CN116110992A - 一种光伏-热电集成器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光伏‑热电集成器件，所述光伏‑热电集成器件包括第一太阳能电池、第二太阳能电池和热电串联结构，其中所述热电串联结构将所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池串联，所述热电串联结构包括热电材料区，所述热电材料区的电导率σ≥1×107S/m。本发明的光伏‑热电集成器件，采用具有高电导率、高功率因子的热电材料，作为组件中两片太阳能电池之间串联结构，将两片电池进行串联。该串联结构可以增加整个组件的输出电压和能量转换效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域领域，具体地，涉及一种光伏-热电集成器件。
背景技术
在光伏组件实际工作的情况下，组件表面温度通常会达到70℃以上。长时间在高温下工作，对太阳能电池的效率、稳定性和寿命等指标都是非常不利的。如果能将这一部分热量加以利用，既可以进一步提高光伏组件的整体能量转换效率，又可以一定程度的降低太阳能电池的工作温度(热能转换为电能)，延长光伏组件的使用寿命。
虽然，目前已经有一些将热电器件集成于太阳能电池的设计(如CN110247627A)，但目前的设计通常是在电池的背面简单叠加热电器件，热电器件和太阳能电池产生的电能是分别独立输出的，两套输出需要两套电路***，若整体输出则需要进行电压或电流匹配，热电***和光伏***需要相互妥协，不能充分发挥能量转换效率。且两套***设计复杂，成本高，不利于推广实施。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种光伏-热电集成器件。
具体来说，本发明涉及如下方面：
一种光伏-热电集成器件，所述光伏-热电集成器件包括第一太阳能电池、第二太阳能电池和热电串联结构，其中所述热电串联结构将所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池串联，所述热电串联结构包括热电材料区，所述热电材料区的电导率σ≥1×107S/m。
任选地，所述热电材料区的塞贝克系数S≥30μV/K。
任选地，所述热电材料区的功率因子PF≥9mW/mK2，优选PF≥15mW/mK2。
任选地，所述热电材料区的材料为金属性碳纳米管纤维材料或Cu2Se-Cu复合材料。
任选地，所述热电串联结构还包括导电材料区，其中热电材料区与所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池接触，并且与所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池接触部分的长度大于等于5mm。
任选地，所述热电串联结构与所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池之间设置有连接功能层。
任选地，所述连接功能层用于降低所述热电串联结构与所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池之间的接触电阻，包覆所述热电串联结构中与所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池接触的部分。
任选地，形成所述连接功能层的材料优选为含锡合金，进一步优选为锡银合金或锡铅合金。
任选地，所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池选自晶硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、或钙钛矿太阳能电池中的一种。
任选地，所述热电串联结构的截面选自圆形、三角形、倒三角形、矩形中的一种。
本发明的光伏-热电集成器件，采用具有高电导率、高功率因子的热电材料，作为组件中两片太阳能电池之间串联结构，将两片电池进行串联。该串联结构可以增加整个组件的输出电压和能量转换效率。
附图说明
图1为本发明光伏-热电集成器件的结构示意图。
图2为本发明光伏-热电集成器件的等效电路图。
图3为本发明具有不同热电串联结构的光伏-热电集成器件。
图4为本发明具有连接功能层的光伏-热电集成器件的结构示意图。
图5为本发明连接功能层的结构示意图。
附图标记：
1太阳能电池，2热电串联结构，21导电材料区，22热电材料区，23太阳能电池接触区，24无太阳能电池接触区，3连接功能层。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明，应当理解，实施例仅用于进一步说明和阐释本发明，并非用于限制本发明。
