Advances in hybrid solar photovoltaic and thermoelectric generators

• Priscilla Huen
• Walid A. Daoud^,
• School of Energy and Environment, City University of Hong Kong, Tat Chee Avenue, Kowloon, Hong Kong

Abstract

Development of renewable energies, particularly solar energy, is crucial for meeting future energy needs. Solar light and thermal energy can provide sufficient electricity needed in daily life. In this pursuit, photovoltaics and thermoelectrics have been developing for energy conversion. While photovoltaics mainly convert the UV and visible regions of the solar spectrum, thermoelectrics utilize the IR region. Combining the photovoltaic and thermoelectric effects can extend the effective spectrum range. In recent years, there have been studies on hybrid photovoltaic/thermoelectric systems toward improved conversion efficiency. This review intends to discuss the underlying concepts of photovoltaics and thermoelectrics and summarizes the current research accomplishments and the various approaches used to optimize hybrid photovoltaic/thermoelectric systems. As such, this review encourages further research into hybrid generators due to the promising results achieved. Future prospects and suggestions of potential approaches for further development of these generators are also discussed.

Keywords：Solar energy; Photovoltaic; Solar cell; Thermoelectric; Hybrid system

1. Introduction

There is an urgent need for the growth of energy supply from renewable energy resources. In the future, the rising energy demand cannot be fulfilled with the limited and depleting fossil fuels only. On the other hand, renewable energy resources are more ecofriendly and pose far less impact on climate change and air pollution. Therefore, there is a current trend toward switching from fossil fuels to renewable resources such as solar energy. Solar energy in the form of light and heat can be used directly or converted into electricity. This review focuses on photovoltaic/thermoelectric hybrid systems that can utilize both light and thermal energies of the solar radiation.

1.1. Development of photovoltaics

A solar cell, also known as photovoltaic cell, is a device that converts light energy into electricity based on the photovoltaic effect that was first discovered in 1839 by A.E. Becquerel. However, the first practical silicon solar cell with a p-n junction was developed in 1954 by Chapin et al. Since then, researchers have been investigating more efficient and cost-effective ways of converting sunlight to electricity.

Conventional solar cells are made of silicon wafers with conversion efficiency of about 6% when they were first manufactured. According to the National Renewable Energy Laboratory (NREL), modern silicon solar cell can reach up to 25% efficiency. The theoretical maximum efficiency of a single junction solar cell is about 31%, which is known as the Shockley–Queisser limit.A monocrystalline silicon solar cell has higher efficiency but also higher cost than a polycrystalline silicon cell. Other than bulk silicon cells, there are also thin film solar cells. A thin film refers to a layer of material whose thickness is within few micrometers. Cadmium telluride (CdTe), copper indium gallium selenide (CIGS) and amorphous silicon (a-Si) are common types of thin film solar cells which usually have a positive-intrinsic-negative (p-i-n) layer structure and are coated with a transparent conducting oxide (TCO). Thin film technology has several advantages; it can lower the fabrication cost by reducing the amount of material. It also uses lower deposition temperatures when compared to conventional silicon solar cells. Recently, it has also been used in tandem solar cells. Organic solar cells is another class of thin film solar cell. Although there are various types of organic solar cells, they all involve large conjugated systems with localized pi-electrons. Organic materials are more flexible and less expensive than single crystal silicon. Organic solar cells require simpler manufacture processing and so lower cost. However, they have relatively lower efficiency than their inorganic counterparts. They are usually used in small devices such as watches and calculators. In 1991, Grauml;tzel and ORegan developed a cost-effective dye-sensitized solar cell (DSSC). The overall conversion efficiency of the DSSC was 12% under diffuse sunlight. DSSC is typically composed of an electron acceptor semiconductor oxide film coated with a layer of a charge-transfer dye and a liquid iodide/triiodide electrolyte . Recent research of DSSC focuses on solid-state electrolyte and long term stability.

Traditional solar cells are single junction solar cells. These cells can only convert a specific region of solar radiation according to the active material used. In order to utilize the wider solar spectrum range and increase the efficiency, multijunction solar cells have been developed. A multijunction solar cell is a third-generation cell that can go beyond the Shockley–Queisser limit as it consists of various junctions. The absorption spectrum is divided into regions where each region is absorbed by a particular junction. The highest efficiency achieved to date is 46.0% [8]. Apart from multijunction solar cells, quantum dot solar cells represent another class of third-generation cells that is receiving growing attention. A quantum dot (QD) is typically a nanoparticle with strong optical absorption and light weight. The main advantage is that the band gap can be tuned by changing the size of the QD . In addition; multiple electron-hole pairs can be generated by a single photon vi

