来源 | Advanced Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adma.202502542

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背景介绍

将太阳光子直接转化为目标能量形式，仍然是可持续能源研究中的一个关键挑战。阳光的波长范围很广，从300到2500纳米，对应的光子能量在4.2到0.5电子伏特之间。通过策略性地操控光子转换和传输过程，已经出现了一些变革性的技术来利用太阳能，包括用于发电的光伏技术、用于光发射的光致发光、用于热管理的辐射冷却（RC）和太阳能加热系统，以及用于可持续燃料生产的生物燃料。开发具有光谱工程特性的材料，以选择性地利用特定能量水平的太阳光子，用于特定应用，提供了一条提高能源转换效率的可行途径，以应对日益增长的全球能源需求。但是，光伏和辐射冷却（RC）系统在利用太阳能光子时存在光谱不匹配问题。PV面板无法有效利用长波长光子，导致非光伏热量损失；而RC系统反射大量太阳辐射，造成能量浪费，无法充分利用太阳能。

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成果掠影

近日，香港理工大学吕琳团队开发了一种具有光谱选择性反射率的光致发光RC涂层，并将其与双面光伏组件集成。RC涂层的高反射率将光子引导至光伏组件的背面，而其光谱选择性优化了到达背面光子的能量分布，从而使双面光伏系统的总输出功率提高了32%。此外，光致发光材料的加入使得吸收的光子通过抑制非辐射跃迁转换为发光而不是热量。这减少了14%的有效太阳吸收，并增强了辐射冷却性能。研究成果以“Spectrally Engineered Coatings for Steering the Solar Photons”为题发表在《Advanced Materials》期刊。

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图文导读

图1.用于能量收集的光谱工程辐射冷却涂层的概念。a) 理想光谱工程涂层的谱特性；b) 光谱工程涂层与双面光伏（biPV）组件集成的示意图；c) 完全反射涂层与选择性反射涂层对双面光伏组件背面反射太阳辐射的比较；d) 选择性发射体与宽带发射体之间的辐射冷却功率（Prad）比较。

图2.改性辐射冷却涂层的表征。a)改性RC涂层的反射率和发射率谱；b)改性RC涂层扫描电镜图像；c)改性RC涂层在激发光下的光致发光； d)改性RC涂层在紫外光激发下的发射光谱；e)改性RC涂层的光致发光量子产率（PLQY）；f) RC涂层与单一荧光粉的PL寿命比较；g)吸收的紫外光的光谱辐照度转化率，红色是转化为热的部分，蓝色是转化为光的部分；h) 400-700 nm的光谱辐照度，红色为涂层反射太阳辐射的增强，蓝色为额外光致发光的增强；i)具有光致发光的RC涂层的实测反射率（红线）和有效太阳反射率（蓝线），橘黄色为AM1.5光谱辐照度。

图3.辐射冷却与太阳能发电同步实验装置。a)实验装置示意图及照片；b) 2024年8月8日至8月9日香港露天屋顶的天气情况；c)实验装置热像图，电池间温度分布均匀；d)混凝土屋面（红线）、RC涂层加光致发光材料（蓝线）、RC涂层（绿线）的温度对比；e)BIPV-RC与BIPV-混凝土屋顶前后面的PV辐照度比较；f)两系统光伏板的最大功率点，中部为功率增益；g)与BIPV-混凝土屋顶相比，BIPV-RC系统的增强功率输出随GHI强度的变化趋势；h)BIPV-RC和BIPV的I-V曲线。

图4.不同地区BIPV-RC的性能评价。a)香港每年不同安装角度的太阳能发电量；b)香港不同安装角度的屋顶每年节电量；c、d)固定间距（d = 2m）和固定长度（L = 2m）下光伏板不同安装高度下的发电量与节电量变化；e、f)固定高度（H = 1.5）和固定长度（L = 2m）光伏板不同安装间距下发电量与节电量变化；g)在中国各地区太阳能年发电量比较；h)与混凝土屋顶相比，辐射冷却每年节省的电力；i) 单独PV-混凝土屋顶、BIPV-混凝土屋顶、BIPV-RC屋顶在不同地区的太阳能输出；j)三种屋顶在不同地区每年节省的电力比较。