详细阐述了其在提高光伏性能和寿命方面的巨大优势，包括其在各种应用中的卓越冷却性能。接着，文章讨论了吸热反应冷却的前景，该方法可由被动蒸发冷却中的水引发，进一步增强光伏板的散热效果。最后，通过突出一些被动冷却装置，阐明了其在同时提高发电和淡水供应方面的机制。尽管取得了快速进展，但仍然存在一些挑战需要克服，为此，我们在最后简要讨论了现有挑战并提供了对未来研究方向的展望。

本文由香港理工大学博士后研究员刘俊伟博士、天津大学环境科学与工程学院周志华教授、天津大学材料科学与工程学院叶龙教授、北京大学城市规划与设计学院张浩然助理教授、香港理工大学严晋跃院士等合作完成。本期推文，希望向大家介绍当前光伏设备的四种有前景的被动冷却方法，包括辐射冷却、被动蒸发冷却、化学冷却和集成被动冷却。

引言

随着全球能源危机和气候变暖问题的不断加剧，清洁能源的研究和应用变得尤为紧迫。为实现碳中和目标，全球各国纷纷承诺在2050年之前减少碳排放，并积极寻求替代传统化石燃料的清洁能源解决方案。在这一背景下，可再生能源成为了全球能源转型的关键推动力，其中太阳能收集技术引起了极大的关注。

光伏技术作为太阳能利用的主要方式，直接将太阳能转化为电能，在全球可再生能源中扮演着举足轻重的角色。然而，光伏设备在户外运行时常常面临高工作温度的问题，这对其实际发电效率和寿命造成了重大威胁。为应对这一挑战，研究人员积极探索各种被动式光伏冷却方法，以提高光伏设备的性能和稳定性。

论文的主要贡献如下：

被动光伏冷却当前最具前景的四大方法：辐射冷却、被动蒸发冷却、吸热反应冷却和集成被动冷却。

（1）辐射冷却的前沿进展：着重介绍了辐射冷却领域的最新进展，特别是纳米颗粒在阳光和热辐射管理方面的卓越性能。

（2）被动蒸发冷却的优势：突出了被动蒸发冷却在提供卓越冷却功率和降低光伏设备温度方面的显著优势。

（3）吸热反应冷却的潜力：探讨了吸热反应冷却的潜在前景，通过被动蒸发冷却中的水触发，进一步增强了光伏板的散热效果。

（4）集成被动冷却的前景：展示了一些引人注目的被动冷却装置，突显了这些装置在提高发电效率和淡水供应方面的潜在机制。

图示光伏冷却方法

辐射冷却特点包括易加工、低成本、兼容性良好（图1a）。水凝胶和沸石等水含量丰富的材料推动了被动蒸发冷却的发展，提供简便的耦合方法，实现强大的冷却功率密度（图1b）。吸热反应用于吸收水凝胶或水含量丰富材料的水或蒸汽，为光伏面板提供额外冷却，其冷却能量密度超过2800 kJ kg⁻¹，具有巨大的应用潜力（图1c）。这些被动冷却方法可以集成到新兴的光伏冷却装置中，提高发电量，并为日常生活提供热水或清水（图1d）。通过这些冷却方法，光伏面板的工作温度降低，显著提高各种光伏面板的光电转换效率，包括硅基光伏、锗光伏、砷化镓（GaAs）光伏和钙钛矿光伏等（图1e,f）。

图1.光伏设备的被动冷却方法

被动蒸发冷却设计在冷却方面具有优势，但需要额外的水供应以保持连续运行，可能增加光伏系统的复杂性和成本。一种有前景的水凝胶设计形成水吸附-蒸发循环，实现了光伏冷却的持续运行（图2a、b）。采用这一策略，光伏电池温度降低10K，冷却功率约为295W/m⟡，相比普通光伏电池提高了13-19%的发电量（图2c-e）。引入强吸水剂（LiBr）到聚丙烯酰胺水凝胶中，同样可实现连续蒸发冷却效果（图2e）。商业结晶硅光伏电池通过此方法可实现大约17K的温度降低，提高光电转换效率1%。此外，创新了基于海洋多糖、亲湿性盐和光热聚合物的大气水收集器，可实现可逆吸附-解吸附循环，提供光伏电池蒸发冷却效果。这种方法可将工作温度降低5-10K，提高光电转换效率0.5%。