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混合太阳能光伏和热电发电机的进展

摘要

开发可再生能源，特别是太阳能，对于满足未来的能源需求至关重要。太阳光和热能可以在日常生活中提供足够的电力。在这一追求中，光伏和热电已经开始用于能量转换。虽然光伏主要是将太阳光谱的紫外和可见光区转换成热电，但利用红外区域。结合光伏和热电效应可以延长有效的光谱范围。近年来，已经开始研究混合光伏/热电系统，以提高转换效率。本综述旨在讨论光伏和热电的基本概念，并总结了当前的研究成果以及用于优化混合光伏/热电系统的各种方法。因此，由于取得了有希望的成果，本次审查鼓励对混合发电机进行进一步研究。还讨论了对这些发电机进一步开发的潜在方法的未来前景和建议。

关键词：太阳能，光伏，太阳能电池，热电，混合系统

简介

迫切需要可再生能源的能源供应增长。未来，只有有限和耗尽的化石燃料才能满足不断上升的能源需求。另一方面，可再生能源资源更加环保，对气候变化和空气污染影响较小。因此，目前从化石燃料转向可再生能源如太阳能的趋势是现在的趋势。光和热的形式的太阳能可以直接使用或转换成电。该评论的重点是可以利用太阳辐射的光能和热能的光伏/热电混合系统。

1.1光伏发电技术发展

一个太阳能电池也被称为光伏电池，是一种基于1839年由A.E.Bcquerel首次发现的光电效应将光能转化为电能的装置。然而，第一个具有p-n结的实用硅太阳能电池在1954年由Chapin等人开发。从那时起，研究人员一直在研究将阳光转化为电力的更有效和经济高效的方法。

常规的太阳能电池由硅晶片制成，其转换效率首次制造时约为6％。据国家可再生能源实验室（NREL）称，现代硅太阳能电池的效率可达25％。单结太阳能电池的理论最大效率约为31％，这被称为Shockley-Queisser极限。单晶硅太阳能电池具有比多晶硅电池更高的效率，但成本也更高。除了体积硅电池之外，还有薄膜太阳能电池。薄膜是指厚度在几微米内的材料层。碲化镉（CdTe），铜铟镓硒（CIGS）和非晶硅（a-Si）是普通类型的薄膜太阳能电池，其通常具有正的本征负极（pin）层结构，并且涂覆有透明导电氧化物（TCO）。薄膜技术有几个优点，它可以通过减少材料的数量来降低制造成本。与传统的硅太阳能电池相比，它也具有较低的沉积温度。最近，它也被用于串联太阳能电池。有机太阳能电池是另一类薄膜太阳能电池。尽管存在各种类型的有机太阳能电池，但它们都涉及具有局部pi;电子的大型共轭体系。有机材料比单晶硅更灵活和更便宜。有机太阳能电池需要更简单的制造加工，成本更低。但是，它们的效率比无机物相对较低。它们通常用于小型设备，如手表和计算器。 1991年，Grauml;tzel和ORegan开发了一种性价比高的染料敏化太阳能电池（DSSC）。在广泛的阳光下，DSSC的整体转换效率为12％。 DSSC通常由涂覆有电荷转移染料层和碘化碘/三碘化物电解质层的电子受体半导体氧化膜组成。 DSSC的最新研究重点是固态电解质和长期稳定性。传统的太阳能电池是单结太阳能电池。这些细胞只能根据所使用的活性物质转换特定的太阳辐射区域。为了利用更广泛的太阳光谱范围并提高效率，已经开发了多结太阳能电池。多功能太阳能电池是第三代电池，可以超越Shockley-Queisser极限，因为它包含各种路口。吸收光谱分为区域，其中每个区域被特定的结点吸收。迄今达到的最高效率为46.0％[8]。量子点太阳能电池除了多结太阳能电池外，还代表了另一类第三代电池，受到越来越多的关注。量子点（QD）通常是具有强光吸收和重量轻的纳米颗粒。主要优点是可以通过改变QD的尺寸来调整带隙。此外，通过碰撞电离可以通过单个光子产生多个电子 - 空穴对，这为QD太阳能电池提供了高转换效率。

1.1.1光伏工作原理

传统的p-n结和激子太阳能电池具有不同的工作原理。常规光伏由p型和n型半导体组成。当吸收的能量等于或大于半导体的带隙能量时，电子从价带被延伸到导带，留下孔。当生成的电子 - 空穴对扩散到p型和n型材料的界面时，由于安装电场，它们在p-n结处分离。电子向负极移动，孔移动到正极。电子然后在外部电路中流动，因此产生电流（图1a）。在转换过程中，由于电荷重组或衰减而导致损耗。兴奋性太阳能电池主要是有机太阳能电池，如DSSC。激发光太阳能电池不是产生自由电子 - 空穴对而是在光吸收时产生激子。激子是由静电力保持的一对电子和空穴。由于许多光伏/热电混合设备是基于DSSC的，所以以DSSC类型为例。在DSSC中，染料吸收太阳辐射的特定区域并产生激子。然后将这些激子在染料和电子受体氧化物半导体如二氧化钛（TiO 2）之间的界面处分离。然后将电子注入氧化物的导带并扩散到连接电极。然后通过从电解质中接收电子来再生染料（图1b）]。