除非另外定义，本说明书中有关技术的和科学的术语与本领域内的技术人员所通常理解的意思相同。虽然在实验或实际应用中可以应用与此间所述相似或相同的方法和材料，本文还是在下文中对材料和方法做了描述。在相冲突的情况下，以本说明书包括其中定义为准，另外，材料、方法和例子仅供说明，而不具限制性。以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但不用来限制本发明的范围。
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种光伏-热电集成器件，其包括第一太阳能电池、第二太阳能电池和热电串联结构，其中所述热电串联结构将所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池串联，即所述热电串联结构的一端与所述第一太阳能电池的正面电极连接，所述热电串联结构的另一端与所述第二太阳能电池的背面电极连接。由于在工作条件下，电池的正面和背面之间存在温差，该温差会在具有热电性能的串联结构的两端产生电势差，该电势差可以与电池串的输出电压叠加，从而增加整个组件的输出电压和能量转换效率。
如图1所示，本发明的光伏-热电集成器件包括两个太阳能电池1以及热电串联结构2，其中热电串联结构2将两个太阳能电池1串联。其中热电串联结构2的一端与其中一个太阳能电池1的正面电极(即朝向光照方向的电极)连接，热电串联结构2的另一端与另一个太阳能电池1的背面电极连接(即背向光照方向的电极)。
其中的热电串联结构2一方面可以充当导线，另一方面由于其自身的热电效应，使其在左边电池正面端和右边电池背面产生电势差，从而在连接两片电池的同时，提高了整体的输出电压。
其中，热电效应是指是当受热物体中的电子(空穴)，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。
本发明光伏-热电集成器件的等效电路图如图2所示。
当热电串联结构的热端和冷端的温差一定时，光伏-热电集成器件产生的电压为恒定值，因此，热电串联结构在电路图中视为“恒压源”；光伏器件在光照强度恒定时，其输出的电流值为恒定值，因此按照“恒流源”处理。
其中，在图2中：
VTE为热电串联结构的输出电压，
RTE为热电串联结构的电阻，
IPV为太阳能电池的输出电流，
RS为太阳能电池的串联电阻，
RSH为太阳能电池的并联电阻，
VPV为太阳能电池的输出电压，即A-B两点之间的电压，
Vtotal为光伏-热电集成器件的输出电压，即A-C两点之间的电压。
根据电路图，图1所示的光伏-热电集成器件，其整体输出为：
Vtotal＝VTE+VPV，
Itotal＝IPV＝ITE，
与常规焊带连接相比，每片太阳能电池有一个VTE的电压增益。
由于热电串联结构2一方面充当导线，因此热电材料的电导率必须满足电导率σ≥1×107S/m，这能保证导电串联结构2与现有技术中常用的导电材料具有相当的导电性能。
几乎所有的材料，在端点具有温差的情况下，都具有一定的“热电效应”，即在温差两端形成一定的电势差。这是由于材料内部的载流子热运动造成的。然而，由于大多数材料的“热电效应”非常弱，并不适用于热电器件。评价一个材料的热电性能的参数之一为塞贝克系数。塞贝克系数表示单位温差下材料冷热端之间可以产生的电压。一般来讲，材料的电导率越高，载流子运动越快，则塞贝克系数越小。然而，塞贝克系数越小，电压增益越不明显。
为了达到实现整体有益的电压增益，进一步地，所述热电材料的塞贝克系数S≥30μV/K。即所述热电材料的电导率σ≥1×107S/m，并且塞贝克系数S≥30μV/K。
描述热电器件输出功率的参数“功率因子”PF(power factor)，是评价热电器件的另一指标。该热电器件用于温差发电时，为了获得更好的输出性能，可以进一步选择功率因子PF≥9mW/mK2的导电材料，优选功率因子PF≥15mW/mK2的导电材料。
所述热电串联结构包括热电材料区，热电材料区由热电材料制成。热电材料区的电导率、塞贝克系数、功率因子等参数的要求如上针对热电材料所述的要求。所述热电串联结构还可以包括导电材料区，其由传统的导电材料制成。因此所述热电串联结构至少部分由热电材料制成，即可以全部由热电材料制成，也可以其中的一部分由热电材料制成。如图3所示，其中图3a所示的光伏-热电集成器件中，热电串联结构2全部由热电材料制成，此时热电串联结构2即为热电材料区。图3b所示的光伏-热电集成器件中，热电串联结构2由部分热电材料制成，即依次由导电材料区21、热电材料区22和导电材料区21组成。其中导电材料区21由传统的导电材料制成，比如铜等。热电材料区22由热电材料制成。采用图3b所示的结构，热电串联结构2将传统的导电材料和热电材料结合使用，一方面可以节约热电材料的用量，降低成本，另一方面可以更好的导出电流。
