北京科技大學王存海/劉敬崇Appl. Phys. Lett.：三波段調制透明輻射冷卻膜提升太陽能電池性能

太陽能電池（SC）在工作過程中，只有部分入射光子被轉化為電能，其余光子會轉化為廢熱，導致器件溫度升高、轉換效率下降。有研究表明，每升高1 °C，相對轉換效率平均下降約 0.45%；溫度上升10 °C，老化速率接近翻倍。被動輻射冷卻技術通過將熱量以中紅外形式發射至外太空，無需額外能耗，為太陽能電池降溫提供了理想方案。然而，目前應用于太陽能電池的輻射冷卻封裝材料，通常允許整個太陽光譜全部透過，這使得無法用于發電的亞帶隙光子也被吸收，產生嚴重的寄生加熱，反而加劇了熱負荷。為解決這一問題，本文提出了一種三波段調制薄膜（TMF），在有效光子波段（0.38 – 1.1 μm）具有90.1%的高透射率，在亞帶隙波段（1.1 – 4.0 μm）具有81.3%的高反射率，并在長波紅外波段（6 – 20 μm）具有0.95的高發射率。通過理論分析，該薄膜可將太陽能電池工作溫度較玻璃封裝降低6.13 K，較裸電池降低15.36 K，相對光電轉換效率提升2.40%，日輸出功率提高4.55%。本工作為太陽能電池提供了一種基于全光譜調控的高效熱管理策略。相關成果以A visibly clear radiative cooling film with high sub-bandgap reflectance for enhancing solar cell performance為題發表于Appl. Phys. Lett.期刊。

太陽能電池在工作過程中會因吸收未轉化光子而產生廢熱，導致溫度升高、效率下降，如圖1a所示。在不消耗額外能量的前提下，可在裸電池表面覆蓋光譜選擇性輻射散熱器（圖1b），實現被動降溫。對單晶硅太陽能電池而言，理想光譜需滿足：在0.38–1.1 μm完全透射以保證發電，在1.1–4 μm完全反射以避免寄生加熱，在4–20 μm完全發射以高效散熱（圖1c）。因此，設計一種能夠同時滿足這三波段調控需求的薄膜，是提升太陽能電池性能的關鍵。

圖1：用于太陽能電池的三波段調制輻射器。(a)裸太陽能電池；(b)覆蓋三波段調制薄膜的太陽能電池；(c)理想輻射器用于太陽能電池的光譜輻射特性

圖2展示了本文提出的三波段調制薄膜（TMF）的結構與光譜性能。該薄膜由PDMS、SiO2、MgF2、TiO2和Ag等多層材料堆疊而成（圖2a），各層協同實現光譜選擇性調控。如圖2b所示，TMF在有效光子波段（0.38 – 1.1 μm）的平均透射率達90.1%，確保發電所需光子高效透過；在亞帶隙波段（1.1 – 4 μm）的平均反射率達81.3%，可有效抑制寄生加熱。同時，TMF在長波紅外波段（8 – 20 μm）的平均發射率為0.95（圖2c），具備優異的輻射散熱能力。與已報道的雙波段和三波段輻射調制器相比（圖2d），本工作實現了平衡的三波段性能，在太陽能電池熱管理方面具有明顯優勢。

圖2：TMF的結構與光譜性能。(a) TMF的光譜選擇性與結構；(b) TMF在太陽光譜范圍內的光譜透射率和反射率；(c) TMF在長波紅外的發射率；(d)本工作TMF與其他已報道工作的光譜性能對比

基于圖3a建立的熱傳遞模型，計算了裸電池、玻璃封裝、TMF封裝以及理想調制器封裝電池在不同溫度下的凈冷卻功率（圖3b）。在330 K時，TMF封裝的凈冷卻功率為93.96 W·m–2，而玻璃封裝和裸電池分別為–0.65 W·m?2和–141.03 W·m–2，表明TMF具備顯著的輻射散熱能力。對應的平衡溫度如圖3c所示，TMF封裝電池為323.91 K，比玻璃封裝和裸電池分別低6.13 K和15.36 K。這一降溫優勢直接轉化為光電效率的提升， TMF封裝電池的效率可達19.17%，較裸電池絕對提升1.13%、相對提升6.26%（圖3d）。