1.2发展热电

热电元件是能够将热量转换为电力的装置，反之亦然。温度差异直接转换为电，被称为塞维克效应，由1872年由托马斯·塞贝克（Thomas Seebeck）发现。它表示当两种不同材料之间存在温差时，会产生与温差成正比的电位差。在1834年，13年后，Jean-Charles Peltier发现了一个名为Peltier效应的相关效果。当存在通过两种不同材料的接合点的电流时，根据电流的方向，热量在接点处被吸收或释放。

塞贝克效应和珀尔帖效应分别是热电发电和制冷系统的基本概念。放射性同位素热电发电机目前用于太空任务[11]。已经提出在下一代车辆中的应用来捕获从发动机排出的废热[11]。热电制冷系统通常用于局部和小型冷却，如空调和冰箱。第一个太阳能热电发电机（STEG）是在1954年由Telkes开发的[12]。平板STEG的最大效率为0.63％[13]。过去，STEG的转换效率低，只有少量应用。20世纪90年代以前，热电器件主要由散热电材料组成，几乎没有改进。 2011年，Kraemer等开发了一种有前途的平板式STEG，效率高出几倍。碲化铋（Bi2Te3）是最常见的热电材料之一，因为它在室温下具有很高的品质因数。近来，对纳米结构材料和声子玻璃 - 电子晶体材料等新型热电材料进行了研究。

1.2.1热电工作原理

热电装置由许多并联电连接并且热并联的热电偶制成。热电对由p型（空穴载体）和n型（电子载流子）半导体材料组成。当热电装置用作发电机（TEG）时，它连接到外部负载。温度差导致电子和空穴由于密度的差异而从热到另一个单独移动（图2a）。电子和空穴最终在装置的冷端重组。此过程产生潜在差异并驱动通过设备的电流。热电冷却器的工作原理与热电发电机的工作原理相反，热电冷却器与电源而不是外部负载连接（图2b）。 TEG的热电效率（eta;TE）由下式给出。eta;TE=eta;C（1 ZT-11 ZT TcTH）

其中ZT是品质因数，eta;C是卡诺效率，TC是冷侧的温度，TH是热侧的温度。温度梯度对于TEG维持密度差是至关重要的，因此需要冷却装置。否则，TEG的双方将在一段时间后达到热平衡。

1.3发展混合光伏/热电系统

最近，已经有几项研究结合不同的能源，如光，热，波和声，以提高转换性能[16]。例如，DSSC和ZnO纳米发生器的混合系统将光和机械能转换为电能。这篇综述文章主要关注混合光伏/热电（PV / TE）器件，其结合光和热能。当光伏器件暴露于阳光下时，并非所有的太阳辐射都被光学活性物质吸收。相反，由非光学活性物质吸收的能量被转化为热量。如果热能可以转换为电，这大大提高了转换性能。另一方面，光伏更可能利用太阳光谱（200-800nm）的紫外和可见光区域，而热电利用红外区域（800-3000nm）[18]。迄今为止，大多数研究集中在提高太阳能电池的效率，同时不太注重太阳能电池的使用寿命。热电装置不仅增加了能量转换效率，而且还使电池的温度升高和加热最小化。因此，当与热电装置组合时，太阳能电池的寿命可以延长。PV / TE混合设备的工作原理与在相同条件下单独工作的PV和TEG模块相同。

2. PV / TE混合动力系统

所有PV / TE混合设备由PV模块，TEG和冷却系统组成，其中添加或修改不同组件以优化设备性能。设备的总功率输出是PV模块和TEG的功率输出之和。一般来说，PV / TE混合器件有两种设计：有和没有反射组件。

2.1带反光组件

这些PV / TE混合器件具有反射分量，例如频谱分离器或棱镜，其中PV模块和TEG垂直放置。当阳光从顶部照射设备时，太阳辐射的一部分被分离器以特定波长反射，所谓的截止波长。长于截止波长的辐射被反射到TEG，而短于截止波长的那些则通过分流器传输并被PV模块吸收，如图3所示。TEG上安装了一个冷却系统，以保持温差。光伏组件和TEG独立工作，将太阳能转化为电力。

