一、はじめに
1. 一般的な太陽電池は太陽スペクトルの狭い帯域内でのみ効率的に動作できるため、現在の太陽電池モジュールは太陽エネルギーの 5 分の 1 しか電気に変換できません。
2. バッテリーと連携する集熱器は、残りの熱の大部分を収集できますハイブリッド PVT 集熱器は、単一の PV および集熱器よりも設置費用が大幅に安いだけでなく、屋根面積を 40% 削減できる可能性があります。追加のボーナスとして、集熱器は PV セルを低温に保つのに役立ち、それによってセルの効率が向上します。
3. この新しい方法は、太陽電池を熱コンポーネントから熱的に切り離す方法を提供し、熱変換効率を向上させ、太陽電池コンポーネントをより効果的に冷却します。
二、PVウィンドウ
1. しかし、励起を生成できるのは、半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ光子だけです。シリコンは、近赤外線における 1 つの光子にほぼ等しい、約 1.1 eV のバンドギャップ エネルギーを持ち、太陽光発電市場を支配しています。これより少ないエネルギーの太陽放射では電流は生成されません。
2. シリコン PV スペクトル応答 (黒い曲線) が示すように、一般的なシリコン太陽電池 (PV) セルは、赤色および近赤外線の波長からのみ効率的に電力を抽出できます。ナノ流体を使用すると、残りの波長からエネルギーを熱として収集できます。
3. 衝突する光子がバンドギャップよりはるかに大きなエネルギーを持っている場合（たとえば、青色や紫外光の場合）、伝導帯の底部よりはるかに高い位置で電子を励起し、過剰なエネルギーは熱として放散されます。電位が無駄になるだけでなく、熱が加わるとバッテリー温度が最適動作温度を超えてしまい、バッテリー効率が低下する可能性があります。
4. 700 nm 以下の波長で伝送されるエネルギーの約 40%、および 1100 nm 以上の波長で伝送されるエネルギーのほぼすべては、スタンドアロンの PV セルでは使用されません。ハイブリッド PVT テクノロジーの背後にある考え方は、太陽光発電の変換効率を低下させることなくエネルギーを利用することです。
5. 吸収パネルの後ろのチャネルを通ってポンプで送られる熱伝達流体は熱を吸収し、温水や家庭用暖房の供給に使用されます。このソリューションは安価ですが、太陽電池と液体コレクタは熱的に結合されているため、太陽電池の性能を犠牲にすることなくサーマルコレクタからより高い出口温度を得ることができません。
6. PV コンポーネントと熱コンポーネントを分離できれば、両方の利点を同時に最大限に得ることができます。理論的には、このデカップリングは、効率的な光電変換を通じて太陽光を透過し、残りのスペクトルを別の集熱器に偏向するスペクトル選択ミラーによって実現できます。
(a) 従来の熱結合設計では、PV セルの金属バックシートがヒートシンクとして機能します。セルから熱を伝導し、そのエネルギーが家庭用暖房に使用できる熱流体に伝達されます。流体では、ピンク色の領域は温度の上昇を表し、挿入図は周囲環境への高温流体の放射熱損失を示しています。
(b) 体積吸収体の設計では、熱流体は金属ナノ粒子を含み、PV セルの上に配置されます。ナノ粒子は、太陽電池が効率的に変換できない光の波長を吸収し、変換できる光の波長を透過します。高温の流体と太陽電池の間には接触がないため、太陽電池の性能を低下させることなく、流体は蒸気を生成するのに十分な高温に達することができます。
三、プラズモンの力
1. 光ナノ流体は、太陽光発電に効率的に変換されない波長のみを吸収するように調整できるため、太陽電池の前に物理的に分離して配置することができ、そこで赤外線、可視光、およびエネルギー密度の高い紫外線の直接放射を捕捉できます。 。PV コンポーネントと熱コンポーネントは接触していないため、サーマルコレクタは PV セルに損傷を与えることなく高温で動作できます。
2. また、液体の吸収を最大化するには、ナノ流体の総体積の 0.1% 未満の低濃度のナノ粒子のみが必要です。