当采用图3b所示的结构时，热电材料区22即所述热电串联结构2的由热电材料制成的部分与两个太阳能电池接触，位于两个太阳能电池1之间，并且在与两个太阳能电池1接触部分的长度大于等于5mm，即热电材料区22在两个太阳能电池1上部分的长度大于等于5mm。这样能保证热电材料区22产生有效的热电电压。
在一个具体的实施方式中，所述热电材料区的电导率σ≥1×107S/m，塞贝克系数S≥30μV/K，功率因子PF≥15mW/mK2。
在一个具体的实施方式中，所述热电材料区的电导率σ＝1×107S/m，塞贝克系数S＝60μV/K，功率因子PF＝36mW/mK2。
在一个具体的实施方式中，所述热电材料区的电导率σ＝2×107S/m，塞贝克系数S＝40μV/K，功率因子PF＝32mW/mK2。
制备所述热电材料区的具体材料的选择只要符合上述电导率、塞贝克系数、功率因子等参数的数据范围即可，比如可以是金属性碳纳米管纤维材料或Cu2Se-Cu复合材料。其中，对于碳纳米管纤维材料，优选碳纳米管壁数不超过5，例如可以为1、2、3、4、5，更优选壁数不超过2，例如可以为1或2。对于Cu2Se-Cu复合材料，优选Cu2Se与Cu摩尔比为9:1的材料。
所述热电串联结构的横截面可以为各种形状，优选为圆形、三角形或矩形。
如上所述，在光伏-热电集成器件中，热电串联结构可以直接与两个太阳能电池接触，即直接与太阳能电池的正面电极或背面电极接触。也可以进一步地，在热电串联结构与太阳能电池接触的区域设置连接功能层。
如图4和图5所示，在太阳能电池1和热电串联结构2之间设置连接功能层3。连接功能层3的设置具有以下两个作用：1可以实现太阳能电池1和热电串联结构2之间更低的接触电阻。2可以实现太阳能电池1和热电串联结构2之间更高的焊接强度。
具体地，连接功能层3的设置至少应该部分的包覆热电串联结构2与太阳能电池1接触的区域以使热电串联结构2中位于太阳能电池1上的部分。如图5所示，热电串联结构2包括依次连接的太阳能电池接触区23、无太阳能电池接触区24和太阳能电池接触区23。其中太阳能电池接触区23位于太阳能电池1上，无太阳能电池接触区24位于两个太阳能电池1之间，并且不接触太阳能电池1。连接功能层3不能设置在无太阳能电池接触区24，这是因为热电串联结构的温差区域为无太阳能电池接触区24，若在无太阳能电池接触区24涂敷其它导电材料、焊接材料等，则会影响热电电压VTE的输出。
连接功能层3的具体设置方式可以包括部分包覆和完全包覆两种。如图4a所示，连接功能层3设置在太阳能电池1和热电串联结构2之间，且部分包覆热电串联结构2的太阳能电池接触区23。如图4b所示，连接功能层3完全包覆热电串联结构2的太阳能电池接触区23。
连接功能层3的材料为低熔点、低电阻的金属焊接材料，优选为含锡合金，进一步优选为优选为锡银合金或锡铅合金。
实施例
实施例1
一种光伏-热电集成器件，结构如图4a和图5所示，包括两个太阳能电池1以及热电串联结构2，其中热电串联结构2将两个太阳能电池1串联。其中热电串联结构2的一端与其中一个太阳能电池1的正面电极(即朝向光照方向的电极)连接，热电串联结构2的另一端与另一个太阳能电池1的背面电极连接(即背向光照方向的电极)。
其中，太阳能电池1为182型P-PERC单晶硅电池。
热电串联结构2完全由金属性单壁碳纳米管纤维材料制成。金属性单壁碳纳米管纤维材料为N型热电材料，其塞贝克系数S＝60μV/K，电导率σ＝1×107S/m，功率因子PF＝36mW/mK2。
热电串联结构2包括依次连接的太阳能电池接触区23、无太阳能电池接触区24和太阳能电池接触区23。其中太阳能电池接触区23位于太阳能电池1上，无太阳能电池接触区24位于两个太阳能电池1之间，并且不接触太阳能电池1。连接功能层3如图4a所示，设置在太阳能电池1和热电串联结构2接触的部分，具体地，在太阳能电池接触区23涂覆锡银合金，以降低电阻并提高太阳能电池1和热电串联结构2之间的结合强度。
当太阳能电池1的正面和背面的温差为50K，单个太阳能电池1的输出电压为VPV＝690mV，输出功率PPV＝6600mW时，采用常规方法测试图1或图2中B点和C点之间电压，得到单片电池的电压增益VTE＝3mV。
当两片电池片之间的间隙为2mm时，则单片太阳能电池的功率增益PTE＝180mW，整体“光伏-热电集成器件”功率输出为Ptotal＝6780mW。
虽然上述电压和功率增益，与太阳能电池本身的输出电压和功率相比，相对较小。但考虑到上述增益仅为单个太阳能电池的增益，当应用于组件甚至是电站***时，该增益则不容忽视。
实施例2
一种光伏-热电集成器件，结构如图4b和图5所示，包括两个太阳能电池1以及热电串联结构2，其中热电串联结构2将两个太阳能电池1串联。其中热电串联结构2的一端与其中一个太阳能电池1的正面电极(即朝向光照方向的电极)连接，热电串联结构2的另一端与另一个太阳能电池1的背面电极连接(即背向光照方向的电极)。
其中，太阳能电池1为182型P-PERC单晶硅电池。