圖3：TMF在降溫和提升太陽能電池效率方面的性能。(a)典型太陽能電池的熱傳遞模型；(b)裸電池、玻璃封裝電池、TMF封裝電池及理想調制器封裝電池的凈冷卻功率隨電池溫度的變化；(c)不同太陽能電池的平衡溫度；(d)不同太陽能電池的光電效率

實際應用中，太陽入射方向隨時間變化（圖4a），因此需考察TMF的方向魯棒性。圖4b展示了不同入射角（0°、30°、60°）下TMF在0.38 – 4.0 μm波段的光譜特性。結果顯示，在–60°至60°范圍內，有效光子波段的平均透射率仍高于90.53%，亞帶隙波段的平均反射率保持在77.25%以上，說明TMF在不同入射角度下均能有效傳輸發電光子并抑制寄生加熱。同時，長波紅外波段的發射率也表現出良好的角度穩定性（圖4c）。進一步模擬不同入射角度下的電池溫度（圖4d）表明，無論太陽光從哪個方向入射，TMF均能穩定實現降溫效果。

圖4：本工作TMF的方向魯棒性。(a)太陽能電池受定向太陽輻照的示意圖；(b)本工作TMF在0.38–4.0 μm范圍內的透射率和反射率；(c) TMF在8–20 μm長波紅外范圍內的發射率；(d)不同入射角度（0°、30°、60°）下TMF相對于裸電池的降溫量隨環境溫度的變化

為評估TMF在真實天氣條件下的性能，研究團隊在北京（39.95°N, 116.30°E）實測了逐時的環境溫度與太陽輻照度，并導入熱模型計算電池工作溫度與效率。圖5a展示了2025年5月29日8:00至16:00的實測環境參數及對應的模擬溫度。正午輻照度峰值時段，玻璃封裝和裸電池的模擬溫度分別達到332.00 K和341.32 K，而TMF封裝電池僅為326.10 K，較裸電池低15.22 K。圖5b給出了相應的光電效率模擬結果，TMF封裝電池在午間仍保持19.05%的平均效率。圖5c進一步對比了三個不同天氣條件下的日輸出功率，TMF封裝電池始終最高：在強日照日輸出0.21 kWh·m–2，較玻璃封裝提升1.97%，較裸電池提升4.55%。上述結果驗證了TMF在實際氣象條件下的穩定降溫與增效能力。

圖5：本工作TMF提升太陽能電池性能的驗證。(a)不同太陽能電池的模擬溫度分布，環境溫度與太陽輻照度來自實驗實測；(b)不同太陽能電池的模擬光電效率；(c)不同太陽能電池的模擬日輸出功率

小結：本文針對現有太陽能電池輻射冷卻封裝材料無法反射亞帶隙光子、導致寄生加熱的問題，提出了一種三波段調制薄膜（TMF），在有效光子波段（0.38 – 1.1 μm）實現90.1%的高透射，在亞帶隙波段（1.1 – 4.0 μm）實現81.3%的高反射，并在長波紅外波段（6 – 20 μm）實現0.95的高發射。研究表明，在標準太陽輻照下，TMF封裝電池較玻璃封裝和裸電池分別降溫6.13 K和15.36 K，相對光電轉換效率分別提升2.40%和6.26%。在北京實際天氣條件下，TMF將裸電池溫度降低15.22 K，日輸出功率提高4.55%。此外，該薄膜在±60°入射角范圍內性能穩定，具備良好的方向魯棒性。通過全光譜協同調控，本研究為提升太陽能電池性能提供了一種高效、被動式的熱管理策略。

論文信息Wang C*, Wei J, Chen H, Liu J*. A visibly clear radiative cooling film with high sub-bandgap reflectance for enhancing solar cell performance. Appl. Phys. Lett., 2026; 128: 242201. https://doi.org/10.1063/5.0326661.

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