四、カスタムナノ流体
1. PVT コレクタ内のナノ流体は、貴重な電気を生成するために使用できる光を遮断しないように、PV 効率範囲外の波長のみを吸収するように慎重に設計する必要があります。
2. 正確なスペクトル境界は局所的なエネルギーコストに依存しますが、シリコンの場合、理想的な光学ナノ流体は、シリコンの PV ウィンドウとして定義できる 700 ～ 1100 nm の範囲外のもののみを吸収する必要があります。これは、理想的なナノ流体は、可視光と赤外光の両方を吸収できるバンドパスフィルターとして機能する必要があることを意味します。
3. 可視光を吸収するさまざまな金属ナノ粒子の中で、銀ほど強い吸収能力を持つものはありません。
4. 銀ナノ粒子は、300 nm から 1200 nm 以上の波長を吸収できます。
5. 最終的に、波長固有の吸収を実現するには、ナノ粒子のサイズと形状を正確に制御する必要があります。
6. 小さくて丸い粒子は短波長で強く吸収する傾向がありますが、大きくて鋭角な粒子はより広い範囲の波長にわたってより穏やかに吸収します。
7. しかし、ナノ粒子が大きくなりすぎると、光を吸収するだけでなく、散乱も大きくなります。これにより流体が不透明になり、集熱器とその下にある太陽電池の効率が低下します。粒子の直径をおおよそ以下に制限し、
体積分率を 0.1% 以下に制限することで散乱を最小限に抑えることができます。
五、安定性、選択性、スケールアップ
1. 光学ナノ流体の重要な長所の 1 つは最大の弱点でもある可能性があることが判明しました。ナノ粒子の高い表面積対体積比は急速な熱伝達を促進しますが、同時に熱や紫外線による損傷を受けやすくなります。ナノメートルスケールにスケールダウンすると、金属はバルク融点をはるかに下回る温度で溶けます。これは、工業用集熱器の高温で動作することを目的としたナノ流体にとって特に問題となります。ナノ粒子が溶けてその形状を失うと、望ましい光学特性も失い、下にある太陽電池に対して吸収または散乱し始める可能性があります。さらに、溶融したナノ粒子は他の浮遊粒子と凝集してチャネルの底に沈む傾向があり、そのため体積吸収体として機能するナノ流体の能力が弱まります。
2. さまざまな戦略を使用して、溶解の問題を回避します。例えば、薄い酸化物シェルをナノ粒子に適用して固体シェルとして機能させることができる。シリカ、二酸化チタン、酸化亜鉛などの酸化物の場合、シェルを溶かすのに必要なエネルギーは、シェル金属ナノ粒子を溶かすのに必要なエネルギーよりも約 10 倍大きくなります。そのため、金属が溶けても粒子は元の形状を維持します。
3. さらに、シリカシェルが粒子を化学的劣化から保護します。
4. 酸化物シェルを高温の液体と混合することが重要です。たとえば、シリカは親水性が高く、水ベースのナノ流体には容易に懸濁しますが、油ベースのナノ流体には懸濁しません。工業用強度の集熱器で一般的に使用される、オイルとグリコールに懸濁した粒子を安定化するには、粒子の表面を改質する必要があります。
5. 光学ナノ流体の吸収スペクトルは、その構成ナノ粒子の光学特性によって完全に決まるわけではありません。周囲の流体またはベース流体も重要です。
6. たとえば、水は 1350 ナノメートルを超えるすべての赤外線波長を吸収するため、この範囲のナノ粒子吸収剤は必要ありません。しかし、水には、PV ウィンドウ内に OH 振動モード 975nm に対応する鋭い吸収ピークもあります。このピークにより寄生吸収が生じ、最終的には PV セルの出力が低下します。
7. 直径がわずか 10 ～ 20 ナノメートル異なるだけで、粒子の吸収ピークが数百ナノメートルシフトする可能性があります。
六、市場に出す
1. PVT システムの効率は、流量、入口温度と出口温度、熱流体の熱容量などの一連の要因によって決まります。たとえば、サーマルコレクタは、流出温度が周囲温度よりわずかに高い場合に最も効率的に動作し、熱放散損失を最小限に抑えますが、実際の PVT コレクタはさらに高い温度で動作します。