热电串联结构2完全由Cu2Se:Cu＝9:1(摩尔比)复合材料制成。Cu2Se:Cu＝9:1(摩尔比)复合材料的塞贝克系数S＝40μV/K，电导率σ＝2×107S/m，功率因子PF＝32mW/mK2。
热电串联结构2包括依次连接的太阳能电池接触区23、无太阳能电池接触区24和太阳能电池接触区23。其中太阳能电池接触区23位于太阳能电池1上，无太阳能电池接触区24位于两个太阳能电池1之间，并且不接触太阳能电池1。连接功能层3如图4b所示，设置在太阳能电池1和热电串联结构2接触的部分，具体地，在太阳能电池接触区23涂覆锡银合金，以降低电阻并提高太阳能电池1和热电串联结构2之间的结合强度。
当太阳能电池1的正面和背面的温差为50K，单个太阳能电池1的输出电压为VPV＝690mV，输出功率PPV＝6600mW时，采用常规方法测试图1或图2中B点和C点之间电压，得到单片电池的电压增益VTE＝2mV。
当两片电池片之间的间隙为2mm时，则单片太阳能电池的功率增益PTE＝160mW，整体“光伏-热电集成器件”功率输出为Ptotal＝6760mW。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处仅在于，太阳能电池1和热电串联结构2接触区域无锡银合金涂敷，即无连接功能层3，这种情况下，1和2处接触电阻较大，热电作用产生的功率增益PTE＝180mW会被接触电阻部分消耗，实际的功率增益PTE约为100mW。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处仅在于，热电串联结构2完全由目前常用的热电材料：Bi2Te3制成。Bi2Te3的塞贝克系数为170μV/K，比碳纳米管高。但是，其电导率太低，σ＝1.655×103S/m，比碳纳米管低4个数量级，功率因子PF＝1.7mW/mK2,最终导致光伏电池产生的电能大部分被其消耗，导致整体“光伏-热电集成器件”功率输出为Ptotal＝3000mW，小于实施例1的整体输出。
上述各实施例和对比例中热电串联结构采用的材料及其相应的性能如表1所示。
表1
Claims (10)
1.一种光伏-热电集成器件，其特征在于，所述光伏-热电集成器件包括第一太阳能电池、第二太阳能电池和热电串联结构，其中所述热电串联结构将所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池串联，所述热电串联结构包括热电材料区，所述热电材料区的电导率σ≥1×107S/m。
2.根据权利要求1所述的光伏-热电集成器件，其特征在于，所述热电材料区的塞贝克系数S≥30μV/K。
3.根据权利要求1所述的光伏-热电集成器件，其特征在于，所述热电材料区的功率因子PF≥9mW/mK2，优选PF≥15mW/mK2。
4.根据权利要求1所述的光伏-热电集成器件，其特征在于，所述热电材料区的材料为金属性碳纳米管纤维材料或Cu2Se-Cu复合材料。
5.根据权利要求1所述的光伏-热电集成器件，其特征在于，所述热电串联结构还包括导电材料区，其中热电材料区与所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池接触，并且与所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池接触部分的长度大于等于5mm。
6.根据权利要求1所述的光伏-热电集成器件，其特征在于，所述热电串联结构与所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池之间设置有连接功能层。
7.根据权利要求6所述的光伏-热电集成器件，其特征在于，所述连接功能层用于降低所述热电串联结构与所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池之间的接触电阻，包覆所述热电串联结构中与所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池接触的部分。
8.根据权利要求1所述的光伏-热电集成器件，其特征在于，形成所述连接功能层的材料优选为含锡合金，进一步优选为锡银合金或锡铅合金。
9.根据权利要求1所述的光伏-热电集成器件，其特征在于，所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池选自晶硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、或钙钛矿太阳能电池中的一种。
10.根据权利要求1所述的光伏-热电集成器件，其特征在于，所述热电串联结构的截面选自圆形、三角形、倒三角形、矩形中的一种。
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