研究人员使用辐射冷却来产生足够的能量为LED供电或给手机充电

ISTOCKPHOTO

太阳能光伏发电设备都是需要有阳光照射才能发电的，因为其利用的能量都来自于太阳光，但在夜晚是不会有太阳光照射的，所以这就使得太阳能和光伏发电设备的发电能力在时间分配上极不均衡，但是夜晚的用电量也是相当大的，这也是限制太阳能光伏发电的一大障碍。

通过利用太阳能电池板和周围空气之间的温差，工程师们已经制造出可以在夜间发电的太阳能电池，有望解决太阳能的光伏发电设备无法在夜间发电的问题。

相比之下，当太阳照耀时，太阳能电池每平方米产生100到200瓦的电量，夜间的产量是50兆瓦/平方米。“但对于LED灯、给手机充电或试图为小型传感器供电等低功率密度应用来说，这在经济上已经能够支持了，”斯坦福大学电气工程教授Shanhui Fan说，他与合著者一起在《应用物理快报》上发表了这项研究成果。

Fan和他的同事们利用了辐射冷却的概念，即材料在吸收了一整天太阳能后，在夜间向天空辐射热量的现象，其他人以前也利用这种现象来制造冷却涂料和节能空调。由于这种效应，夜间指向天空的标准太阳能电池的温度低于环境空气温度。这会产生从环境空气到太阳能电池的热流。“这些热流可以被收集起来用于发电，”Fan表示。

为此，研究人员将一个光伏电池与一个商用热电发电机（TEG）模块集成在一起，该模块将温差转化为电能。TEG位于太阳能电池下方，两块电池之间的铝板将太阳能电池的热量传导到TEG。TEG的另一侧通过散热器与环境空气相连。

Fan表示，虽然现有的太阳能电池板可以用TEG进行改装，以便用于夜间发电，但这些设备需要协同工作，关键是太阳能电池和TEG之间要有非常紧密的热接触，这是改装解决方案必须克服的挑战。

该小组于2021年10月在斯坦福的一个屋顶上测试了测试了他们的原型TEG集成太阳能电池三天。该团队估计，在更热、更干燥的气候中，同样的装置可以产生高达100兆瓦/平方米的电力。

Fan表示，还有很大的改进空间，因为他们使用的传统太阳能电池不是为辐射冷却而设计的。它发射波长在10微米左右的中红外波段的热波。通过调整发射波长，太阳能电池可以在夜间变得更冷，这将增加温差，最终增加TEG产生的功率。

“原则上，可以通过太阳能电池的热发射特性，以优化其辐射冷却性能，而不影响太阳能性能，”Fan说，“我们的理论计算表明，有可能达到几百毫瓦，甚至1瓦。”

斯坦福大学团队计划设计新的太阳能电池，以改善夜间发电，并计划扩大其原型。成本可能是扩大这一想法的一个障碍，因为TEG通常由昂贵的材料制成。该团队在未来还需要进行更加详细的成本分析。

不过发明者认为目前的设计还只是一个尝试，存在着很大的改善空间，将来其在夜晚的发电效率也是会大大提升的。考虑到TEG模块在电池典型的五年内的使用寿命明显更长，Fan说，“我们的初步计算表明，在某些应用场景中，热电可能有超越电池方法的潜力。”