2.2没有反光组件

在这些设备中，PV模块和TEG以并行方式放置。由于PV模块主要吸收较短的波长（可见光区和UV区），TEG吸收较长的波长（IR区），所以PV模块通常配置为上部分量，TEG作为下部分量，如图3所示，散热器放置在TEG的背面，以将温度保持在低温。在太阳辐射下，PV模块吸收紫外线和可见光，而其余的辐射通过PV模块传输到下面的TEG。红外辐射加热了TEG顶部，产生与冷侧的温差。3.目前PV / TE的研究

研究已经在使用不同的方法来优化PV / TE系统。各种系统的性能总结在表1中。各种PV / TE系统的总体性能。

3.1混合系统的优化

3.1.1吸收密度

浓缩器可以在减小的表面积中增加光强度。因此，可以降低制造成本，同时保持电池效率。集中器可以安装在PV模块上方，也可以安装在PV模块和TEG之间[35]。以前的设计，称为集中光伏，可以集中太阳辐射被PV模块吸收并将其转换为电力。后一种设计仅适用于没有反射组件的设备，其中集中器在通过PV模块之后收集并集中余下的太阳辐射在TEG的热侧。

涂层光吸收剂是增加光吸收的另一种方法。在IR区域具有低反射率的太阳能吸收器（SSA）有助于将阳光转化为热量，从而提高TEG的转换效率。具有和不具有SSA的DSSC / TEG混合动力系统的效率分别为13.8％和12.8％。 Lorenzi等人表明具有吸收层的混合系统可能具有超过单结电池的Shockley-Queisser极限的效率[36]。化学转化石墨烯（CCG）是TEG的理想光吸收体，由于其强的光吸收能力和低成本。此外，它具有高导热性，有利于热传递到TEG。浓缩器和SSA的浓度比的增加导致更大的温差，其中PV / TE混合系统的效率随着浓度比的增加而增加到一定水平。然而，当浓度比超过最佳比例时，器件温度和电阻增加，从而降低了转换效率，特别是PV模块。因此，在设计混合动力系统时，应考虑最佳的浓度比范围。

3.1.2频谱分裂

频谱分裂对于高度集中的太阳能系统特别有利，其中不同的太阳辐射区域被引导到PV和TEG。这允许低的工作温度，从而使转换效率最大化。分流器的截止波长与PV模块的光采集材料的带隙相关联。因此，应根据混合动力系统的材料选择分光器，如二向色分离器。截止波长可以从PV和TEG的光谱转换效率的交点确定，其在不同截止波长处显示不同的能量贡献。当截止波长在850-950nm之间时，获得GaAs-CoSb3混合系统的最大功率输出。

3.1.3材料设计

热电材料的品质因数（ZT）由下式给出：其中S为塞贝克系数，sigma;为电导率，热导率为T，绝对温度为T。半导体在不同温度下具有不同的ZT值。因此，热电材料的选择取决于工作温度。例如，在500K以下的碲化铋（Bi2Te3），500-900K之间的碲化铅（PbTe）和高于900K的锗 - 硅基固溶体（Ge-Si）。效率也受到存在的热电材料的浓度的影响。存在最佳水平，其中较高百分比的热电材料不一定意味着更高的效率。 Chen et al。研究了以四种不同浓度（0％，0.34％，0.89％和1.78％）掺入Bi2Te3纳米板的DSSC的性能[23]具有第二高Bi2Te3浓度（0.89％）的器件具有最高的功率转换效率。除了转换效率，更高百分比的热电材料降低了器件温度，从而延长了器件的使用寿命。然而，该装置不包括冷却系统，因此在经过一段时间的操作之后，装置将达到热平衡，并且不再存在温度梯度。但是，器件的性能只能评估150分钟。虽然在此期间，具有0.89％Bi2Te3的器件的转换效率保持稳定，但不清楚器件的稳定性在较长时间内会如何受到影响。此外，器件在此期间保持其输出的能力表明，效率的提高可能与Bi2Te3的增加的光吸收相关，而不是热电效应。

3.1.4结构修改

郭等研究了DSSC和TEG的不同连接配置对器件性能的影响[24]。将DSSC和TEG模块堆叠（HTC1）或串联连接（HTC2）。还有三种DSSC的配置进一步改进，全平行，两系列三系列。由于两个组件不匹配，HTC1的最大功率输出高于HTC2。当串联连接时，电流受到较小电流的限制。与其他配置相比，两个系列模式导致最高的功率输出。这可能表明DSSC在两个系列下的输出电流接近于最大功率点（MPP）下的TEG的输出电流，其中两个组件可以在各自的MPP下工作。热电元件的长度影响整体效率。虽然传输的热量与长度成反比，但电阻与长度成正比，但是实现最大效率的最佳长度。Mizoshiri等设计了薄膜TEG模块，并使用

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