图2. 蒸发-吸收循环的光伏器件的被动蒸发冷却方法

吸热反应通过被动蒸发冷却中的水触发，进一步增强了光伏板的散热效果。用于实际被动冷却应用，直到最近提出基于硝酸铵（NH4NO3）/H2O的吸热反应可用于光伏冷却（图3a，b）。设计了融合蒸发冷却和吸热反应冷却的混合结构，为光伏设备提供充足的冷却能力。具体来说，光伏热促使沸石中水分蒸发，为NH4NO3的溶解提供足够水。因此，光伏热量通过吸热反应散发，导致较高的热导率系数（图3c）。采用这策略，冷却能量密度达到约2876千焦耳/千克的最佳值，带有403瓦/平方米的冷却功率，使光伏面板工作温度降低约15.1摄氏度（图3d，e）。其他水解反应也可能是化学冷却的候选者，如NH4ClO4/H2O和NH4IO3/H2O，其水解焓为30千焦耳/摩尔以上，甚至高于NH4NO3/H2O的水解焓（约25千焦耳/摩尔）。但这些化合物易燃且具爆炸性，限制了其实际应用。

图3. 光伏设备的吸热反应冷却方法

集成被动冷却展示了一些被动冷却装置，突显了这些装置在提高发电效率和淡水供应方面的潜在机制。团队开发了串联太阳电-水发电机（图4a），通过利用带隙以下太阳能为水净化器提供加热，实现光伏大幅降温（图4b）。设计了防水的热互联层，协同实现两大好处，并在光伏工作温度降低和淡水产量方面展现极大的优越性（图4c,d）。借助这些优势，混合串联设备在一倍太阳光照下实现0.80千克/㎡/小时的净化率和204瓦/㎡的发电量。

图4. 串联太阳电水发生器的集成被动冷却方法

结果和展望

就被动冷却方法的重大进展而言，光伏设备在实际环境中的工作温度已经显著降低。本综述详细分析了适用于光伏设备的四种有前景的被动冷却方法，包括辐射冷却、被动蒸发冷却、吸热反应冷却和集成被动冷却。首先，呈现了各种冷却方法的工作原理，展现它们的详细机制及在光伏冷却中的应用潜力。随后，总结了太阳能管理和热辐射方面的光伏辐射冷却的最新进展。

在太阳光管理方面，着重强调了纳米颗粒在减小折射率和增强光吸收方面的巨大优势，尤其是对紫外光子。在热辐射方面，强调了具有次带隙高反射率的有前途的选择性冷却器，以进一步开发低成本和大规模处理方法。此外，对光伏设备的被动蒸发冷却进行了更为详细的概述，以揭示其在提高光伏性能和寿命方面的巨大冷却优势。随后讨论了有前途的吸热反应冷却，它可以由被动蒸发冷却的水触发，并进一步增强光伏板的散热。此后，进一步强调了一些被动冷却装置，以阐明其同时提高发电和为人类生活提供淡水的相应机制。

尽管取得了一定的进展，但基于被动冷却方法的光伏板进一步性能提升仍然面临一些挑战。因此，我们继续对现有挑战进行简要讨论，并提出对有前景的研究方向的见解。

文章信息

Passive Photovoltaic Cooling: Advances Toward Low-Temperature Operation

Junwei Liu,Yifan Zhou, Zhihua Zhou,Yahui Du, Cheng Wang,Xueqing Yang,Zhenjia Lin,Zhilin Guo,Jun Zhao, Long Ye,* Haoran Zhang,* and Jinyue Yan*

ADVANCED ENERGY MATERIALS

DOI：https://doi.org/10.1002/aenm.202302662

链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202302662

图文：数字清洁城市实验室

编辑：城规记者团

审核：张浩然  邱玉叶